Đồ án Nghiên cứu các sensor nhiệt độ áp suất, bộ biến đổi quy chuẩn cho các sensor đo lƣờng và điều khiển phục vụ cho việc ghép nối máy tính hiện nay

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu các sensor nhiệt độ áp suất, bộ biến đổi quy chuẩn cho các sensor đo lƣờng và điều khiển phục vụ cho việc ghép nối máy tính hiện nay

1. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA CẢM BIẾN 2 1.1. Khái niệm cảm biến 2 1.2. Thành phần cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động 3 1.3. Đƣờng cong chuẩn cảm biến 4 1.4. Các thông số đặc trƣng cơ bản của cảm biến 5 1.4.1. Độ nhạy của cảm biến 5 1.4.2. Sai số 5 1.4.3. Độ chính xác và độ chính xác lặp lại 7 1.4.4. Độ phân giải 7 1.4.5. Độ tuyến tính 7 1.4.6. Độ nhanh, thời gian hồi đáp 8 1.4.7. Giới hạn sử dụng cảm biến 8 CHƢƠNG 2.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 10 2.1. Khái niệm cơ bản 10 2.2. Thang nhiệt độ 10 2.3. Các hiệu ứng nhiệt điện 11 2.3.1. Hiệu ứng Peltier 11 2.3.2. Hiệu ứng Thomson 12 2.3.3. Hiệu ứng Seebeck 12 2.4. Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ trong thực tế 13 2.4.1. Cặp nhiệt điện 13 2.4.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 13 2.4.1.2. Phƣơng pháp đo 15 2.4.1.3. Các loại cặp nhiệt điện trong thực tế và đặc điểm của cặp nhiệt điên 17 2.4.2. Nhiệt điện trở kim loại 18 2.4.2.1. Khái quát và nguyên lý hoạt động 18
2. 2.4.2.2. Cấu tạo và đặc điểm của nhiệt điện trở kim loại 19 2.4.3. Nhiệt điện trở bán dẫn 21 2.4.3.1. Đặc điểm chế tao 21 2.4.3.2. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng 22 2.4.4. Cảm biến bán dẫn 22 2.4.4.1. Nguyên lý cấu tạo 22 2.4.4.2. Đặc điểm, một số loại cảm biến bán dẫn và phạm vi ứng dụng . 23 2.4.5. Hỏa quang kế 25 2.4.5.1. Hỏa kế bức xạ toàn phần. 25 2.4.5.2. Hỏa kế cƣờng độ sáng 27 2.5. Sơ đồ ứng dụng cảm biến nhiệt độ trong thực tế 28 2.5.1. Các thành phần của hệ thống 29 2.5.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống 32 CHƢƠNG 3.CẢM BIẾN ÁP SUẤT 33 3.1. Tổng quan về cảm biến áp suất 33 3.2. Khái niệm áp suất và đơn vị đo 33 3.2.1. Khái niệm về áp suất 33 3.2.2. Đơn vị đo 34 3.3. Đo áp suất tĩnh và áp suất động 36 3.3.1. Đo áp suất tĩnh 36 3.3.2. Đo áp suất động 36 3.4. Một số dụng cụ đo áp suất cơ bản 38 3.4.1. Đồng hồ đo áp suất 38 3.4.2. Áp kế vi sai kiểu phao 38 3.4.3. Áp kế vi sai kiểu chuông 40 3.5. Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng các loại cảm biến áp suất trong thực tế 41 3.5.1. Cấu tạo cơ bản của cảm biến áp suất 41 3.5.2. Các phần tử biến dạng 41 3.5.3. Phần tử chuyển đổi tín hiệu 44 3.5.3.1. Chuyển đổi bằng biến thiên trở kháng 44 3.5.3.2. Chuyển đổi kiểu điện dung 48 3.5.3.3. Chuyển đổi kiểu điện cảm 51
3. 3.5.3.4. Chuyển đổi kiểu áp điện 53 3.6. Sơ đồ khối ứng dụng cảm biến áp suất trong công nghiệp 58 3.6.1. Các thành phần của hệ thống 59 3.6.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống 62 CHƢƠNG 4.CÁC BỘ BIẾN ĐỔI QUY CHUẨN CẢM BIẾN TRONG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ CHO GHÉP NỐI MÁY TÍNH 64 4.1. Sự cần thiết của bộ biến đổi quy chuẩn cho các cảm biến sử dụng trong đo lƣờng điều khiển khi ghép nối máy tính. 64 4.2. Những yêu cầu cơ bản của các bộ biến đổi quy chuẩn 65 4.3. TRANDUCER 65 4.3.1. Bộ biến đổi với đầu ra dòng 4 ÷ 20mA 65 4.3.2. Bộ biến đổi với đầu ra áp 0 ÷ 5V, 0 ÷ 10V 68 4.3.3. AC Current & Voltage Transducer 69 4.3.4. U/I meansurement transducer 72 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75
4. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển, nhất là về tự động hóa, máy móc ngày càng thay thế cho con ngƣời. Nếu nói về tự động hóa ta không thể không nhắc đến cảm biến, nó có ở khắp mọi nơi trong phục vụ cho công nghiệp, quân sự, y học. Cảm biến ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi và chắc chắn trong tƣơng lại nó còn ứng dụng nhiều hơn nữa. Khi đất nƣớc ta đang bắt đầu phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa thì việc nghiên cứu, tìm hiểu về cá hệ thống tự động hóa các thành phần và chức năng của hệ thống là điều rất cần thiết. Để đánh giá quá trình học tập và nghiên cứu tại trƣờng em nhận đề tài: “Nghiên cứu các sensor nhiệt độ áp suất, bộ biến đổi quy chuẩn cho các sensor đo lƣờng và điều khiển phục vụ cho việc ghép nối máy tính hiện nay” nhằm tìm hiểu về cảm biến, các bộ biến đổi quy chuẩn tín hiệu để giúp em hiểu sâu hơn về hệ thống điều khiển tự động. Nôi dụng đồ án của em bao gồm 4 chƣơng CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA CẢM BIẾN CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ CHƢƠNG 3: CẢM BIẾN ÁP SUẤT CHƢƠNG 4: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI QUY CHUẨN CẢM BIẾN TRONG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ CHO GHÉP NỐI MÁY TÍNH Hải Phòng, tháng 11, năm 2012 Sinh viên 1
5. CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA CẢM BIẾN 1.1. Khái niệm cảm biến Cảm biến tiếng Anh gọi là Sensor, thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lí và các đại lƣợng không có tính chất điện thành các đại lƣợng điện có thể đo và xử lí đƣợc. Cảm biến chịu tác động của các đại lƣợng cần đo m không có tính chất điện(nhƣ nhiệt độ , áp suất, vận tốc ) và cho ra một đặc trƣng mang bản chất điện (nhƣ điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu là s. Đặc trƣng điện s là hàm của đại lƣợng cần đo m. s = F(m) (1.1) Trong đó s là đại lƣợng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến, m là đại lƣợng đầu vào hay kích thích . Thông qua việc đo đạc s cho phép ta nhận biết đƣợc giá trị của m. Hình 1.1: Sự biến đổi đại lương cần đo m và phản ứng s theo thời gian 2
6. Biểu thức (1.1) là dạng lý thuyết biểu diễn hoạt đông của cảm biến , sơ đồ trên minh họa cho sự biến thiên của đại lƣơng phản ứng s khi đại đai lƣợng m thay đổi theo thời gian. * Cảm biến tích cực: hoạt động nhƣ máy phát, trong đó thành phần (s) là điện tích, điện áp hay dòng, nguyên lý của cảm biến tích cực là biến đổi dạng năng lƣợng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lƣợng điện. * Cảm biến thụ động: hoạt động nhƣ trở kháng trong đó thành phần (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung, thƣờng đƣợc chế tạo bằng trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lƣợng cần đo 1.2. Thành phần cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động Vì cảm biến là 1 thành phần trong hệ thông điều khiển tự động nên ta tìm hiểu tổng quan về sơ đồ điều khiển tự động Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động Trong đó: Nhiệm vụ của cảm biến: + Tiếp nhận các tín hiệu vào(trong ngành cơ khí thƣờng là tín hiệu cơ, nhiệt ) + Chuyển đổi các tín hiệu đó thành các đại lƣợng vật lý khác (thƣờng là tín hiệu điện) + Truyền cho mạch điều khiển (bộ phận xử lí tín hiệu). 3
7. Nhiệm vụ của bộ phận xử lý thông tin (bộ phận điều khiển): + Thu nhận thông tin từ cảm biến + Xử lý thông tin: tổ hợp, phân tích, so sánh, phân phối do chƣơng trình điều khiển quy định + Xuất lệnh điều khiển đến cơ cấu chấp hành Nhiệm vụ của cơ cấu chấp hành Phần tử chấp hành sẽ thực hiện các hoạt động nhƣ: đóng, mở, đẩy, ngắt các chuyển động của các bộ phận máy, các van, hay các thiết bị thực hiện nhiệm vụ của mình. 1.3. Đƣờng cong chuẩn cảm biến Đƣờng cong chuẩn cảm biến là đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lƣợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị đại lƣợng đo (m) ở đầu vào. Nó biểu diễn dƣới dạng đồ thị nhƣ hình 1.3a Hình 1.3. Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn của cảm biến dạng tuyến tính Dựa vào đƣờng cong chẩn của cảm biến ta có thể xác định giá trị mi thông qua giá trị đo đƣợc si. 4
8. Để dễ sử dụng ngƣời ta thƣờng chế tạo cảm biến có sự phù thuộc tuyến tính giữa đại lƣợng đầu ra và đầu vào, phƣơng trình s = F(m) có dạng s = am + b (1.2) là phƣơng trình tuyến tính với a, b là hằng số, khi đó đƣờng cong chuẩn là đƣờng thẳng nhƣ hình 1.3b 1.4. Các thông số đặc trƣng cơ bản của cảm biến 1.4.1. Độ nhạy của cảm biến Thông thƣờng ngƣời ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra ∆s và biến thiên đầu vào ∆m ∆s = S.∆m (1.3) ∆s Trong đó S là độ nhạy của cảm biến vậy S = ∆m Nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tƣơng ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Đơn vị đo của độ nhạy phù thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lƣợng liên quan, ví dụ: - S ( / oC) đối với nhiệt điện trở - S ( / oC ) đối với cặp nhiệt Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm sao cho độ nhạy S của chúng không đổi hay S ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau - Giá trị đại lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó - Thời gian sử dụng ( độ già hóa ) - Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác của môi trƣờng xung quanh 1.4.2. Sai số Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo nó còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo đƣợc và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Gọi Δx ( sai số tuyệt 5
9. đối ) là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo đƣợc và giá trị thực x, vậy sai số tƣơng đối của cảm biến: δ = . 100 [%] (1.4) Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì ta không thể biêt chính xác hoàn toàn giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Khi đánh giá sai số cảm biến ngƣời ta thƣờng phân chúng làm hai loại, sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp. Đối với một giá trị cho trƣớc của đại lƣợng cần đo, sai số hệ thống có thể không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo, nó thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị đo đƣợc và giá trị thực. Sai số hệ thống thƣờng có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch và không đầy đủ về hệ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt. Các nguyên nhân gây nên sai số hệ thống: + Sai số do giá trị đại lƣợng chuẩn không đúng + Sai số do đặc tính của cảm biến + Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng + Sai số do xử lý kết quả đo - Sai số ngẫu nhiên là sai số mà sự xuất hiện của chúng có biên độ và dấu không xác định. Một số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên có thể dự đoán đƣợc nhƣng độ lớn của chúng thì không thể biết trƣớc. Các nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên: + Sai số do tính không xác định của thiết bị + Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Sai số so các đại lƣợng ảnh hƣởng Trong nhiều trƣờng hợp ta có thể giảm đọ lớn của sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thích hợp nhƣ: bảo vệ mạch đo bằng cách ổn định nhiệt độ và độ ẳm của môi trƣờng đo, sử dụng các giá đỡ chống rung, sử dụng các bộ tự điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, các bộ chuyển đổi tƣơng tự số có độ 6
