Giáo trình Mô đun Đo lường cảm biến

thực hành 6.1: Thực hành cảm biến áp suất tuyệt đối 1. Sơ đồ mạch đo a. Sơ đồ nguyên lý 7 1, 3- màng đàn hồi 2- giá đệm 4- áp trở 5- điện cực ra 179 Hình 6. 3. Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp suất b) Sơ đồ lắp ráp Hình 6. 4. Sơ đồ lắp ráp mạch đo áp suất 2. Chuẩn bị dụng cụ, vật tư, thiết bị Thiết bị, vật tư cho một nhóm thực tập (4 sinh viên) TT Tên thiết bị Số lượng Đv tính Ghi chú 1 Nguồn Power Supply SO4203-2A 01 Cái 2 Nguồn Extended Supply SO4203-2D 01 Cái 3 Giao diện Interface SO4203-2A 01 Cái 4 Panel gài card mở rộng Expenrienter SO4203- 2D 02 Cái 5 Card đo áp suất SO4203-5N 01 Cái 6 Card bộ khuếch đại, nguồn dòng áp SO4203-5S 01 Cái 7 Card đo lực SO4203-5T 01 Cái 8 Máy tính và bộ phần mềm 01 Bộ TT Tên dụng cụ 1 Bộ dây cắm nối 01 Bộ 2 Đồng hồ vạn năng 01 Cái 180 Trước khi vào thực tập yêu cầu kiểm tra thiết bị, dụng cụ, vật tư: - Kiểm tra tình trạng thiết bị: Đồng hồ vạn năng, Board nguồn làm việc bình thường. - Kiểm tra dụng cụ: Đầy đủ, đúng yêu cầu kỹ thuật. - Kiểm tra vật tư: Vật tư đủ, đúng chủng loại yêu cầu. - Kiểm tra vị trí thực tập: Đảm bảo các thiết bị, dụng cụ đặt gọn gàng, đúng vị trí, dễ thao tác, an toàn, vệ sinh công nghiệp. Card thực hành đo áp suất a) Các nguồn dòng, áp và bộ khuếch đại đo lường Hình 6. 5. Card thực hành SO4203-5N Trên card thực hành SO4203-5N gồm 2 nguồn dòng 1mA và 2 nguồn áp 10V và một bộ khuếch đại đo lường có thể điều chỉnh được hệ số khuếch đại từ phần mềm Labsoft. b) Cảm biến áp điện trở tuyệt đối và vi sai. 181 Hình 6. 6. Card thực hành SO4203-5S Trên card thực hành SO4203-5S gồm cảm biến đo áp suất tuyệt đối và cảm biến đo áp suất vi sai cùng với mạch cầu đo tương ứng với các cảm biến. Thiết bị tạo áp suất Áp suất được cấp bằng một bơm tay có áp kế và ngõ ra được đo bằng thiết bị đo ảo Volt kế A. Điện áp do cảm biến tạo ra sẽ được khuếch đại bằng bộ khuếch đại đo. Cầu đo có cảm biến được cấp công suất từ một nguồn điện áp hằng số. Hình 6. 7. Thiết bị tạo áp suất 182 3. Trình tự thực hiện Lựa chọn bài thực hành Trong bài kỹ thuật đo lường 2, click chọn bài “đo áp suất”. Hình 6. 8. Lựa chọn bài thực hành đo áp suất, lực Bước 1: Lắp ráp sơ đồ đo a) Sơ đồ nguyên lý Hình 6. 9. Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp suất b) Sơ đồ lắp ráp 183 Hình 6. 10. Sơ đồ lắp ráp mạch đo áp suất Bước 2: Thiết lập thông số thiết bị đo - Mở bộ khuếch đại đo và cài đặt các thông số: Thông số cài đặt bộ khuếch đại đo Gain 1 Offset Amp 0 - Mở Vôn kế A và thiết lập các thông số: Thông số cài đặt volt kế A Chế độ đo DC Hiển thị AV Thang đo 500 mV Bước 3: Thay đổi áp suất và ghi nhận kết quả - Tăng áp suất lên cảm biến bằng bơm tay, bắt đầu từ áp suất 0mmHg và tăng theo từng bước là 20mmHg. Đo điện áp ngõ ra ở bộ khuếch đại đo uOut cho mỗi bước. Ghi nhận giá trị đọc được vào phiếu luyện tập 6.1. Trả lời câu hỏi: “Kết quả đường đặc tính là như thế nào? độ lợi tổng của cảm biến và bộ khuếch đại ở V/mbar là bao nhiêu?” - Lặp lại quá trình thực hành với áp suất ban đầu là 300mmHg và giảm xuống theo từng bước là 20mmHg. Ghi nhận giá trị vào phiếu luyện tập 6.2. 4. Các lỗi thường gặp, biện pháp khắc phục STT Hiện tượng Nguyên nhân Biện pháp khắc phục 1 Thiết bị tạo áp suất không giữ được áp. - Hỏng núm xoay chỉnh áp - Hỏng van một chiều dưới quả cao Kiểm tra núm xoay chỉnh áp và van một chiều, thay thế, đổi thiết bị tạo áp. 184 xu tạo áp. 2 Điện áp ra mạch cầu không có. Cấp sai nguồn áp cho mạch cầu đo áp Kiểm tra và cấp đúng nguồn áp 10V cho mạch cầu đo áp. 3 Điện áp ra sau bộ khuếch đại không đạt yêu cầu. Thiết lập không đúng hệ số khuếch đại cho bộ khuếch đại đo lường Thiết lập lại hệ số của bộ khuếch đại đo lường. 4 Điện áp trên Vôn kế không hiển thị. Thiết lập sai thang đo của Vôn mét. Thiết lập chính xác thang đo Vôn mét: 2V 5. Luyện tập a) Sinh viên luyện tập thực hành theo phiếu luyện tập PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 6.1 Tên kỹ năng: Thu thập số liệu và vẽ đặc tính của cảm biến đo áp suất tuyệt đối Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. 185 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 6.2 Tên kỹ năng: Thu thập số liệu và vẽ đặc tính của cảm biến đo áp suất tuyệt đối (Khi giảm áp suất) Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. b) Kiểm tra đánh giá Kiểm tra đánh giá kết quả thực hành theo tiểu kỹ năng được tiến hành theo phiếu đánh giá. PHIẾU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HÀNH Tên bài: Khảo sát một số cảm biến Họ và tên sinh viên:.............. MSSV:............................................................ NhómLớp..................... Ngày..........tháng........năm...................... Giáo viên hướng dẫn...................................Ca thực tập.................................................... TT Tiêu chí đánh giá Điểm chuẩn Yêu cầu Điểm đánh giá Ghi chú 1 Chọn thiết bị, dụng cụ - Chủng loại - Phù hợp yêu cầu 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 2 Lắp đặt thiết bị - Gá lắp thiết bị - Cắm dây nguồn 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 3 Lắp ráp sơ đồ mạch đo 10 Mỗi lỗi trừ 186 - Đúng Sơ đồ nguyên lý - Gọn gàng khoa học 5 5 2 điểm 4 Chọn và thiết lập thông số thiết bị đo - Chọn thiết bị - Thiết lập thông số 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 5 Tiến hành thay đổi thông số đầu vào - Đúng trình tự - Đúng nguyên tắc 20 10 10 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 6 Đọc kết quả đo - Đọc đúng kết quả 10 10 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 7 Tính toán kết quả đo - Áp dụng các công thức - Tính toán kết quả 10 5 5 Sai số quá 3% trừ 1 điểm 8 Thành lập bảng và vẽ biểu đồ - Bảng kết quả - Biểu đồ 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 5 điểm 9 Thời gian thực hiện 20 phút 10 Chậm mỗi phút trừ 1 điểm Tổng cộng 100 Chú ý: Mỗi tiêu chí bị quá thời gian sẽ bị trừ một nửa số điểm, thời gian thực hiện bài kiểm tra lớn hơn tổng thời gian quy định sẽ không được tính điểm Giáo viên ký tên 187 Bài thực hành 6.2: Thực hành cảm biến áp suất vi sai 1. Sơ đồ mạch đo a. Sơ đồ nguyên lý Hình 6. 11. Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp suất b) Sơ đồ lắp ráp Hình 6. 12. Sơ đồ lắp ráp mạch đo áp suất 2. Chuẩn bị dụng cụ, vật tư, thiết bị (như bài thực hành 6.1) 3. Trình tự thực hiện Bước 1: Lắp ráp sơ đồ thực hành Theo sơ đồ lắp ráp ở trên. Bước 2: Thiết lập thông số thiết bị đo - Mở bộ khuếch đại đo và thiết lập các thông số sau: 188 Thông số cài đặt bộ khuếch đại đo Độ lợi 10 Offset 0 - Mở Volt kế A và cài đặt thông số thiết bị như sau: Thông số cài đặt volt kế A Chế độ đo DC Hiển thị AV Thang đo 2 V Bước 3: Thay đổi áp suất và ghi nhận kết quả - Đặt áp suất ban đầu của bơm tay tác động lên cảm biến là 0mmHg và tăng từng bước 20mmHg. Đo điện áp ngõ ra của bộ khuếch đại đo uOut cho mỗi bước. Ghi nhận giá trị đạt được vào phiếu luyện tập 6.3. Trả lời câu hỏi: “Kết quả của đường đặc tính là như thế nào? Độ lợi tổng của cảm biến và bộ khuếch đại theo V/mbar là bao nhiêu?” 4. Các lỗi thường gặp, biện pháp khắc phục STT Hiện tượng Nguyên nhân Biện pháp khắc phục 1 Thiết bị tạo áp suất không giữ được áp. - Hỏng núm xoay chỉnh áp. - Hỏng van một chiều dưới quả cao xu tạo áp. Kiểm tra núm xoay chỉnh áp và van một chiều, thay thế, đổi thiết bị tạo áp. 2 Điện áp ra mạch cầu không có. Cấp sai nguồn áp cho mạch cầu đo áp. Kiểm tra và cấp đúng nguồn áp 10V cho mạch cầu đo áp. 3 Điện áp ra sau bộ khuếch đại không đạt yêu cầu. Thiết lập không đúng hệ số khuếch đại cho bộ khuếch đại đo lường Thiết lập lại hệ số của bộ khuếch đại đo lường 4 Điện áp trên Vôn kế không hiển thị. Thiết lập sai thang đo của Vôn mét. Thiết lập chính xác thang đo Vôn mét: 2V. 5. Luyện tập a) Sinh viên luyện tập thực hành theo phiếu luyện tập 189 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 6.3 Tên kỹ năng: Thu thập số liệu và vẽ đặc tính của cảm biến đo áp suất vi sai (Khi tăng áp suất) Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. b) Kiểm tra đánh giá Kiểm tra đánh giá kết quả thực hành theo tiểu kỹ năng được tiến hành theo phiếu đánh giá. 190 PHIẾU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HÀNH Tên bài: Khảo sát một số cảm biến Họ và tên sinh viên:.............. MSSV:............................................................ NhómLớp..................... Ngày..........tháng........năm...................... Giáo viên hướng dẫn...................................Ca thực tập.................................................... TT Tiêu chí đánh giá Điểm chuẩn Yêu cầu Điểm đánh giá Ghi chú 1 Chọn thiết bị, dụng cụ - Chủng loại - Phù hợp yêu cầu 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 2 Lắp đặt thiết bị - Gá lắp thiết bị - Cắm dây nguồn 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 3 Lắp ráp sơ đồ mạch đo - Đúng Sơ đồ nguyên lý - Gọn gàng khoa học 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 4 Chọn và thiết lập thông số thiết bị đo - Chọn thiết bị - Thiết lập thông số 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 5 Tiến hành thay đổi thông số đầu vào - Đúng trình tự - Đúng nguyên tắc 20 10 10 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 6 Đọc kết quả đo - Đọc đúng kết quả 10 10 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 7 Tính toán kết quả đo - Áp dụng các công thức - Tính toán kết quả 10 5 5 Sai số quá 3% trừ 1 điểm 8 Thành lập bảng và vẽ biểu đồ - Bảng kết quả - Biểu đồ 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 5 điểm 9 Thời gian thực hiện 20 phút 10 Chậm mỗi phút trừ 1 điểm Tổng cộng 100 Chú ý: Mỗi tiêu chí bị quá thời gian sẽ bị trừ một nửa số điểm, thời gian thực hiện bài kiểm tra lớn hơn tổng thời gian quy định sẽ không được tính điểm Giáo viên ký tên 191 6.4. Cảm biến áp suất kiểu điện dung Một cảm biến áp điện dung bao gồm 2 bản điện cực song song ngăn cách bởi lớp vật liệu cách điện (điện môi). Cảm biến biến dung được nối song song với một cuộn dây; mạch dao động LC sẽ xác định tần số của dao động. Hình 6. 13. Cấu tạo và mạch phát xung cảm biến điện dung áp suất Nếu đối tượng đo tác động vào cảm biến, khoảng cách giữa các bản điện cực sẽ thay đổi, giảm xuống. Kết quả là điện dụng của tụ điện sẽ tăng lên, làm giảm tần số của mạch dạo động LC, khi đối tượng đo không tác động vào cảm biến, lực đàn hồi đẩy tấm bản cực trở lại vị trí ban đầu và mạch dao động lại cho ra tần số ban đầu. Hình minh họa 6.14 là sơ đồ khối cảm biến áp suất điện dung. Hình 6. 14. Sơ đồ khối kết nối cảm biến với mạch đo Tín hiệu đầu ra của cảm biến có thể được chuyển đổi sang tín hiệu số sử dụng bộ chuyển đổi ADC và sau đó được chuyển đến bộ điều khiển. Cảm biến áp suất có thể được lắp đặt tại các vị trí khác nhau trong robot, như phía trước, sau và các bên. Ví dụ như đo áp suất của cảm biến phía trước robot có thể gửi đến bộ điều khiển và điều khiển robot đi lùi lại. 192 Hình 6. 15. Hình ảnh một số cảm biến áp suất điện dung thực tế 6.5. Cảm biến áp suất kiểu điện cảm + Cảm biến điện cảm đo áp suất Sơ đồ của bộ cảm biến đo kiểu cảm ứng như hình 6.16. Màng (1) là mỏ thép động của một nam châm điện (2) có quấn cuộn dây (3). Dưới tác dụng của áp suất đo, màng (1) được dịch chuyển làm thay đổi điện cảm của phần tử biến đổi cảm ứng. Nếu bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây, từ thông tản và tổn hao trong lõi thép, thì độ tự cảm L của phần tử biến đổi được xác định bằng công thức:    SSl W L tbtbtb ././ 0 2    (6. 6) W: số vòng dây của cuộn dây. Ltb, Stb: chiều dài và diện tích trung bình của lõi thép. S: chiều dài khe hở không khí. Utb, o: độ từ thẩm của lõi thép và không khí. S: Tiết diện ngang khe hở không khí của mạch từ. Vì    SSl tbtbtb ././ 0  nên ta có thể tính gần đúng L  /.. 