Giáo trình mô đun Kỹ thuật cảm biến (Nghề Điện Công nghiệp - Trình độ cao đẳng) – CĐ Kỹ thuật Công nghệ BR–VT

Giáo trình mô đun Kỹ thuật cảm biến trang bị cho người học những kiến thức cơ bản về cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật của các loại cảm biến; nguyên lý hoạt động của mạch điện dùng cảm biến nhiệt, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang; các lỗi do cảm biến trong mạch điện ứng dụng cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận.

BM/QT10/P.ĐTSV/04/04 Ban hành lần: UBND TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 297/QĐ-CĐKTCN ngày 24 tháng 08 năm 2020 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ BR – VT) BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập nghiên cứu cho giảng viên sinh viên nghề Điện công nghiệp trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu Chúng thực biên soạn tài liệu Kỹ thuật cảm biến Tài liệu biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy học tập, lưu hành nội nhà trường nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Cùng với phát triển khơng ngừng lĩnh vực tự động hóa, ngày cảm biến ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp đời sống Các cảm biến ngày hoàn thiện với nguyên lý mới, vật liệu kỹ thuật chế tạo gọn, nhỏ, mỏng Vì vậy, tìm hiểu cảm biến mơn học bắt buộc nhiều trường đào tạo khối kỹ thuật, đặc biệt đào tạo ngành thuộc ngành điện như: Điện cơng nghiệp, điện tử tự động hóa Cuốn giáo trình “Kỹ thuật cảm biến” biên soạn cho sinh viên trình độ cao đẳng nghề Nên đưa loại cảm biến thông dụng Mỗi cảm biến đề cập đến nét khái quát chung, nguyên lý cấu tạo, nguyên lý làm việc đặt trưng Mặc dù có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong muốn độc giả góp ý trao đổi, để bổ sung cho giáo trình sau hoàn thiện Bà Ria – Vũng Tàu, ngày tháng năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên - Đoàn Trung Tắng MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG BỘ CẢM BIẾN Khái niệm cảm biến .6 Phạm vi ứng dụng Phân loại cảm biến .7 BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Đại cương 1.1 Thang đo nhiệt độ 1.2 Nhiệt độ cần đo nhiệt độ đo Cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở 2.1 Nhiệt điện trở kim loại (PTR NTR) .9 2.2 Nhiệt điện trở với Platin Nickel 10 2.3 Nhiệt điện trở Oxit kim loại (NTC, PTC) 13 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM34/LM35 13 3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc 13 3.2 Sơ đồ kết nối 14 3.3 Đặc điểm 16 Cảm biến nhiệt kế xạ 16 Ứng dụng cảm biến nhiệt độ .17 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN 19 Khái niệm chung 19 1.1 Đặc điểm 19 1.2 Các thuật ngữ thường dùng .19 Cảm biến tiệm cận điện cảm .21 2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động .21 2.2 Đặc tính kỹ thuật .21 2.3 Sơ đồ kết nối cảm biến 22 2.4 Ứng dụng 23 2.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm 24 Cảm biến tiệm cận điện dung 26 3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động .26 3.2 Đặc tính kỹ thuật .26 3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến 27 3.4 Ứng dụng cảm biến điện dung 29 3.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm 29 BÀI 4: KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN 32 Đại cương 32 1.1 Cấu trúc chung 32 1.2 Nguyên tắc hoạt động 33 1.3 Phân loại cảm biến quang điện 34 1.4 Các chế độ hoạt động cảm biến quang điện 35 1.5 Yêu cầu lắp đặt cảm biến 36 Cảm biến quang thu phát độc lập 37 2.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động 37 2.2 Đặc tính kỹ thuật .38 2.3 Sơ đồ kết nối 38 2.4 Ứng dụng 39 2.5 Lắp mạch điện 40 Cảm biến quang phản xạ gương 41 3.