10. phân giải thích hợp, che chắn và nối đất các thiết bị điện, sử dụng bộ lọc tín hiệu , ngoài ra việc áp dung chế độ vận hành đúng đắn cũng là biện pháp tốt để giảm sai số ngẫu nhiên. 1.4.3. Độ chính xác và độ chính xác lặp lại Độ chính xác là đặc trƣng của thiết bị cho ra kết quả đo gần với giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Độ chính xác lặp lại mà miền giá trị đầu ra có thể nhận đƣợc khi cảm biến đo cùng một giá trị đầu vào nhiều lần. 1.4.4. Độ phân giải Độ phân giải đối với mỗi cảm biến là sự thay đổi lớn nhất của giá trị đo mà không làm giá trị đầu giá trị đầu ra của cảm biến thay đổi. Nói cách khác là giá trị đƣợc đo có thể thay đổi bằng độ lơn của độ phân giải mà không làm thay đổi giá trị đầu ra của cảm biến. Ví dụ: độ phân giải của cảm biến nhiệt độ. Hình 1.4. Đồ thị độ phân giải của cảm biến nhiệt độ 1.4.5. Độ tuyến tính Bộ cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị đại lƣợng đo (m), bộ cảm biến là lý tƣởng khi mà đầu ra tuyến tính chính xác với đại lƣợng đo nhƣng thực tế không có đầu đo nào đƣợc hoàn hảo nhƣ thế. 7
11. Nếu cảm biến không tuyến tính ngƣời ta đƣa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đƣợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lƣợng đo ở đầu vào, sự hiệu chỉnh đó gọi là tuyến tính hóa. Các cảm biến luôn có sai số về không tuyến tính, sai số về độ tuyến tính không phải xảy ra trên toàn bộ miền đo nhƣ hình 1.5. Hình 1.5. Độ phi tuyến của cảm biến Trên hình ta thấy tại tỉ lệ ở trung tâm và đầu giới hạn thì sai số nhiều nhất, đó là sai số tuyệt đối, nhƣng sai số này rất nhỏ có thể chấp nhận đƣợc. 1.4.6. Độ nhanh, thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trƣng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lƣợng đầu ra có theo kịp thời gian với biến thiên của đại lƣợng đo hay không, vì vậy cảm biến có độ nhanh càng lớn càng tốt, điều này rất quan trọng với các thiết bị chuyển đổi tốc độ cao nhƣ robot, máy công cụ điều khiển số. Thời gian hồi đáp là thời gian từ khi tín hiệu đo biến thiên đến khi có tín hiệu ra từ cảm biến nhƣ vậy cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp càng ngắn. 1.4.7. Giới hạn sử dụng cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt tác động lên chúng, nếu các ứng lực này vƣợt quá ngƣỡng cho phép thì chúng sẽ làm thay đổi dặc trƣng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến ta phải hiểu rõ những giới hạn này và tuân thủ chúng. 8
12. * Vùng làm việc danh định: Vùng này tƣơng ứng với điều kiện sử dụng bình thƣờng của cảm biến, biến giới của vùng là các giá trị ngƣỡng mà các đại lƣợng đo, các đại lƣợng vật lý có liên quan tới đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng ảnh hƣởng có thể thƣờng xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trƣng làm việc danh định của cảm biến. * Vùng không gây hƣ hỏng: Khi các giá trị của đại lƣợng đo hoặc các dại lƣợng liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt quá ngƣỡng vùng làm việc danh định nhƣng vẫn còn trong phạm vi của vùng không gây hƣ hỏng, các đặc trƣng của cảm biến nguy cơ bị thay đổi nhƣng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định thì các đặc trƣng của cảm biến cũng sẽ tìm lại đƣợc giá trị ban đầu của chúng. * Vùng không phá hủy: Khi các giá trị của đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng không liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt quá ngƣỡng của vùng không gây nên hƣ hỏng nhƣng vẫn nằm trong phạm vi của vùng không phá hủy, các đặc trƣng của cảm biến bị thay đổi, và sự thay đổi này không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định các đặc trƣng của cảm biến cũng sẽ không tìm lai đƣợc giá trị ban đầu của chúng. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy nếu muốn tiếp tục sử dụng cảm biến cần phải chuẩn lại. 9
13. CHƢƠNG 2. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 2.1. Khái niệm cơ bản Trong các đại lƣợng vật lý nhiệt độ là một trong những đại lƣợng đƣợc quan tâm nhiều nhất, vì nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất, bởi vậy việc đo và xác định nhiệt độ có ý nghĩa rất quan trọng. Vì thế cảm biến nhiệt độ (temperature sensor) ra đời, nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp. Là một thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển tự động. Nhƣng để đo đƣợc chính xác giá trị nhiệt độ là vấn đề không đơn giản, phần lớn các đại lƣợng vật lý đều có thể xác định bằng cách so sánh chúng với đại lƣợng cùng bản chất đƣợc coi là đại lƣợng so sánh. Nhiệt độ cũng vậy ta chỉ có thể đo giám tiếp trên cơ sở tính chất của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất đó là khi nhiệt độ tác động vào vật liệu thì sẽ làm thay đổi độ dẫn điện hay điện trở thay đổi theo. Để đo nhiệt độ thì ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp sau: - Phƣơng pháp cơ dựa trên cơ sở sự giãn nở của vật rắn, lỏng, khí. - Phƣơng pháp điện dựa trên sự phù thuộc của điện trở vào nhiệt độ , hiệu ứng seebeck, Thomson, Peltier. - Phƣơng pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt. 2.2. Thang nhiệt độ - Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối: Thang Kelvin đơn vị đo là K. Trong thang Kelvin này ngƣời ta giắn cho nhiệt độ điểm của điểm cân bằng của ba trạng thái nƣớc - nƣớc đá – hơi một giá trị bằng 273,15 K. Từ thang Kelvin ngƣời ta xác định các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ. 10
14. - Thang Celsius: Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là (o C), một độ Celsius bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa độ Celsius và nhiệt độ Kelvin đƣợc xác định theo công thức: T(oC) = T(oK) – 273,15 (2.1) - Thang Fahrenheit: Đơn vị đo nhiệt độ là oF, công thức liên hệ giữa độ Celsius và độ Fahrenheit là: o 9 o T( F) = 5 T( C) + 32 (2.2) 2.3. Các hiệu ứng nhiệt điện Hình 2.1. Các hiệu ứng nhiệt điện a) Hiệu ứng Peltier b) Định luật Volta c) Hiệu ứng thomson d) Hiệu ứng Seebeck 2.3.1. Hiệu ứng Peltier Hình 2.1a ở nơi tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhƣng giống nhau về nhiệt độ sẽ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc. Hiệu điện thế này phù thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ: 11
15. T VM – VN = P A/B (2.3) Định luật Volta : trong một chuỗi cách nhiệt đƣợc cấu thành từ những vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0. Nhƣ hình 2.1b trong một chuỗi có bốn vật dẫn A B C D mắc nối tiếp thì tổng suất điện động sẽ bằng 0. T T T T P A/B + P B/C + P C/D + P D/A = 0 (2.4) Khi hai vật dẫn A và C đƣợc phân cách bởi các vật dẫn trung gian và toàn hệ là đẳng nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và C ở đầu mút cũng chính bằng hiệu điện thế nếu nhƣ chúng (A và C) tiếp xúc trực tiếp với nhau. 2.3.2. Hiệu ứng Thomson Hiệu ứng Thomson: (hình 2.1c) trong một vật dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động . Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ TM, TN của hai điểm M và N. TM h .dT EA = A (2.5) TN Trong đó h là hệ số Thomson. Suất điện động Thomson là hàm của nhiệt độ. Định luật Magnus phát biểu nếu hai đầu ngoài của một mạch chỉ gồm một vật dẫn duy nhất và đồng chất đƣợc duy trì ở cùng một nhiệt độ thì suất điên động Thomson bằng 0. 2.3.3. Hiệu ứng Seebeck Hiệu ứng seebeck: giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A B và hai chuyển tiếp của chúng đƣợc giữ ở nhiệt độ T1 và T2, khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. Suất điện động đó gọi là suất điện động Seebeck. 12
16. Trên hình 2.1d ta có các suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và a lần lƣợt bằng: T2 T1 T T2 q eab = hA.dT ebc = PA/ B ecd = hB .dT eda = PB / A (2.6) T1 T 2 Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động thành phần Peltier và Thomson ở trên: T2 T1T2 T1 T1 EA/ B = PA/ B - PA/ B + (hA hA )dT (2.7) T1 Nếu chọn T1 là nhiệt độ so sánh và lấy T1 = 0 °C, khi đó đối với một cặp vật dẫn A B cho trƣớc, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2. 2.4. Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ trong thực tế Các loại cảm biến nhiệt độ. - Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ) - Nhiệt điện trở kim loại ( RTD-resitance temperature detector ). - Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor ). - Cảm biến bán dẫn ( Diode, Tranzito, IC ) 2.4.1. Cặp nhiệt điện 2.4.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cặp nhiệt điện tên tiếng anh là Thermocouples sử dụng hiệu ứng nhiệt điện Seebeck. Một cặp nhiệt điện gồm hai dây dẫn A và B đƣợc cấu tạo bởi vật liệu khác nhau, tại điểm nối chung của nó có nhiệt độ T1, và hai đầu còn lại (đầu tự do) của cặp nhiệt điện có nhiệt độ T2. Sức điện động nhiệt điện E có độ lớn phụ thuộc vào vật liệu của A và B cũng nhƣ sự sai biệt về nhiệt độ giữa T2 và T1. 13
17. Hình 2.2. Cấu tạo cơ bản của cặp nhiệt điện T1 là nhiệt độ mối nối chung (còn đƣợc gọi là mối nối đo) là nhiệt độ Tc đạt đƣợc khi đặt mối nối chung trong môi trƣờng cần đo có nhiệt độ không biết Tx, nhiệt độ Tc phụ thuộc vào Tx. Hai đầu còn lại của cặp nhiệt độ có nhiệt độ biết trƣớc và giữ không đổi là T2=Tref và đƣợc nối với mạch đo áp. Cặp nhiệt điện đƣa ra tín hiệu điện áp thấp ở tầm milivon.Tín hiệu điện áp gia tăng theo khi nhệt độ đo gia tăng và cũng phụ thuộc vào chất liệu đƣợc sử dụng ở hai dây của cặp nhiệt điện. Trong thực tế khi chế tạo cặp nhiệt ngƣời ta sẽ lắp thêm vào các bộ phận để bảo vệ và tăng tính ổn định, giảm sai số Sơ đồ cặp nhiệt điện trong thực tế có dạng nhƣ sau: Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện trong công nghiệp 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện 5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Hộp nối dây 14
