Trình tự thực hiện

L ỜI GIỚI THIỆU

6. Lắp mạch đo vận độ và góc quay dùng Encoder

6.2 Trình tự thực hiện

Bước 1: Cấp nguồn cho mudule

Bước 2: Cài đặt số xung/ vòng cho encoder: nhấn OK để chuyển sang chế độ cài đặt. Dùng 2 phím để chỉnh về 360- chỉ thị 360 xung/ vòng. Nhấn ESC đến khi đèn Run báo sáng là đã chuyển sang chếđộ hoạt động của bộ hiển thị tốc độ.

Bước 3: Thay đổi tốc độ tốc độ bằng biến trở để tìm tốc độ tối đa cho phép của động cơ khi đo số vòng /phút, số vòng/ giây và khi sử dụng thước đo tuyến tính. Quan sát tốc độ quay của motor và hiển thị số vòng quay trên module hiển thị tốc độ. Chú ý khi đó Led Run phải nháy sáng.

79

CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Trình bày các phương pháp đo vòng quay và góc quay.

2. Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến đo vận tốc và góc quay bằng phương pháp Analog và quang điện tử.

80

BÀI 6

CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC Giới thiệu

Giới thiệu về các loại cảm biến cảm biến siêu âm, cảm biến màu, cẩm biến trọng lượng, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất.

Mục tiêu:

- Trình bày được nguyên tắc hoạt động của Cảm biến siêu âm, cảm biến màu sắc, cảm biến trọng lượng, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất.

- Nêu được ứng dụng của các cảm biến siêu âm, màu sắc, trọng lượng, lưu lượng và áp suất.

- Nhận biết được cảm biến siêu âm, màu sắc, trọng lượng, lưu lượng và áp suất trong mạch điện.

- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn vệ vệ sinh công nghiệp

Nội dung

1. Cảm biến siêu âm 1.1 Cấu trúc

Hình 6.1.Cảm biến siêu âm.

1.2 Nguyên lý hoạt động

Sử dụng bộ chuyển đổi đóng vai trò vừa là bộ phát vừa là bộ thu sóng âm. Bộ chuyển đổi có thể đặt trên đỉnh của bình chứa. Sóng âm dạng xung phát ra từ bộ chuyển đổi đến bề mặt chất lưu sẽ bị phản xạ trở lại và được bộ chuyển đổi thu nhận để biến thành tín hiệu điện. Khoảng thời gian từ thời điểm phát xung đến thời điểm thu sóng phản xạ sẽ tỉ lệ với khoảng cách từ bộ chuyển đổi đến bề mặt chất lưu. Như vậy, qua đó có thểđểđánh giá được mức của chất lưu trong bình chứa.

Cảm biến siêu âm được chế tạo dựa trên nguyên lý phản xạ của âm thanh. Người ta sử dụng phương pháp đo vận tốc âm thanh truyền đi trong không khí. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí)

Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng.

81 2

v t d  

Với d là khoảng cách cần đo; v là vận tốc truyền âm;t là thời gian từ lúc sóng phát ra tới lúc nhận lại.

1.3 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

- Vùng cảm biến rộng khoảng cách phát hiện vật thể có thểlên đến vài m. - Có thểdùng đểxác định các vật thể có màu sắc và vật liệu khó phân biệt. - Có thể phát hiện được vật thể trong suốt ( vật liệu thủy tinh ).

- Có thể làm việc trong một môi trường dơ và bụi.

Nhược điểm

- Cảm biến siêu âm có giá thành rất cao, không kinh tế.

- Cảm ứng siêu âm phản ứng tín hiệu chậm hơn các dạng cảm biến khác. - Tần số chuyển mạch từ1 đến 125 HZ.

1.4 Ứng dụng

Hình 6.2. Hình ảnh một số cảm biến siêu âm trong thực tế.