0 2 SWL  (6. 7) Với giá trị biến dạng của màng tỷ lệ với áp suất đo:  = k1.P Thì  110 2 ./.. PkSWL  (6. 8) Phương trình trên là đặc tính tĩnh của thiết bị biến đổi đo áp suất kiểu cảm ứng. Đo độ tự cảm L thường được thực hiện bằng cầu đo xoay chiều hay mạch cộng hưởng L-C. Cảm biến áp suất kiểu điện cảm cho phép đo áp suất trong dải 0-30MPa, cấp chính xác đạt 0,2 đến 5%. 193 Hình 6. 16. Sơ đồ cảm biến đo áp suất kiểu cảm ứng + Cảm biến hỗ cảm (LVDT) đo áp suất Bộ biến đổi áp suất kiểu biến áp vi sai (hình 6.17) gồm một cảm biến biến dạng (1) và phần tử biến đổi (2). Phần tử biến đổi (1) là khung cách điện, trên đó quấn cuộn dây sơ cấp (7). Thứ cấp gồm hai quận dây (4) và (5) đấu ngược nhau. Trong rãnh của cuộn dây, người ta đặt lõi thép động (6) nối với lò xo ống số (1) và đầu kéo căng (3). Cửa ra của cuộn thứ cấp được đấu với điện trở R1 và R2 ta có thể thay đổi giới hạn đo trong phạm vi 25%. Hình 6. 17. Cảm biến áp suất kiểu biến áp vi sai Tín hiệu đo ở đầu ra của bộ biến đổi được hình thành như sau: khi có dòng điện I1 chạy qua cuộn dây sơ cấp sẽ tạo ra một từ thông trong hai nửa cuộn dây thứ cấp, làm xuất hiện trong hai nửa cuộn dây này các suất điện động cảm ứng e1, e2. Độ lớn của chúng phụ thuộc vào hỗ cảm giữa cuộn dây sơ cấp M1, M2 đối với mỗi nửa cuộn dây. Với mỗi nửa cuộn dây: e1= 2..f.I1.M1; e2= 2..f.I1.M2 (6. 9) Nếu hai nửa cuộn dây đấu ngược chiều quấn thì: E= e1-e2= 2..f I1(M1-M2)= 2..f I1M (6. 10) Ở đây M là hỗ cảm giữa hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Đối với phần tử biến đổi chuẩn có điện trở cửa ra R1, R2 thì điện áp ra của bộ biến đổi điện được tính theo công thức Ura =2..f I1Mra (6. 11) Giá trị hỗ cảm Mra phu thuộc vào độ dịch chuyển  của lõi thép (6): max max    MM ra 194 Ở đây Mmax là giá trị hỗ cảm lớn nhất của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tương đương với độ dịch chuyển lớn nhất max của lõi thép, từ biểu thức (6.10) và (6.11) ta có:    max max12 MfIU ra  (6. 12) Hiện nay các bộ cảm biến có lõi với chiều dài toàn phần của lõi từ 1,6  2,5 và 4mm. Tín hiệu điện xoay chiều ở cửa ra thay đổi từ -1V1V. Đầu (-) chỉ sự thay đổi pha của tín hiệu. Giá trị điện áp của tín hiệu ở cửa ra tương ứng với sự thay đổi của hỗ cảm của cảm biến từ -10  +10 mH. Biến đổi áp suất đo thành tín hiệu Ura được thực hiện bằng cách biến đổi áp suất thành sự biến đổi sự dịch chuyển của lõi thép (6) thành tín hiệu điện. Đặc tính tĩnh của cảm biến áp suất là nghiệm của phương trình (6.12) và phương trình:  =k.P (6. 13) ở đây  là biến dạng của lò xo, k là hệ số biến đổi. * Hình dạng một số cảm biến áp suất trong thực tế Hình 6. 18. Một số cảm biến áp suất 195 BÀI 7: ĐO MỨC, LƯU LƯỢNG VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÁC I. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài học này người học có khả năng: Kiến thức: - Trình bày cấu tạo, nguyên lý của các cảm biến đo mức, lưu lượng và một số đại lượng không điện khác như độ ẩm, độ pH... - Trình bày các phương pháp đo mức, lưu lượng. Kỹ năng: - Thao tác lắp mạch đo mức, lưu lượng sử dụng các cảm biến khác nhau. - Thực hiện việc đo mức, lưu lượng, tính toán, vẽ đặc tính của các cảm biến lưu lượng, cảm biến báo mức, - Bảo quản được dụng cụ đo, các cảm biến theo đúng quy trình kỹ thuật. Thái độ: - Nghiêm túc học tập, tích cực luyện tập - Tổ chức nơi thực hành gọn gàng, ngăn nắp - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. II. NỘI DUNG 7.1. Đo mức 7.1.1. Khái niệm Mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay hạt có tiết diện không thay đổi. Là tham số quan trọng cần xác định để giám sát chế độ làm việc của các thiết bị, của các quá trình sản xuất. Mặt khác đo được mức ta có thể tính được khối lượng của chất lỏng chứa trong bồn ví dụ xăng, dầu. Đơn vị của mức là đơn vị chiều dài (m). Đo mức có thể thực hiện đo liên tục hoặc đo theo ngưỡng. Đo liên tục là quá trình đo trong đó tín hiệu đo cho biết thể tích của chất lưu còn lại trong bồn chứa, trong khi đo theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dưới dạng mã (nhị phân, hoặc ngưỡng điện áp) để phát hiện trình trạng mức có đạt hay không để điều khiển quá trình làm việc của bồn chứa (ví dụ đo mức dùng trong hệ thống bơm nước tự động). Trên thực tế, người ta sử dụng hai phương pháp chính để đo mức là phương pháp thuỷ tĩnh và phương pháp điện. 7.1.2. Phương pháp thủy tĩnh Là phương pháp mà tín hiệu ra của cảm biến là hàm liên tục tỷ lệ với chiều cao của chất lưu chứa trong bình. 196 Hình 7. 1. Đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh Trên hình 7.1 minh hoạ cảm biến đo mức bằng phao. Thiết bị đo mức bằng phao gồm một phao nổi làm bằng thép không gỉ, phao được gắn với một thanh dẫn ở một đầu còn đầu kia được nối với cảm biến đo dịch chuyển (hình 7.1a), hoặc được gắn bằng dây mềm qua hệ thống ròng rọc (hình 7.1b) và nối với cảm biến đo dịch chuyển. Nguyên lý làm việc của cảm biến rất đơn giản, khi mức chất lỏng thay đổi làm phao sẽ thay đổi vị trí, con trượt của cảm biến biến trở thay đổi vị trí ở đầu ra ta có điện áp ra sẽ tỷ lệ với mức trong bồn chứa. 7.1.3. Cảm biến kiểu điện dung 1. Cấu tạo Cảm biến điện dung gồm một trụ bằng kim loại thẳng phủ lớp chống ăn mòn hoá học, đặt ở giữa thùng kim loại chứa chất lỏng cần đo mức. 2. Nguyên lý Khi mức chất lỏng thay đổi thì điện dung của tụ cũng thay đổi theo hàm 0 0 0 1 1 2 2 ( ) ln( ) H H C C C R R       (7. 1) Hình 7. 