18. Đầu làm việc của các điện cực (3) đƣợc hàn nối với nhau tạo thành mối hàn (2) bằng hàn xì bằng đền axetilen hoặc hàn bằng tia lửa điên, nếu nhiệt độ sử dụng không quá cao thì hàn thiếc, mối hàn phải nhỏ tới mức tối đa để tránh trƣờng hợp tạo ra suất điện động ký sinh. Đầu tự do đƣợc nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ vít nối (6) đặt trong đầu nối dây (8), phần dây có thêm sứ cách điện (4) để tránh mọi tiếp xúc ở vùng ngoài mối hàn, sứ cách điện phải trơ về hóa học và có điện trở lớn. Vỏ bảo vệ (1) đƣợc chế tạo bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt để bảo vệ phần đầu mối hàn, dây kim loại, sứ bên trong và đảm bảo kín khí không lọt qua, chống đƣợc sự gia tăng nhiệt độ đột ngột. 2.4.1.2. Phƣơng pháp đo Suất điện động Seebeck đo đƣợc giữa hai đầu cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo. Chúng chỉ có thể đƣợc xác định chính xác nếu ta giảm tối thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy trong các phần tử của cặp nhiệt điện và dây dẫn vì vậy ngƣời ta thƣờng áp dụng hai phƣơng pháp đo sau: Sử dụng milivon kế có điện trở trong rất lớn: Hình 2.4. Đo suất điện động của cặp nhiệt điện bằng milivon kế Gọi: Rt là điện trở cặp nhiệt. Rd là điện trở dây nối. Rv là điện trở trong của milivon kế 15
19. Khi đo điện áp giữa hai đầu milivon kế biểu diễn bởi công thức: Rv Vm = EAB(t,t0) . (2.8) Rt + Rd + Rv Rút E ra: Rv EAB(t,t0) = Vm [ ] (2.9) Rt + Rd + Rv Vì điện trở của cặp nhiệt và dây nối chƣa biết nên để giảm sai số ngƣời ta chọn Rv sao cho: Rv >> Rt + Rd (2.10) Khi đó EAB(t,t0) Vm vì vậy sẽ giảm đƣợc sai số. - Sử dụng phƣơng pháp xung đối: Mục đính của phƣơng pháp này là để dòng cặp nhiệt điện bằng không, nguyên tắc là đấu với suất điện động cần đo một điện áp đối V sao cho điện áp này đúng bằng giá trị của suất điện động. Giá trị của v đƣợc đo chính xác, thông thƣờng đây là điện áp rơi trên một điện trở có một dòng điện chạy qua. Hình 2.5 Hình 2.5. Sơ đo suất điện động dùng phương pháp xung đối 16
20. Trên hình 2.5a cặp điên nối tiếp với một điện kế G và đƣợc đấu song song với một điện trở chuẩn Re có thể điều chỉnh đƣợc để sao cho kim điện kế chỉ số 0 (dòng điện chạy qua điện kế bằng 0). Ta có: EA/B(Tc,Tref) = Re.I (2.11) Dòng điện I có thể điều chỉnh bằng biến trở con chạy Rh mắc nối tiếp với nguồn điện và đƣợc đo bằng một miliampe kế. Cũng có thể điều chỉnh và đo I nhờ pin mẫu đấu theo sơ đồ hình 2.5b. Trong trƣờng hợp đó: Ee = R’.I (2.12) Re EA/B(Tc,Tref) = R' .Re (2.13) 2.4.1.3. Các loại cặp nhiệt điện trong thực tế và đặc điểm của cặp nhiệt điên Tùy vào dây kim loại tạo nên cặp nhiệt điện mà ngƣời ta phân chia cặp nhiệt điện thành các loại khác nhau, có dải làm việc, sai số và điện áp ra khác nhau, dựa vào đó ta có thể lựa chọn loại cặp nhiệt điện cho phù hợp với yêu cầu sử dụng. Dƣới đây là các loại cặp nhiệt điện thƣờng đƣợc sử dụng. Bảng 2.1. Thông số các loại cặp nhiệt điên. Cặp Chất liệu sử Nhiệt độ sử nhiệt E(mV) Độ chính xác dụng dụng điện E Chromel (+) -270 ÷ 870 -9,835 ÷66,473 (0oC ÷ 400oC) 3oC Constantan (-) (400oC ÷ 1250oC) 0,75% J Iron (+) -210 ÷ 800 -8,096 ÷ 45,498 (0oC ÷ 400oC) 3oC Constantan (-) (400oC ÷ 800oC) 0,75% K Chromel (+) -270 ÷ 1250 -5,354 ÷ 50,633 (0oC ÷ 400oC) 3oC Alumel (-) (400oC ÷ 1250oC) 0,75% R Platinum- -50 ÷ 1500 -0,226 ÷ 17,445 (0oC ÷ 538oC) 1,4% 13%Rhodium (+) (538oC ÷ 1500oC) 0,25% Platinum (-) S Platinum- -50 ÷ 1500 -0,236 ÷15,576 (0oC ÷ 600oC) 2,5% 10%Rhodium(+) (600oC ÷ 1500oC) 0,4% Platinum (-) T Copper (+) -270 ÷ 370 -6,258 ÷ 19,027 (-100oC ÷ -40oC) 2% Constantan(-) (-40oC ÷ 100oC) 0,8% (100oC ÷ 350oC) 0,75% 17
21. - Thƣờng dùng: lò nhiệt, luyện kim, lò nung và các môi trƣờng khắt nghiệt. - Ƣu điểm: kích thƣớc nhỏ cho phép đáp ứng nhanh, bền và có tuổi thọ cao hơn nhiệt điện trở RTD. Đo nhiệt độ cao, dải nhiệt độ làm việc rộng. - Khuyết điểm: nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới sai số nhƣ nhiệt độ môi trƣờng thay đổi, nhiệt độ đầu tự do thay đổi, đặt đầu làm việc của cặp nhiệt không hợp lí, do thay đổi điện trở phần dây nối. Có độ nhạy không cao và kém ổn định hơn nhiệt điện trở RTD ở nhiệt độ cao. 2.4.2. Nhiệt điện trở kim loại 2.4.2.1. Khái quát và nguyên lý hoạt động Nhiệt điện trở kim loại còn gọi là RTD (resitance temperature detector) là cảm biến nhiệt độ thông dụng nhƣ cặp nhiệt điện. RTD có cấu tạo từ kim loại đƣợc quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, cụ thể là nhiệt độ tăng thì điện trở tăng. Dựa vào nguyên lý của sự thay đổi điện trở, ngƣời ta chứng minh đƣợc rằng điện trở RTD thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ theo phƣơng trình sau: 2 RT = R0( 1+ αT + βT ) (2.14) o Trong đó: + RT: điện trở tại nhiệt độ T ( C) o + R0 :điện trở tại nhiệt độ 0 ( C) + α và β là hằng số xác định theo thực nghiệm Nếu nhiệt độ trong khoảng ngắn nhất định thì công thức trên có thể đơn giản thành: RT = R0( 1+ αT ) (2.15) Tùy vào chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Tùy thuộc vào phạm vi đo nhiệt độ mà ta chọn vật liệu thích 18
22. hợp, ngƣời ta thƣờng sử dụng điện trở bằng platin, nickel và đôi khi bằng đồng,Wonfram Bạch kim (platinum):có thể đƣợc chế tạo tinh khiết (99,99%) điều này cho phép tăng độ chính xác và tính chất điện của vật liệu. ngoài ra nó trơ về hóa học và ổn định trong cấu trúc tinh thể nên platin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện. Các điện trở làm bằng platin hoạt động trong dải nhiệt độ khá rộng -200oC ÷ 1000oC vì thế nên điên trở kim loại platin đƣợc đánh giá cao, sử dụng phổ biến nhất. 2.4.2.2. Cấu tạo và đặc điểm của nhiệt điện trở kim loại Để sử dụng trong công nghiệp thì nó phải có vỏ bọc chống đƣợc va đập mạnh và rung động, điện trở kim loại đƣợc cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm và đƣợc đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép nhƣ hình 2.6. Hình 2.6. Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở Platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) Ống platin 4)Dây nối 5)Sứ cách điện 6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng 19
23. Để sử dụng RTD làm dụng cụ đo nhiệt độ ngƣời ta thƣờng dùng một mạch cầu Wheatstone để kết nối với RTD. Sơ đồ mạch cầu Wheatstone nhƣ hình 2.6 và 2.7. Hình 2.7. Mạch cầu Wheatstone dùng cho RTD Khi đó điện áp ra tính theo công thức: RT R3 V0 = V( - ) (2.16) R1 + RT R2 + R3 Trong đó V là điện áp cung cấp cho mạch cầu. Các điện trở R1,R2 thƣờng có giá trị bằng nhau và R3 thƣờng là một biến trở để điều chỉnh để mạch cầu cân bằng ở nhiệt độ 0oC. Trên thị trƣờng có các loại nhiệt kế điện trở dùng Platinum: 100, 200, 500, 1000 Ohms tại 0oC. Loại PT-100 nghĩa là có điện trở ở nhiệt độ 0oC bằng 100 Ohms loại này rất hay gặp. Nhiệt kế điện trở loại này có công thức tính điện trở nhƣ sau: RT = 100( 1+ αT ) (2.17) Giá trị hằng số α thƣờng lấy bằng 0.00385oC-1 và đƣợc coi là không đổi trong thang nhiệt độ 0÷100 độ. Nhiệt điện trở kim loại RTD thƣờng có loại 2 dây là 3 dây và 4 dây, loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số. - Ƣu điểm: + Độ chính xác cao, phạm vi đo rộng + Độ ổn định theo thời gian cao, độ trôi hơn 0,1oC / năm + Tín hiệu điện áp ra lớn hơn loại cặp nhiệt điện + Độ tuyến tính điện trở rất tốt 20
24. - Nhƣợc điểm: + Giá thành cao, kích thƣớc lớn + Không bền nhƣ nhiệt cặp nhiệt trong môi trƣờng rung động cao và va đập mạnh. 2.4.3. Nhiệt điện trở bán dẫn 2.4.3.1. Đặc điểm chế tao Tên thƣờng gọi là Thermistor, đƣợc làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể nhƣ: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO. Để chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn các bột oxit đƣợc trộn với nhau theo tỉ lệ thích hợp, sau đó chúng đƣợc nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000oC. Các dây nối kim loại đƣợc hàn 2 điểm trên bề mặt bán dẫn đã đƣợc phủ bằng một lớp kim loại, Các nhiệt điện trở bán dẫn đƣợc chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau( hình đĩa, hình trụ, hình vòng ) và phần tử nhay cảm có thể bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần. Các vật liệu thƣờng sử dụng có điện trở suất cao cho phép chế tạo những nhiệt điện trở bán dẫn có giá trị thích hợp với lƣợng vật chất nhỏ và kích thƣớc tối đa ( hình 2.8). Kích thƣớc nhỏ cho phép đo nhiệt độ từng điểm. Hình 2.8. Các loại Thermistor trong thực tế 21
25. Độ ổn định nhiệt của thermistor phù thuộc vào việc chế tạo nó và điều kiện sử dụng. Vỏ bọc của thermistor sẽ bảo vệ nó không bị phá hủy hóa học và tăng độ ổn định khi làm việc. Trong quá trình sử dụng cần phải tránh sự thay đổi nhiệt độ đột ngột bởi vì nó sẽ làm rạn nứt vật liệu. 2.4.3.2. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng Nguyên lý hoạt động là sự biến thiên điện trở khi nhiệt độ thay đổi nên không quan tâm chiều đấu dây. Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dƣơng PTC điện trở tăng theo nhiệt độ. Hệ số nhiệt âm NTC điện trở giảm theo nhiệt độ. Thƣờng dùng nhất là loại NTC. Tùy vào nhiệt độ môi trƣờng nào mà chọn Thermistor cho thích hợp. Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định vài độ đến 300o C do vậy ngƣời ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. - Ƣu điểm: + Có độ nhạy nhiệt cao nhất trong các cảm biến nhiệt độ, khoảng 10 lần so với độ nhạy của nhiệt điện trở kim loại. + Giá thành thấp, chế tạo đơn giản. + Kích thƣớc nhỏ, đáp ứng nhanh. - Nhƣợc điểm: + Phạm vi đo nhỏ chỉ khoảng vài độ đến 300oC. + Cần các bộ phận thành phần hay mạch bổ trợ để ứng dụng. 2.4.4. Cảm biến bán dẫn 2.4.4.1. Nguyên lý cấu tạo Có thể đo nhiệt độ bằng cách sử dụng linh kiện nhạy cảm là diode, IC hoặc tranzito mắc theo kiểu diode nhƣng phân cực thuận với I không đổi nhƣ hình 2.9. Nguyên lý của cảm biến bán dẫn là sự phân cực của các chất bán dẫn khì bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ. Điện áp giữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt độ. 22