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động 41 3.2 Đặc tính kỹ thuật .42 3.3 Sơ đồ kết nối 42 3.4 Ứng dụng cảm biến quang loại phản xạ gương .43 3.5 Lắp đặt mạch điện 47 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán 47 4.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động 47 4.2 Đặc tính kỹ thuật .48 4.3 Sơ đồ kết nối 48 4.4 Ứng dụng 49 4.5 Lắp mạch điện 50 BÀI 5: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VÀ GÓC QUAY 52 Các phương pháp đo vận tốc vòng quay 52 1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ (analog) .52 1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung (Digital) 52 Cảm biến đo vận tốc vòng quay phương pháp analog 52 2.1 Tốc độ kế chiều (Máy phát tốc DC) 52 2.2 Tốc độ kế xoay chiều (Máy phát tốc AC) 53 Cảm biến đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 54 3.1 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa 54 3.2 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tương đối 55 3.3 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tuyệt đối 57 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ .59 4.1 Các đại lượng liên quan 59 4.2 Cảm biến điện trở từ 60 Ứng dụng 62 Lắp mạch đo vận độ góc quay dùng Encoder .64 6.1 Thiết bị 64 6.2 Trình tự thực 78 BÀI 6: CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC 80 Cảm biến siêu âm 80 1.1 Cấu trúc 80 1.2 Nguyên lý hoạt động 80 1.3 Ưu, nhược điểm .81 1.4 Ứng dụng 81 Cảm biến màu sắc 82 2.1 Cấu trúc 82 2.2 Nguyên tắc hoạt động 82 2.3 Đặc điểm 82 2.4 Ứng dụng 82 Cảm biến trọng lượng Load cell 84 3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động .84 3.2 Phân loại 85 3.3 Loadcells tương tự Loadcells số 86 3.4 Ứng dụng 88 Cảm biến lưu lượng 88 4.1 Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất .89 4.2 Cảm biến lưu lượng điện từ .91 Cảm biến áp suất .92 5.1 Khái niệm 92 5.2 Nguyên lý đo áp suất 93 5.3 Ứng dụng 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơn học/mơ đun: Kỹ thuật cảm biến Mã môn học/mô đun: MĐ19 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun - Vị trí: Mơ đun phải học sau mô đun Mạch điện, Điện tử bản, Đo lường điện, Trang bị điện học trước mơ đun PLC - Tính chất: Là mơđun chun môn bắt buộc nghề Điện công nghiệp hệ cao đẳng trung cấp - Ý nghĩa vai trò môn học/mô đun: Mô đun trang bị cho học viên kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế loại cảm biến…với kiến thức học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn học khác PLC, Điều khiển điện – khí nén … Mục tiêu mơn học/mơ đun: - Về kiến thức: + Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật loại cảm biến + Phân tích nguyên lý hoạt động mạch điện dùng cảm biến nhiệt, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang + Nhận biết lỗi cảm biến mạch điện ứng dụng cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận - Về kỹ năng: + Lựa chọn cảm biến phù hợp cho dây chuyền sản xuất tự động + Vẽ sơ đồ mạch ứng dụng cảm biến nhiệt độ cảm biến quang, cảm biến tiệm cận + Lắp đặt, đấu nối loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang, Encoder - Về lực tự chủ trách nhiệm: Người học có khả làm việc độc lập làm nhóm, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn học tập rèn luyện, có ý thực tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm công việc Nội dung môn học/mô đun: BÀI ĐẠI CƯƠNG BỘ CẢM BIẾN Giới thiệu Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt Cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều hãng sản xuất, giúp người nhận biết q trình làm việc tự động máy móc tự động hố cơng nghiệp Cảm biến làm nên cách mạng cho thông minh thiết bị máy móc Mục tiêu - Trình bày cấu tạo, đặc tính ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn - Lắp đặt mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính cẩn thận, kỹ làm việc nhóm Nội dung Khái niệm cảm biến Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa giác quan – giác quan thể người Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện thu nhân thơng tin từ bên ngồi Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động tự động hiển thị thông tin đại lượng cảm nhận hay điều khiển q trình định trước có khả thay đổi cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động Để dễ hiểu so sánh cảm nhận cảm biến qua giác quan người sau: giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến Thị giác Ánh sáng, hình dạng, kích Cảm biến thu hình, cảm biến thước, vị trí xa gần, màu sắc quang Xúc giác Áp suất, nhiệt độ, đau, Nhiệt trở, cảm biến tiệm cận, tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô cảm biến độ rung động Vị giác Ngọt, mặn, chua cay, béo Đo lượng đường máu Thính giác Âm rầm bổng, sóng âm, âm Cảm biến sóng siêu âm, lượng mi-cro Khứu giác Mùi chất khí, chất Đo độ cồn, thiết bị cảm nhận lỏng khí ga Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dịng điện trở kháng) chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m): s = F(m) Phạm vi ứng dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thơng tin viễn thơng - Nơng nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân Phân loại cảm biến Các cảm biến phân loại theo đặc trưng sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích: + Hiện tượng vật lý:nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện, nhiệt từ… + Hố học: biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa, phân tích phổ, biến đổi sinh hóa + Sinh học: Biến đổi vật lý, hiệu ứng thể sống - Phân loại theo dạng kích thích: + Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng + Điện: Điện tích, dịng điện, điện thế, điện áp, điện trường (biên, pha, phân cực, phổ), điện dẫn, số điện môi + Từ: từ trường (biên, pha, phân cực, phổ), từ thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm + Quang: Biên, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, hệ số hấp thụ, hệ số xạ + Cơ: Vị trí, lực, áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, moomen, khối lượng, tỷ trọng, độ nhớt, lưu lượng + Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỷ nhiệt + Bức xạ: Kiểu, lượng, cường độ - Theo tính cảm biến: Độ nhạy, độ xác, độ chọn lọc, độ phân giải, độ tuyến tính, cơng suất tiêu thụ, dải tần, độ trễ, khả tải, tốc độ đáp ứng, độ ổn định, tuổi thọ, điều kiện mơi trường, kích thước, trọng lượng - Phân loại theo phạm vi sử dụng: Công nghiệp, nơng nghiệp, nghiên cứu khoa học, mơi trường, khí tượng, thông tin, viễn thông, giao thông, dân dụng, vũ trụ, quân - Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế: + Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động đặc trưng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến CÂU HỎI ƠN TẬP Trình bày khái niệm cảm biến Trình bày ứng dụng phương pháp phân loại cảm biến Cảm biến màu sắc 2.1 Cấu trúc Hình 6.4: Cấu trúc cảm biến màu 2.2 Nguyên tắc hoạt động Cảm biến màu phát ánh sáng đỏ (R), xanh (G), xanh dương (B) tới vật cảm biến, sau nhận ánh sáng phản xạ về, phân tích tỉ lệ ánh sáng R, G, B để phân biệt màu vật Biến đổi tín hiệu cảm biến màu thành số Hình 6.5: Nguyên tắc hoạt động cảm biến màu 2.3 Đặc điểm - Độ tin cậy cao - Dễ sử dụng - Có thể dạy cho cảm biến biết màu vật (chức teach) 2.4 Ứng dụng - Để phát bàn chải đánh màu khác nhau: E3MC loại sensor màu, dễ dàng nhận biết màu theo yêu cầu (phân biệt màu lúc) 82 Hình 6.6: Ứng dụng cảm biến màu - Phát loại sản phẩm khác màu: Với chức Teach, ta dạy sensor biết màu vật cần chọn Nếu vật khác màu lưu (tức không giống sản phẩm mong muốn), sensor xuất tín hiệu báo Hình 6.7: Ứng dụng cảm biến màu - Phát màu chất lỏng: Sensor E3MC phân biệt màu cách phát khác biệt màu phát với màu chuẩn đăng ký, sử dụng panel trắng phía sau giúp độ phản xạ cao Hình 6.8: Ứng dụng cảm biến màu - Các lon đặt bên hộp suốt Muốn hộp trông vng vắn đẹp mắt tất lon bên phải để chiều: Dùng loại E3MC chỉnh hướng qua màu sắc dấu hiệu 83 Hình 6.9: Ứng dụng cảm biến màu Cảm biến trọng lượng Load cell 3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động Cấu tạo Load cell gồm điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành cầu điện trở Wheatstone hình dán vào bề mặt thân loadcell Hình 6.10: Cầu điện trở Wheatstone Một điện áp kích thích cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) (4) cầu điện trở Wheatstone) điện áp tín hiệu đo hai góckhác Thân Load cell khối kim loại đàn hồi tùy theo loại loadcell mục đích sử dụng loadcell, thân Load cell thiết kế có hình dạng đặc biệt khác chế tạo vật liệu kim loại khác (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim) Hình 6.11: Tải trọng tác động lên Load cell 84 Khi có tải trọng lực tác động lên thân load cell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn nén), điều dẫn tới thay đổi chiều dài tiết diện sợi kim loại điện trở strain gauges dán thân loadcell dẫn đến thay đổi giá trị điện trở strain gauges Sự thay đổi dẫn tới thay đổi điện áp đầu Hình 6.12: Nguyên lý hoạt động Load cell Sự thay đổi điện áp nhỏ, đo chuyển thành số sau qua khuếch đại thị cân điện tử (đầu cân) 3.2 Phân loại Có thể phân loại loadcells sau: - Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) - Phân loại theo hình dạng: dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S, dạng mỏng - Phân loại theo kích thước khả chịu tải: loại bé, vừa, lớn 85 Hình 6.13: Phân loại Load cell 3.3 Loadcells tương tự Loadcells số 3.3.1 Loadcells tương tự (analog loadcell) Với loại load cell việc chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) thực thị indicator Tín hiệu từ loadcell tương tự (analog loadcell) truyền thị dạng điện áp Hình 6.14:.Load cell Analog hiển thị Tín hiệu ngõ loadcell phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp cho load cell (chính điện áp cung cấp thị) Ví dụ với loadcell capacity 10t thông số ngõ 2mV/V, đặt lên loadcell tải trọng 10t, điện áp cung cấp cho loadcell 10V tín hiệu ngõ loadcell đạt 20 mV (2 mV x 10V) điện áp cung cấp cho loadcell 8V tín hiệu ngõ loadcell đạt 16 mV (2 mV x 8V) Kết nối Loadcel + Excitation (Điện áp kích thích) đầu vào dương điện áp cung cấp 86 – Excitation đầu vào âm điện áp cung cấp + Output tín hiệu dương Loadcell – Output tín hiệu âm Loadcell + sense –sense dây dẫn nối trực tiếp với Excitation Có loại Loadcell có, có loại khơng Có thể nối mà khơng nối Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo nên nối Ưu điểm: Ưu điểm cơng nghệ xuất phát từ yêu cầu thực tế, với tham số xác định trước, có sản phẩm thiết kế phù hợp cho ứngdụng người dùng Ở phần tử cảm ứng có kích thước hình dạngkhác phù hợp với yêu cầu ứng dụng Nhược điểm: - Tín hiệu điện áp đầu Loadcell nhỏ (thường khơng q 30mV) Những tín hiệu nhỏ dễ dàng bị ảnh hưởng nhiều loại nhiễu công nghiệp - Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: thay đổi thất thường nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn … 3.3.2 Loadcells số (digital