2. Cảm biến điện dung đo mức phao biến trở quả nặng b. phao biến trở Ura U a. MF 2 1 Cầu C1 C2 K CL Rđc R0 Ura mA U H0 H 197 Trong đó  - hằng số điện môi của chất lỏng, 0 - là hằng số điện môi của không khí; H0 - chiều cao phần không khí; H- chiều cao mức chất lỏng. Điện dung C được đưa về mạch đo là cầu xoay chiều một nhánh, điện áp ra của cầu khi lệch cân bằng sẽ tỷ lệ với mức chất lỏng. Đặc điểm của cảm biến: có độ tuyến tính trong dải đo rộng, được dùng phổ biến trong trường hợp chất lỏng dễ bay hơi, dễ ăn mòn, dễ cháy nổ khoảng đo từ 0- 5m, có thể hoạt động với nhiệt độ cao tới 1000C, áp suất trong thùng từ 0 - 106N/m, cấp chính xác của thiết bị đo mức kiểu này đạt khoảng 2,5%. 7.1.4. Cảm biến quang Dọc theo thành của bồn chứa người ta bố trí một dãy các bộ phát quang ở một phía của bồn còn phía đối diện bố trí các bộ thu quang ở vị trí thẳng góc tương ứng với bộ phát. Các bộ phát có thể dùng Led hồng ngoại hoặc laser, các bộ thu dùng tế bào quang dẫn, PD, PTZT hoặc tế bào quang điện. Tuỳ theo mức chất lỏng trong bồn, một số bộ thu quang nhận được ánh sáng và một số bị che sáng. Thiết bị thu và tính toán sẽ cho ta biết kết quả mức chất lỏng chứa trong bồn. Nhược điểm của phương pháp này là phải sử dụng một số lượng khá lớn cảm biến khi cần đo với độ chính xác cao. Ưu điểm là có thể dự báo mức chất lỏng cho các hệ đo và điều khiển rất thuận tiện (ví dụ dùng cho hệ thống tự động cấp nước cho nhà cao tầng...) 7.1.5. Cảm biến kiểu siêu âm 1. Khái niệm chung Như chúng ta biết, sóng siêu âm có tốc độ lan truyền từ 300 - 1500m/s tuỳ theo môi trường truyền là không khí, chất lỏng hay kim loại. Do đó ta có thể sử dụng sóng siêu âm để kiểm tra các khuyết tật trong sản phẩm bằng kim loại, đo độ sâu của đáy biển hoặc mức chất lỏng trong bồn chứa. Cảm biến siêu âm thực chất là một máy phát sóng và một bộ thu sóng, được chế tạo bằng gốm áp điện hoặc máy phát sóng điện từ. Dải tần sử dụng thường sử dụng với máy phát thạch anh là khoảng 40Khz, với máy phát sóng điện từ là khoảng 10Khz. Sóng 10Khz được sử dụng để đo khoảng cách lớn từ 10 ữ 50 mét vì có độ suy giảm nhỏ, sóng 40Khz được dùng để đo khoảng cách nhỏ hơn. 2. Nguyên lý đo Bộ phát quang P P P P P P T T T T T T Bộ thu quang Hình 7. 3. Đo mức bằng cảm biến quang 198 Để đo mức chất lỏng trong các bồn chứa, người ta đặt cảm biến trên đỉnh của bồn. Sóng siêu âm được phát dưới dạng xung tới bề mặt phân cách giữa hai môi trường không khí và chất lỏng, sóng một phần được phản xạ trở lại một phần được truyền vào chất lỏng. Hình 7. 4. Đo mức bằng sóng siêu âm a. Sơ đồ bố trí cảm biến; b. Sơ đồ khối của mạch đo Sóng phản xạ tới bộ thu sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phát xung t1 tới thời điểm nhận được xung t2 tỷ lệ với khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng, qua đó xác định được mức chất lỏng chứa trong bồn. Nếu gọi H0 - là chiều cao khoảng không khí, H1- là chiều cao của bồn chứa chất lỏng thì mức chất lỏng H được xác định như sau: Ta có 0 . 2 t v H   (7. 2) Trong đó v- vận tốc truyền sóng siêu âm trong không khí ( 331 334 /v m s  ); 2 1t t t   là khoảng thời gian tính từ thời điểm phát tới thời điểm nhận. H = H1 - H0 (7. 3) 7.1.6. Đo mức sử dụng cảm biến áp trở i. Giới thiệu mô hình thực hành đo mức, lưu lượng Mô hình thực hành SO3620 – 1H cho phép một loạt các thực hành khác nhau được thực hiện trong việc đo mức chất lỏng khép kín và kiểm soát tốc độ dòng chảy. Mô hình được trang bị các tính năng sau: - Hệ thống khép kín mà không cần phải kết nối với nguồn chất lỏng bên ngoài. - Nguồn điện áp +/- 15V. - Hiệu chỉnh cảm biến mức chất lỏng, đo tốc độ dòng chảy trung bình. - Hạn chế dòng chảy bằng van tay. M F K TBT ĐK XF XT CT S Bộ thu phát siêu âm t 2 1t t t   t 1 t 2 f 0 H0 H H1 a. b. 199 - Kiểm soát tốc độ dòng chảy - Điều chỉnh mức bằng các điều kiện tại bình chứa. Hình 7. 5. Mô hình thực hành SO3620 – 1H Những thành phần chính có trong mô hình báo mức: - Nguồn +/-15V - Cản biến báo mức - Bình chứa có thang đo mức - Van hạn chế dòng chảy V1 - Van đầu ra V2 - Máy bơm - Cảm biến mức (Bộ chuyển đổi áp suất - điện áp) - Chuyển đổi tần số - điện áp ii. Nguyên tắc đo mức Hình 7. 6. Cảm biến mức và mô hình đo mức Để đo mức chất lỏng, áp lực thủy tĩnh được xác định trong các ống thủy tinh nằm bên trong bình chứa và chuyển đổi thành một điện áp DC bằng bộ chuyển đổi áp suất / điện áp. Để cho các hoạt động điều khiển tiếp theo thì hệ thống cảm biến mức chất lỏng phải được hiệu chuẩn ban đầu để khi bình chứa hoàn toàn trống rỗng (mức 200 độ = 0%) thì điện áp cảm biến sau chuyển đổi phải là 0V và khi bình chứa đầy chất lỏng (chất lỏng mức độ = 100%) thì điện áp đầu ra sau chuyển đổi là 10 V. Ngoài ra, bộ điều chỉnh hệ số khuếch đại và offset của bộ chuyển đổi áp suất / điện áp có thể được điều chỉnh để phù hợp với mô hình thông qua một bộ điều khiển riêng biệt. 1. Chuẩn bị dụng cụ, vật tư, thiết bị Thiết bị, vật tư cho một nhóm thực tập (4 sinh viên) TT Tên thiết bị Số lượng Đv tính Ghi chú 1 Nguồn Power Supply SO4203-2A 01 Cái 2 Nguồn Extended Supply SO4203-2D 01 Cái 3 Giao diện Interface SO4203-2A 01 Cái 4 Panel gài card mở rộng Expenrienter SO4203-2D 02 Cái 5 Mô hình đo lưu lượng và mức SO3620 – 1H 01 Cái 6 Bộ máy tính và phần mềm 01 Bộ TT Tên dụng cụ 1 Bộ dây cắm nối 01 Bộ 2 Đồng hồ vạn năng 01 Cái Trước khi vào thực tập yêu cầu kiểm tra thiết bị, dụng cụ, vật tư: - Kiểm tra tình trạng thiết bị: Đồng hồ vạn năng, Board nguồn làm việc bình thường. - Kiểm tra dụng cụ: Đầy đủ, đúng yêu cầu kỹ thuật. - Kiểm tra vật tư: Vật tư đủ, đúng chủng loại yêu cầu. - Kiểm tra vị trí thực tập: Đảm bảo các thiết bị, dụng cụ đặt gọn gàng, đúng vị trí, dễ thao tác, an toàn, vệ sinh công nghiệp. 2. Trình tực thực hiện Lựa chọn bài thực hành Từ thanh công cụ tool chọn Lựa chọn bài học (Select courses) ta chọn bài học Công nghệ điều khiển (Control Techniques): Hình 7. 7. Chọn bài học công nghệ điều khiển 201 Lựa chọn bài thực hành đo và điều khiển mức dung dịch như hình: Hình 7. 8. Chọn bài thực hành đo mức dung dịch Trong bài kỹ thuật đo lường 2, click chọn bài “phép đo độc dịch chuyển, góc và tốc độ”. Bài thực hành 7.1: Hiệu chỉnh cảm biến mức Bước 1: Kết nối mạch 202 Hình 7. 