Bài giảng Thực tập đo lường và cảm biến

theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt độ khí thải hay lò đốt,  Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,  Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động + Lƣu ý khi sử dụng:  Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp.  Hai loại PTC và NTC (thường đóng/thường hở). Kiểm tra dùng đồng hồ VOM.  Nên ép chặt vào bề mặt cần đo.  Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.  Vì điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây. 1. Nhiệt điện trở NTC NTC (Negative Temperature Conficient) là nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm nghĩa là giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, giảm từ 3% đến 5% trên 1 độ. * Cấu tạo : NTC là hỗn hợp đa tinh thể của nhiều ôxit gốm đã được nung chảy ở nhiệt độ cao (1000˚C đến 1400˚C) như Fe2O3 ; Zn2TiO4 ; MgCr2O4 ; TiO2 hay NiO và CO với Li2O. Để có các NTC có những đặc trưng kỹ thuật ổn định với thời gian dài, nó còn được xử lý với những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo * Đường đặc tính cảm biến nhiệt NTC : - Đặc tính nhiệt độ - điện trở Trang 90 Hình Đặc tính nhiệt độ-điện trở Hình Đặc tính volt-ampere * Đặc tính volt – ampere Trường hợp dòng điện hay điện áp của thermistor NTC lớn hơn bình thường sẽ làm nóng thermistor lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của môi trường Việc này dẫn tới trạng thái tổn hao công suất điện năng do tăng dòng hay áp sẽ bằng công suất mà phần tử dẫn nóng toả ra môi trường dưới dạng độ nóng gia tăng ấy. Nhằm nghiên cứu các đặc tính này người ta xác định đặc tuyến tĩnh của phần tử. Sơ đồ trên vẽ đặc tuyến của một thermistor NTC dẫn nóng Vị trí điểm cực đại trên đặc tuyến volt-ampere tùy thuộc điện trở nguội của thermistor NTC, nhiệt độ môi trường và cả diện tích bề mặt của phần tử dẫn nóng. Phần tử có diện tích bề mặt lớn hơn, do đó tản nhiệt tốt hơn, sẽ phát tán công suất ra môi trường nhiều hơn so với phần tử có diện tích bề mặt nhỏ. Trong trường hợp đó điểm cực đại sẽ xê dịch về phía trị số dòng và áp lớn hơn. Các phần tử nhiệt điện trở dẫn nóng dùng trong đo lường và mạch điều khiển bù cân bằng chỉ nên chịu tải nhẹ, sao cho không bị phát nhiệt tự thân, như vậy trị số điện trở của chúng mới thật sự chỉ tùy thuộc nhiệt độ môi trường. Do điện trở nguội và hệ số nhiệt có thể khác nhau cho những phần tử cùng loại, đến mức thường phải chỉnh định cân bằng trị số phần tử bằng cách mắc nối tiếp hay song song một điện trở không phụ thuộc nhiệt độ. Để tuyến tính hoá đặc tuyến, người ta dùng sơ đồ mắc phần tử dẫn nóng vào một bộ phân áp. Điện trở R1 có trị số sao cho phần tử nhiệt điện trở NTC chỉ thị vào khoảng giữa phạm vi nhiệt độ làm việc. Trị số điện trở R2 lớn gấp 10 lần điện trở R1 . Hình Tuyến tính hóa đặc tuyến phần tử biến trở NTC * Các thông số của biến trở NTC : - Tmin; Tmax là giới hạn nhiệt độ hoạt động của NTC. - Pmax là công suất lớn nhất cho phép chuyển đổi ra nhiệt trong NTC 2. Nhiệt điện trở PTC Nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coefficent) là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương (giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng). Trong một khoảng nhiệt độ nhất định PTC có hệ số nhiệt độ rất cao. Trang 91 * Cấu tạo : - Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp barium carbonate và một vài ôxit kim loại khác được ép và nung. - Nhiều tính chất về điện khác nhau có thể đạt được bằng cách gia giảm các hợp chất trộn khác nhau về nguyên vật liệu bằng cách gia nhiệt theo nhiều phương pháp khác nhau. - Sau khi gia nhiệt nung kết các mối nối đã được hình thành ở trong thermistors sau đó trong quá trình sản xuất các dây nối dẫn ra ngoài được thêm vào. - Nhiệt điện trở PTC thông thường được phủ bên ngoài một lớp vỏ có cấu tạo như vecni để chống lại ảnh hưởng của môi trường. * Đặc tính nhiệt độ - điện trở của nhiệt điện trở PTC : - Phần tử nhiệt điện trở PTC dẫn nguội có hệ số nhiệt độ dương PTC rất lớn trong một phạm vi nhiệt độ đặc trưng. Trong khoảng nhiệt độ này điện trở thermistor gia tăng hơn mười phần trăm. Sự gia tăng điện trở là do tác động chất bán dẫn và hiệu ứng sắt-điện. - Ở vùng lân cận hạt nhân tinh thể có một lớp chặn mà độ lớn mức điện thế của nó tùy thuộc hằng số điện môi của vật liệu quanh nó. Sự hình thành lớp chặn quyết định mức gia tăng điện trở. - Ở miền điện trở thấp, lớp chặn dàn ra tương đối yếu, hằng số điện môi lớn, nhiệt độ làm việc của phần tử thấp hơn nhiệt độ chuyển pha, được coi như trị số giới hạn hay còn gọi là nhiệt độ Curie. - Trên mức ngưỡng nhiệt độ chuyển pha thì hằng số điện môi giảm xuống, lớp chặn mạnh lên, và như vậy điện trở phần tử tăng lên có dạng dốc đứng. Sự hoạt hoá nhiệt của tải gây ra sự sụt giảm điện trở ở chất bán dẫn, sẽ được bù hoàn, mặc dù vẫn còn có thể nhận thấy ở miền nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie. - Điểm đầu phạm vi làm việc gọi là nhiệt độ ban đầu TA, điện trở tương ứng với nhiệt độ đó là điện trở ban đầu RA – là trị số điện trở nhỏ nhất của phần tử nhiệt điện trở PTC. - Điện trở tương ứng điểm đầu đoạn tăng trưởng dốc đứng được coi là trị số danh định RN ở nhiệt độ danh định TN. - Nhiệt độ danh định gần như tương ứng nhiệt độ Curie của vật liệu phần tử nhiệt điện trở dẫn nguội. - Để trị danh định trở thành giá trị có thể tái lặp lại, người ta thống nhất rằng trị số điện trở danh định RN có độ lớn gấp đôi trị điện trở ban đầu RA - Nhiệt độ cuối TE là điểm cuối đoạn tăng trưởng điện trở dốc đứng. Như thấy từ sự biến thiên điện trở của phần tử dẫn nguội phụ thuộc vào nhiệt độ, các giá trị nhiệt độ cuối TE và điện trở cuối RE không phải là những thông số đặc trưng của phần tử cảm biến nhiệt điện trở. Trang 92 Hình Đặc tính nhiệt độ - điện trở * Các thông số của cảm biến nhiệt PTC : - TN: Nhiệt độ danh định, tại giá trị nhiệt độ RN = 2RA - : Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở PTC. - TE: Nhiệt độ giới hạn vùng làm việc. - R25: Điện trở của PTC khi ở môi trường nhiệt độ 25˚C III. KYÕ THUAÄT AN TOAØN _ Khi caém daây phaûi taét nguoàn. _ Caém ñuùng ngoõ vaøo aùp döông hay aâm (caém sai seõ gaây hö hoûng). _ Ñeå ño ngoõ ra caùc caûm bieán coù theå söû duïng ñoàng hoà ño volt hoaëc khoái giao ñieän ño. _ Khi thí nghieäm caàn laäp baûng cho moãi loaïi caûm bieán. _ Khi tieáp xuùc ño traùnh chaïm vaøo vaät ño linh kieän ño nguoàn ñieän ño. _ Tieáp xuùc ñuùng chieàu phaân cöïc cuûa que ño, cöïc tính nguoàn ño. _ Sau khi tieáp xuùc ñuùng vò trí ño giöõ coá ñònh roài ñoïc keát quaû ño. _ Traùnh tieáp xuùc ñieän nôi aåm öôùt, thieáu aùnh saùng, bò rung ñoäng gaây caûn trôû khoù chaïm khoù tieáp xuùc E. THÖÏC HAØNH : 1. Đo nhiệt độ dùng cảm biến Pt100  Caáp nguoàn 220VAC từ module chính với module caûm bieán nhieät ñoä duøng Pt100 ( Chaân L-L, Chaân N-N ).  