Giáo trình mô đun Kỹ thuật cảm biến (Trình độ: Cao đẳng)

n xạ gương (ngõ ra thường mở) - Loại PNP, thường hở 49 Hình 4.27: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (PNP) - Loại NPN, thường hở Hình 4.28: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (NPN) - Loại NPN, có dây điều khiển chế độ hoạt động Hình 4.29: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (NPN), có dây điều khiển chế độ hoạt động 4.4 Ứng dụng - Phát hiện chuyển động lên xuống: Trong trường hợp bình thường, có thể sử dụng cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ để phát hiện. Tuy nhiên, để an toàn hơn cho sensor, sử dụng cảm biến quang lại khuếch tán là tốt nhất. 50 Hình 4.40: Ứng dụng của cảm biến quang phản xạ khuếc tán - Đếm sản phẩm trên băng chuyền: Trong các ứng dụng đếm vật thông thường trong nhà máy, họ cảm biến E3JK-D của Omron giúp phát hiện vật một cách chính xác Hình 4.41: Ứng dụng của cảm biến quang phản xạ khuếc tán 4.5 Lắp mạch điện Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải dùng cảm biến quang theo yêu cầu sau: - Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động + Cảm biến 1 phát hiện vật kim loại: băng tải hoạt động + Cảm biến 2 phát hiện hộp: băng tải dừng. - Nhấn STOP: hệ thống dừng Sơ đồ điều khiển: Hình 4.42: Sơ đồ mạch điện E3T-FD1 51 - Chú thích: + STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, RL3, K: rơ le trung gian + CB1, CB2: cảm biến quang khuếch tán loại PNP CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày cấu trúc, nguyên lý và các chế độ hoạt động của các loại cảm biến quang. 2. Vẽ sơ đồ kết nối các chân của cảm biến quang thu phát độc lập, cảm biến quang phản xạ gương, cảm biến quang khuếch tán. 52 BÀI 5 CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VÀ GÓC QUAY Giới thiệu Trong công nghiệp, việc đo vận tốc trong phần lớn các trường hợp thường là đo tốc độ quay của máy. Ở đây muốn nói đến việc theo dõi tốc độ vì nguyên nhân an toàn hoặc để khống chế các điều kiện đặt trước cho hoạt động của máy móc, thiết bị. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng được chuyển sang đo vận tốc quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ưu thế trong lĩnh vực đo tốc độ. Mục tiêu - Trình bày được các phương pháp đo vòng quay và góc quay. - Trình bày được nguyên lý hoạt động của cảm biến đo vận tốc và góc quay bằng phương pháp Analog và quang điện tử. - Lắp đặt được mạch điện sử dụng cảm biến đo vận tốc và góc quay dùng Encoder. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn vệ vệ sinh công nghiệp Nội dung 1. Các phương pháp đo vận tốc vòng quay 1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ (analog) Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. cảm biến gồm có 2 phần: phần cảm( nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tương đối giữ phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong đó xuất hiện sđđ cảm ứng xác định theo công thức: e = - d/dt Thông thường từ thông qua phần ứng có dạng: (x) = 0F(x). x: biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc quay hoặc theo đường thẳng, khi đó sức điện động e xuất hiện trong phần ứng có dạng : e = - dF(x)/d(x).d(x)/d(t) = - dF(x)/d(t). sức điện động này tỷ lệ với vận tốc cần đo. 1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung (Digital) Làm việc theo nguyên tắc tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn, VD: 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 xen kẻ các phần không trong suốt cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỷ lệ với vận tốc quay 2. Cảm biến đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog 2.1. Tốc độ kế một chiều (Máy phát tốc DC) Dùng máy phát tốc DC xác định tốc độ và hướng của chuyển động, không xác định được vị trí. Điện áp ngõ ra thay đổi theo tốc độ.  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 53 Hình 5.