9. Sơ đồ kết nối mạch đo hiệu chỉnh cảm biến Bước 2: Thiết lập thông số cho thiết bị đo - Thiết lập thông số cho Vôn kế A: Cài đặt Voltmeter A Dải đo 20 V DC Chế độ hoạt động AV - Thiết lập thông số cho bộ nguồn DC Cài đặt nguồn DC Dải đo 10 V Điện áp ra 5 V Bước 3: Đặt chuyển mạch trên mô hình ở chế độ “vòng hở” – Open loop. Bước 4: Hiệu chỉnh cảm biến mức - Mở hết van V1. - Làm cạn bình chứa bằng cách mở van xả V2, sau khi xả hết chất lỏng thì đóng van 2 lại. 203 - Thiết lập offset cho bộ chuyển đổi Áp suất/điện áp bằng cách điều chỉnh nút vặn cho đến khi điện áp đầu ra đo được trên Vôn kế A là 0V. - Bật nguồn DC và bật máy bơm sử dụng nút chuyển mạch “POWER” và giữ máy bơm cho đến khi bình chứa đầy 100%. Tiếp tục điều chỉnh hệ số khuếch đại để điện áp đo được trên vôn kế A là 10V. - Mở xả để bình cạn một lần nữa và kiểm tra xem cảm biến báo mức có cho ra điện áp là 0V hay không. Nếu có sự thay đổi, ta tiếp tục lặp lại các thao tác trên cho đến khi hiệu chỉnh thành công cảm biến báo mức. Bài thực hành 7.2: Khảo sát đặc tính của cảm biến báo mức Bước 1: Kết nối sơ đồ thực hành theo sơ đồ: Hình 7. 10. Sơ đồ kết nối mạch đo khảo sát đặc tính cảm biến Bước 2: Thiết lập thông số cho thiết bị đo - Thiết lập thông số cho Vôn kế A: Cài đặt Voltmeter A Dải đo 20 V DC Chế độ hoạt động AV - Thiết lập thông số cho bộ nguồn DC 204 Cài đặt nguồn DC Dải đo 10 V Điện áp ra 5 V Bước 3: Đặt chuyển mạch trên mô hình ở chế độ “vòng hở” – Open loop. Bước 4: Thiết lập mức chất lỏng và ghi nhận đáp ứng - Mở hết cỡ van 2 cho bình chứa cạn, đóng hết van 2 lại. Đọc giá trị điện áp tương ứng trên vôn kế A và ghi lại kết quả vào phiếu luyện tập 7.1 tương ứng với dòng h% =0%. - Bật công tắc nguồn DC và khởi động máy bơm bằng chuyển mạch, chờ cho đến khi mực chất lỏng trong bình chứa đạt 10%. - Ghi kết quả đọc được trên vôn kế A vào phiếu luyện tập 7.1 tương ứng giá trị h%=10%. Tiếp tục tăng mực chất lỏng từng 10% và thực hiện công việc như trên cho đến khi bình chứa đầy. Bài thực hành 7.3: Điều khiển mức 2 vị trí không trễ Trong phần thực hành sau mức dung dịch được điều chỉnh sử dụng một bộ điều khiển hai vị trí mà không có trễ. Mức dung dịch được thiết lập là một mức không đổi là 50%. Việc ghi chép các biến kiểm soát và thao tác được thực hiện bằng cách sử dụng máy vẽ đáp ứng bước. Thí nghiệm được tiến hành trong hai dòng chảy khác nhau. Bước 1: Kết nối sơ đồ: Sơ đồ kết nối như sau: 205 Hình 7. 11. Sơ đồ kết nối mạch đo điều khiển mức 2 vị trí Bước 2: Cấu hình cho bộ điều khiển Bộ điều khiển được cấu hình là bộ điều khiển 2 vị trí và vặn núm điều chỉnh cho đến hết về bên trái để điều khiển hoạt động không trễ. Bước 3: Mở hoàn toàn van 1. Đóng van 2 hoàn toàn sau đó vặn để nó mở ra khoảng 3 vòng, chờ cho đến khi bình chứa cạn. Bước 4: Chuyển mạch chế độ để ở vòng hở “Open loop”. Bước 5: Kích hoạt các máy vẽ đáp ứng bước và cấu hình của thiết bị được quy định trong bảng sau. Hình 7. 12. Vị trí của máy vẽ đáp ứng bước 206 Tỉ lệ các trục Trục X Nhỏ nhất: 0 Lớn nhất: 40 Độ chia (Division): 1 Đánh dấu (Ticks): 1 Trục Y Nhỏ nhất: 0 Lớn nhất: 100 Độ chia (Division): 10 Đánh dấu (Ticks):: 1 Settings for inputs Channel (Kênh) A Meas. range: (Dải đo) 10 V Coupling: DC Range (Dải): 100 Offset: 0 Channel (Kênh) B Meas. range: (Dải đo) 10 V Coupling: DC Range(Dải): 100 Offset: 0 Settings for options Step change from (Bước thay đổi) 0 to 50% Delay time/ms: (thời gian trễ) 0 Number of measurements: (Số lượng phép đo) 300 Bước 6: Xác định đặc tính của biến điều khiển và biến thao tác, vẽ lại đặc tính thu được vào phiếu luyện tập 7.2. Bài thực hành 7.4: Điều khiển mức 2 vị trí có trễ Bước 1: Kết nối sơ đồ: Sơ đồ kết nối như sau: 207 Hình 7. 13. Sơ đồ kết nối mạch đo điều khiển mức có trễ Bước 2: Cấu hình bộ điều khiển 2 vị trí và khởi tạo ban đầu trễ mức 0,5V. Bước 3: Mở hoàn toàn van V1. Đóng hoàn toàn van V2 lúc đầu và sau đó thì mở van V2 3 vòng. Để cho ống dẫn bình chứa cạn hoàn toàn. Bước 4: Để chuyển mạch ở chế độ “Open loop” – vòng hở. Bước 5: Kích hoạt chế độ ghi từng bước _ Step respone_ và thiết lập nó như bảng dưới đây: Scaling of axes X-axis Minimum: 0 Maximum: 100 Division: 10 Line marking: 1 Y-axis Minimum: 0 Maximum: 100 Division: 10 Line marking: 1 Settings for inputs Channel A Meas. range: 10 V Coupling: DC Range: 100 Offset: 0 Channel B Meas. range: 10 V Coupling: DC Range: 100 Offset: 0 208 Optional settings Step change from 0 to 50% Delay time/ms: 0 Number of measurements: 300 Bước 6: Ghi lại đặc tính kênh A và kênh B vào phiếu luyện tập 7.3. Bài thực hành 7.5: Điều khiển mức tự động sử dụng luật PI Bước 1: Kết nối sơ đồ Sơ đồ kết nối như sau: Hình 7. 14. Sơ đồ kết nối mạch đo điều khiển luật PI Bước 2: Mở van 1 hoàn toàn. Trước tiên đóng van 2 hoàn toàn sau đó vặn mở ra 3 vòng, chờ cho đến khi bình chứa cạn hoàn toàn. Bước 3: Thiết lập chuyển mạch chế độ lặp ở Vòng hở_ Open loop. Bước 4: Kích hoạt máy vẽ đáp ứng bước và cấu hình thiết bị như bảng dưới đây: Scaling of axes X-axis Minimum: 0 Maximum: 60 Division: 10 Line markings: 1 Y-axis Minimum: 0 Maximum: Division: 10 Line markings: 209 100 1 Input settings Channel A Meas. range: 10 V Coupling: DC Range: 100 Offset: 0 Channel B Meas. range: 10 V Coupling: DC Range: 100 Offset: 0 Optional settings Step change from 0 to 50% Delay time/ms: 0 Number of measurements: 300 Bước 5: Cấu hình bộ điều khiển là theo luật P, thiết lập hệ số KP là 10. Xác định đường cong của biến điều khiển trên kênh A và biến thao tác trên kênh B. Bước 6: Giảm từng bước KP cho đến khi biến thao tác tăng chở lại giá trị cực đại của nó hoặc không chậm hơn 5 giây sau khi bước điểm đặt được chuyển tiếp. Bước 7: Vẽ lại đường đáp ứng vào phiếu luyện tập 7.4. Bước 8: Kích hoạt điều khiển luật I, thiết lập hệ số thời gian tích phân TN =1s, thực hiện lặp lại thí nghiệm như trên, tăng hệ số thời gian tích phân đến khi biến điều khiển đạt giá trị ổn định và không vượt qua ngưỡng. Vẽ lại đường đặc tính vào phiếu luyện tập 7.5. Bước 9: Lặp lại phần thí nghiệm với việc thiết lập bộ điều khiển dòng nhưng biến dòng đầu ra được thay đổi bởi van đầu ra V2 cho đến khi đạt được trạng thái xác lập. Vẽ lại đường đặc tính vào phiếu luyện tập 7.6. 