82

2. Cảm biến màu sắc 2.1 Cấu trúc

Hình 6.4: Cấu trúc của cảm biến màu

2.2 Nguyên tắc hoạt động

Cảm biến màu phát các ánh sáng đỏ (R), xanh lá (G), xanh dương (B) tới vật cảm biến, sau đó nhận ánh sáng phản xạ về, phân tích tỉ lệ các ánh sáng R, G, B để phân biệt màu của vật. Biến đổi tín hiệu ra của bộ cảm biến màu thành số

Hình 6.5: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến màu

2.3 Đặc điểm

- Độ tin cậy cao. -Dễ sử dụng.

-Có thể dạy cho cảm biến biết màu của vật (chức năng teach).

2.4 Ứng dụng

- Để phát hiện bàn chải đánh răng các màu khác nhau: E3MC là loại sensor màu, nó rất dễ dàng nhận biết các màu theo yêu cầu (phân biệt 4 màu cùng 1 lúc).

83

Hình 6.6: Ứng dụng của cảm biến màu

-Phát hiện và loại ra các sản phẩm khác màu: Với chức năng Teach, ta có thể dạy sensor biết được màu của vật cần chọn. Nếu vật khác màu đã lưu (tức là không giống sản phẩm mong muốn), sensor sẽ xuất tín hiệu báo .

Hình 6.7: Ứng dụng của cảm biến màu

-Phát hiện màu của chất lỏng: Sensor E3MC phân biệt màu bằng cách phát hiện sự khác biệt giữa màu phát hiện với màu chuẩn đã đăng ký, sử dụng một tấm panel trắng phía sau giúp độ phản xạcao hơn.

Hình 6.8: Ứng dụng của cảm biến màu

- Các lon được đặt ở bên trong hộp trong suốt. Muốn cả hộp trông vuông vắn đẹp mắt thì tất cả các lon bên trong phải được để đúng chiều: Dùng loại E3MC có thể chỉnh được đúng hướng qua màu sắc hoặc dấu hiệu

84

Hình 6.9: Ứng dụng của cảm biến màu

3. Cảm biến trọng lượng Load cell 3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo chính của Load cell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell.

Hình 6.10: Cầu điện trở Wheatstone

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trởWheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góckhác.

Thân Load cell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân Load cell được thiết kế có hình dạng đặc biệt khác nhau và chế tạo bằng vật liệu kim loại khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim).

85

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân load cell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sựthay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra.

Hình 6.12: Nguyên lý hoạt động Load cell

Sựthay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thểđược đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thịcân điện tử(đầu cân).

3.2 Phân loại

Có thể phân loại loadcells như 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 và khảnăng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.

86

Hình 6.13: Phân loại Load cell

3.3 Loadcells tương tự và Loadcells số3.3.1 Loadcells tương tự (analog loadcell) 3.3.1 Loadcells tương tự (analog loadcell)

Với các loại load cell việc chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) được thực hiện bởi bộ chỉ thị indicator. Tín hiệu từ loadcell tương tự (analog loadcell) truyền về bộ chỉ thị là dạng điện áp.

Hình 6.14:.Load cell Analog và bộ hiển thị

Tín hiệu ngõ ra của loadcell phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp cho load cell (chính là điện áp được cung cấp bởi bộ chỉ thị).

Ví dụ với loadcell capacity là 10t và thông sốngõ ra là 2mV/V, khi đặt lên loadcell 1 tải trọng là 10t, nếu điện áp cung cấp cho loadcell là 10V thì tín hiệu ngõ ra của loadcell đạt 20 mV (2 mV x 10V) còn nếu điện áp cung cấp cho loadcell là 8V thì tín hiệu ngõ ra của loadcell chỉđạt 16 mV (2 mV x 8V).

Kết nối Loadcel

87

– Excitationlà đầu vào âm của điện áp cung cấp

+ Output là tín hiệu ra dương của Loadcell

– Output là tín hiệu ra âm của Loadcell

+ sense và –sense là các dây dẫn được nối trực tiếp với Excitation. Có loại Loadcell

thì có, có loại thì không. Có thể nối cũng được mà không nối cũng được. Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo là nên nối.