26. Hình 2.9. Các linh kiện sử dụng làm cảm biến nhiệt bán dẫn a) Diode b) Tranzito mắc theo kiểu diode c) Cặp tranzito mắc kiểu diode Độ nhạy nhiệt của diode hoặc tranzito mắc theo kiểu diode xác định bởi biểu thức: dV S = dT (2.18) Giá trị của độ nhạy nhiệt cỡ -2,5mV/oC. Ngoài ra độ nhạy nhiệt còn phụ thuộc vào dòng điện ngƣợc Io, dòng này có thể thay đổi khác nhau với các linh kiện khác nhau. Để tăng độ tuyến tính và khả năng thay thế ngƣời ta mắc theo sơ đồ hình 2.8c. 2.4.4.2. Đặc điểm, một số loại cảm biến bán dẫn và phạm vi ứng dụng Có độ nhạy nhiệt lớn hơn nhiều so với cặp nhiệt điện trở bán dẫn, rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản, nhƣng không chịu nhiệt độ cao và kém chịu đựng trong môi trƣờng khắc nghiệt: ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh. Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế do sự thay đổi tính chất điện của cảm biến ở nhiệt độ giới hạn và nằm trong khoảng -50oC ÷ 150oC, trong khoảng nhiệt độ này cảm biến có độ ổn định cao. 23
27. Trên thị trƣờng có ác cảm biến loại này dƣới dạng diode nhƣ TD-470, TD-471, TD-414, TD-470-SD hình dạng giống nhau nhƣ hình 2.10a. Các loại dạng IC nhƣ: LM35, LM335, LM45 nhƣ hình 2.10b Hình 2.10. Cảm biến bán dẫn trong thực tế Loại LM 35 là một đại diện cho cảm biến bán dẫn loại IC giống nhƣ các transistor (kiểu T0-92), chúng có độ nhạy 10mV/oC, dải nhiệt độ tối đa - o 1 o 55 ÷ 150 C, điện áp cung cấp 4 ÷ 20v, sai số 4 C với nhiệt độ phòng và 3 o 4 C với dải nhiệt độ tối đa, thứ tự các chân nhƣ hình 2.11a Khi muốn đo nhiệt độ ta chỉ cần nối LM 35 với một đồng hồ đo V nhƣ hình 2.11b Hình 2.11. LM 35 a) Thứ tự chân LM 35 b) Nối LM 35 với đồng hồ đo 24
28. Cảm biến bán dẫn thƣờng dùng đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử, cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng nên phải quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt đƣợc sự chính xác. 2.4.5. Hỏa quang kế Hay còn gọi là Pyrometer đây là loại cảm biến nhiệt độ đặc biệt biến đổi năng lƣợng ánh sang thành năng lƣợng điện có chứa thông tin về nhiệt độ cần đo. Nó làm việc chủ yếu trong môi trƣờng khắc nghiệt mà các loại cảm biến nhiệt độ bình thƣờng khó có thể đo đƣợc nhƣ là lò nung, lò luyện kim. Nhiệt độ đo có thể đến hàng nghìn độ C. Đặc điểm của loại này là đo nhiệt độ mà không cần lại gần vật mang nhiệt, cấu tạo chung gồm các bộ phận ống kính hội tụ, thu ánh sáng và bộ phận mạch đo. Vì đặc điểm đo không tiếp xúc trực tiếp với điểm nhiệt độ cần đo nên độ chính xác của hỏa quang kế không cao chỉ mang tính tƣơng đối, nó phụ thuộc chủ yếu vào bộ phận chuyển đổi thông tin ánh sáng và môi trƣờng xung quanh tại thời điểm đo. Dải nhiệt độ do càng cao thì sai lệch về nhiệt độ càng lớn. Các thiết bị hỏa quang kế tất cả đều sử dụng hai loại thang nhiệt độ là oC và oF, để ngƣời sử dụng lựa chọn. Thông thƣờng ngƣời ta chia hỏa quang kế làm loại. + Hỏa kế bức xạ toàn phần. + Hỏa kế cƣờng độ sáng. 2.4.5.1. Hỏa kế bức xạ toàn phần. Hay còn gọi nhiệt kế hồng ngoại(IR Temperature) loại này là phổ biến nhất vì sử dụng đơn giản, đo nhiệt độ cao. Thiết bị sử dụng diode hồng ngoại để thu năng lƣơng. Nguyên lý đo theo định luật Stefan để suy ra nhiệt độ của vật. Năng lƣợng bức xạ: 4 ET = ω.ζ.T (2.19) Trong đó: ζ là hằng số ζ = 5,67.10-8[W/m2.K-4] hằng số Stefan. ε: 1 suất phát xạ (hệ số phát xạ) 25
29. Loại hỏa kế bức xạ toàn phần trong công nghiệp dùng tia laser phát ra song song với trục của nó, vòng tròn sang của tia laser đặt vào điểm cần đo nhiệt độ. Trên mặt hỏa kế luôn có một màn hình hiện thị kết quả đo. Trong hình 2.12 là một số loại nhiệt kế hồng ngoại. Hình 2.12. Nhiệt kế hồng ngoại dùng tia laser Ứng dụng của nhiệt kế hồng ngoại còn đƣợc sử dụng trong y học để đo nhiệt độ ngƣời qua màng nhĩ tai còn gọi là Ear thermometer nhƣ hình 2.13b. Loại này đo nhanh, khoảng đo 10 ÷ 40oC, độ chính xác cao nên giờ rất phổ biến và bắt đầu thay thế cho các nhiệt kế ở bệnh viện. Hình 2.13. Nhiệt kế tai của hãng Omron Hình 2.13a là nguyên lý đo nhiệt độ qua tai, màng nhĩ phát ra năng lƣơng hồng ngọai. Bộ vi xử lý sẽ điều khiển việc điều chỉnh độ nhạy và bù nhiệt, và tiến hành tính toán nhiệt độ ngƣời. 26
30. 2.4.5.2. Hỏa kế cƣờng độ sáng Đây là loại cấu tạo khá đơn giản, hoạt động dựa trên định luật Plank C I 1 (2.20) T C2 5 e RT 1 Với + I là cƣờng độ bức xạ đơn sắc ứng với bƣớc sóng ở nhiệt độ T(k). T + R là hằng số khí lý tƣởng. + C1, C2 là hằng số. Nghĩa là hai vật có độ sáng ứng với một bƣớc sóng nhất định bằng nhau thì có nhiệt độ bằng nhau. Ngƣời ta thƣờng chọn bƣớc song 0,6 µm. Về cơ bản nó đƣợc cấu tạo nhƣ hình 2.14. Hình 2.14. Cấu tạo của hỏa kế cường độ sáng Trong đó: 1 – Đèn sợi đốt 2 – Vật kính, chỉnh vật kính 27
31. 3 – Ống trƣợt và vật kính 4 – Chiết áp chỉnh dòng điện đốt đèn 5 – Thấu kính a) Nhiệt độ dây đèn bằng nhiệt độ đối tƣợng đo b) Nhiệt độ dây đèn cao hơn nhiệt độ đối tƣợng đo c) Nhiệt độ dây đèn thấp hơn nhiệt độ đối tƣợng đo Thiết bị này đo nhiệt độ bằng cách so sánh độ sáng của dây tóc bóng đèn của dụng cụ đo với độ sáng của vật thể cần đo. Ánh sáng phát từ vật thể cần đo qua thấu kính tập trung tạo nên ảnh của vùng sáng từ vật thể trên một mặt phẳng, ở đó có sợi dây đốt nóng của một bóng đèn. Điều chỉnh độ sáng của dây tóc bằng chiết áp sao cho trùng với độ sáng của nguồn sáng từ vật thể nhƣ hình 2.14a. Cƣờng độ dòng điện qua đèn đo bằng một ampe kế. Giá trị tƣơng ứng của cƣờng độ này với giá trị tƣơng ứng của nhiệt độ lò. 2.5. Sơ đồ ứng dụng cảm biến nhiệt độ trong thực tế Hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động cho lò hơi đốt than trong công nghiệp có sơ đồ nhƣ hình 2.15. Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ cho lò hơi Trong đó: - r(t): là tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn yêu cầu của hệ thống - e(t): là sai số giữa tín hiệu thực và tín hiệu chuẩn - Cht(t): là tín hiệu hồi tiếp từ cảm biến nhiệt độ 28
32. Trong quá trình làm việc thì tìn hiệu hồi tiếp liên tuc đƣợc so sánh với tín hiệu chuẩn để giúp duy trì nhiệt độ ổn định. e(t) = r(t) - Cht(t) (2.21) Sơ đồ lò đốt bằng than ta điều chỉnh nhiệt độ bằng quạt gió đƣa vào lò đốt, sơ đồ này hiện nay vẫn còn sử dụng nhiều, nhƣ lò hơi nhà máy giấy Hapaco Hải Phòng. Hiện nay do tính năng nổi bật của bộ điều chỉnh nhiệt độ, và với giá thành rẻ (khoảng 2 triệu) nên hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt độ kết hợp bộ điều khiển nhiệt độ khá thông dụng. 2.5.1. Các thành phần của hệ thống - Cảm biến nhiệt RTD: ta sử dụng loại Pt 100: IEC 751 (hình 2.16), vì nó bền, độ nhạy cao, tầm đo rộng -200 ÷ 850oC rất phù hợp để đo nhiệt độ lò hơi. Hình 2.16. Cảm biến nhiệt điên trở kim loại RTD loại Pt 100 29
33. - Temperature transmitter: TA100 hình 2.17. Hình 2.17. Bộ chuyển đổi tín hiệu TA100 Loại này có dải làm việc -50 ÷ 500oC, output 4÷20mA, giúp chuyển đổi tín hiệu điện áp từ Pt 100 sang tín hiệu chuẩn là dòng điện 4÷20mA để đƣa vảo bộ điều khiển nhiệt độ, ta dùng tín hiệu điện để giảm tổn hao và nhiễu tín hiệu trên đƣờng truyền. - Bộ điều khiển nhiệt độ: dùng loại E5CZ – C2ML của OMRON nhƣ hình 2.18. Hình 2.18. Bộ điều khiển nhiệt độ E5CZ – Q2ML 30
34. Loại này có nguồn cấp: 100 ÷ 240 VAC, 50/60Hz Kiểu điều khiển: ON/OFF hoặc 2-PID Tín hiệu vào là Analog - Dòng điện vào: 4 ÷ 20 mA, 0 ÷ 20 mA - Điện áp vào: 1 ÷ 5 V, 0 ÷ 5 V, 0 ÷ 10 V Trƣớc tiên ta phải cài đặt tín hiệu setpoint, set thêm ngƣỡng nhiệt thấp và ngƣỡng nhiệt cao, để điều khiển van tự động. Khi chƣa tới mức nhiệt setpoint thì van sẽ mở, khi vƣợt quá mức nhiệt thì van sẽ đóng. - Biến tần: ta sử dụng loại biến tần Siemens MM 420 (Micromaster 420) hình 2.19. Hình 2.19. Biến tần Siemens MM 420 Vì giá thành thấp, trong khi vẫn có nhiều tính năng linh hoạt, điện áp vào 3 pha 380V, điện áp ra 3 pha 380V. Ta sử dụng biến tần này để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha, một cách tự động và giúp tiết kiệm năng lƣợng. - Động cơ quạt gió: ta sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn vì cấu tạo đơn giản, công suất lớn vì thế nó đƣợc sử dụng hầu hết trong các nhà máy, để tạo thành quạt gió thì động cơ phải lắp thêm cánh quạt và hệ thống đƣờng ống dẫn gió nhƣ hình 2.20. 31
35. Hình 2.20. Quạt gió trong công nghiệp. 2.5.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống Cảm biến đo nhiệt độ ở lò sấy sẽ đƣa qua bộ chuyển đổi Transmitter, để biến đổi thành tín hiệu chuẩn để đƣa bộ điều khiển nhiệt độ. Khi đó thông tin nhiệt độ sẽ đƣợc hiện thị và nếu nhiệt độ của lò sấy đến ngƣỡng cao ( ta cài đặt trong bộ điều khiển ) thì bộ điều khiển sẽ đƣa tín hiệu đến biến tần để điều chỉnh tần số giúp giảm tốc độ động cơ quạt gió làm giảm lƣu lƣợng khí vào lò giúp nhiệt độ lò giảm. Thông tin nhiệt độ sẽ đƣa đến bộ điều khiển liên tục, khi nhiệt độ lò giảm xuống đến ngƣỡng thấp thì bộ điều khiển lại đƣa tín hiệu đến biến tần để điều chỉnh tăng tốc độ động cơ quạt gió giúp tăng nhiệt độ lò. Quá trình lặp đi lặp lại tuần hoàn để đảm bảo nhiệt độ lò đốt nồi hơi đƣợc duy trì nhiệt dộ xác định. 32
36. CHƢƠNG 3. CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.1. Tổng quan về cảm biến áp suất Tên tiếng anh là pressure sensor là thiết bị để đo áp suất, biến đổi đại lƣợng áp suất thành đại lƣợng điện. Cảm biến áp suất đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp, vì các thiết bị liên quan tới thủy lực, nhiệt, hạt nhân, cần phải đo và theo dõi áp suất liên tục, nếu áp suất vƣợt quá giới hạn ngƣỡng nó sẽ làm hỏng bình chứa và đƣờng ống dẫn, thậm chí có thể gây nổ làm thiệt hại đến cơ sở vật chất và tính mạng con ngƣời. Nó còn sử dụng trong xe ôto (cảm biến ở lốp xe), tàu thủy, và ở các máy móc trong ngành xây dựng. Các cảm biến áp suất đƣợc sử dụng trong nhà máy sẽ đo, xác định áp suất khí nén, hơi nƣớc, dầu nhờn hoặc chất lỏng khác để cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển tự động và giám sát. Thực tế là nhu cầu đo áp suất rất đa dạng đòi hỏi các cảm biến đo áp suất phải đáp ứng một cách tốt nhất cho từng trƣờng hợp cụ thể. Chính vì vậy các cảm biến áp suất cũng rất đa dạng. Nguyên nhân nữa dẫn đến sự đa dạng này là độ lớn của áp suất cần đo nằm trong một dải giá trị rất rộng. 3.2. Khái niệm áp suất và đơn vị đo 3.2.1. Khái niệm về áp suất Nếu cho chất lỏng hoặc khí (gọi chung là chất lƣu) vào một bình chứa nó sẽ gây lên lực tác dụng lên thành bình gọi là áp suất. Áp suất này phù thuộc vào bản chất của chất lƣu, thể tính chất lƣu chiếm trong bình, nhiệt độ. Áp suất (p) có giá trị bằng lực (dF) tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích (ds) bền mặt chứa: dF p = ds (3.1) 33
37. Các chất lƣu luôn chịu tác động của trọng lực, bởi vậy trong trƣờng hợp cột chất lƣu chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất ở điểm M cách bề mặt tự do một khoảng h sẽ bằng áp suất khí quển po cộng với trọng lƣợng của cột chất lƣu có chiều cao h tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt. p = po + ρgh (3.2) Trong đó: - ρ là khối lƣợng riêng của chất lƣu. - g là gia tốc trọng trƣờng tại điểm đo áp suất. - Giá trị của áp suất đƣợc chia làm ba loại nhƣ sau: (absolut . calip (gage pres . . 3.2.2. Đơn vị đo Trong hệ SI đơn vị áp suất Pascal(Pa) bằng một Newton mỗi mét vuông. Đặt theo tên của Blaise Pascal nhà tóan lý học và triết học ngƣời Pháp. 1 Pa = 1 N/m2 34
38. Các đơn vị đo áp suất khác thƣờng sử dụng trong bảng Bảng 3.1. Bảng 3.1. Bảng chuyển đổi giữa các đơn vị đo áp suất Đơn vị atmosphe cm cột Pound trên pascal bar atmosphe torr đo áp kỹ thuật nƣớc một inch (Pa) (bar) (atm) (Torr) suất (at) (gam/cm2) vuông (psi) 1 Pa 1(N/m2) 10-5 1.0197.10−5 9,8692.10-6 7,5.10-3 1,02.10-2 145,04.10-6 1 bar 105 1 1,0197 0,9869 750,06 1020 14,504 1 at 98066,5 0,980665 1(kg/cm2) 0,9678 735,56 1000 14,223 1 atm 101325 0,980665 1,0332 1 760 1033 14,696 1 Torr 133,322 1,333.10-3 1,3595.10-3 1,3158.10-3 1 136 19,337.10-3 1 98 98.10-5 10-3 9,68.10-4 0,735 1 14,2.10-3 gam/cm2 1 psi 689476 68,948.10-3 70,307.10−3 68,046.10-3 51,715 7032,65 1 “psi” “bar” , “g” hoặc “d” (absolute pres (gage pres (differential pressure). . Đơn vị , đặc biệt là đối với xe ôtô. Đ . Các đơn . Áp suất khí quyển thƣờng đo bằng đơn vị kilopascal (kPa), hoặc atmosphe(atm) nhƣng ở Mỹ ngƣời ta lại sử dụng hectopascal (hPa) và millibar(mbar) làm đơn vị đo áp suất khí quyển. 35
39. 3.3. Đo áp suất tĩnh và áp suất động 3.3.1. Đo áp suất tĩnh Áp suất tĩnh là áp suất trong chất lƣu không chuyển động, vì vậy đo áp suất tĩnh là đo lực F tác dụng lên diện tích s tại vị trí cần đo. Có ba phƣơng pháp đo nhƣ sau: - Đo áp suất lấy qua một lỗ tròn nhỏ đƣợc khoan trên thành bình , cảm biến đo F từ đó suy ra p. - Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên, trong trƣờng hợp này ngƣời ta gắn vào thành bình cảm biến đo ứng suất biến dạng trên thành bình, biến dạng này là hàm của áp suất. - Đo bằng cảm biến áp suất có các phần tử biến dạng nhƣ màng, ống trụ, capsule để khi lực F tác dụng sẽ làm phần tử đó biến dạng, có một cơ cấu để chuyển sự biến dạng đó thành tín hiệu điên chứa thông tin về áp suất. 3.3.2. Đo áp suất động Áp suất động là lực tác động lên mặt phẳng vuông góc với dòng chảy, có chiều trùng với chiều dòng chảy. Khi đo chất lƣu chuyển động thì ta phải tính đến ba dạng áp suất cùng tồn tại là: + Áp suất động pđ do chuyển động với vận tốc v của chất lƣu + Áp suất tĩnh pt + Áp suất tổng p là tổng hai áp suất trên Khi đó: p = pđ + pt (3.3) ρv2 pđ = 2 (3.4) Việc đo áp suất động ngƣời ta sử dụng chủ yếu ống Pitot, để đo áp suất dòng chảy hay áp suất không khí của máy bay nhƣ hình 3.2. 36
40. Hình 3.2. Đo áp suất động bằng ống Pitot. Hình 3.1a ở ống pitot loại này hai áp suất là p áp suất tổng ) và pt áp suất tĩnh sẽ tác động với nhau làm cho cột nƣớc của một bên ống cao hơn bên còn lại một khoảng h. Từ khoảng cao đó ta có thể xác định đƣợc áp suất động. Hình 3.1b là ống pitot sử dụng trong máy bay, máy bay trở khách thƣờng có 4 ống, máy bay chiến đấu thƣờng dùng 2 ống. Nguyên lý đo cũng nhƣ hình 3.2a nhƣng ở đây ta sử dụng cảm biến để đo áp suất P1 và P2. Hình 3.1c cảm biến 1 đo áp suất tổng đƣa tín hiệu ra V1, cảm biến 2 đo áp suất tĩnh đƣa tín hiệu ra V2 khi đó: V1 – V2 = Vđ từ đó có thể xác đinh áp suất tổng pđ. 37
41. 3.4. Một số dụng cụ đo áp suất cơ bản 3.4.1. Đồng hồ đo áp suất Cấu tạo nhƣ hình 3.2b gồm chi tiết chính là ống Bourdon đƣợc làm bằng đồng hoặc kim loại nhẹ, hệ thống chuyền động và kim chỉ thị. Khi có áp suất nó sẽ tác động vào ống bourdon, ống biến dạng và tác động đến cơ cấu chuyền động, cơ cấu này sẽ đẩy kim xê dịch giúp hiển thị áp suất đƣa vào. Đồng hồ đo thƣờng sử dụng ở các bồn chứa, bình chứa nó đƣợc gắn trực tiếp vào bình chứa thông qua một lỗ tròn nhỏ trên bình để đƣa áp suất vào đồng hồ, loại này giúp hiện thị giá trị áp suất để theo dõi. Hình 3.2. Đồng hồ đo áp suất Hình 3.2a là loại đồng hồ đo áp suất trên thị trƣờng, để đạt độ chính xác cao hơn ngƣời ta nắp thêm bộ chống rung và chống sốc. 3.4.2. Áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và bình nhỏ có tiết diện f, hệ thống van và phao, cơ cấu chỉ thị nhƣ hình 3.3. 38
42. Hình 3.3. Áp kế vi sai kiểu phao 1) Bình lớn 2) Bình nhỏ 3) Phao 4) Kim chỉ thị 5, 6, 7) Van Chất lỏng trong bình là thủy ngân hoặc dầu biến áp. Đƣa áp suất lớn (p1) đƣợc đƣa vào bình lớn, áp suất bé (p2) đƣợc đƣa vào bình nhỏ, lúc này áp suất lớn sẽ đẩy chất lỏng bình lớn sang bình bé làm phao dịch xuống một đoạn h1, chất lỏng bình bé dâng lên đoan h2 . Khi phao dịch xuống sẽ đẩy kim dịch chuyển số chỉ của kim ứng với áp suất vi sai cần đo. Phƣơng trình cân bằng áp suất: p1 – p2 = g(ρm – ρ)(h1 + h2) (3.5) Trong đó – g là gia tốc trọng trƣờng. – ρm trọng lƣợng riêng của chất lỏng làm việc. – ρ trọng lƣợng riêng của chất khí cần đo. Phƣơng trình cân bằng thể tích : F.h1 = f.h2 (3.6) Suy ra : 1 h1 = F . ( p1 – p2 ) (3.7) (1 + f )( ρm – ρ)g 39
43. F Áp kế vi sai dùng để đo áp suất dƣới 25MPa. Khi ta hay đổi tỉ số f (thay đổi bình nhỏ) ta có thể thay đổi phạm vi đo. 3.4.3. Áp kế vi sai kiểu chuông Cấu tạo gồm một chuông có gắn kim chỉ thị nhúng trong bình nhƣ hình 3.4. Hình 3.4. Cấu tạo áp kế vi sai kiểu chuông 1 ) Chuông 2) Bình chứa 3) Cơ cấu chỉ thị Hình 3.5a khi p1 = p2 thì chuông ở vị trí đứng yên Hình 3.5b khi p1 > p2 thì áp suất p1 sẽ đẩy chuông lên trên một đoạn dH làm kim cũng sẽ dịch lên và chỉ giá trị áp suất vi sai. Độ dịch chuyển của chuông: f H = . (p1 – p2) (3.8) ∆f.g(ρm – ρ) Trong đó: + f là tiết diện trong của chuông. + ∆f là diện tích tiết diện thành chuông. Áp kế vi sai có độ chính xác cao, có thể đo đƣợc áp suất thấp và áp suất chân không. 40
44. 3.5. Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng các loại cảm biến áp suất trong thực tế 3.5.1. Cấu tạo cơ bản của cảm biến áp suất Cảm biến áp suất trên thị trƣờng có nhiều chủng loại, tên gọi và nhiều cách phân loại khác nhau nhƣng nhìn chung nó đƣợc cấu tạo từ 2 phần là: + Phần tử biến dạng (Elements) là thành phần nhận trực tiếp tác động của áp suất. + Bộ phận biến đổi (Transducers) sẽ biến đổi tác động từ phần tử biến dạng thành tín hiệu điện. Tùy vào phƣơng pháp biến đổi tín hiệu điện của bộ phận biến đổi mà ta chia cảm biến áp suất thành các loại nhƣ là: - Chuyển đổi bằng biến thiên trở kháng. - Chuyển đổi kiểu điện dung. - Chuyển đổi kiểu điện cảm. - Chuyển đổi kiểu áp điện. 3.5.2. Các phần tử biến dạng Phần tử biến dạng đƣợc cấu tạo từ vật liệu nhạy cảm với áp suất nhƣ đồng, thép hay hợp kim nhẹ. Khi áp suất tác dụng nên nó sẽ biến dạng rồi tác động đến thành phần biến đổi của cảm biến. Phần tử này rất đa dạng nhƣ màng, dạng ống, capsule hình 3.5. 41
45. Hình 3.5. Các phần tử biến dạng * Dạng màng (diaphragm): Có hình dạng nhƣ hình 3.6a màng phẳng và 3.6b màng uốn nếp, màng đƣợc chia làm hai loại tùy theo vật liệu cấu tạo là: + Màng dẻo đƣợc chế tạo từ vải tẩm cao su + Màng đàn hồi đƣợc chế tạo từ thép tròn phẳng hoặc uốn nếp 42
46. =f( tăng. hình dạng (màng uốn nếp có dải đo rộng hơn màng phẳng) và loại màng ). * Capsule Trên hình 3.6c Capsule cấu tạo dạng màng nhăn ở hai phía giúp tăng độ tuyến tính hơn hẳn so với dạng màng (diaphragm) * Ống Bourdon: Có hình dạng nhƣ hình 3.6f ống bourdon chữ C(C-shaped bourdon tube), hình 3.6g ống bourdon xoắn, hình 3.6h ống bourdon xoắn ốc(helical bourdon tube), hình 3.6i ống bounrdon xoắn nhiều vòng (spiral bourdon tube). Ống đƣợc chế tạo từ đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép gió, bên trong rỗng một đầu cố định đƣa áp suất vào và một đầu tự do bị bịt kín. Áp suất chất lƣu tác động lên thành ống làm cho ống bị biến dạng, đầu tự do dịch chuyển. của đầu tự do ống, . : + Đồng thau: 1000 MPa * Ống Xiphong Ống hình trụ đƣợc xếp nếp nhƣ hình 3.6d, đƣờn 8 - 100mm, chiều dày thành 0,1 0,3 mm, vật liệu chế tạo là đồng, thép cacbon hoặc thép hợp kim. , đ ( ) tr . 43
47. * Dạng ống trụ Nhƣ hình 3.6e đƣợc chế tạo từ thép hoặc đồng, loại này phần tử chuyển đổi tín hiệu sẽ đƣợc giắn trực tiếp vào mặt trong ống. 3.5.3. Phần tử chuyển đổi tín hiệu Đây là phần tử rất quan trọng nó nhận sự tác động của thành phần biến dạng và chuyển đổi thành tín hiệu điện mang thông tin về áp suất, tín hiệu này có thể để hiện thị để giám sát áp suất hoặc đƣa đến bộ điều khiển trong hệ thống tự đông hóa, về nguyên lý chúng có cấu tạo đơn giản nhƣng khi một sản phẩm đƣợc sản suất nó sẽ đƣợc tích hợp nhiều bộ phận, mạch để giảm sai số, bảo vệ cảm biến, tăng dải đo vì thế nên bộ phận này trên thực tế cấu tạo sẽ phức tạp hơn. Sau đây là các phƣơng pháp chuyển đổi tín hiệu. 3.5.3.1. Chuyển đổi bằng biến thiên trở kháng Nguyên lý là khi áp suất tác dụng vào phần tử biến dạng làm thay đổi điện trở, sự thay đổi này sẽ đƣợc chuyển thành thay đổi về điện. Các dạng cảm biến áp suất loại này trong thực tế. a. Đồng hồ đo áp lực dầu bôi trơn Đây là loại cảm biến áp suất trong xe ô to để báo áp suất dầu trong động cơ giúp phát hiện hƣ hỏng trong hệ thống bôi trơn. Có ba loại đƣợc dùng phổ biến là kiểu điện từ, kiểu từ điện và kiểu lƣỡng kim(hai thanh kim loại ghép vào nhau khi nhiệt độ thay đổi thì nó bị cong về một phía). Ở đây ta xét loại cảm biến áp suất kiểu điện từ. Sơ đồ cấu tạo nhƣ hình 3.6. Gồm vật biến dạng là màng, một biến trở, hệ thống kim chỉ thị kiểu điện từ. 44
48. Hình 3.6. Sơ đồ cấu tạo đồng hồ đo áp lực dầu bôi trơn Bộ phận chỉ thị bao gồm hai nam châm điện và kim, dòng điện chay qua hai nam châm, nam châm sẽ hút kim, kim tại vị trí cân bằng sẽ chỉ ra áp suất cần đo. Nguyên lý hoạt động là: khi áp lực dầu thấp màng áp lực xẹp xuống làm điện trở trong mạch giảm dòng điện qua cuộn bên trái lớn hút phần ứng cùng kim quay về phía trái, báo áp suất dầu thấp. Khi áp suất dầu cao, màng áp suất phồng lên làm điện trở trong mạch tăng, làm dòng điện qua cuộn bên phải tăng, hút phần ứng sang phải và kim đồng hồ chỉ áp suất lớn. b. Áp kế biến dạng (Strain gauge) Cấu tạo phần tử biến dạng là dạng màng làm bằng kim loại và phần tử biến đổi là môt điện trở hình lƣới nhƣ hình 3.7. và một mạch xử lí. Điện trở hình lƣới gồm dây dẫn có điện trở suất ρ, tiết diện S, chiều dài nl, với n là số lần gấp khúc và l là chiều dài một đoạn gấp, n thông thƣờng bằng 10 20 đối với điện trở kim loại. Hình 3.7. Điện trở lưới 45
49. Loại này ở phần màng có gắn một điện trở lƣới dạng dán nhƣ hình 3.8a. Công nghệ này đã có từ gần 50 năm và vẫn đƣợc nhiều nhà sản xuất chế tạo. Khi có áp suất tác dụng làm màng biến dạng kéo theo là sự thay đổi điện trở của điện trở lƣới, sự thay đổi của điện trở đó sẽ đƣợc chuyển thành tín hiệu điện (4 20mA) nhờ hai dây nối vào hai đầu điện trở đƣa vào một mạch xử lí (electrical circuit comporents) đƣợc tích hợp trong strain gage nhƣ hình 3.8b. Cảm biến loại này ít nhất phải có 4 dây, 2 dây cấp nguồn và 2 dây đƣa tín hiệu ra bộ điều khiển. Hình 3.8c là hai loại strain gage trên thị trƣờng Hình 3.8. Cấu tạo chi tiết và hinh ảnh của strain gauge 46
50. Cảm biến loại này giá thành rẻ, kích thƣớc nhỏ gọn, rất bền về mặt cơ học, nhƣng trong những môi trƣờng bào mòn dễ làm rách phần tiếp xúc giữa điện trở lƣới với màng. Độ chính xác thấp và tuổi thọ của cảm biến không đƣợc tốt vì điện trở lƣới đƣợc gắn trên màng. Loại cảm biến này phù hợp cho các ứng dụng thủy lực do thời gian đáp ứng của màng dao động tƣơng đối thấp. c. Cảm biến áp suất kiểu áp trở trên vật liệu silic Còn gọi là chip silic đƣợc chế tạo bằng cách khuếch tán 4 điện trở vào trong tấm silicon đơn tinh thể nhƣ hình 3.9a, với cấu hình có thể thay đổi đƣợc và phụ thuộc vào sự thay đổi áp suất cũng nhƣ khoảng đó. Ƣu điểm của dạng vật liệu này là tính đàn hồi tốt nên hiệu ứng trễ cơ học rất nhỏ và có thể bỏ qua. Khi áp suất tác dụng vào màng silicon (phần tử biến dạng) có gắn các điện trở sẽ làm thay đổi điện trở và ta đo sự thay đổi này bằng mạch đo. Mạch đo dùng cho loại này thƣờng là mạch cầu Wheatstone. Sự thông dụng của mạch cầu Wheatstone là ở chỗ nó chuyển đổi sự thay đổi điện trở đo biến dạng thành sự thay đổi về điện thế. Từ đó chúng ta có thể đo đạc một cách trực tiếp và chính xác tín hiệu áp suất. Hình 3.9. Cảm biến áp trở a) Cấu tạo b) Hình dạng thực tế 47
51. Độ nhạy của cảm biến phù thuộc vào độ lớn áp suát cần đo, áp suất càng lớn thì độ nhạy càng lớn. Cảm biến có thể làm việc trong dải nhiệt độ là – 40 ÷ 125oC. Cảm biến có đọ chính xác 0,1 đến 0,5%, độ phân giải tốt, tín hiệu ra tƣơng đối lớn, kích thƣớc và khối lƣợng nhỏ, giá thành rẻ thời gian sử dụng lâu dài. 3.5.3.2. Chuyển đổi kiểu điện dung Các loại cảm biến áp suất loại tụ điện nguyển lý hoạt động là điện dung của tụ bị thay đổi bằng cách tác động lên một trong những thông số làm thay đổi điện trƣờng giữa hai vật dẫn tạo thành hai bản cực của tu điện. Một trong hai bản cực này đƣợc nối với vật trung gian là màng, để chịu tác động của áp suất cần đo, điện cực còn lại cố định đƣợc gắn nên cách điện bằng sứ hoặc thủy tinh. Cảm biến áp suất dùng tụ điện có dải đo rộng, độ tuyến tính đạt từ 0,5 đến 2% dải đo, độ trễ nhỏ hớn 0,02%, độ phân giải tốt, độ chính xác từ 0,2 đến 0,5%, ổn định và có hiệu năng cao nhƣng lại đòi hỏi quy trình cách ly nghiêm ngặt hơn so với những loại cảm biến khác nhằm tách biệt phần tử tụ điện khỏi bị nhiễm bẩn và hơi ẩm. Hiện nay ngƣời ta sử dụng hai loại cảm biến áp suất điện dung là: + Cảm biến áp suất tụ đơn dùng để đo áp suất calip + Cảm biến áp suất tụ kép dùng để đo áp suất vi sai a. Cảm biến áp suất tụ đơn Đây là loại cảm biến áp suất dùng một tụ hình 3.10. Gồm bản cực động đƣợc gắn vào màng, bản cực tĩnh đƣợc gắn cố định vào đế các điện, dây nối và hệ thống mạch đo. Khi áp suất tác động vào màng sẽ làm màng biến dạng làm cho bản cực động gắn trên màng cũng bị thay đổi vị trí so với bản cực tĩnh vì thế điện dung của tụ bị thay đổi, sự thay đổi điện dung này sẽ đƣợc đƣa đến mạch chuyển đổi đƣợc tích hợp trong cảm biến. Nó sẽ biến đổi sự 48
52. thay đổi điện dung thành tín hiệu dòng hoặc áp. Loại này có phải có hai dây nguồn cấp cho mạch chuyển đổi và hai dây tín hiệu ra. Hình 3.10. Cấu tạo cơ bản của cảm biến áp suất tụ đơn 1. Bản cực động 2. Bản cực tĩnh 3. Màng nhăn 4. Đế cách điện b. Cảm biến áp suất tụ kép Còn gọi là Difference pressure sensor, đây là loại cảm biến áp suất dùng hai tụ nhƣ hình 3.11. Gồm hai bản cực tĩnh có định trên vật liệu cách điện, ở giữa chúng có một màng kim loại đóng vai trò là một bản cực động, ngƣời ta sử dụng hai màng cách ly và dầu silicon để chuyền tác động của áp suất tới màng kim loại. Hình 3.11b là sơ đồ nguyên lý của cảm biến áp suất tụ kép do hãng Rosemount chế tạo. Hình 3.11. Cấu tạo cơ bản của cảm biến áp suất tụ kép 49
53. 1. Bản cực động (dạng màng) 2. Bản cực tĩnh 3. Màng nhăn 4. Đế cách điện 5. Dầu silicon Về nguyên lý hoạt đông (hình 3.12) khi áp suất 1 và 2 tác động vào màng cách li và chuyền lực tới màng kim loại CD, màng CD sẽ di chuyển tới phía có áp suất thấp hơn. Giả sử áp suất 1 lớn hơn áp suất 2 thì màng CD sẽ gần bản cực C2 hơn và màng CD xa bản cực C1. Vì khoảng cách giữa hai bản cực CD và C2 gần lại nên giá trị điện dung của tụ tạo bởi CD và C2 tăng nên. Đồng thời hoảng cách CD và C1 tăng do đó giá trị điện dung của tụ tạo bởi CD và C1 giảm đi. Trong trƣờng hợp áp suất 1 bằng áp suất 2 thì áp suất chênh bằng 0, bản cƣc kim loại CD không bị biến dạng vì thế không có sự thay đổi điện dung. Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến áp suất tụ kép Trong loại cảm biến này thì tín hiệu sự thay đổi điên dung đƣợc đƣa đến mạch điện tử qua 4 dây nhƣ hình 3.11a, mỗi bản cực đƣa 2 dây ra. Mạch này sẽ biến đổi sự biến thiên điện dung thành điện áp hoặc dòng điện. Cảm biến điện dung kiểu tụ kép đƣợc sử dụng rất nhiều, trên thị trƣờng có nhiều chủng loại, với hình dáng, kích thƣớc, dải đo và đặc điểm khác nhau nhƣ hình 3.13. Vì vậy tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà ta chọn loại thích hợp. 50
54. Hình 3.13. Một số loại cảm biến áp suất kiểu tụ kép trong thực tế 3.5.3.3. Chuyển đổi kiểu điện cảm a. Cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc điểm Trong cảm biến áp suất chất lƣu sử dụng chuyển đổi bằng biến thiên độ tự cảm ngƣời ta dùng môt hoặc hai cuộn cảm, ở loại cảm biến này phần tử biến dạng có thể là màng nhƣ hình 3.14, hoặc ống Bounrdon xoắn một đầu cố định, đầu còn lại đƣợc gắn với mạch từ. Khi áp suất tác động thì mạch từ này sẽ quay quanh một điểm cố định và làm biến thiên từ trở. Loại sử dụng màng thì tấm sắt từ đƣợc nối trực tiếp lên màng, khi áp suất tác động nên màng thì làm màng biến dạng khiến cho tấm sắt từ sẽ thay đổi khoảng cách so với nam châm điện vì thế nó thay đổi độ tự cảm của cuộn dây. Tín hiệu biến thiên này đƣợc đƣa đến một mạch đo để chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu chuẩn dòng, áp hoặc để hiện thị. Các cảm biến áp suất dùng chuyển đổi bằng biến thiên điện cảm có độ tuyến tính ±0,5 đến 3% dải đo. Độ trễ nằm trong khoảng ± 0,1 đến 1% dải đo. Độ phân giải là 0,01%. Độ chính xác đạt 0,5 đến 2%. 51
55. Hình 3.14. Nguyên lý đo áp suất bằng chuyển đổi điện cảm dùng màng 1, Tấm sắt từ 2, Lõi sắt từ 3, Cuộn dây Nhƣợc điểm của loại cảm biến áp suất này là rất nhạy cảm với rung động, va chạm và từ trƣờng nên dễ gây ra sai số. Ngoài ra nguồn nuôi phải đƣợc ổn định theo biên độ và tần số. Trên thị trƣờng loại cảm biến này cũng nhiều hình dạng, kích thƣớc khác nhau. Dƣới đây là một loại cảm biến áp suất dùng chuyển đổi bằng biến thiên điện cảm. b. Cảm biến áp suất từ trở Cảm biến áp suất từ trở hình 3.15, dùng để đo áp suất vi sai. Dòng điện đƣa vào hai cuộn cảm sinh ra từ thông tần số cao đi qua một bia dẫn phi từ, bia này đƣợc gắn với màng. Khi áp suất thay đổi sẽ làm thay đổi vị trí của màng khiến cho bia dẫn phi từ thay đổi vị trí làm cho cảm ứng từ giữa hai cuộn cảm thay đổi do đó xác định đƣợc áp suất vi sai. Một mạch điện tích hợp để chuyển đổi tín hiệu đƣa ra tín hiệu chuẩn và hiện thị. Loại này thƣờng đƣợc sử dụng ở những ứng dụng có điện thế cao với áp suất vi sai <2,5 mBar. Việc đo áp suất vi sai trong môi trƣờng ƣớt cũng không gặp trở ngại gì, và không cần tới dầu cách ly nhƣng thiết bị cho loại cảm biến này tƣơng đối cồng kềnh, nặng nề hơn các loại cảm biến khác, và có giá thành cao hơn. 52
56. Hình 3.15. Cảm biến áp suất từ trở 3.5.3.4. Chuyển đổi kiểu áp điện Cảm biến áp suất áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện (piezoelectric) nghĩa là một số vật liệu tinh thể kết tinh tạo ra sự phân cực điện khi chịu một lực cơ học tác dụng dọc theo môt hƣớng tinh thể nào đó (hiệu ứng áp điện thuận). Ngoài việc ứng dung chuyển đổi áp điện để đo áp suất nó còn có thể dùng làm cảm biến đo lực. Loại này ngƣời ta sử dụng màng làm phần tử biến dạng, còn bộ phận biến đổi tín hiệu ngƣời ta dùng phần tử áp điện nhƣ tinh thể thạch anh, titan, bari. Nó chuyển đổi trực tiếp ứng lực dƣới tác động của áp suất F lên màng thành tín hiệu điện Q, điện tích Q này tỉ với lực tác dụng: Q = k.F (3.9) Với F = p.S do đó: Q = k.p.S Trong đó: + k là hằng số điện áp, thạch anh có k = 2,32.10-12 C/N + F là lực tác động 53
57. Để tăng điện tích Q ngƣời ta ghép song song cáp bản cực của phần tử áp điện với nhau. Cảm biến áp điện đo đƣợc áp suất từ vài trảm mbar đến hang nghìn bar. Độ nhay của cảm biến thay đổi trong khoảng 0,05 pc/bar đến 1 pC/bar phù thuộc vào hình dạng phần tử áp điện và dải đo. Độ tuyến tính thay đổi trong khoảng ±0,1% đến ±1% của dải đovới độ trễ nhỏ hơn 0,0001% và độ phân giải 0,001%. Ƣu điểm của cảm biến áp suất kiểu áp điện là độ trễ nhỏ nên thích hợp để đo áp suất thay đổi nhanh, kich thƣớc nhỏ, ít nhạy cảm với gia tốc,điên trƣờng, từ trƣờng và không cần nguồn nuôi cảm biến. Nhƣợc điểm của cảm biến loại này là nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, công suất đầu ra nhỏ nên phải qua khuyếch đại và cần sử dụng cáp nối đặc biệt. Không thích hợp để đo áp suất tĩnh, nghĩa là khi lực tác dụng liên tục thì điện tích đƣợc bổ xung thƣờng xuyên và tạo ra dòng điện trong mạch đo. a. Đặc điểm một số phần tử áp điện Phần tử áp điện (còn gọi phần tử tinh thể ) có nhiều dạng với cấu trúc khác nhau nhƣ hình 3.16. Các mẫu thiết kế đa rạng để đáp ứng yêu cầu phạm vi đo, nhiệt độ sử dụng, độ nhạy. Hình 3.16. Hình dạng các vật liệu áp điện a ) Phần tử hiệu ứng dọc b,c,d) Phần tử hiệu ứng cắt ngang 54