4. Luyện tập a) Sinh viên luyện tập thực hành theo phiếu luyện tập PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.1 Tên kỹ năng: Khảo sát đặc tính cảm biến báo mức Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. 210 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.2 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển và biến thao tác Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. 211 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.3 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển và biến thao tác (điều khiểm mức 2 vị trí có trễ) Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.4 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển và biến thao tác (khảo sát luật điều khiển P) Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. 212 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.5 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển và biến thao tác (khảo sát luật điều khiển I) Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.6 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển và biến thao tác (khảo sát luật điều khiển PI) Họ và tên sinh viên:..........................................MSSV:..................................................... Nhóm: ................................Lớp: ......................Ngày:....................................................... Giáo viên hướng dẫn:........................................Ca thực tập:............................................. b) Kiểm tra đánh giá Kiểm tra đánh giá kết quả thực hành theo tiểu kỹ năng được tiến hành theo phiếu đánh giá. 213 PHIẾU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HÀNH Tên bài: Khảo sát một số cảm biến Họ và tên sinh viên:.............. MSSV:............................................................ NhómLớp..................... Ngày..........tháng........năm...................... Giáo viên hướng dẫn...................................Ca thực tập.................................................... TT Tiêu chí đánh giá Điểm chuẩn Yêu cầu Điểm đánh giá Ghi chú 1 Chọn thiết bị, dụng cụ - Chủng loại - Phù hợp yêu cầu 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 2 Lắp đặt thiết bị - Gá lắp thiết bị - Cắm dây nguồn 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 3 Lắp ráp sơ đồ mạch đo - Đúng Sơ đồ nguyên lý - Gọn gàng khoa học 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 4 Chọn và thiết lập thông số thiết bị đo - Chọn thiết bị - Thiết lập thông số 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 5 Tiến hành thay đổi thông số đầu vào - Đúng trình tự - Đúng nguyên tắc 20 10 10 Mỗi lỗi trừ 2 điểm 6 Đọc kết quả đo - Đọc đúng kết quả 10 10 Mỗi lỗi trừ 1 điểm 7 Tính toán kết quả đo - Áp dụng các công thức - Tính toán kết quả 10 5 5 Sai số quá 3% trừ 1 điểm 8 Thành lập bảng và vẽ biểu đồ - Bảng kết quả - Biểu đồ 10 5 5 Mỗi lỗi trừ 5 điểm 9 Thời gian thực hiện 20 phút 10 Chậm mỗi phút trừ 1 điểm Tổng cộng 100 Chú ý: Mỗi tiêu chí bị quá thời gian sẽ bị trừ một nửa số điểm, thời gian thực hiện bài kiểm tra lớn hơn tổng thời gian quy định sẽ không được tính điểm Giáo viên ký tên 214 7.2. Đo lưu lượng 7.2.1. Khái niệm chung Chất lưu là loại vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại ở điều kiện nhiệt độ, áp suất nhất định. Dưới tác dụng của ngoại lực hoặc khi có chênh lệch áp suất chất lưu có thể chuyển động. Lưu lượng, vận tốc chất lưu là thông số quan trọng của quá trình công nghệ, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng các sản phẩm. Để nâng cao chất lượng sản phẩm, hiệu quả điều khiển hệ thống tự động cần phải đo chính xác các thông số này. Nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tế đó các cảm biến đo lưu lượng được chế tạo với nhiều hình dạng và phương pháp đo khác nhau. Lưu lượng vật chất là số lượng chất đó chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng tức thời được tính là dv Q dt  (7. 4) Lưu lượng khối tức thời là dm G dt  (7. 5) với v- thể tích; m- khối lượng Lưu lượng trung bình được tính 2 1( )tbQ v t t  (7. 6) từ các biểu thức (2.153) và (2.154) ta có 2 1 t t v Qdt  (7. 7) và 2 1 t t m Gdt  (7. 8) t1- thời điểm đầu; t2- thời điểm cuối. Lưu lượng tính theo thể tích đơn vị là m3/s hoặc m3/h. Lưu lượng tính theo khối lượng đơn vị là Kg/s hoặc tấn/h 7.2.2. Đo lưu lượng bằng phương pháp đếm xung 1. Cấu tạo Cảm biến đo lưu lượng bằng phương pháp đếm xung được minh hoạ như hình 2.116. Gồm có một tuabin cánh quạt (1) quay trên giá đỡ (2) và được gắn với tấm đỡ (3) đặt trong ống dẫn. Trục của tuabin được làm bằng vật liệu không dẫn từ, trên có gắn một lõi thép (4). Bên ngoài ống là một nam châm vĩnh cửu (5) trên có quấn cuộn dây cảm ứng (6). 2. Nguyên lý hoạt động Khi tuabin quay, từ thông của nam châm sẽ tăng lên khi lõi thép nằm dọc 215 trục của nam châm và giảm đi khi lõi thép nằm vuông góc với nó. Làm từ thông móc vòng qua cuộn dây biến thiên, kết quả là trên hai đầu cuộn dây xuất hiện một sức điện động cảm ứng có tần số tỷ lệ với hai lần tốc độ của tuabin (do mỗi vòng của tuabin thì lõi thép thay đổi vị trí tương đối so với trục dọc của nam châm 2 lần làm từ thông móc vòng thăng giáng 2 lần). Tần số của sức điện động sẽ được đưa ra mạch ngoài để đo theo các phương pháp khác nhau (dùng tần số kế chỉ thị số hoặc biến đổi f-V và đo điện áp) từ tần số ta suy ra tốc độ của dòng chảy. Hình 7. 