loadcell) Đối với load cell số, q trình chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) thực thân loadcell Sau q trình xử lý chuyển đổi cách xác, tín hiệu số (digital signal) đưa thị cân điện tử số (digital indicator) Hình 6.15: Load cell Analog hiển thị Với Loadcell số (digital loadcell), tín hiệu ngõ loadcell dạng số nên không phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp cho loadcell Ví dụ với loadcell số (digital loadcell) có capacity 10t, đặt lên loadcell tải trọng 10t, tín hiệu ngõ ln 10.000 cho dù điện áp cung cấp cho loadcell có 10V hay 8V Ưu điểm - Tín hiệu số “khỏe”, bị ảnh hưởng nhiễu điện từ thay đổi nhiệt độ thất thường đường dây cable dẫn - Khoảng cách dây cáp dẫn kéo dài đến 1200m - Dữ liệu số xử lý trực tiếp máy tính, PLC hiển thị cần - Loadcell thay mà không cần chỉnh định lại; … Những ưu điểm hệ Loadcell số cho phép ứng dụng độ xác cao chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ứng dụng yêu cầu điểm đo nằm phân tán phạm vi rộng 87 3.4 Ứng dụng  Trong công nghiệp đời sống loadcell ứng dụng rộng từ cân điện tử dùng gia dụng đến cân dùng cân trọng lượng ô tô cân nguyên liệu đầu vào thành phẩm nhiều nhà máy Hình 6.16: Sơ đồ hệ thống cân xe dùng Load cell  Trong ngành công nghệ cao: Với khoa học kĩ thuật tiên tiến loại Loadcell cỡ nhỏ cải tiến cơng nghệ tính ứng dụng cao Loại Loadcell gắn vào đầu ngón tay robot để xác định độ bền kéo lực nén tác động vào vật chúng cầm nắm nhấc lên  Ứng dụng cầu đường: Các Loadcell sử dụng việc cảnh báo độ an toàn cầu treo Loadcell lắp đặt dây cáp để đo sức căng cáp treo sức ép chân cầu điều kiện giao thông thời tiết khác Các liệu thu gửi đến hệ thống thu thập xử lí số liệu, sau số liệu xuất qua thiết bị truy xuất điện thoại, máy tính, LCD Từ có cảnh báo độ an tồn cầu Từ tìm biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời Hình 6.17: Ứng dụng load cell cân tải Cảm biến lưu lượng Cảm biến đo thiếu để đo lưu lượng chất khí, chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng ứng dụng cơng nghiệp thực phẩm-nước giải khát, dầu mỏ- khí 88 đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng … Trên thị trường, loại lưu lượng kế đa dạng ln sẵn có cho ứng dụng cơng nghiệp hay dân dụng Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lương loại cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc tính chất lỏng (dịng chảy hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng yêu cầu độ xác phép đo Các yếu tố khác hạn chế khí kết nối đầu mở rộng ảnh hưởng đến định chọn lựa Nói chung, độ xác lưu lượng kế cịn phụ thuộc vào môi trường đo xung quanh Các ảnh hưởng áp suất, nhiệt độ, chất lỏng/khí hay tác động bên ngồi ảnh hưởng đến kết đo Các cảm biến lưu lượng phân làm bốn nhóm dựa vào ngun lý hoạt động chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm 4.1 Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất Lưu lượng kế loại hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức chênh lệch áp suất xảy chỗ thắt ngẫu nhiên đường chảy, dựa vào chênh áp suất để tính tốn vận tốc dịng chảy Cảm biến lưu lượng loại thường có dạng lỗ orifice, ống pitot ống venture Hình thể loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ tạo nút thắt dòng chảy Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc chất lỏng khỏi lỗ tròn lớn vận tốc chất lỏng đến lỗ Theo nguyên lý Bernoulli, điều có nghĩ áp suất phía mặt vào cao áp suất mặt Tiến hành đo chênh lệch áp suất cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy.Dựa vào vận tốc dịng chảy tính lưu lượng thể tích dịng chảy Hình 6.18: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice) Đo