Noái ngoõ ra A cuûa caûm bieán nhieät ñoä loaïi PT100 vôùi chaân A ngoõ vaøo caûm bieán cuûa boä ñieàu khieån nhieät ñoä  Noái ngoõ ra B cuûa caûm bieán nhieät ñoä loaïi PT100 vôùi chaân B+ ngoõ vaøo caûm bieán cuûa boä ñieàu khieån nhieät ñoä.  Noái ngoõ ra - cuûa caûm bieán nhieät ñoä loaïi PT100 vôùi chaân B- ngoõ vaøo caûm bieán cuûa boä ñieàu khieån nhieät ñoä. Trang 93  Noái ngoõ ra SSR + cuûa boä ñieàu khieån nhieät ñoä vôùi chaân + cuûa ngoõ vaøo khoái moâ phoûng nhieät ñoä.  Noái ngoõ ra SSR - cuûa boä ñieàu khieån nhieät ñoä vôùi chaân - cuûa ngoõ vaøo khoái moâ phoûng nhieät ñoä.  Noái ngoõ ra +12VDC töø nguoàn chính tôùi chaân COM relay cuûa boä ñieàu khieån nhieät ñoä.  Noái chaân NO relay cuûa boä ñieàu khieån nhieät ñoä vôùi chaân + cuûa quaït laøm maùt.  Noái ngoõ ra 0VDC töø nguoàn chính vôùi chaân – cuûa quaït laøm maùt.  Baät coâng taéc nguoàn vaø chænh boä ñieàu khieån nhieät ñoä vôùi ngoõ vaøo Input caûm bieán loaïi Pt100. (ñoïc manual keøm theo)  Caøi ñaët giaù trò nhieät ñoä ñaët vaø quan saùt ngoõ ra. 2. Đo nhiệt độ dùng cảm biến LM35 * Thiết bị : - IC LM 35, điện trở., Diod 1N914, diod zener. - Mili vôn kế * Thực hiện :Với IC LM35 điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang đo Celsius. Thực tế IC LM35 có 4 dạng như sau : Hình Sơ đồ chân của IC LM35 Trang 94 - Lắp mạch như hình vẽ bên trái: thang đo + 2°C đến 150°C + Sử dụng Milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT = + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT - Lắp mạch như hình vẽ bên phải: thang đo - 55°C đến 150°C Giá trị R1 được chọn tuỳ thuộc vào –VS ; R1 = - VS/50µA. + Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT = + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT - Lắp mạch như hình vẽ: thang đo từ -55°C đến 150°C + Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT = + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT - Lắp mạch như hình vẽ : Trang 95 Chú ý trong mạch này giá trị điện áp ra tỉ lệ với nhiệt độ thang đo Fahrenheit + Sử dụng Milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT = + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT 3. Đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở NTC * Thiết bị : - Nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Coeffcient) - Vôn kế, miliampekế * Thực hiện : - Sự thay đổi điện trở có thể tạo ra qua việc thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh hoặc qua việc tự nóng cũng như làm lạnh tuỳ theo tải điện khác nhau . - Đường đặc tính của điện trở NTC là đường biểu diễn hàm số mũ, nó phụ thuộc vào vật liệu sử dụng, dạng cấu tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ. - Bỏ qua sự thay đổi điện trở do nhiệt độ của môi trường vì trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ coi như không đổi. - Lắp thí nghiệm theo sơ đồ mạch, đo dòng điện qua điện trở NTC theo các điện áp đã cho trong bảng dưới đây, để chỉnh được trạng thái nhiệt độ ổn định khi thay đổi điện áp, các phép đo được thực hiện lần lượt theo khoảng cách về thời gian là 30s - Để xây dựng đặc tính cần đồi hỏi các giá trị điện trở của điện trở NTC được xác định từ các giá trị dòng điện đã đo và các điện áp cho trước ở bảng sau đây: U(V) 5 10 15 20 25 28 I(mA) R(kΩ) 4. Đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở PTC * Thiết bị : - Nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coeffcient) - Vôn kế, miliampekế * Thực hiện : - Sự thay đổi điện trở có thể tạo ra qua việc thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh hoặc qua việc tự nóng cũng như làm lạnh tuỳ theo tải điện khác nhau . Đường đặc tính của điện trở PTC là đường biểu diễn hàm số mũ, nó phụ thuộc vào vật liệu sử dụng, dạng cấu tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ. Trang 96 - Bỏ qua sự thay đổi điện trở do nhiệt độ của môi trường vì trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ coi như không đổi. - Lắp thí nghiệm theo sơ đồ mạch, đo dòng điện qua điện trở PTC theo các điện áp đã cho trong bảng dưới đây, để chỉnh được trạng thái nhiệt độ ổn định khi thay đổi điện áp, các phép đo được thực hiện lần lượt theo khoảng cách về thời gian là 30s - Để xây dựng đặc tính cần đồi hỏi các giá trị điện trở của điện trở NTC được xác định từ các giá trị dòng điện đã đo và các điện áp cho trước ở bảng sau đây : U(V) 1 2 4 5 6 10 12 16 20 24 I(mA) R(kΩ) F. BAØI TAÄP 1\ Thöïc hieän thao taùc, caùch thöùc ño ñoïc keát quaû ño kieåm tra ñaùnh giaù ñaëc tính kyõ thuaät maùy ño nhieät keá ñieän töû ? 2\ Haûy töï tìm hieåu vaø Lieät keâ moät soá caûm bieán nhieät ñoä söû duïng phoå bieán trong thöïc teá ? 3\ Thöïc hieän thao taùc, caùch thöùc ño ñoïc keát quaû ño nhieät ñoä duøng maùy ño nhieät keá ñieän töû ? 