15. Cảm biến lưu lượng bằng phương pháp đếm xung 2 f v  (7. 9) Từ đó ta có lưu lượng . . 2 f S Q v S  (7. 10) Trong đó v- vận tốc dòng chảy; S- tiết diện trong của ống 3. Đặc điểm Với phương pháp này có thể đo lưu lượng từ 0,5 -150000 lít/phút với chất lỏng và 5- 100000 lít/phút với chất khí, cấp chính xác 0,3 đến 1%. Ngoài ra người ta có thể dùng cảm biến Hall, cảm biến tiệm cận để thay cho cuộn dây ở ngoại ống dẫn cũng cho kết quả đo tương tự. 7.3. Đo các đại lượng khác 7.3.1. Đo độ ẩm 1. Khái niệm chung Độ ẩm là một thông số quan trọng tác động trực tiếp đến con người, thiết bị máy móc và các quá trình lý hoá. Người ta nghiên cứu thấy rằng độ ẩm cần thiết để con người cảm thấy dễ chịu nằm trong dải từ 30% - 70%, nếu độ ẩm xuống dưới ngưỡng 30% hoặc tăng trên ngưỡng 70% sẽ làm bộ máy tiêu hoá bị kích thích và sự ra mồ hôi bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Trong công nghiệp, các thiết bị, máy móc, độ ẩm có ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động và tuổi thọ của chúng đặc biệt là thiết bị điện - điện tử. Do đó việc đo xác định độ ẩm nhằm điều khiển khống chế độ ẩm trong giới hạn cho phép là nhiệm vụ hết sức quan trọng trong các quá trình công nghệ, trong điều N S 1 2 3 4 5 6 Ef Dòng chảy 216 khiển, thiết kế chế tạo các thiết bị cũng như trong đời sống. 2. Một số loại ẩm kế Trên thực tế các ẩm kế thường được phân thành hai loại chính + Loại thứ nhất dựa trên nguyên lý vật lý cho phép xác định trực tiếp độ ẩm, ví dụ ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế điện ly... + Loại thứ 2 có nguyên lý dựa trên việc đo tính chất điện của vật có liên quan đến độ ẩm, ví dụ như ẩm kế biến thiên trở kháng (ẩm kế điện trở, ẩm kế điện dung...) 1. Ẩm kế điện trở Là các thiết bị đo độ ẩm dựa trên cảm biến điện trở, chúng được chia thành hai loại: Điện trở kim loại: Là một đế cách điện có kích thước khoảng vài mm2 được phủ một lớp hút ẩm và gắn hai điện cực bằng kim loại có khả năng chống ăn mòn và oxy hoá. Giá trị của điện trở đo được giữa hai bản cực phụ thuộc vào hàm lượng nước và nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ. Chất điện phân: Là những chất dẫn điện, điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích trong đó thể tích bị thay đổi theo hàm lượng nước, do đó có thể biến đổi độ ẩm tương đối thành tín hiệu điện. Trong thực tế điện trở của cảm biến phụ thuộc cả vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ. Để loại bỏ ảnh hưởng này ta dùng một điện trở có hệ số nhiệt giống như cảm biến để thực hiện bù nhiệt. Đặc điểm của cảm biến điện trở có thể đo độ ẩm từ 5 ữ 95% trong dải nhiệt độ từ -100C ữ 600C, thời gian đáp ứng 10s, sai số 2 - 2,5%. Hình 7. 16. a. Cấu tạo của cảm biến độ ẩm kiểu điện trở b. Một số dạng cảm biến độ ẩm kiểu điện trở 2. Ẩm kế tụ điện Cấu tạo của ẩm kế tụ điện là một tụ điện mà giữa hai bản cực là không khí có thể coi như cảm biến độ ẩm đo hơi ẩm trong không khí làm thay đổi hằng số điện môi và được biểu diễn theo biểu thức: a. b. 1. đế cách điện; 2. vật liệu nhạy ẩm 3. mối hàn; 4 điện cực 217 6482111 .10bh P P U T T          (7. 11) Trong đó T- nhiệt độ tuyệt đối (0K); P- áp suất của khí ẩm (mmHg) Pbh - áp suất hơi bão hoà ở nhiệt độ T (mmHg); U là độ ẩm tương đối. Mặt khác ta lại có điện dung C của tụ tỷ lệ thuận với  nên C tỷ lệ với độ ẩm tương đối. Nếu ta thay không khí bằng một chất điện môi khác và đặt vào giữa hai bản cực thì tạo ra một cảm biến độ ẩm. Ẩm kế tụ điện Polyme Cấu tạo của cảm biến là một tụ Polyme gồm một màng Polyme có độ dày 6 12 m có khả năng hấp thụ hơi nước. Lớp Polyme được phủ lên trên bản cực làm bằng Tantan sau đó phủ tiếp lên trên lớp Polyme một lớp Crom dày 100 o A  10000 o A làm điện cực thứ hai. Đặc điểm của cảm biến là thời gian hồi đáp vài giây và phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi, dải đo từ 0%  100%, dải nhiệt độ làm việc từ - 400C ữ 1000C. Ẩm kế tụ điện ôxit nhôm Cảm biến được cấu tạo bởi tụ điện trong đó Al2O3 là chất điện môi được chế tạo bằng phương pháp Anode hoá bản thân tấm nhôm làm điện cực thứ nhất của tụ. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo thành trên mặt kia của lớp điện môi. Chiều dày của lớp Al2O3 nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 m . Sự thay đổi trở kháng của tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Hình 7. 17. Ẩm kế kiểu tụ điện Polyme và mộ số hình dạng trên thực tế Quá trình Anôt hoá được thực hiện bằng phương pháp điện phân dung dịch H2SO4 với tấm nhôm làm điện cực dương. Điện cực thứ 2 có thể dùng Đồng, Vàng - Platin, Niken - Crôm - Nhôm. Đặc điểm của cảm biến có thể đo nhiệt độ hoá sương Ts trong phạm vi thay đổi từ -800 C đến +700C với dải áp suất từ 0 ữ 100 Pa, thời gian hồi Đế Polyme Cr-Ni-Au tantan Điện cực xốp HCH-1000-002 HCH-1000-001 218 đáp cỡ vài giây. Nhược điểm của cảm biến là không sử dụng được trong môi trường ăn mòn như NaCl, lưu huỳnh... Hình 7. 18. Ẩm kế tụ điện Al2O3 7.3.2. Đo độ pH Độ pH thể hiện tính axít của dung dịch và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, công nghiệp hoá học, hoá dầu, thực phẩm, dược, y sinh.... Để đo độ pH ta thường dùng điện cực thuỷ tinh do thuỷ tinh là chất dẫn điện yếu, điện thế trên mặt phân cách giữa dung dịch và thuỷ tinh phụ thuộc vào độ pH theo biểu thức 0 ln H RT E E a F   (7. 12) E0 - Điện thế chuẩn; H a  là hoạt độ theo ion H + của dung dịch cần nghiên cứu. Cấu tạo của cảm biến điện cực thuỷ tinh được minh hoạ như hình 7.19. Trong đó gồm một bầu thuỷ tinh mỏng dạng hình cầu làm bằng loại thuỷ tinh có thành phần đặc biệt. Bên trong chứa dung dịch có độ pH xác định (pH =7) và đặt một phần tử so sánh nội (AgCl). Khi đo độ pH của dung dịch, điện cực được đặt vào dung dịch và đo hiệu điện Si Al2O3 SiO2 lớp xốp Al Au Đầu ra Hình 7. 19. Cảm biến đo độ pH cáp đồng trục phích cắm đồng trục vỏ bọc đầu cách điện thân vỏ bọc phần tử so sánh nội chất lỏng điền đầy (pH=7) phần nhạy cảm 219 thế suất hiện giữa phần tử so sánh nội của nó với điện cực so sánh ngoài cùng nằm trong dung dịch với một vôn mét có điện trở vào lớn 1210  ta được 0 2,3RT E E pH F   (7. 13) E0 - điện thế chuẩn của điện cực thuỷ tinh 7.3.3. Đo nồng độ khí Ngày nay, việc đo nồng độ của thành phần trong hỗn hợp khí chiếm vai trò rất quan trọng trong công nghiệp và để giảm ô nhiễm môi trường. Do vậy các cảm biến đo thành phần khí phát triển rất mạnh. Chúng được nghiên cứu, chế tạo để phát hiện và đo các phân tử khí được tiêu thụ hoặc sản sinh trong quá trình oxy hoá nhiên liệu như O2, CO2, H2 O, CO, SO2.... Trong số các cảm biến đo thành phần khí, cảm biến đo nồng độ oxy chiếm vị trí đặc biệt, đó là các cảm biến sử dụng chất điện phân rắn. Loại cảm biến này phân tích nhanh và chính xác các thành phần oxy do đó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hoá chất, luyện kim, chế biến thực phẩm và sinh hoá. Ngoài các sản phẩm phân tích các quá trình oxy hoá, các cảm biến trên còn có khả năng phân tích các loại khí khác như Cl2, HCl, H2S, H2... Các cảm biến đo thành phần khí có thể chia thành các loại: Cảm biến điện hoá dùng chất điện phân rắn làm cảm biến điện, xúc tác, cảm quang... + Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Hình 7. 20. Sơ đồ cấu trúc cảm biến thành phần khí dùng chất điện phân rắn Trên hình 7.20 minh hoạ cấu tạo của cảm biến điện hoá dùng chất điện phân rắn. Trong đó chất điện phân rắn được làm bằng vật liệu không thẩm thấu chất khí dẫn điện bằng ion và chứa các ion Xn-. Hai phía của chất điện phân rắn là hai điện cực dẫn điện bằng điện tử, trơ về mặt hoá học và có cùng bản chất. Chất khí phân tích dưới dạng nguyên chất hoặc hoà tan trong chất lỏng hoặc ở trạng thái cân bằng với hệ khí hoá học. Chất khí phân tích được dẫn đến hai phía của chất điện phân rắn với áp suất P và Pc. Ở mỗi điện cực xảy ra phản ứng dưới dạng: 2 1 2 nX ne X   (7. 14) X2 là chất khí phân tích; n- số điện tử trao đổi khi phản ứng với điện cực; Xn- - các ion chứa trong chất điện phân rắn. Chất điện phân rắn X2(Pc) X2(P) E 220 Trong điều kiện lý tưởng giữa hai điện cực xuất hiện một sức điện động E được biểu diễn dưới dạng. ln 2 c RT P E nF P  (7. 15) R- là hằng số khí được lấy bằng 8,317J/mol.K; F - là hằng số Faraday bằng 9,65.103C/gmol; n- là số điện tử; T- nhiệt độ K; P - Pc - là áp suất hai phía điện cực. Thay vào (2.178) ở trên ta được 40,9926.10 log C T P E n P  (7. 16) Từ (7.20) trên nếu biết nhiệt độ, áp suất riêng phần ở điện cực chẩn PC ta có thể đo được áp suất chất khí cần đo nồng độ P. Thông thường giá trị của E thường khoảng vài chục đến vài trăm mV. - Yêu cầu đối với chất điện phân rắn phải thoả mãn một số tiêu chí như: Tổng trở lớn, tính chất hoá lý, cơ học phải ổn định, trơ về mặt hoá học đối với chất khí và vật liệu khi tiếp xúc... - Điện cực so sánh cần đảm bảo duy trì được chế độ cân bằng nhiệt động trong quá trình sử dụng. Hệ so sánh cơ thể là chất khí (nguyên chất hoặc hoà tan trong khí trơ) hoặc một hỗn hợp các chất khí hoặc hỗn hợp các chất rắn. Ví dụ: O2/không khí, H2/H2O, CO/CO2 hoặc Cu/Cu2O, Ni/NiO, Pd/PdO, Ag/AgCl - Điện cực đo là vật dẫn điện tử, trơ về mặt hoá học với chất điện phân và chất khí phân tích, ngoài ra còn phải có tính chất xúc tác đối với các phản ứng điện cực để tăng độ nhạy và giảm thời gian hồi đáp của cảm biến. Các điện cực thường làm bằng Platin hoặc Bạc. 221 Phụ Lục 1. Hướng dẫn sử dụng “bảng tham chiếu” Các “bảng tham chiếu” được xây dựng dựa trên đặc tính chuẩn hóa của các cảm biến, trong bài này thực hiện việc đo nhiệt độ với 4 cảm biến trong đó có 3 cảm biến nhiệt điện trở và một cảm biến nhiệt điện, các bảng tham chiếu nhiệt điện trở có dạng tương tự nhau như sau: Hình pl.1. Bảng tham chiếu đặc tính cảm biến nhiệt NTC Tương ứng với cột giá trị điện trở màu cam là cột giá trị nhiệt độ màu xanh bên trái, do vậy với bảng tham chiếu này nếu ta đã đo được giá trị điện trở của cảm biến, nếu giá trị đó tồn tại trong bảng ta có thể đọc ngay được giá trị nhiệt đo đo là bao nhiêu. Trong trường hợp giá trị điện trở không tồn tại trong bảng ta phải dùng phương pháp nội suy tuyến tính để tính giá trị đó, cách tính nội suy sẽ giới thiệu ở phần sau. Với cảm biến cặp nhiệt điện ta có bảng tham chiếu như sau: 222 Hình pl.2. Bảng tham chiếu đặc tính cảm biến cặp nhiệt điện loại J Trong bảng tham chiếu cảm biến cặp nhiệt điện, tương ứng với mỗi giá trị điện áp ở cột màu cam là giá trị nhiệt độ ở cột màu xanh bên trái. Cũng tương tự như bảng tham chiếu của các cảm biến nhiệt điện trở, khi giá trị điện áp của cảm biến không có trong bảng ta phải áp dụng phép tính nội suy để tìm giá trị đó. 2. Hướng dẫn tính nội suy tuyến tính Giả sử trong bảng tham chiếu ta có 2 cặp giá trị liền kề điện trở - nhiệt độ (hoặc điện áp – nhiệt độ với cảm biến cặp nhiệt điện) là R1 – T1 và R2 – T2, bây giờ ta cần tìm giá trị nhiệt độ tương ứng với giá trị điện trở Rx với R1<Rx<R2. Áp dụng biểu thức nội suy tuyến tính như sau:  2 11 1 2 1 x x T T T T R R R R      Trong phần mềm Labsoft đã hỗ trợ công cụ tính toán tự động phép nội suy tuyến tính trên như dưới đây: Hình pl.3. Hỗ trợ nội suy tuyến tính Tiến hành nhập các giá trị vào ô tương ứng và Enter ta sẽ thu được giá trị nhiệt độ cần tìm. 223 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Ngọc Tuấn – Trần Quý Bình, Giáo trình Đo lường cảm biến, NXB Lao động Xã hội, 2012. [2]. Lê Văn Doanh, Các bộ cảm biến trong đo lường và điều khiển, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 2001. [3]. Nguyễn Văn Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 2005. [4]. Nguyễn Văn Hoà và các tác giả khác, Giáo trình Đo lường điện và cảm biến đo lường, Nhà xuất bản Giáo dục, 2005.