lưu lượng dạng Orifice Là đồng hồ đo lưu lượng nước bão hòa, hóa nhiệt, khí nén, khí N2, O2, H2, nước, dầu 89 Hình 6.19: Đo lưu lượng dạng Orifice Đo lưu lượng Venturi Venturi đo lưu lượng sử dụng để đo lường ổn định pha dây dẫn khép kín dịng chất lỏng, thường sử dụng phep đo khơng khí, khí đốt, nước dịng chảy chất lỏng khác Hình 6.20: Đo lưu lượng dạng Venturi Đo lưu lượng Nozzle Hình 6.21: Đo lưu lượng Nozzle Đo lưu lượng Pitot Hình 6.22: Đo lưu lượng Pitot Lưu ý: Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại ứng dụng công 90 nghiệp cần lưu ý điểm sau: - Cảm biến chế tạo dựa công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng; - Phù hợp cho dịng chảy hỗn hợp; - Độ xác thấp dải lưu lượng nhỏ; - Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách đoạn ống dẫn, đỏi hỏi phải tiêu hao thêm lượng chạy bơm; - Yêu cầu xác vị trí lắp đặt lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dịng chảy Hình 6.23: Một số hình ảnh cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất 4.2 Cảm biến lưu lượng điện từ Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday dùng để đo dòng chảy chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ để tạo từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2) Theo định luật Faraday, chất lỏng chảy qua đường ống sinh điện áp cảm ứng Điện áp lấy hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độ dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo Cuộn dây tạo từ trường B kích hoạt nguồn AC DC Khi kích hoạt nguồn AC - 50Hz, cuộn dây kích thích tín hiệu xoay chiều Điều có thuận lợi dịng tiêu thụ nhỏ so với việc kích hoạt nguồn DC Tuy nhiên phương pháp kích hoạt nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do đó, gây sai số tín hiệu đo Hơn nữa, trôi lệch điểm “không” thường vấn đề lớn hệ đo cấp nguồn AC chỉnh Bởi vậy, phương pháp kích hoạt nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường giải pháp mang lại hiệu cao Nó giúp giảm dòng tiêu thụ giảm nhẹ vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC 91 Hình 6.24: Cảm biến lưu lượng điện từ Lưu ý: Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến điểm sau: - Chỉ đo chất lỏng có khả dẫn điện; - Sự chọn lựa điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống cách lắp đặt; - Khơng có tổn hao hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp; - Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt xi măng, thạch cao, … cảm biến đo loại khơng có phận lắp đặt phía ống dẫn; - Độ xác cao, sai số ±1% dải thị lưu lượng; - Giá thành cao Hình 6.25: Một số hình ảnh lưu lượng cảm biến điện từ Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất dạng thiết bị dùng để đo áp suất hay nói cách cụ thể chuyển đổi từ đại lượng áp suất sang đại lượng điện Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất gần giống loại cảm biến khác cần nguồn tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị vi xử lý, vi xử lý tín hiệu đưa tín hiệu 5.1 Khái niệm - Áp suất định nghĩa lực tác dụng đơn vị diện tích P = F/A [N] 92 - Áp suất tuyệt đối: áp suất chênh lệch điểm đo chân không tuyệt đối (áp suất 0) - Áp suất dư/tương đối: áp suất chênh lệch điểm đo môi trường xung quanh (khí quyển) - Áp suất vi sai: áp suất chênh lệch hai điểm đo, điểm chọn làm điểm tham chiếu - Đơn vị đo + Trong hệ SI: Pascal (Pa), Pa = N/m2 = 10-5 bar + Châu Âu: bar, Bắc Mỹ: psi, Châu Á: kg/cm2, Mpa Bảng 6.1: Mối quan hệ đại lượng đo áp suất 5.2 Nguyên lý đo áp suất Cảm biến áp suất thiết bị cảm nhận áp suất đường ống bồn chứa có áp suất….Áp suất chuyển đổi thành tín hiệu điện áp dịng điện Các tín hiệu truyền biến tần PLC để điều khiển động hoạt động Hình 6.26: Các loại cảm biến áp suất thường dùng Cấu tạo bên cảm biến áp suất thường làm Inox 304 khơng gỉ Khả chống va đập cao 93 Hình 6.27: Cấu tạo cảm biến áp suất + Electric connection: Kết nối điện + Amplifier: Bộ khuếch đại tín hiệu + Sensor: Màng cảm biến xuất tín hiệu + Process Connection: Chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất) Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất Hình 6.28: Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất Theo sơ đồ thấy khí áp suất Dương ( + ) đưa vào lớp màng căng lên từ trái sang phải , đưa vào áp suất âm ( – ) lớp màng căng lên từ phải sang trái Chính dịch chuyển đưa tín hiệu mạch xử lý đưa tín hiệu để biết áp suất đưa vào + Hình bên trái: Khi khơng có áp suất => Hight = Low = Ov output + Hình giữa: Khi có áp suất nén => Hight > Low = + V Output + Hình bên phải: Khi có áp suất hút => Low > Hight = -V Output Dựa vào nguyên lý ta lấy ví dụ thực tế sau: 94 Cảm biến áp suất dãy đo 0-10bar Tín hiệu ngõ ra: 0-10V Khi áp suất đạt 0-5bar tín hiệu điện áp xuất 0-5V Tương tự áp áp đạt giới hạn max 10bar tín hiệu điện áp 10V Cảm biến áp suất chân không dãy đo -1…0bar Tín hiệu ngõ ra: 4-20mA Điều có nghĩa khơng có tác động lực hút áp suất 0bar tương ứng với tín hiệu dịng 4mA Khi lực hút đạt giới hạn max -1bar cảm biến xuất tín hiệu dịng 20mA 5.3 Ứng dụng Đối với trường hợp dùng cảm biến áp suất dùng cho máy nén khí, áp suất nước, dầu thủy lực chất lỏng khơng có tính ăn mịn khác dùng loại cảm biến áp suất thường Các dãy đo áp suất 0-0.1bar; 0-0.16bar; dùng để đo mức nước tĩnh bồn chứa khơng có áp suất Mức nước tính sau: 1bar = 10mH2O (hoặc 100mbar = 100mmH20) Trường hợp ứng dụng cho mơi trường thực phẩm như: sữa, nước khải khát…thì bắt buộc phải dùng cảm biến áp suất màng đảm bảo tiêu chuẩn thực phẩm Cảm biến áp suất dùng cho xăng, dầu….ngành dầu khí phải đảm bảo tiêu chuẩn chống cháy nổ Tùy vào nhu cầu sử dụng mà ta chọn loại cảm biến phù hợp Hình 6.29 : Cảm biến áp suất xác cao – phịng nổ Atex CÂU HỎI ÔN TẬP Trình bày khái niệm cảm biến lực, áp suất, lưu lượng, siêu âm? Trình bày nguyên lý hoạt động Load Cell? Cho cách phân loại Load Cell? Cho biết ưu nhược điểm load cell tương tự load cell số? Cho biết cách phân loại cảm biến áp suất? Trình bày nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất điện trở áp điện? 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]-Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dựng, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [2]-Ngũn Văn Hịa, Giáo trình đo lường cảm biến đo lường, NXB Giáo dục 2005 [3]-Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [4]-Lê Văn Doanh, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2001 [5]-Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2008 [6]-Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2000 [7]-Vũ Quang Hồi, Giáo trình Kỹ thuật Cảm biến, NXB Giáo Dục 2009 96 ... kết nối cảm biến Cảm biến tiệm cận điện dung có loại cảm biến tiệm cận điện cảm, cảm biến tiệm cận điện dung có sơ đồ kết nối giống cảm biến tiệm cận điện cảm - Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung:... cận - Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật phạm vi ứng dụng cảm biến tiệm cận điện cảm điện dung - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm, điện dung theo yêu cầu mạch điện - Lắp... cảm biến điện cảm Một cảm biến tiệm cận điện cảm gồm có khối chính: - Cuộn dây lõi ferit - Mạch dao động - Mạch phát - Mạch đầu Nguyên lý hoạt động Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động cảm biến điện cảm