4\ Thieát keá maïch ño nhieät ñoä duøng kyõ thuaät vi xöû lyù (tuøy choïn phöông phaùp, caùch thöùc ño) ? Trang 97 Baøi thöïc taäp 8 ÑO VAÄN TOÁC VOØNG QUAY VAØ GOÙC QUAY A. MUÏC TIEÂU : Sau baøi hoïc naøy, ngöôøi hoïc coù khaû naêng : - Trình baøy ñöôïc khaùi nieäm cô baûn veà chuyeån ñoåi ño ñaïi löôïng khoâng ñieän toác ñoä ñoäng cô, goùc quay duøng caûm bieán quang ñieän. - Bieát caùch ño, phöông phaùp ño, ño vaø xaùc ñònh ñöôïc trò soá ño ñaïi löôïng khoâng ñieän toác ñoä ñoäng cô, goùc quay cô baûn... B. DUÏNG CUÏ, HOÏC CUÏ SÖÛ DUÏNG : - Caûm bieán kieåu quang ñieän. - Moâ hình maïch ño. - Kit ño toác ñoä ñoäng cô. C. CAÙC YEÂU CAÀU KHI THÖÏC HAØNH : - Thöïc hieän ñuùng quy trình thao taùc. - Ñaûm baûo an toaøn ñieän, an toaøn khi söû duïng thieát bò duïng cuï. - Ñaûm baûo an toaøn cho linh kieän, thieát bò, sau khi thöïc haønh caùc linh kieän vaãn coù theå hoaït ñoäng toát. D. NOÄI DUNG : I. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐO CƠ BẢN Trong công nghiệp phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy . Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay . Trong trường hợp chuyển động thẳng , việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai tro quan trọng trong việc đo vận tốc . Để đo vận tốc góc thường ứng dụng các phương pháp sau đây : 1. Phƣơng pháp analog Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ . nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ . Cảm biến gồm có hai phần : phần cảm (nguồn từ thong ) và phần ứng ( phần có từ thông đi qua ). Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng , từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng xác đinh theo công thức: d e dt    Thông thường từ thông qua phần ứng có dạng : 0( ) ( )x F x  Trang 98 Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc hoặc quay theo đường thẳng , khi đó suất điện động e xuất hiện trong phần ứng có dạng : 0 ( )dF x dx e dx dt   Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo - Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung : làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn , ví dụ chuyển động quay. Cảm biến loại này thường có một đĩa được mã hóa gắn với trục quay , chẳng hạn gồm các phần trong suốt xan kẽ các phần không trong suốt . Cho chùm sang chiếu qua đĩa đến đầu thu quang , xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo 2. phƣơng pháp quang điện tử a) Dùng cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED) . đĩa quay , đặt giữa nguồn sang và đầu thu , có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn .Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor.Khi đĩa quay , đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng , lỗ , nguồn phát sáng thẳng hàng .Kết quả là khi đĩa quay , đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay. Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang Trong các cảm biến quang tốc độ , người ta cũng có thể cùng đĩa quay có các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính : - Số lượng lỗ trên đĩa - Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử Để đo tốc độ nhỏ( 0,1 vòng/ phút) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500- 1000 lỗ).Trong trường hợp đo tốc độ lớn (105-106vòng / phút)phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ , khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo được. b) Đĩa mã hóa tương đối Trang 99 Encoder với một bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các Encoder mã hoá đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 90° so với bộ xung thứ nhất và một xung xác định thời gian Encoder quay một vòng. Hình: Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B và xung điều khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại. xung Z xác định đã quay xong một vòng. Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn . c) Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hoá tương đối là khi mất nguồn số đếm sẽ bị mất, như vậy khi các cơ cấu ngừng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo dưỡng sửa chữa thì khi bật nguồn trở lại Encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu. Đĩa mã hoá tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách chính xác. Đĩa Encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng. - Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào. - Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở 1/4 vòng tròn nào. Hình: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) - Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8, 1/16 vv của vòng tròn, vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng. - Loại Encoder này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng nếu Encoder có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu Encoder có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn sáng và thu. Trang 100 - Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), có thể sử dụng mã nhị phân hoặc mã Gray. Tuy nhiên thực tế chỉ có mã Gray được sử dụng phổ biến. 3. Nguyên tắc điện trở từ a) Các đơn vị từ trường và định nghĩa Từ trường được định nghĩa theo một vài cách tương đương dựa trên hiệu ứng tác động của nó lên môi trường xung quanh. Thông thường người ta định nghĩa từ trường là lực tác dụng lên một hạt điện tích chuyển động. Trong tĩnh điện học hạt có điện tích q nằm trong điện trường E chịu một lực bằng F = qE. Tuy vậy, khi hạt điện tích chuyển động trong vùng bao quanh dây dẫn có dòng điện, lực tác dụng lên hạt cũng phụ thuộc vào vận tốc của nó. Thật may là, thành phần lực phụ thuộc vận tốc tách biệt so thành phần lực điện trường, và tuân theo định luật lực Lorentz Ở đây v là vận tốc của hạt và × ký hiệu của tích vectơ. Vectơ B ký hiệu cho từ trường, và nó được coi là trường vectơ cần thiết để cho định luật lực Lorentz miêu tả đúng chuyển động của hạt tích điện. Định nghĩa này cho phép xác định B như sau: Quá trình, "Đo hướng và độ lớn của vectơ B tại mỗi vị trí," thực hiện theo các bước: Dùng một hạt đã biết có điện tích q. Đo lực tác dụng lên q khi nó đứng yên nhằm xác định E. Sau đó đo lực tác động lên hạt khi nó chuyển động với vận tốc v theo một hướng; lặp lại phép đo cho hạt với vận tốc v ở một hướng khác. Lúc này vectơ B trong định luật lực Lorentz thỏa mãn tất cả các phép đo chính là từ trường tại mỗi vị trí cần đo. Một cách khác, người ta xác định từ trường thông qua ngẫu lực mà nó tác động lên một lưỡng cực từ (xem ngẫu lực từ trên nam châm vĩnh cửu bên dưới). Có hai loại từ trường, H và B. Trong chân không chúng thể hiện giống nhau, chỉ khác nhau về độ lớn. Nhưng bên trong vật liệu hay môi trường vật chất (xem H và B bên trong và ngoài vật liệu từ) chúng có tính chất khác nhau. Về mặt lịch sử, thuật ngữ từ trường có ký hiệu là H trong khi các nhà vật lý sử dụng thuật ngữ khác cho B. Ngày nay, các sách vật lý đều sử dụng thuật ngữ từ trường cho cả hai ký hiệu B và H.Có một vài tên gọi khác nhau cho cả hai. Trong hệ SI, B có đơn vị tesla (T) và tương ứng ΦB (từ thông) có đơn vị weber (Wb) do vậy mật độ thông lượng 1 Wb/m2 bằng 1 tesla. Đơn vị SI của tesla bằng (newton•giây)/(coulomb•mét).Trong đơn vị Gauss-cgs, B có đơn vị gauss (G) (và 1 T = 10.000 G) Trường H có đơn vị ampere trên mét (A/m) trong hệ SI, và oersted (Oe) trong hệ CGS. b) Cảm biến điện trở từ. Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác dụng của một nam châm vĩnh cữu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên có khía răng .Khi đĩa quay , từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biến thiên , trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay Trang 101 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức : f = p.n p : Số lượng răng trên đĩa và n : số vòng quay của đĩa tròn trong một giây Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố : - Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay : khoảng cách càng lớn E càng nhỏ . - Tốc độ quay : tốc độ quay càng lớn , E càng lớn . Khi tốc độ quay nhỏ , biên độ E rất bé và khó phát hiện , do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay không thể đo được , người ta gọi vùng này là vùng chết Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa . Khi p lớn tôc độ nminđo được có giá trị bé .Khi p nhỏ , tốc độ nmaxđo được sẽ lớn . Thí dụ với p=60 răng , dải tốc độ đo được n=50-500 vòng/phút , còn với p =15 răng dải tốc độ đo được 500-10.000 vòng /phút . II. CẢM BIẾN ĐO CƠ BẢN 1. Cảm biến vòng quay _ Caûm bieán ño duøng maùy phaùt toác : Laø duïng cuï ño toác ñoä quay cuûa ñoäng cô. Ñoù laø caùc maùy phaùt ñieän moät chieàu vaø xoay chieàu, truïc quay cuûa maùy ñöôïc noái vôùi truïc quay cuûa ñoäng cô. _ Caûm bieán ño duøng chuyeån ñoåi quang ñieän : goàm diode quang phaùt tín hieäu hoàng ngoaïi cho ñaàu thu laø moät phoâto transistor nhaän tín hieäu thoâng qua ñoù seõ taïo ra chuoåi xung ñeám toác ñoä quay ñoäng cô. Hình 11.2 : Sô ñoà caáu taïo caûm bieán quang ñieän _ Nguyeân lyù ño duøng maùy phaùt toác ñoä : khi ñoäng cô quay, maùy phaùt ñieän moät chieàu taïo ra söùc ñieän ñoäng tæ leä vôùi toác ñoä quay. Maùy phaùt toác ñoä xoay chieàu, Trang 102 quan heä giöõa söùc ñieän ñoäng vaø toác ñoä quay gioáng maùy phaùt ñieän moät chieàu nhöng ñieän aùp ra laø ñieän aùp xoay chieàu coù taàn soá tæ leä vôùi toác ñoä quay : f = n.p\60 Trong ñoù p : laø soá ñoâi cöïc, n : laø toác ñoä quay, f : laø taàn soá. Vaäy khi ta ño ñieän aùp U hoaëc taàn soá f coù theå xaùc ñònh ñöôïc toác ñoä. _ Encoder: nguyeân lyù ño duøng chuyeån ñoåi quang ñieän, laø bieán toác ñoä quay cuûa ñoái töôïng ño thaønh xung. Taàn soá xung phuï thuoäc vaøo toác ñoä quay cuûa ñoái töôïng, ño taàn soá ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc toác ñoä quay thoâng qua boä phaän baùnh raêng gaén treân truïc cuûa ñoäng cô caàn ño toác ñoä, khi ñoäng cô quay baùnh raêng queùt ngang qua boä phaän caûm bieán quang ñieän taïo tính hieäu xung ñieän coù taàn soá tuyø thuoäc vaøo toác ñoä quay cuûa ñoäng cô 2. Cảm biến góc quay a. Cảm biến KMA10 và KMA20 - KMA10 và KMA20 là loại cảm biến đo góc (không cần đụng chạm) được thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn, ứng dụng trong lĩnh vực tự động và công nghiệp. - Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế để phát triển bởi sự hợp tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic. - KMA10 cho tín hiệu dưới dạng dòng điện.(KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270). - KMA20 cho tín hiệu ra dưới dạng điện áp, KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, còn KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 thì hình sin. b. Máy đo góc tuyệt đối Máy đo góc tuyệt đối gồm hai phần : phần động gắn liền với trục quay chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang có tần số 2-10kHz qua máy biến áp quay. Phần tĩnh có hai dây quấn thứ cấp ( cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90 0 Khi trục quay , ở đầu ra của hai dây quấn thứ cấp ta thu được hai tín hiệu điều biên 0 sinUU t sin và 0 sinUU t cos .Đường bao của biên độ kênh tín hiệu ra chứa thông tin về vị trí tuyệt đối (góc  ) của roto máy đo tức là vị trí tuyệt đối của trục quay. Có hai cách xử lý thông tin thu được . Cách thứ nhất là hiệu chỉnh sửa sai góc thu được trên cơ sở so sánh góc với một số vi mạch sẵn có .Các vi mạch này cho tín hiệu góc dạng số với độ phân dãi 10-16 bit/1vòng và một tốc độ quay dạng tương tự . Độ phân giãi của phương pháp này phụ thuộc vào thông số của mạch điều chỉnh. Trang 103 Sơ đồ nguyên lý máy đo góc tuyệt đối Cách thứ hai, có chất lượng cao hơn là dùng hai bộ chuyển đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế .Trong trường hợp này cần đồng bộ chặt chẽ giữa thời điểm lấy mẫu và tạo ra tín hiệu kích thích 2-10kHz sau đó dùng bộ lọc để chuyển xung hình chữ nhật thành tisn hiệu kích thích hình sin. III. KYÕ THUAÄT AN TOAØN _ Khi caém daây phaûi taét nguoàn. _ Caém ñuùng ngoõ vaøo aùp döông hay aâm (caém sai seõ gaây hö hoûng). _ Ñeå ño ngoõ ra caùc caûm bieán coù theå söû duïng ñoàng hoà ño volt hoaëc khoái giao ñieän ño. _ Khi thí nghieäm caàn laäp baûng cho moãi loaïi caûm bieán. _ Khi tieáp xuùc ño traùnh chaïm vaøo vaät ño linh kieän ño nguoàn ñieän ño. _ Tieáp xuùc ñuùng chieàu phaân cöïc cuûa que ño, cöïc tính nguoàn ño. _ Sau khi tieáp xuùc ñuùng vò trí ño giöõ coá ñònh roài ñoïc keát quaû ño. _ Traùnh tieáp xuùc ñieän nôi aåm öôùt, thieáu aùnh saùng, bò rung ñoäng gaây caûn trôû khoù chaïm khoù tieáp xuùc E. THÖÏC HAØNH : 1. Đo tốc độ vòng quay dùng Encoder  Caáp nguoàn 24VDC module caûm bieán töø module chính.  