Ưu điểm: Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứngdụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạngkhác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng

Nhược điểm:

- Tín hiệu điện áp đầu ra của Loadcell rất nhỏ (thường không quá 30mV). Những tín hiệu nhỏnhư vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp

- Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn …

3.3.2 Loadcells số (digital loadcell)

Đối với load cell số, quá trình chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) được thực hiện trong chính bản thân loadcell. Sau quá trình xử lý và chuyển đổi một cách chính xác, một tín hiệu số (digital signal) sẽ được đưa về bộ chỉ thị cân điện tử số (digital indicator).

Hình 6.15: Load cell Analog và bộ hiển thị

Với Loadcell số (digital loadcell), tín hiệu ngõ ra của loadcell là dạng số nên không phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp cho loadcell.

Ví dụ với loadcell số (digital loadcell) có capacity là 10t, khi đặt lên loadcell 1 tải trọng là 10t, thì tín hiệu ngõ ra luôn là 10.000 cho dù điện áp cung cấp cho loadcell có là 10V hay 8V đi nữa.

Ưuđiểm

- Tín hiệu ra số“khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi nhiệt độ thất thường trên đường dây cable dẫn.

- Khoảng cách dây cáp dẫn có thểkéo dài đến 1200m.

- Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần. - Loadcellcó thể thay thế mà không cần chỉnh định lại; …

Những ưu điểm của hệLoadcell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác cao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân tán trên phạm vi rộng.

88

3.4 Ứng dụng

 Trong công nghiệp cũng như đời sống thì loadcell được ứng dụng rất rộng từ những cân điện tử dùng gia dụng đến những cân dùng cân trọng lượng ô tô hay là cân nguyên liệu đầu vào và thành phẩm ra ở nhiều nhà máy.

Hình 6.16: Sơ đồ hệ thống cân xe dùng Load cell

 Trong ngành công nghệ cao: Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Loại Loadcellnày được gắn vào đầu của ngón tay robot đểxác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên.

 Ứng dụng trong cầu đường: Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽđược gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu, sau đó số liệu sẽđược xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từđó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời.

Hình 6.17: Ứng dụng load cell cân tải

4. Cảm biến lưu lượng

Cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí, chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩm-nước giải khát, dầu mỏ- khí

89

đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng … Trên thịtrường, các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào. Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lương loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc tính chất lỏng (dòng chảy một hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng và yêu cầu vềđộ chính xác phép đo. Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh hưởng đến quyết định chọn lựa này. Nói chung, độ chính xác của lưu lượng kế còn phụ thuộc vào cảmôi trường đo xung quanh. Các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, chất lỏng/khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh hưởng đến kết quảđo.

Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt động của 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 này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Hình 1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng chảy.

Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra. Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy.Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽtính được lưu lượng thể tích dòng 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, hơi hóa nhiệt, khí nén, khí N2, O2, H2, nước, dầu.

90

Hình 6.19: Đo lưu lượng dạng Orifice

Đo lưu lượng bằng Venturi

Venturi đo lưu lượng được sử dụng đểđo lường sựổn định một pha trong dây dẫn khép kín của dòng chất lỏng, thường được sử dụng trong các phep đo không khí, khí đốt, nước và dòng chảy chất lỏng khác.

Hình 6.20: Đo lưu lượng dạng Venturi

Đo lưu lượng bằng Nozzle

Hình 6.21: Đo lưu lượng bằng Nozzle

Đo lưu lượng bằng Pitot

Hình 6.22: Đo lưu lượng bằng Pitot

Lưu ý:

91 nghiệp cần lưu ý các điểm sau:

- Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổđiển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng;

- Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp; - Độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ;

- Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm;

- Yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗorifice, điểm trích lỗđo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗđo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy.

Hình 6.23: Một số hình ảnh về 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 và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2). Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Điện áp này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độđiện áp cảm ứng đo được.

Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC.