Mục tiờu :Trang bị cho sinh viờn kiến cơ bản về cỏc phương phỏp đo vị trớ, làm
quen với một số thiết bị vị trớ cú trờn thị trường
9.1 Cảm biến điện cảm
Cảm biến vịt rớ kiểu cảm ứng ( hay cũn gọi là cảm biến điện cảm)làm việc dựa trờn nguyờn lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trớ hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gõy nờn sự biến thiờn từ thụng qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm.
Cảm biến tự cảm cú khe từ biến thiờn
- Cảm biến tự cảm đơn: trờn hỡnh 1.10 trỡnh bày sơ đồ nguyờn lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn.
1 3 1 2 2 XV R 2 3 1 δ a) b) c) Hỡnh 9.1 Cảm biến tự cảm đơn 1, lừi sắt từ 2, cuộn dõy 3, phần động
Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dõy quấn trờn lừi thộp cố định (phần tĩnh) và một lừi thộp cú thể di động dưới tỏc động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động cú khe hở khụng khớ tạo nờn một mạch từ hở.
Sơ đồ hỡnh 9.1a: dưới tỏc động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di
chuyển, khe hở khụng khớ δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiờn, do đú hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dõy thay đổi theo.
Sơ đồ hỡnh 9.1b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở khụng khớ thay đổi, làm
cho từ trở của mạch từ biến thiờn, do đú hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dõy thay đổi theo.
Hệ số tự cảm của cuộn dõy cũng cú thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dũng điện xoỏy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tỏc động của đại lượng đo Xv (hỡnh 9.1c).
Ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tớnh với tiết diện khe hở khụng khớ s và phi tuyến với chiều dài khe hở khụng khớ δ.
Hỡnh 9.2 Sự phụ thuộc giữa L và Z với chiều dày khe hở khụng khớ δ
Đặc tớnh của cảm biến tự cảm đơn Z = f(Δδ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số nguồn kớch thớch, tần số nguồn kớch thớch càng cao thỡ độ nhạy của cảm biến càng cao (hỡnh 9.2).
- Cảm biến tự cảm kộp lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tớnh tuyến tớnh người ta thường dựng cảm biến tự cảm kộp mắc theo kiểu vi sai (hỡnh 4.3).
xV
a) b) c)
Hỡnh 9.3 Cảm biến tự cảm kộp mắc theo kiểu vi sai
xv xv Z, L L=f() Z5000Hz=f() Z5000Hz=f()
Đặc tớnh của cảm biến tự cảm kộp vi sai cú dạng như hỡnh 9.4 L L = f(δ) L1 - L2 = f(δ) δ L2 = f(δ)
Hỡnh 9.4 Đặc tớnh của cảm biến tự cảm kộp mắc kiểu vi sai
Cảm biến tự cảm cú lừi từ di động
Cảm biến gồm một cuộn dõy bờn trong cú lừi từ di động được (hỡnh 4.5). 1
2
XV
l0 lf l
Hỡnh 9.5 Sơ đồ nguyờn lý cảm biến tự cảm lừi sắt từ 1, cuộn dõy 2, lừi sắt từ
Dưới tỏc động của đại lượng đo XV, lừi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của lừi từ nằm trong cuộn dõy thay đổi, kộo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dõy. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm khụng tuyến tớnh, tuy nhiờn cú thể cải thiện bằng cỏch ghộp hai cuộn dõy đồng dạng vào hai nhỏnh kề sỏt nhau của một cầu điện trở cú chung một lừi sắt.
Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khỏc ở chỗ cú thờm một cuộn dõy đo (hỡnh 4.6).
Trong cỏc cảm biến đơn khi chiều dài khe hở khụng khớ (hỡnh 4 . 6 a) hoặc tiết diện khe khụng khớ thay đổi (hỡnh 4 . 6 b) hoặc tổn hao do dũng điện xoỏy thay đổi (hỡnh 4 . 6 c) sẽ làm cho từ thụng của mạch từ biến thiờn kộo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi.
- Cảm biến đơn cú khe hở khụng khớ:
1
3 1 2
xV
~
Hỡnh 9.6 Cảm biến hỗ cảm 1, cuộn sơ cấp 2, gồn từ 3, lừi từ di động 4, cuộn thứ cấp (cuộn đo)
W2 - số vũng dõy của cuộn dõy đo.
Khi làm việc với dũng xoay chiều i = I m sin ωt , ta cú: e = -W2*d*Φt = -W2*W1*àoS di
dt δ dt
Ta nhận thấy cụng thức xỏc định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm cú dạng tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khỏc nhau ở giỏ trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm
biến hỗ cảm Sδ và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng.
- Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tớnh của đặc tớnh cảm biến
~ 2 4 4 3 a b ~ xv 1 2 xv xv ~
người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hỡnh 9.6 d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đụi và phạm vi làm việc tuyến tớnh mở rộng đỏng kể.
- Biến thế vi sai cú lừi từ: gồm bốn cuộn dõy ghộp đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bờn trong cú lừi từ di động được (hỡnh9.7). Cỏc cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chỳng triệt tiờu lẫn nhau.
~ ~
Hỡnh 9.7 Cảm biến hỗ cảm vi sai 1, cuộn sơ cấp 2, cuộ thứ cấp 3, lừi từ
Về nguyờn tắc, khi lừi từ ở vị trớ trung gian, điện ỏp đo Vm ở đầu ra hai cuộn thứ cấp bằng khụng. Khi lừi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ cấp với cỏc cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với cỏc cuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện ỏp đo Vm gần như tuyến tớnh với hiệu số cỏc hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp
9.3Cảm biến điện dung.
Một số hỡnh dáng của cảm biến điện dung thường gặp
Hỡnh 9.8 Một số hỡnh dáng của cảm biến điện dung thường gặp
Nguyên lý làm việc của các cảm biến điện dung dựa trên sự tác động tơng hỗ giữa hai điện cực tạo thành một tụ điện.điện dung của nó sẽ thay đổi dới tác động của
đại lượng đầu vào.
- Cảm biến điện dung chia thành hai nhóm chính: cảm biến máy phát và cảm biến thông số
1 2
2
- Cảm biến điện dung máy phát đại lợng ra là điện áp máy phát, đại lợng vào là di chuyển thẳng, di chuyển góc của bản điện cực động của của cảm biến. Loại này thờng dùng đo các đại lợng cơ học
U=q/c=(q)/(S)
- Cảm biến điện dung thơng số có đại lợng ra là sự thay đổi điện dung của cảm biến đại lợng đại lợng vào vào là sự di chuyển.
c=(S)/
9.4Cảm biến Hall.
Cảm biến Hall là một mảnh bỏn dẫn mỏng cú kết cấu đặc biệt. Khi cú dũng điện I chạy dọc theo tấm bỏn dẫn, đồng thời cú từ cảm B tỏc động lờn tấm này thỡ trờn hai cực ngang của nú xuất hiện suất điện động Hall.
EH = kH.I.B.sin
I: dũng điện dọc theo cảm biến B: từ cảm xuyờn qua cảm biến
gúc lệch giữa I và B kH: hệ số Hall
Cảm biến Hall được dựng rộng rói trong cỏc thiết bị đo từ, cảm biến tiếp cận, cú dải đo từ 1 106 Gauss.
9.5Cảm biến tiếp cận
- Cảm biến tiệm cận đợc sử dụng để phát hiện sự có mặt hay khơng có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến khơng có tiếp xúc cơ học.
- Cảm biến tiệm cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc khơng có mặt đối tợng. Cảm biến này có cấu trúc tương đối đơn giản, khơng địi hỏi tiếp xúc cơ học nhng tầm hoạt động bị hạn chế với khoảng cách tối đa 100mm
- Hiện nay các cảm biến tiệm cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế
- Cấu tạo: 1 bộ cảm biến tiệm cận điện cảm gồm 4 khối chính: • Cuộn dây và lõi Ferit
• Mạch dao động • Mạch phát hiện • Mạch đầu ra
- Nguyên lý làm việc: Mạch dao động phát dao động điện từ tần số radio. Từ tr-ờng
biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vịng đối tợng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tợng lại gần sẽ có dịng điện Foucault cảm ứng trên bề mặt đối tợng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ phát hiện ra sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động...Mạch bị phát hiện sẽ ở vị trí ON phát tín hiệu làm mạch ra ở vị trí ON. Khi mục tiêu rời khỏi
Trờng của bộ cảm biến biên độ mạch dao động tăng lên trên giá trị ng-ỡng và bộ phát hiện trở về vị trí OFF là vị trí bình th-ờng
Hiệu số biên độ tác động và không tác động của bộ tác động t-ơng ứng với sự trễ với cảm biến. Nó tơng ứng với điểm phát hiện và điểm nhả của cảm biến đối diện bề mặt đối tợng.
- Phạm vi của cảm biến tiệm cận điện cảm liên quan đến khoảng cách giữa bề mặt của cảm biến và đối tợng có liên quan đến hình dáng của lõi và dây quấn.
- Những yếu tố ảnh hởng đến tầm(phạm vi) của cảm biến
• Kích th-ớc và hình dáng lõi, cuộn dây, vật liệu lõi • Vật liệu và kích th-ớc đối tợng
• Điều kiện điện từ xung quanh • Nhiệt độ môi trờng xung quanh
9.5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung
- Cảm biến tiệm cận điện dung: sự có mặt của đối tợng làm thay đổi điện dung của các bản cực cảm biến. Cảm biến tiệm cận điện dung cũng gồm 4 bộ phận + Cảm biến(các bản cực cách điện)
+ Mạch dao động + Bộ phát hiện + Mạch đầu ra
- đặc điểm: cảm biến tiệm cận điện dung khơng địi hỏi đối tợng là kim loại. đối tợng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim, thủy tinh, nhựa. Tốc độ chuyển mạch tơng đối nhanh, có thể phát hiện các đối tựợng kích
th-ớc nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn
Cảm biến
- Hạn chế của cảm biến tiệm cận điện dung là chịu ảnh h-ởng của độ ẩm và bụi. Cảm biến tiệm cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến tiệm cận điện cảm. Ví dụ với ống 18mm cảm biến điện dung có vùng cảm nhận là 10mm, vùng cảm nhận của cảm biến tiện cận điện cảm là 8mm. Với ống 30mm vùng cảm nhận của cảm biến tiệm cận điện dung là 25 mm, điện cảm là 15mm
- Để bù ảnh h-ởng của môi trờng các cảm biến tiệm cận điện dung th-ờng có chiết áp điều chỉnh
Chương 10 ĐO LƯU LƯỢNG VẬN TỐC LƯU CHẤT VÀ MỨC 10.1 Đo lưu lượng bằng chờnh lệch ỏp suất
- Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lu lợng chất lỏng, khí và hơi là nguyên tắc thay đổi độ giảm áp suất qua ống thu hẹp. Ưu điểm của các dụng cụ này là đơn giản chắc chắn khơng có tiếng ồn, dễ chế tạo hàng loạt, đo đợc ở bất kỳ môi trờng, nhiệt độ và áp suất nào, giá thành thấp
- Khảo sát ngun lý dịng chảy trong một ống dẫn có đặt thiết bị thu hẹp. Khi có dịng chất lỏng chảy qua lỗ thu hẹp thì tốc độ của nó tăng lên so với tốc độ trớc lỗ thu hẹp. Do đó áp suất dịng chảy ở cửa ra của lỗ thu hẹp giảm xuống tạo nên sự chênh lệch áp suất phía trớc và phía sau lỗ thu hẹp. Sử dụng áp kế vi sai đo đ- ợc sự chênh lệch áp suất này từ đó đo đợc lu lợng này
- Tốc độ dòng chảy sau ống thu hẹp lớn hơn trớc ống do đó áp suất sau ống lớn hơn
- L-u l-ợng phụ thuộc vào tốc độ nên cũng phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất
d: đ-ờng kính lỗ thu hẹp; - hệ số l-u l-ợng - mật độ dòng chảy
10.2 Đo mức bằng cảm biến điện dung
2 2 1 2 2 2 1 p v v p ) ( 2 4 ) ( 2 4 2 1 2 2 1 2 p p d Q p p d G
- Sử dụng sự phụ thuộc điện dung của phần tử nhạy cảm của bộ chuyển đổi vào mức chất lỏng
- Cấu tạo: phần tử nhạy cảm điện dung đợc thực hiện dới dạng các điện cực hỡnh trụ tròn đặt đồng trục hay các điện cực phẳng đặt song song với nhau. Cấu tạo của các phần tử thụ cảm điện dung đợc xác định theo tính chất hóa lý của chất lỏng. Với chất lỏng cách điện(có điện dẫn suất nhỏ hơn 10-6 simen/m) ta có các sơ đồ cảm biến nh hỡnh dới đây
Cảm biến đo mức chất lỏng cách điện
Hỡnh 10.2 Cảm biến đo mức chất lỏng cỏch
- Hình a: phần tử thụ cảm gồm 2 điện cực đồng trục 1 và 2 có phần nhúng chìm vào chất lỏng. Các điện cực tạo thành 1 tụ điện hình trịn, giữa hai điện cực điền đầy chất lỏng có chiều cao h, H-h là không gian chứa hỗn hợp hơi khí. điện dung của tụ điện hình trụ đ-ợc xác định bằng ph-ơng trình:
h H 1 2 3 d D a h H 2 1 b ) / ln ( 0 2 d D H c
Trong đó: + : hằng số của điện mơi điền đầy giữa 2 điện cực
+ 0: hằng số điện môi của chân không H: chiều cao điện cực
+ D, d: đ-ờng kính ngồi và trong của điện cực
- Với tụ hình trụ trịn hình a có hằng số điện mơi khác nhau, điện dung của tụ là: c=c0+ c1+c2
ở đây c0: điện dung của cách điện xuyên qua nắp c1: điện dung giữa hai điện cực có chứa chất lỏng
c2: điện dung của không gian chứa hơi và khí Vậy
- đối với hơi và khí r=1 cịn c0= hằng số nên
Ph-ơng trình đặc tính tĩnh của phần tử nhạy điện dung đối với môi tr-ờng cách điện
- để đo mức các chất lỏng dẫn điện (có điện dẫn suất >10-4 simen/m) ngời ta sử dụng phần tử thụ cảm có cách điện ngồi(hình b), phần tử thụ cảm là các điện cực kim loại 1 có phủ lớp cách điện 2 và nhúng chìm vào chất lỏng. điện cực thứ 2 là thành bể chứa (nếu là kim loại) hay là điện cực riêng.
- điện dung toàn phần của phần tử nhạy cảm đợc tính bằng
trong đó
c0: điện dung của cách điện xuyên qua nắp ) / ln( ) ( 2 ) / ln( 2 0 0 0 d D h H d D h c c L r ] ) 1 ( 1 [ ) / ln( 2 0 0 H h d D H c c L 2 1 2 1 0 c c c c c c
c1: điện dung giữa điện cực 1 và bề mặt chất lỏng trên giới hạn có cách điện
c2: điện dung của tụ điện tạo bởi mặt chất lỏng trên mặt giới hạn cách điện và thành bể
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lờ Văn Doanh - Phạm Thượng Hàn - Nguyễn Văn Hoà – Vừ Thạch Sơn – Đoàn Văn Tõn,(2002), Cỏc Bộ cảm biến trong kỹ thuật Đo lường và điều khiển; NXB Khoa học kỹ thuật;
2. Th.s Hoàng Minh Thụng, Giỏo trỡnh cảm biến cụng nghiệp, NXB Khoa học kỹ
thuật;
3. Phạm Cụng Hoà, Kỹ thuật cảm biến , NXB Khoa học kỹ thuật
4. Ngụ Văn Ky, Kỹ thuật đo, Trường Đại Học Bỏch Khoa Thành phố Hồ Chớ Minh, 1993.