Noái ngoõ ra outA vôùi ngoõ vaøo xung cuûa boä ño toác ñoä.  Noái ngoõ ra cuûa khoái ñieàu khieån ñoäng cô DC treân module chính vôùi ngoõ vaøo ñoäng cô DC.  Vaën bieán trôû VR ñeå thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô DC vaø quan saùt treân boä ño toác ñoä.  Cho nhaän xeùt veà caûm bieán.  Thay ñoåi ngoõ ra outB cuûa caûm bieán toác ñoä vaø thöïc hieän laïi caùc böôùc. Nhaän xeùt. Laép maïch theo sô ñoà sau : Trang 104 2. Đo tốc độ vòng quay dùng đĩa mã hóa Böôùc 1 : Chuaån bò duïng cuï ño, maùy ño. _ Moâ hình maïch ño toác ñoä ñoäng cô. _ Laép ñaët thieát bò ño, caûm bieán ño vaøo caùc vò trí ño. Böôùc 2 : Kieåm tra kyõ thuaät an toaøn. _ Kieåm tra ñoä chính xaùc cuûa bo laép maïch thöïc haønh. _ Xaùc ñònh khaû naêng ño an toaøn cuûa duïng cuï ño. _ Quaù trình ño khoâng chaïm tay vaøo vaät ño, linh kieän, nguoàn ñieän. _ Tieáp xuùc ñuùng chieàu phaân cöïc vaø trò soá aùp nguoàn caáp vaøo maïch thí nghieäm. _ Sau khi tieáp xuùc ñuùng vò trí giöõ coá ñònh roài quan saùt keát quaû. _ Traùnh tieáp xuùc ñieän nôi aåm öôùt, thieáu aùnh saùng, bò rung ñoäng gaây caûn trôû khoù chaïm khoù tieáp xuùc Böôùc 3 : Vaän haønh maïch nhöng chöa ño. Trang 105 Hình 11.6 : Sô ñoà laép maïch vaän haønh ñoäng cô hoaït ñoäng _ Caáp nguoàn vaøo ñoäng cô ñieän. _ Ñaùnh giaù hoaït ñoäng cuûa maïch. _ Ngaét nguoàn cung caáp. Böôùc 4 : Ño toác ñoä ñoäng cô. Hình 11.7 : Sô ñoà laép maïch vaän haønh ño toác ñoä ñoäng cô _ Caáp nguoàn vaøo maïch ño. _ Ñieàu khieån cho ñoäng cô quay nhanh nhaát. _ Ño ñoïc ghi nhaän keát quaû. _ Ñieàu khieån cho ñoäng cô quay chaäm nhaát. _ Ño ñoïc ghi nhaän keát quaû. _ Ñieàu khieån cho ñoäng cô quay caùc toác ñoä khaùc nhau. _ Ño ñoïc ghi nhaän keát quaû. _ Ngaét nguoàn cung caáp. Böôùc 5 : Toång keát ñaùnh giaù. _ Ngaét nguoàn cung caáp vaø caùch ly an toaøn maïch ño. _ Toång hôïp keát quaû ghi nhaän ôû böôùc 4. _ Nhaän xeùt vaø cho keát luaän cuï theå veà maïch ño. 3. Đo góc quay dùng Encoder  Caáp nguoàn 24VDC module caûm bieán töø module chính.  Noái ngoõ ra outA vôùi ngoõ vaøo xung cuûa boä ñếm xung.  Chọn tỉ số truyền cho encoder và bảng chia độ.  Vaën tay điều khiển góc quay bảng chia độ quan saùt trị số treân boä ñếm xung.  Thay đổi tỉ số truyền khác cho encoder và bảng chia độ.  Thực hiện lại thao tác đếm xung ghi nhận kết quả.  Tính toán so sánh nhận xét kết quả khi thay đồi tỉ số truyền.  Cho nhaän xeùt veà caûm bieán.  Thay ñoåi ngoõ ra outB cuûa caûm bieán toác ñoä vaø thöïc hieän laïi caùc böôùc. Nhaän xeùt. Laép maïch theo sô ñoà sau : Trang 106 F. BAØI TAÄP 1\ Haûy töï tìm hieåu vaø Lieät keâ moät soá caûm bieán ño toác ñoä ñoäng cô söû duïng phoå bieán trong thöïc teá ? 2\ Thöïc hieän caùc böôùc thöïc haønh ño xaùc ñònh toác ñoä cuûa ñoäng cô ñieän duøng thieát bò caûm bieán kieåu quang ñieän (ñóa maõ hoùa)? 3\ Thöïc hieän caùc böôùc thöïc haønh ño xaùc ñònh toác ñoä cuûa ñoäng cô ñieän duøng thieát bò caûm bieán kieåu quang ñieän (ño phaûn quang)? 4\ Thieát keá maïch ño toác ñoä ñoäng cô duøng kyõ thuaät vi xöû lyù (tuøy choïn phöông phaùp, caùch thöùc ño) ? Trang 107 Baøi thöïc taäp 9 ÑO LÖU LÖÔÏNG A. MUÏC TIEÂU : Sau baøi hoïc naøy, ngöôøi hoïc coù khaû naêng : - Trình baøy ñöôïc khaùi nieäm cô baûn veà chuyeån ñoåi ño ñaïi löôïng khoâng ñieän ño löu löôïng, duøng caûm bieán ño löu löôïng. - Bieát caùch ño, phöông phaùp ño, ño vaø xaùc ñònh ñöôïc trò soá ño ñaïi löôïng khoâng ñieän löu löôïng chaát loûng cô baûn . B. DUÏNG CUÏ, HOÏC CUÏ SÖÛ DUÏNG : - Caûm bieán ño löu löôïng. - Moâ hình maïch ño löu löôïng nöôùc. C. CAÙC YEÂU CAÀU KHI THÖÏC HAØNH : - Thöïc hieän ñuùng quy trình thao taùc. - Ñaûm baûo an toaøn ñieän, an toaøn khi söû duïng thieát bò duïng cuï. - Ñaûm baûo an toaøn cho linh kieän, thieát bò, sau khi thöïc haønh caùc linh kieän vaãn coù theå hoaït ñoäng toát. D. NOÄI DUNG : I. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐO CƠ BẢN Một trong các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng các chất chảy qua ống dẫn, muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghệ cần phải đo chính xác thể tích và lưu lượng các chất. Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bằng tính chất lý hoá và các yêu cầu công nghệ do đó ta có nhiều phương pháp đo dựa trên những nguyên lý khác nhau, số lượng vật chất được xác định bằng khối lượng và thể tích của nó tương ứng với các đơn vị đo (kg, tấn) hay đơn vị đo thể tích (m³, lít), lưu lượng vật chất là số lượng chất ấy chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. - Lưu lượng thể tích : Q (m³/s; m³/giờ ...vv.) - Lưu lượng khối : G (kg/s; kg/giờ; tấn/giờ ...vv. Cần phải phân biệt sự khác nhau giữa lưu lượng tức thời và lưu lượng trung bình. Đối với chất khí, để kết quả đo không phụ thuộc vào điều kiện áp suất, nhiệt độ, ta quy đổi về điều kiện chuẩn (nhiệt độ 2000C, áp suất 760 mm thuỷ ngân). 1. Đo lƣu lƣợng trên nguyên tắc chênh lệch áp suất - Các cảm biến loại này hoạt động dựa trên nguyên tắc đo độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua màng ngăn có lỗ thu hẹp. Trên sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng dùng màng ngăn tiêu chuẩn . - Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn , vận tốc chất lưu tăng lên và đạt cực đại (W2) tại tiết diện B-B’, do đó tạo sự chênh áp trước và sau lỗ thu hẹp sử dụng một áp kế vì sai độ chênh áp này mà có thể xác định được lưu lượng của dòng chảy. Trang 108 - Để dùng cảm biến áp suất đo lưu lượng ,người ta đo sự chênh lệch áp suất (hiệu áp) giữa 2 vị trí ống có tiết diện dòng chảy khác nhau, các lưu lượng kế đo dựa trên hiệu áp (differential pressure flowmeter) được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là dùng với các chất lỏng, các thiết bị này cũng như hầu hết các lưu lượng kế khác gồm 2 thành phần cơ bản : - Thành phần 1: Là nguyên nhân gây lên sự thay đổi trong năng lượng động học, tạo nên sự thay đổi áp suất trong ống, thành phần này phải phù hợp với kích thước của đường ống, điều kiện dòng chảy, tính chất của lưu chất - Thành phần 2: Đo sự chênh lệch áp và tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành giá trị lưu lượng 2. Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng bằng tần số dòng xoáy - Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất, các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn đi. Hiện tượng này đã được Leonardo da Vinci ghi nhận. - Strouhal trong năm 1878 đã cố gắng giải thích lần đầu tiên, ông nhận thấy rằng một sợi dây nằm trong dòng chảy có sự rung động như một dây đàn, sự dao động này tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với đường kính sợi dây. - Theo dor von Karman đã tìm thấy nguyên nhân gây ra sự dao động này : Đó là sự sinh ra và biến mất của các dòng xoáy bên cạnh vật cản, một con đường dòng xoáy hình thành phía sau vật cản khi một vật được đặt trong một dòng chảy. - Các dòng xoáy này rời bỏ vật cản tuần tự và trôi theo dòng chảy, phía sau vật cản hình thành con đường của dòng xoáy được đặt tên là con đường xoáy Karman. Các dòng xoáy ở 2 bên của vật cản có chiều xoáy ngược nhau, tần số sự biến mất (và cả sự xuất hiện) là hiệu ứng dùng để đo lưu lượng bằng thể tích. - Lord Rayleigh đã tìm thấy sự liên hệ giữa kích thước hình học vật cản (đường kính vật cản D), vận tốc lưu chất v và tần số biến mất của dòng xoáy f, sự liên hệ này được diễn tả với trị số Strouhal : St (Trị số Strouhal là hàm của trị số Reynold ) St = f.D/ν * Nguyên tắc tần số dòng xoáy : Cảm biến độ xoáy sử dụng một đặc tính khác của chất lỏng để xác định lưu lượng. Khi một dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào một dốc đứng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ tạo ra các vùng xoáy. Tốc độ tạo xoáy trong dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng tăng. Với sự biến mất và xuất hiện của dòng xoáy, vận tốc của dòng chảy ở 2 bên của vật cản và trên đường dòng xoáy thay đổi một cách cục bộ. Tần số dao động của vận tốc có thể đo với những phương pháp khác nhau. Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có 3 phần : - Thân gián đoạn dòng chảy – có chức năng tạo ra các kiểu xoáy định trước tùy thuộc vào hình dáng thân - Một cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các xung điện - Một bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức năng gởi tín hiệu đã được hiệu chuẩn đến các thành phần khác của vòng điều khiển. Trang 109 Hình kiểu dòng chảy tiêu biểu trong đường ống có gắn các phần tử của cảm biến độ xoáy II. CẢM BIẾN ĐO CƠ BẢN 1. Đặc tính cảm biến _ Löu löôïng vaät chaát laø soá löôïng chaát ñoù chaûy qua tieát dieän ngang cuûa oáng daån trong moät ñôn vò thôøi gian. Ñôn vò ño ñöôïc tính meùt khoái treân giaây hoaëc meùt khoái treân giôø. _ Caûm bieán ño duøng caùnh quaït : döïa treân soá voøng quay cuûa tua bin trong moät ñôn vò thôøi gian tæ leä vôùi toác ñoä doøng chaûy. Hình 10.2 : Sô ñoà caáu taïo caûm bieán ño löu löôïng 2. Nguyên lý đo _ Khi caùnh quaït quay loûi gaén treân truïc quay theo, töû thoâng cuûa nam chaâm gaén beân ngoaøi caûm öùng seõ taêng leân khi loûi naèm doïc truïc cuûa nam chaâm vaø giaõm khi vuoâng goùc vôùi noù. _ Khi töø thoâng moùc voøng trong cuoän daây caûm öùng thay ñoåi seõ xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng caûm öùng, Moãi voøng quay töø thoâng taêng giaõm 2 laàn vaø taàn soá caûm öùng f trong cuoän daây cuõng taêng gaáp 2 laàn soá voøng quay cuûa tua bin. Ño toác ñoä quay baèng taàn soá keá coù theå xaùc ñònh ñöôïc löu löôïng caàn ño. n = k.v n : laø toác ñoä quay cuûa caùnh quaït (tua bin) _ Löu löôïng theå tích chaûy qua caùnh quaït : Q = v.F Trong ñoù k = 2.r.F.cotgα (r baùn kính trung bình cuûa caùnh quaït, α goùc leäch giuõa caùnh vaø truïc tua bin) v : toác ñoä doøng chaûy qua tieát dieän F cuûa oáng daån Vaäy : Q = n.F\k Trang 110 III. KYÕ THUAÄT AN TOAØN _ Khi caém daây phaûi taét nguoàn. _ Caém ñuùng ngoõ vaøo aùp döông hay aâm (caém sai seõ gaây hö hoûng). _ Ñeå ño ngoõ ra caùc caûm bieán coù theå söû duïng ñoàng hoà ño volt hoaëc khoái giao ñieän ño. _ Khi thí nghieäm caàn laäp baûng cho moãi loaïi caûm bieán. _ Khi tieáp xuùc ño traùnh chaïm vaøo vaät ño linh kieän ño nguoàn ñieän ño. _ Tieáp xuùc ñuùng chieàu phaân cöïc cuûa que ño, cöïc tính nguoàn ño. _ Sau khi tieáp xuùc ñuùng vò trí ño giöõ coá ñònh roài ñoïc keát quaû ño. _ Traùnh tieáp xuùc ñieän nôi aåm öôùt, thieáu aùnh saùng, bò rung ñoäng gaây caûn trôû khoù chaïm khoù tieáp xuùc E. THÖÏC HAØNH : 1. Khảo sát đặc tính hoạt động cảm biến _ Caûm bieán ño duøng caùnh quaït : döïa treân soá voøng quay cuûa tua bin trong moät ñôn vò thôøi gian tæ leä vôùi toác ñoä doøng chaûy. Hình 10.2 : Sô ñoà caáu taïo caûm bieán ño löu löôïng Böôùc 1 : Chuaån bò duïng cuï ño. _ Moâ hình maïch ño. _ Laép ñaët thieát bò ño, caûm bieán ño vaøo caùc vò trí ño. Böôùc 2 : Kieåm tra kyõ thuaät an toaøn. _ Kieåm tra ñoä chính xaùc cuûa maïch . _ Xaùc ñònh khaû naêng ño an toaøn cuûa duïng cuï ño. _ Quaù trình ño khoâng chaïm tay vaøo vaät ño, linh kieän, nguoàn ñieän. _ Tieáp xuùc ñuùng chieàu phaân cöïc vaø trò soá aùp nguoàn caáp vaøo maïch thí nghieäm. _ Sau khi tieáp xuùc ñuùng vò trí giöõ coá ñònh roài quan saùt keát quaû. _ Traùnh tieáp xuùc ñieän nôi aåm öôùt, thieáu aùnh saùng, bò rung ñoäng gaây caûn trôû khoù chaïm khoù tieáp xuùc Böôùc 3 : Vaän haønh maïch ño. _ Caáp nguoàn vaøo maïch ño. _ Ño ñoïc ghi nhaän caùc keát quaû: + Chæ soá ñieän aùp thay ñoåi töø ngoû ra caûm bieán. + Chæ soá löôïng nöôùc theo thôøi gian. Trang 111 + Tính toaùn chæ soá löu löôïng nöôùc theo thôøi gian. _ Ngaét nguoàn cung caáp. Böôùc 4 : keát thuùc . _ Ngaét nguoàn cung caáp vaø caùch ly an toaøn maïch ño. _ Toång hôïp keát quaû ghi nhaän. _ Nhaän xeùt vaø cho keát luaän cuï theå veà maïch ño. 2. Mạch đo lưu lượng nước cơ bản Trình töï thöïc hieän gioáng caâu 1. Tuaàn töï thay caùc bôm nöôùc vaø laøm theo caùc böôùc cuûa caâu 1 ñeå ño kieåm ñònh löu löôïng bôm. Böôùc 1 : Chuaån bò duïng cuï ño. _ Moâ hình maïch ño. _ Laép ñaët bôm nöôùc, thieát bò ño, caûm bieán ño vaøo caùc vò trí ño. Böôùc 2 : Kieåm tra kyõ thuaät an toaøn. _ Kieåm tra ñoä chính xaùc cuûa maïch . _ Xaùc ñònh khaû naêng ño an toaøn cuûa duïng cuï ño. _ Quaù trình ño khoâng chaïm tay vaøo vaät ño, linh kieän, nguoàn ñieän. _ Tieáp xuùc ñuùng chieàu phaân cöïc vaø trò soá aùp nguoàn caáp vaøo maïch thí nghieäm. _ Sau khi tieáp xuùc ñuùng vò trí giöõ coá ñònh roài quan saùt keát quaû. _ Traùnh tieáp xuùc ñieän nôi aåm öôùt, thieáu aùnh saùng, bò rung ñoäng gaây caûn trôû khoù chaïm khoù tieáp xuùc Böôùc 3 : Vaän haønh maïch ño. _ Caáp nguoàn vaøo maïch ño. _ Ño ñoïc ghi nhaän caùc keát quaû: + Chæ soá ñieän aùp thay ñoåi töø ngoû ra caûm bieán. + Chæ soá löôïng nöôùc theo thôøi gian. + Tính toaùn chæ soá löu löôïng nöôùc theo thôøi gian. _ Ngaét nguoàn cung caáp. Böôùc 4 : keát thuùc . _ Ngaét nguoàn cung caáp vaø caùch ly an toaøn maïch ño. _ Toång hôïp keát quaû ghi nhaän. _ Nhaän xeùt vaø cho keát luaän cuï theå veà maïch ño. F. BAØI TAÄP 1\ Haûy töï tìm hieåu vaø Lieät keâ moät soá caûm bieán ño löu löôïng söû duïng phoå bieán trong thöïc teá ? 2\ Trình baøy nguyeân lyù hoaït ñoäng ño löu löôïng chaát loûng duøng caûm bieán ño löu löôïng kieåu caûm öùng töø ? 3\ Trình baøy nguyeân lyù, caùch thöùc ño möùc tieâu thuï söû duïng nöôùc sinh hoaït trong hoä gia ñình thoâng qua ñoàng hoà nöôùc (coâng tô nöôùc) ? 4\ Thöïc hieän thao taùc, caùch thöùc ño ñoïc keát quaû ño löu löôïng doøng chaûy chaát loûng (nöôùc) thoâng qua caûm bieán löu löôïng kieåu caûm öùng töø ? Trang 112 Baøi thöïc taäp 10 CAÛM BIEÁN QUANG VAØ TIEÄM CAÄM A. MUÏC TIEÂU : Sau baøi hoïc naøy, ngöôøi hoïc coù khaû naêng : - Trình baøy ñöôïc khaùi nieäm cô baûn veà chuyeån ñoåi ño ñaïi löôïng khoâng ñieän ño löu löôïng, duøng caûm bieán quang vaø tieäm caän. - Bieát caùch ño, phöông phaùp ño, ño vaø xaùc ñònh ñöôïc trò soá ño ñaïi löôïng khoâng ñieän duøng caûm bieán quang vaø tieäm caän cô baûn. B. DUÏNG CUÏ, HOÏC CUÏ SÖÛ DUÏNG : - Caûm bieán quang vaø tieäm caän. - Moâ hình maïch ño duøng caûm bieán quang vaø tieäm caän. C. CAÙC YEÂU CAÀU KHI THÖÏC HAØNH : - Thöïc hieän ñuùng quy trình thao taùc. - Ñaûm baûo an toaøn ñieän, an toaøn khi söû duïng thieát bò duïng cuï. - Ñaûm baûo an toaøn cho linh kieän, thieát bò, sau khi thöïc haønh caùc linh kieän vaãn coù theå hoaït ñoäng toát. D. NOÄI DUNG : I. MỘT SỐ CẢM BIẾN QUANG CƠ BẢN Cảm biến quang là các linh kiện quang điện có thể thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của nó. Cảm biến quang thường được sử dụng giống như một công tắt đóng, ngắt mạch điện nhờ vào sự chiếu sáng hay không chiếu sáng đến linh kiện cảm nhận quang khi có mặt hay không có mặt của đối tượng cần phát hiện 1. Loại thu phát riêng Hình : Cấu tạo cảm biến quang thu phát riêng Cảm biến gồm phần phát và phần thu riêng biệt: Trang 113 + Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu. + Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọivào trasistor. Transistor quang thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra. Hình : Cảm biến quang thu phát riêng Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vị trí định trước như: dùng làm cảm biến phát hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm, phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy, phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng gói sản phẩm, dùng đo tốc độ động cơ Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng của cảm biến quang. 2. Loại thu phát chung dùng gƣơng Hình: Cấu tạo cảm biến quang thu phát chung dùng gương Cảm biến gồm phần phát và phần thu riêng biệt nhưng gắn chung trên cùng một vỏ hộp. Phía ngoài khoảng cách không gian tác dụng cần bố trí gương phản xạ: Trang 114 + Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu. + Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọivào trasistor. Transistor quang thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra. Tín hiệu thu được do phản xạ ngược lại nhờ vào gương đặt bên ngoài. Hình: Cảm biến quang thu phát chung dùng gương Hình : Ứng dụng cảm biến quang để đếm chai 3. Loại thu phát chung không dùng gƣơng Trang 115 Hình: Cấu tạo cảm biến quang thu phát chung không dùng gương Cảm biến gồm phần phát và phần thu riêng biệt nhưng gắn chung trên cùng một vỏ hộp : + Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp. + Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọivào trasistor. Transistor quang thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra. Tín hiệu thu được do phản xạ ngược lại nhờ vào tín hiệu phát phản xạ từ các vật tác động dội về. Hình: Cảm biến quang thu phát chung không dùng gương Hình : Cảm biến phát hiện ống hút có trong hộp sữa II. MỘT SỐ CẢM BIẾN TIỆM CẬN CƠ BẢN 1. Cảm biến điện cảm Cấu tạo: Cảm biến tiệm cận dạng điện cảm có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính Trang 116 Hình: Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm Đầu phát hiện gồm 1 cuộn dây quấn trên lõi sắt từ có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên trong không gian phía trước. Cấu tạo và cách bố trí cuộn dây và lõi sắt của đầu phát hiện như hình Hình: Cấu tạo đầu phát hiện - Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio. - Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động. - Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm: Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tượng) bằng kim loại tới gần cảm biến (vào vùng từ trường biến thiên của cảm biến), từ trường biến thiên do mạch dao động gây ra tập trung ở lõi sắt sẽ gây nên một dòng điện xoáy trên bề mặt của đối tượng. Dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động. Khi biên độ của tín hiệu dao động nhỏ hơn một ngưỡng định trước, mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra để đặt trạng thái ngõ ra lên ON. Khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu ở mạch dao động có biên độ lớn hơn ngưỡng, mạch phát hiệm mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái ngõ ra là OFF. Trang 117 Hình: Hoạt động của cảm biến Hình: Cảm biến của OMRON dạng tròn Hình: Cảm biến của OMRON dạng vuông Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại tại một vị trí xác định trước (vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không (Nắp của chai nước ngọt làm bằng kim loại), xác định vị trí hai đầu mút của mũi khoan, phát hiện trạng thái đóng hay mở van, đo tốc độ quay của động cơ, phát hiện trạng thái đóng- mở của các xi lanh Hình: Ứng dụng trong hệ thống đo tốc độ động cơ 2. Cảm biến điện dung Cấu tạo: Cảm biến tiệm cận dạng điện dung có cấu tạo gầm 4 phần tử như cảm biến lân cận điện cảm nhưng đầu phát hiện trong cảm biến tiệm cận điện dung là một bản cực của tụ điện Trang 118 Hình: Cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện dung Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung: Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm điện dung của tụ điện (được tạo bởi một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại chính là đối tượng) C bị thay đổi. Khi điện dung của tụ điện bị thay đổithì mạch dao động sẽ tạo ra tín hiệu dao động. Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON. Khi đối tượng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động sẽ nhỏ, mạch phat hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái OFF. Một số dạng của cảm biến tiệm cận điện dung: Dưới đây giới thiệu một số dạng cảm biến tiệm cận điện dung: Hình: Cảm biến tiệm cận điện dung hãng OMRON Hình: Sơ đồ mạch đầu ra dạng NPN cực thu để hở Hình: Sơ đồ mạch đầu ra dạng PNP cực thu để hở Trang 119 Ứng dụng: Cảm biến tiệm cận điện dung được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại hoặc phi kim loại tại một vị trí xác định trước (vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện thủy tinh, nhựa, chất lỏng Hình: Ứng dụng trong hệ thống phát hiện mức chất lỏng Hình: Ứng dụng trong hệ thống hộp sữa không đầy Hình: Phát hiện nắp nhôm trên chai nước III. KYÕ THUAÄT AN TOAØN _ Khi caém daây phaûi taét nguoàn. _ Caém ñuùng ngoõ vaøo aùp döông hay aâm (caém sai seõ gaây hö hoûng). _ Ñeå ño ngoõ ra caùc caûm bieán coù theå söû duïng ñoàng hoà ño volt hoaëc khoái giao ñieän ño. _ Khi thí nghieäm caàn laäp baûng cho moãi loaïi caûm bieán. _ Khi tieáp xuùc ño traùnh chaïm vaøo vaät ño linh kieän ño nguoàn ñieän ño. _ Tieáp xuùc ñuùng chieàu phaân cöïc cuûa que ño, cöïc tính nguoàn ño. _ Sau khi tieáp xuùc ñuùng vò trí ño giöõ coá ñònh roài ñoïc keát quaû ño. _ Traùnh tieáp xuùc ñieän nôi aåm öôùt, thieáu aùnh saùng, bò rung ñoäng gaây caûn trôû khoù chaïm khoù tieáp xuùc Trang 120 E. THÖÏC HAØNH : 1. Khảo sát đặc tính hoạt động cảm biến quang a. Caûm bieán quang thu phaùt rieâng:  Caáp nguoàn 24VDC module caûm bieán töø module chính.  Noái ngoõ ra out vôùi khoái relay 24V treân module chính.  Duøng tay che caûm bieán töø gaàn ra xa.  Cho nhaän xeùt veà ñoä nhaïy cuûa caûm bieán. Laép maïch theo sô ñoà sau : b. Caûm bieán quang thu phaùt chung duøng göông:  Caáp nguoàn 24VDC module caûm bieán töø module chính.  Noái ngoõ ra out vôùi khoái relay 24V treân module chính.  Duøng tay che caûm bieán töø gaàn ra xa.  Cho nhaän xeùt veà ñoä nhaïy cuûa caûm bieán. Laép maïch theo sô ñoà sau : Trang 121 c. Caûm bieán quang thu phaùt chung khoâng duøng göông:  Caáp nguoàn 24VDC module caûm bieán töø module chính.  Noái ngoõ ra out vôùi khoái relay 24V treân module chính.  Duøng tay che caûm bieán töø gaàn ra xa.  Cho nhaän xeùt veà ñoä nhaïy cuûa caûm bieán. Laép maïch theo sô ñoà sau : 2. Khảo sát đặc tính hoạt động cảm biến tiệm cận a. Caûm bieán tieän caän ñieän dung:  Caáp nguoàn 24VDC module caûm bieán töø module chính.  Noái ngoõ ra out vôùi khoái relay 24V treân module chính.  Duøng tay che caûm bieán töø gaàn ra xa.  Cho nhaän xeùt veà ñoä nhaïy cuûa caûm bieán.  Laép maïch theo sô ñoà sau : Trang 122 b. Caûm bieán tieän caän ñieän cảm:  Caáp nguoàn 24VDC module caûm bieán töø module chính.  Noái ngoõ ra out vôùi khoái relay 24V treân module chính.  Duøng vaät kim loaïi ñaët gaàn kim loaïi.  Cho nhaän xeùt veà ñoä nhaïy cuûa caûm bieán. 3. Thiết kế ứng dụng dùng cảm biến quang - Mạch đóng mở cửa tự động dùng cảm biến quang thu phát chung không dùng gương. 4. Thiết kế ứng dụng dùng cảm biến tiệm cận - Mạch đo tốc độ động cơ dùng cảm biến tiệm cận điện cảm. F. BAØI TAÄP 1) Trình bày đặc tính hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm ? 2) Trình bày đặc tính hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung ? 3) Trình bày ứng dụng cơ bản của cảm biến tiệm cận ? 4) Trình bày nguyên lý đo xác định vị trí, khoảng cách dịch chuyển ? Trang 123 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO STT TEÂN TAØI LIEÄU TAÙC GIAÛ NHAØ XUAÁT BAÛN 1 Ño löôøng caùc ñaïi löôïng ñieän vaø khoâng ñieän Nguyeãn Vaên Hoaø NXB Giaùo duïc - 2002- 2 Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phô NXB KH & KT – 2006 3 Giáo trình đo lƣờng và cảm biến đo lƣờng Bùi Đăng Thành NXB GD – 2006 4 Giáo trình đo lƣờng và cảm biến đo lƣờng Nguyễn Văn Hoà NXB GD – 2006 5 Điện tử công nghiệp và cảm biến Nguyễn Tấn Phƣớc T.I - NXB Trẻ - 2007 6 Tài liệu hƣớng dẫn thí nghiệm Trung tâm phát triển công nghệ công nghiệp và tự động hóa (CITA) TPHCM – 2013 Trang 124 MUÏC LUÏC TRANG LÔØI NOÙI ÑAÀU BAØI THÖÏC TAÄP 1 : ÑO ÑIEÄN AÙP BAØI THÖÏC TAÄP 2 : ÑO CÖÔØNG ÑOÄ DOØNG ÑIEÄN BAØI THÖÏC TAÄP 3 : ÑO ÑIEÄN TRÔÛ, ÑIEÄN DUNG, ÑIEÄN CAÛM BAØI THÖÏC TAÄP 4 : MAÙY ÑO ÑIEÄN VOM BAØI THÖÏC TAÄP 5 : ÑO COÂNG SUAÁT VAØ ÑIEÄN NAÊNG BAØI THÖÏC TAÄP 6 : DAO ÑOÄNG KYÙ BAØI THÖÏC TAÄP 7 : ÑO NHIEÄT ÑOÄ BAØI THÖÏC TAÄP 8 : ÑO VAÄN TOÁC VOØNG QUAY VAØ GOÙC QUAY BAØI THÖÏC TAÄP 9 : ÑO LÖU LÖÔÏNG BAØI THÖÏC TAÄP 10 : CAÛM BIEÁN QUANG VAØ TIEÄM CAÄN TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 1 2 13 24 40 64 76 85 97 107 112 123