58. Hình 3.16a là phần tử áp điện hiệu ứng dọc ngƣời ta có thể dùng một hoặc vài tấm tinh thể, độ nhạy của phần tử tỉ lệ thuận với số tinh thể đƣợc sử dụng, các tấm này không đòi hỏi bề mặt bọc kim loại. Điện tích từ các điện cực đƣợc thu gon trực tiếp từ bề mặt chịu tải. Phần tử áp điện dạng này thƣờng đƣợc sử dụng cho cảm biến áp suất tần số cao(thời gian biến thiên của áp suất ngắn) hoặc ở nhiệt độ cao. Hình 3.16b phần tử áp điện hiệu ứng ngang sử dụng 3 tinh thể xếp đối diện nhau , trong hiệu ứng ngang lực tác dụng nên mặt và điện tích xuất hiện trên bề mặt không chịu tải trọng, những phần tử dạng này phù hợp với chế tạo cảm biến đo áp suất vừa và nhỏ. Hình 3.16c phần tử áp điện dạng thanh theo hiệu ứng ngang, đƣợc phủ kín kim loại trên bề mặt. Những mẫu vật liệu dạng này cho phép chế tạo cảm biến áp suất rất nhỏ. Hình 3.16d là một bộ các tấm tinh thể xếp chồng theo hiệu ứng ngang, có cấu tạo giống nhƣ thanh tinh thể nhƣng nó gồm nhiều tấm độ dày vài phần mƣời millimet và các tấm đƣợc xếp song song làm tăng khả năng chịu tải. Loại phần tử này cũng thích hợp với cảm biến nhỏ gọn. b. Cấu tạo, ứng dụng của cảm biến áp suất kiểu áp trở trong thực tế Dƣới đây là cấu tạo cơ bản của cảm biến áp suất kiểu áp điện(hình 3.17) Hình 3.17. Cấu tạo cơ bản của cảm biến áp điện. 55
59. Hình 3.17b là cảm biến áp suất sử dụng phần tử tinh thể theo hiệu ứng dọc nhƣ hình 3.16a, hình 3.17c là cảm biến áp suất sử dụng phần tử tinh thể theo hiệu ứng ngang nhƣ hình 3.16b. Hình 3.17a thành phần cấu tạo của cảm biến áp điện bao gồm: Vỏ bọc cảm biến (sensor housing): là bộ bảo vệ các phần tử áp điện chống lại độ ẩm, hiện tƣợng bám bẩn. Nó cũng đóng vai trò làm màn chắn điện chống nhiễu, nó bọc kín cảm biến để ngăn cho áp suất bên ngoài tác động vào.Vật liệu làm vỏ cảm biến thƣờng là thép không rỉ đƣợc gia tăng cƣờng độ cứng. Vỏ bọc tải sơ bộ (preloangding sleeve): nó bảo vệ giúp đảm bảo độ tuyến tính, độ nhạy và ổn định khi cảm biến hoạt động. Vỏ ống chỉ dày cỡ một phần mƣời millimet để tối ƣu hóa tính mềm dẻo, đàn hồi và giảm sự phân tán lực. Vật liệu làm vỏ bọc tải trọng sơ bộ thƣờng đƣợc làm cùng chất liệu với vỏ cảm biến. Không phải tất cả các cảm biến đều có vỏ bọc tải trọng sơ bộ, thỉnh thoảng vỏ tải trọng sơ bộ đƣợc tích hợp trên màng ngăn. Màng ngăn (diaphragm): diện tích màng ngăn tỉ lệ thuận với lực chuyển đổi từ áp suất, lực này tạo ra ứng suất trong tinh thể và ứng suất này tạo ra điện tích. Ngày này phần lớn màng đƣợc hàn kín trong vỏ bọc cảm biến và đƣợc gắn tải sơ bộ nhẹ. Màng là bộ phận rất quan trọng cảu cảm biến áp suất áp điện, nó xác định tuổi thọ của cảm biến và độ chính xác của phép đo. Đầu nối (connector): các đầu nối điện của các cảm biến áp suất kiểu áp điên phải có điện trở cách điện rất cao. Tùy vào phạm vi nhiệt độ vận hành mà đầu nối đƣợc làm từ chất cách điện nhƣ PTFE hay oxit nhôm. Vòng đệm (spacer ring): nó giúp bù trừ sự khác biệt giữa sự giãn nở của tinh thể và vật liệu vỏ bọc tải sơ bộ. Bằng cách tính gần đúng kích thƣớc và lựa chọn vòng đệm ta sẽ giảm đƣợc đáng kể ảnh hƣởng của nhiệt độ. Phần tửu tinh thể (crystal element): hình dạng và thiết kế của nó tùy theo thiết kế với ứng dụng khác nhau, nhƣ là hình 3.16b gồm ba phần tử tinh 56
60. thể với hiệu ứng ngang sử dụng trong cảm biến hình3.17a. Các bề mặt phần tử không chịu đƣợc tải cơ học thì đƣợc bọc kim loại và đƣơc cách điện với nhau tạo thành các điện cực thu gom điện tích. Một lò xo hình xoắn ốc tiếp xúc với bề mặt sẽ thu gom và mang điện tích tới đầu nối Bề mặt đánh dấu (sealing surface): là phần nhô cao để đánh dấu đƣa cảm biến vào phần tử cần đo. Ngày nay các cảm biến áp suất kiểu áp điện đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong phòng thí nghiệm và sản xuất, nhƣng chủ yếu là sử dụng trong các máy nổ động cơ đốt trong, công nghệ đúc khuôn phun (injection molding) và đạn đạo (ballistics). Vì vậy hình hình dạng của loại cảm biến này rất đa rạng với nhiều đặc điểm khác nhau để phù hợp với nhu cầu công việc nhƣ hình 3.18. Hình 3.18. Một số loại cảm biến áp suất kiểu áp điện 57
61. 3.6. Sơ đồ khối ứng dụng cảm biến áp suất trong công nghiệp Sơ đồ ứng dụng cảm biến áp suất trong công nghiệp nhƣ hình 2.19 Hình 3.19. Sơ đồ điều khiển tự động áp suất sử dụng plc và giám sát bằng WCC Hiện nay sơ đồ dạng này đƣợc ứng dụng rất nhiều, hệ thống trên vừa tự động, giám sát và có thể điều khiển trực tiếp trên máy tính công nghiệp qua trƣơng trình WCC vì thế tính linh động của hệ thống là rất cao. Khi sử dụng hệ thống PLC kết hợp với WCC nhƣ trên ngƣời ta không chỉ sử dụng một loại cảm biến áp suất mà ngƣời ta dùng nhiều loại cảm biến nhƣ áp suất, mức chất lƣu, nhiệt độ. Vì vậy ta có thể kiểm soát đƣợc hoạt động nhà máy một cách hiệu quả hơn. r(t): tín hiệu chuẩn, tức là thông tin yêu cầu cảu hệ thống tự động đƣợc cài vào PLC nhƣ là áp suất ngƣỡng cao, ngƣỡng thấp. Cht(t): tín hiệu hồi tiếp, ở đây áp suất đƣợc đo liên tục và hồi tiếp đến PLC. e(t): sai số giữa áp suất thực tế và áp suất chuẩn. 58
62. 3.6.1. Các thành phần của hệ thống - Cảm biến áp suất: trong công nghiệp để đo nhiệt độ đƣờng ống và kết nối PLC ngƣời ta thƣờng dùng loại cảm biến pressure transmitter, loại 2600T model 264PS gauge của hãng ABB ( hình 3.20). Hình 3.20. Pressure transmitter model 264PS gauge Đây là cảm biến dạng tụ đo áp suất vi sai của đƣờng ống so với áp suất khí quyển. Tùy vào dải áp suất làm việc mà ta chọn loại model 264PS gauge thích hợp nhƣ A, B, E, F, G, H, model 264PS gauge này có loại S áp suất làm việc nên đến 16MPa, dải làm việc càng rộng thì độ phân giải của nó càng giảm. Nguồn cấp 10,5 ÷ 42VDC. Tín hiệu ra dòng 4 ÷ 20 mA, tƣơng ứng 4mA là mức không và 20mA là giới hạn áp suất tối đa. Nhiệt độ làm viêc -20 ÷ 70oC. Độ bền của loại này theo khoảng 5 năm. 59
63. - Van điện động: : Sơ đồ dùng loại van điều khiển tự động bên trong gồm động cơ một chiều và hệ thống bánh răng, công tắc hành trình để đóng mở van và có thể đóng mở bằng tay nhƣ hinh 3.21. Loại này có cấu tạo đơn giản, bền và khả năng đóng mở mạnh hơn loại van điện từ. Hình 3.21. Van điện động dùng cho công nghiệp - WinCC: phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng cho mục đích điều khiển và giám sát quá trình WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft nhƣ Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit. Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển. 60
64. WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất. Nhờ sự cộng tác chặt chẽ giữa Siemens và Microsoff. WinCC có sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của Siemens nhƣ SIMATIC S5/S7/505 cũng nhƣ thông qua các giao thức chung nhƣ Profibus DP, DDE hay OPC. Thêm vào đó, các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn nhƣ là những lựa chọn hay phần bổ sung. Khi chay WinCC màn hình máy tính công nghiệp có dạng nhƣ hình 3.22 Hình 3.22. Giao diện sử dụng WinCC để giám sát hệ thống trong công nghiệp PLC S7-300: PLC (Program Logical Controller) là một thiết bị điều khiển đa năng đƣợc dùng rộng rãi trong công nghiệp để điều khiển hệ thống theo một chƣơng trình đƣợc viết bởi ngƣời sử dụng. Nhờ họat động theo chƣơng trình nên PLC có thể đƣợc ứng dụng để điều khiển nhiều thiết bị máy móc khác nhau. Chỉ cần thay đổi chƣơng trình điều khiển và cách kết nối thì ta đã có thể dùng chính PLC đó để điều khiển thiết bị, hay máy móc khác. Cũng nhƣ vậy, nếu muốn tay đổi quy luật hoạt động của máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản, chỉ cần thay đổi chƣơng trình 61
65. điều khiển. Các đối tƣợng mà PLC có thể điều khiển đƣợc rất đa dạng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt đến các hệ thống phức tạp nhƣ : băng tải, hệ thống chuyển mạch tự động (ATS), thang máy, dây chuyền sản xuất. Việc sử dụng S7 – 300 thay cho s7 – 200 vì nó xử lý nhanh hơn, tốc độ truyền nhanh hơn còn về cấu tạo nó mở rộng thêm các modul vao/ra số. Do đó S7 – 300 đƣợc ứng dụng trong các hệ thống tự động vừa và lớn. Máy tính công nghiệp: là máy tính chuyên dụng cho nhà máy, xí nghiệp nhƣ hình 3.23. Nó có những đặc điểm sau: + Hoạt động liên tục 24/24 có tính ổn định cao, có thể làm việc trong môi trƣờng khắc nghiệt bụi và ẩm, shock, nhiệt độ. + Đƣợc tích hợp thêm cổng giao tiếp nhƣ :RS232, RS485, LAN, VGA, DVI, Audio, khe cắm PCI, ISA, compact Flash. + Nhiều lựa chọn về cấu hình CPU, RAM, Lan, COM Ports, HDD Ports. Hình 3.23. Máy tính công nghiệp 3.6.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống Thông tin áp suất đƣợc cảm biến đƣa về CPU của PLC thông qua các modul mở rộng, PLC đƣợc kết nối với máy tính cài WinCC lúc này thông tin về áp suất sẽ đƣợc hiện thị trên màn hình LCD để ngƣời vận hành giám sát và có thể điều khiển hệ thống thông qua WinCC. Khi áp suất thực tế bị sai lệch 62
66. so với áp suất đặt đƣợc lập trình trong PLC thì PLC sẽ điều khiển đóng hoặc mở van để đạt đƣợc áp suất yêu cầu. Ví dụ nhƣ áp suất đƣờng ống ta đặt mức áp suất cao 2kPa nếu áp suất đƣờng ống cao hơn 2kPa thì PLC điều khiển van đóng lại để giảm áp suất, khi áp suất giảm xuống dƣới 2kPa thì PLC đƣa tín hiệu điều khiển mở van. WinCC bản chất là một phần mềm phát triển ứng dụng giám sát điều khiển thời gian thực. Vì vậy khi hệ thông vận hành xảy ra sự cố hoặc cần điều khiển một thiết bị nào đó ta có thể sử dụng nó. Chỉ cần thao tác trên dao diện WinCC thì máy tính sẽ chuyển thông tin đến PLC để PLC điều khiển thiết bị đó. 63
67. CHƢƠNG 4. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI QUY CHUẨN CẢM BIẾN TRONG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ CHO GHÉP NỐI MÁY TÍNH 4.1. Sự cần thiết của bộ biến đổi quy chuẩn cho các cảm biến sử dụng trong đo lƣờng điều khiển khi ghép nối máy tính. Khi ghép nối một cảm biến với máy tính hay các thiết bị điều khiển, giám sát thì ta phải chuẩn hóa tín hiệu. Đa số tín hiệu ra của cảm biến là dạng analog dùng tín hiệu một chiều, một số ít cảm biến tín hiệu ra dạng digital là một chiều hoặc xoay chiều. Vì tín hiệu từ cảm biến có thể là tín hiệu cơ hoặc điện nhƣ dòng, áp với đủ các giá trị. Nhƣ vậy việc ghép nối cảm biến với các thiết bị khác rất lộn xộn vì thế ngƣời ta quy định chuẩn tín hiệu đầu vào hay còn gọi chuẩn công nghiệp. Do đó tất cả các thiết bị ghép nối nhƣ máy tính, bộ giám sát hay điều khiển trên thế giới luôn sử dụng tín hiệu chuẩn. Để truyền tín hiệu thì ngƣời ta thƣờng sử dụng các chuẩn điện áp và dòng điện. + Chuẩn điện áp 0÷5v, 0÷10v thƣờng đƣợc dùng nhƣng nó là tín hiệu áp nên dễ bị nhiễu và sụt áp khi truyền đi xa. Vì vậy ngƣời ta chỉ dùng tín hiệu loại này cho đƣờng truyền tín hiệu ngắn. + Chuẩn dòng điện 0÷20mA, 4÷20mA loại này là phổ biến nhất, khả năng bị ảnh hƣởng của nhiễu của tín hiệu dòng ít hơn so với tín hiệu áp. Nhất là loại tín hiệu dòng 4÷20mA đƣợc dùng nhiều nhất trong các loại tín hiệu vì là mức 4 mA bảo đảm cho mạch điện tử của một số các thiết bị đo lƣờng chạy đƣợc, mà không cần cấp nguồn nào khác. Và lí do chủ yếu là mức 4mA giúp chúng ta kiểm soát đƣợc nếu mất nguồn, đứt dây hoặc mạch bị hƣ hỏng. 64
68. Vậy muốn biến đổi tín hiệu từ cảm biến thành tín hiệu chuẩn ta cần phải có bộ biến đổi quy chuẩn (Tranducer). Các tranducer là thành phần không thể thiếu trong các bộ cảm biến. Thông thƣờng thì các cảm biến ngày nay đƣợc tích hợp với tranducer tạo thành một khối, những cảm biến dạng đơn thuần không có tranducer để sử dụng ghép nối với thiết bị khác phải mua tranducer phù hợp với loại cảm biến đó. Ví dụ nhƣ các tranducer nhiệt độ: pt100 RTD transmitter, Temprature transmitter. 4.2. Những yêu cầu cơ bản của các bộ biến đổi quy chuẩn - Có độ tin cậy cao, bền vững, chính xác, ít hƣ hỏng. - Cấu trúc đơn giản, dễ thay thế, lắp đặt, phát hiện hƣ hỏng nên sử dụng cấu trúc module khối hóa. - Làm việc đƣợc trong mọi môi trƣờng, nồng độ dầu, muối, hóa chất - An toàn cho ngƣời vận hành và cho thiết bị. 4.3. Tranducer Hiện nay thiết bị chuyển đổi tín hiệu tranducer rất đa rạng và nhiều hãng sản suất, nhƣng chúng có đặc điểm chung là chuyển đổi tín hiệu điện. Tín hiệu có thể là dòng điên, điện áp, tần số, watt, var. Về chức năng thì nó giống nhƣ transmitter, converter chuyển tín hiệu đo đƣợc thành dạng RS485, RS232, hoặc 4-20mA, 0 – 5v. Nó là 1 bộ chuyển đổi đo lƣờng trung gian. Sau đây là một số dạng tranducer. 4.3.1. Bộ biến đổi với đầu ra dòng 4 ÷ 20mA Hiện nay các nhà sản xuất đã tích hợp các mạch, phần tử tạo thành các IC để chuyển đổi tín hiệu thay cho các mạch, các thiết bị lớn ,tốn diện tích. Việc sử dụng các IC này sẽ đơn giản và giá thành giảm hơn các mạch, các thiết bị chuyển đổi. Nhƣ các ic chuyển đổi điện áp, dòng điện AM462, AM460, AM422 65
69. Một đại diện của IC nay là AM462 có hình nhƣ sau: Hình 4.6. IC AM 462 * Cấu tạo và tác dụng của các phần tử bên trong AM462 là IC chuyển đổi tín hiệu, nó đƣợc thiết kế đặc biệt cho việc chuyển đổi tín hiệu tham chiếu thành tín hiệu hiện hành, hình 4.7. là cấu tạo và lắp mạch để cho AM462 hoạt động. Hình 4.7. Mạch điện sử dụng AM462 với 2 dây nối. AM462 bao gồm các phần tử chức năng(bộ OP, V/I converter và điện áp mẫu) + Bộ khuyếch đại thuật toán OP1 cho phép sử dụng tín hiệu điện áp từ 0 – 5v để khuếch đại, hệ số khuếch đại GGAIN có thể điều chỉnh bằng sử dụng R1 và R2, có môt bộ phận bảo vệ quá áp đƣợc gắn vào thiết bị, chức năng chuyển đổi tín hiệu của nó đƣợc tính nhƣ sau. R1 VOUTAD = VINP . GGAIN với GGAIN = 1 + (4.1) R2 66
70. + Bộ chuyển đổi điện áp, dòng điện(V/I converter) nó kích hoạt bong Transistor T1 bên ngoài, lúc này bóng dẫn sẽ tạo ra dòng điện đi ra IOUT. Sử dụng thêm một diode D1 để chống lại điện áp phân cực ngƣợc. Một dòng điện bù ISET có thể đƣợc thêm vào bằng cách sử dụng pin 16 dƣới sự trợ giúp của bộ tham chiếu nội bộ và bộ phận chia điện áp ngoài. Điện trở R0 để điều chỉnh dòng điện ra IOUT VINDAI.GVI VSET.GSET IOUT = + ISET với ISET = (4.2) R0 R0 + Điện áp tham chiếu cấp nguồn cho OP1 và đặt cho GSET nó có thể đƣơc thiết lập từ 5 đến 10v bằng việc sử dụng chân 13(VSET) + Bộ khuyếch đại thuật toán OP2 đƣợc bổ sung để sử dụng với nguồn hiện tại hoặc nguồn bên ngoài. Mạch có hệ số khuếch đại bằng 1 và dùng để phối hợp trở kháng. * Tính toán các thông số điện trở để chuyển đôi đầu vào 0 – 5v, đầu ra 4 – 20mA OP1 hoạt dộng với trở kháng cao và hệ số khuyếch đại GGAIN = 1, V/I converter cũng cần hoạt động để kích hoạt bong transistor và nhận dòng bù (4mA) Dựa vào các phƣơng trinh (4.1 và 4.2) ta có thể tính GGAIN.GVI GGAIN IOUT = VINP . + ISET = VINP . + ISET (4.3) R0 8R0 VREF.GSET R4 VREF R4 R4 ISET = . = . (VSET = VREF . ) (4.4) R0 R3+ R4 2R0 R3+ R4 R3+ R4 Với ΔIOUT = 16mA, ΔVINP =5V, GGAIN = 1 và ISET = 0 theo phƣơng trình (4.3) có GGAIN ΔIOUT = ΔVINP . → R0 = 39Ω 8R0 Giá trị R0 đã biết, với VREF = 10V và ISET = 4mA, với điều kiện tuần hoàn có 67
71. R3 +R4 20kΩ kΩ ta sử dụng công thức (4.4) với R3 và R4, do vậy ta chọn R3 + R4 =84 kΩ, theo tính toán thì R3 = 82kΩ và R4 = 2,7kΩ VREF R4 R3 ISET = . → = 31 2R0 R3+ R4 R4 4.3.2. Bộ biến đổi với đầu ra áp 0 ÷ 5V, 0 ÷ 10V Để có tín hiệu điện áp 0 ÷ 5V, 0 ÷ 10V, ta có thể sử dụng nhiều cách, nhƣ sử dụng các IC nhƣ AM401, AM411, RCV420 các IC này đƣợc thiết kế đặc biệt để chuyển tín hiệu dòng sang áp, giá thành rẻ chỉ khoảng vài USD và dễ dàng sử dụng. Bên cạnh những IC chuyên dụng đó thì ta có thể sử dụng mạch sử dụng điện trở 250Ω, khá đơn giản, đƣợc sử dụng nhiều nhƣ hình sau: Hình 4.8. Sơ đồ hai IC chuyển đổi 4 ÷ 20mA thành 0 ÷ 5V Sơ đồ trên dùng điện trở 250Ω, dùng IC MAX472 và MAX951về nguyên lí là dùng điện trở 250Ω để biến đổi dòng điện thành điện áp tƣơng ứng là: 4mA→ 1V và 20mA → 5V Khi đó dùng IC1 mạch vi phân với hệ số G = 1.25 khi đó tín hiệu sẽ thay đổi 1V → 1,25V và 5V → 6,25V 68
72. Tác dụng của IC2 làm mạch trừ khi đó tín hiệu sẽ là 1,25V → 0V và 6,24V → 5V Tín hiệu ra đạt đƣơc 0 ÷ 5V, ta có thể áp dụng sơ đồ này để điều chỉnh điện áp ra là 0 ÷ 10V bằng cách sử dụng điên trở 500Ω vẫn dùng IC G = 1,25 4.3.3. AC Current & Voltage Transducer Sản phẩm của hãng RUDOLFT là một công ty lớn có trụ sở chính tại Đức, chất lƣợng tốt, hoạt động ổn định, nó 3 dạng chính 1 loại có một đầu tín hiệu vào, một loại có 3 đầu vào giúp tiết kiệm chi phí và kích thƣớc khi ta muốn biến đổi nhiều một tín hiệu đầu vào, chúng có hình dạng nhƣ sau: Hình 4.3. AC Current & Voltage Transducer Tùy thuộc vào lựa chọn các thông số nhƣ nguồn cấp, tín hiệu đầu vào, đầu ra mà ta chọn loại sản phẩm cho thích hợp nhƣ sau 69
73. Hình 4.4. Mã hàng của sản phẩm AC Current & Voltage Transducer Dựa vào bảng trên một sản phẩm có kí hiệu . + RTX – A – An– Pn – On + RTX – V – Vn – Pn – On Trong đó: + A đầu vào dòng điện. + V là đầu vào điện áp. + An là lựa chọn giá trị A có A1 và A1. + Vn là lựa chọn giá trị điện áp đầu vào V1 đến V5. + Pn là lựa chọn nguồn cấp từ P1 đến P4. Với + As và Vs là loại tự cấp nguồn . + A2 và V2 loại 2 dây tín hiệu vào. + A3 và V3 là loại 3 dây tín hiệu vào. 70
74. Thông số kĩ thuật cơ bản: + Giới hạn tín hiệu đầu vào: 3 × giá trị dòng liên tục, 10 ×giá trị dòng trong tối đa 30s, 25 x giá trị dòng tối đa trong 3s, 50 × trong vòng 1s. chịu đƣợc 3 x diện áp đầu vào liên tục. + Cƣờng độ điện môi: 2kVAC/1 min. + Nguồn cấp: AC 110V/220V ± 20% (50/60Hz) + Độ chính xác: 0.1% F.S. (TRMS) (23 ± 5°C) và 0.2% F.S. (RMS) (23 ± 5°C) + Nhiệt đô sử dụng: 0 – 50oC Kết nối nhƣ hình sau: + input: nơi đƣa tín hiệu đầu vào. + output: nơi nhận tín hiệu đầu ra. + Aux Power: nơi cấp nguồn. Hình 4.5. Sơ đồ nối dây loại 1 đầu vào và 3 đầu vào(Terminal Connection) 71
75. 4.3.4. U/I meansurement transducer Sản phẩm của hãng KRIWAN nhà sản xuất truyền thống của công nghệ làm lạnh và điều hòa không khí. Đây là bộ biến đổi tín điện áp 0 – 5, 0 – 10v sang tín hiệu dòng 0 – 20 hoặc 4 – 20mA. Hình 4.1. U/I meansurement transducer Thông số kĩ thuật: + Nguồn cấp: AC 50Hz -15 + 10% + Điện năng tiêu thụ: 3VA + Điện áp đầu vào: 0 – 5, 0 – 10v + Dòng điện đầu ra: 0 – 20, 4 – 20mA. + Nhiệt độ môi trƣờng làm việc: -20 đến + 60oC + Ingress Protection (IP) IP20: bảo vệ chống vật lạ xâm nhập có kích thƣớc > 50mm. + Kích thƣớc 84× 40 × 110mm. Sơ đồ nối dây, để sử dụng nhƣ hình sau: 72
76. Hình 4.2. Sơ đồ kết nối(connect diagram) Trong sơ đồ có: + mains là lối vào để cấp nguồn. + jumper là đầu nối để điều chỉnh tín hiệu dòng điện ra, nối đầu 1 với 2 thì tín hiệu dòng điện ra là 0 – 20mA, nếu để trống jumper thì tín hiệu dòng ra sẽ là 4 – 20mA. + các đầu vào 3, 4, 5 nếu sử dụng đầu vào 3 với 5 cho tín hiệu diện áp 0 – 5v, còn sử dụng đầu vào 4 với 5 cho tín hiệu điện áp 0 – 10v. + các đầu 6, 7 để đƣa ra tín hiệu dòng điện chuẩn. 73
77. KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện đề tài, với sự hƣớng dẫn tận tình của giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tiến Ban với sự cố gắng của bản thân em trong việc nghiên cứu các tài liệu liên quan, em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp của mình theo đúng thời gian nhà trƣờng đề ra. Với đề tài “ Nghiên cứu các sensor nhiệt độ áp suất, bộ biến đổi quy chuẩn cho các sensor đo lƣờng và điều khiển phục vụ cho việc ghép nối máy tính hiện nay ’’ đã giúp em hiểu rõ hơn về lý thuyết và ứng dụng thực tế của cảm biến nhằm củng cố thêm những kiến thức mà em đã học. Kết thúc quá trình thiết kế đồ án em đã thu đƣợc một số kết quả Nghiên cứu về cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất, cấu tạo , nguyên lý hoạt động, và ứng dụng trên thực tế. Em đã đi tìm hiểu thêm hệ thống điều khiển tự động ở nhà máy giấy HAPACO tại xã Đại Bản, huyện An Dƣơng, TP Hải Phòng hiểu một số hệ thống điều khiển tự động, các thành phần cấu tạo, cách xây dựng một hệ thống tự động. Đi sâu nghiên cứu về nguyên lý và cấu tạo một số bộ biến đổi quy chuẩn hiện nay. Vì thời gian có hạn nên em chỉ tìm hiểu đƣợc nhƣ trên, nếu có thời gian em sẽ tìm hiểu tất cả các loại cảm biến và các hệ thống điều khiển tự động. Do kiến thức và khả năng thực tế của em còn hạn chế nên khi làm đồ án tốt nghiệp sẽ không thể tránh khỏi những sai sót. Em mong đƣợc sự ghóp ý, đánh giá của các thầy cô để nội dung đồ án hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 74
78. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Quốc Phô và Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2002 [2] Lê Văn Doanh, Các Bộ Cảm Biến Trong Kỹ Thuật Đo Lường Và Điều Khiển, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2005 [3] Jon S. Wilson, Sensor Technology Handbook [4] Hoàng Minh Công, Giáo trình cảm biến công nghiệp, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đà Nẵng 2004 - Một số tài liệu khác: _sensing/pressure_sensors_instruments 75