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế 1 chiều. - Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. - Roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài có sẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các đây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ - Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với 2 lá đồng đối diện nhau. - Khi Roto quay, xuất hiện suất điện động trong dây dẫn: 00 2  nNNE   Trong đó:  - Tốc độ góc của trục quay N - Tổng số dây chính trên roto 0 - Từ thông xuất phát từ cực nam châm (nam châm, cuộn kích từ làm ảnh hưởng giá trị từ thông, trong máy phát tốc giữ không đổi). n - Số vòng quay trong 1 giây. Đo suất điện động, ta sẽ tính được tốc độ quay. - Ưu điểm: Tín hiệu đầu ra đổi dấu khi đổi chiều quay.  Giới thiệu máy phát tốc DC trong thực tế Hình 5.2: Một số máy phát tốc DC trong thực tế 2.2. Tốc độ kế xoay chiều (Máy phát tốc AC) Máy phát tốc độ dòng xoay chiều không có hệ cổ góp – chổi than, nên không bị sụt áp trên hệ này và bền hơn, tuổn thọ cao hơn. Vì điện áp phát ra là xoay chiều nên việc xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc. Máy phát tốc độ dòng xoay chiều có 2 loại: đồng bộ và không đồng bộ. Chủ yếu dùng là máy phát đồng bộ vì chế tạo đơn giản, điện áp ra ổn định 54 2.2.1. Máy phát tốc độ đồng bộ Đây chính là máy phát xoay chiều nhỏ. Roto của máy phát đồng bộ được gắn với trục cần đo tốc độ quay. Roto này là một nam châm hoặc một tập hợp của nhiều nam châm nhỏ. Stato được cuốn dây làm phần cảm ứng, có thể là một pha hoặc nhiều pha, là nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độc quay của roto Hình 5.3: Cấu tạo máy phát tốc độ đồng bộ 2.2.2. Máy phát tốc tốc độ không đồng bộ: Máy có kết cấu như đông cơ không đồng bộ 2 pha: Hình 5.4: Cấu tạo máy phát tốc độ không đồng bộ - Rotor là một trụ kim loại được nối với trục cần đo có tốc độ  - Stator được ghép từ các lá thép từ tính, có 2 cuộn dây lệnh nhau 900, cuộn dây kích thích và cuộn dây đo. + Cuộn kích thích được cung cấp điện áp có tầ số kt rất ổn định. ukt = Uktcosktt + Cuộn đo sẽ sinh sức điện động cảm ứng mà biên độ tỷ lệ với tốc độ góc cần đo  . eđo = Eđocos(ktt +) = k Uktcos ( ktt +) : Góc lệch pha. k: Hệ số phụ thuộc kết cấu máy. 3. Cảm biến đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử 3.1 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa Trước tiên hãy hãy tìm hiểu thế nào là đĩa mã hóa. Đĩa mã hóa (Encoder) là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật.  Cấu tạo: Nguồn sáng phát ra ánh sáng (thông thường là LED). Đĩa quay đặt giữa nguồn sáng và bộ thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng, số lỗ này sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị. Bộ thu thường là photodiode hoặc phototransistor. Đĩa quay được gắn trên một cái trục, và trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ. 55  Nguyên lý hoạt động: Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ thẳng hàng. Kết quả khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một lượng ánh sáng biến điện và phát tín hiệu (1 chuỗi xung) có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay. Bằng cách đếm số xung, ta sẽ xác định được tốc độ quay của vật cần đo. Hình 5.5: Nguyên lý hoạt động của đĩa mã hóa Khuyết điểm: Cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay. 3.2 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tương đối  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Trên đĩa mã hóa tương đối (Increment Encoder) có các lỗ khoét theo 2 vòng tròn: Vòng tròn A và vòng tròn B. Các lỗ trên khe A và khe B được khoan lệch vị trí với nhau. Trạng thái pha nhanh hay chậm của 2 pha A và B giúp ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm tiến hoặc đếm lùi. Hình 5.6: Cấu tạo đĩa mã hóa tương đối Hình 10.7: Ý nghĩa rãnh A và rãnh B trên đĩa mã hóa tương đối 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: NT0N N =)(vòng/giâyn Ngoài ra trên đĩa người ta còn có thể khoan thêm 1 lỗ (khe Z) để xác định đĩa quay đã quay hết 1 vòng. 56 Hình 5.8: Khe Z trên đĩa mã hóa tương đối Giới thiệu đĩa mã hóa tương đối trong thực tế: Hình 5.9: Một số đĩa mã hóa tương đối trong thực tế Ứng dụng:  Dừng động cơ chính xác: Hình 5.10: Ứng dụng của đĩa mã hóa tương đối  Kiểm tra vị trí và góc quay của cách tay Robot: 57 Hình 5.11: Ứng dụng của đĩa mã hóa tương đối  Đo chiều dài của các lát vật liệu (sheet) Hình 5.12: Ứng dụng của đĩa mã hóa tương đối  Điều khiển vị trí của con trục chuyển động: Hình 5.13: Ứng dụng của đĩa mã hóa tương đối 3.3. Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tuyệt đối  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định vị trí vật một cách chính xác. Đĩa mã hóa tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm. Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nữa 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. 58 Hình 5.14: Cấu tạo đĩa mã hóa tuyệt đối Độ phân giải được xác định bằng số lượng các bit ở ngõ ra. Ngõ ra có thể mã hóa dưới dạng mã nhị phân hay mã gray. - Đặc điểm: + Mỗi vị trí xác định trên đĩa quay là duy nhất + Ngõ ra là một số lượng lớn các bit, có thể truyền song song hoặc nối tiếp + Thông tin về vị trí vẫn không thay đổi ngay cả khi tắt và bật nguồn encoder trở lại. - Giới thiệu đĩa mã hóa tuyệt đối trong thực tế: Hình 5.15: Đĩa mã hóa tuyệt đối trong thực tế Ứng dụng:  Điều khiển vị trí khoan của máy NC. 59 Hình 5.16: Ứng dụng đĩa mã hóa tuyệt đối  Định vị khoan của máy NC Hình 5.17: Ứng dụng đĩa mã hóa tuyệt đối 4. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 4.1 Các đại lượng liên quan - Từ trường : Là một dạng vật chất tồn tại xung quanh dòng, hay nói chính xác là xung quanh các hạt mang điện chuyển động, tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực lên dòng điện, lên nam châm. - Cảm ứng từ B : Về mặt gây ra lực từ, từ trường được đặc trưng bằng véctơ cảm ứng từ B. Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla). 1T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 - Từ thông : Từ thông gởi qua diện tích dS là đại lượng về giá trị bằng :  = B . dS Trong đó : B - là cảm ứng từ tại 1 điểm bất kì trên diện tích ấy. dS - là diện tích đang xét. Trong hệ thống đơn vị SI, đơn vị từ thông là Wb (Weber), nếu từ thông thay đổi trong một đơn vị thời gian 1 giây (s), điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây là 1 vôn (V) thì: 1Wb = 1Vs. 60 - Cường độ từ trường : Cường độ từ trường H được đặc trưng cho từ trường do riêng dòng điện sinh ra và không phụ thuộc vào tính chất môi trường trong đó đặt dòng điện. Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị của cường độ từ trường là A/m. 4.2 Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ là một linh kiện bán dẫn có hai cực điện, điện trở của nó gia tăng dưới tác động của từ trường, trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng của cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất, chiều của từ trường không ảnh hưởng gì đến hiệu ứng điện trở từ trong trường hợp này. Độ lớn của tín hiệu ra của cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay, khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu ra quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, vì vậy đòi hỏi các thiết bị điện tử phức tạp để có thể thu nhận được các tín hiệu trên một dải điện áp rộng. Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu ra được hình thành bởi sự đổi hướng của đường cảm ứng từ thay đổi theo vị trí bánh răng (Bending of magnetic field lines), tín hiệu ra của cảm biến vẫn được hình thành dù đối tượng không di chuyển rất chậm. Hình 5.18: Tín hiệu tạo ra bởi cảm ứng điện - Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb : + Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb : Vật liệu bán dẫn InSb liên kết III – V có độ linh động rất lớn. Trong vật liệu bán dẫn, dưới tác dụng của từ trường hướng dịch chuyển của các điện tích bị lệch đi một góc (tag = B). Do sự chênh lệch này đoạn đường dịch chuyển của electron dài hơn, kết quả là điện tử cảm biến gia tăng dưới tác dụng của từ trường, để hiệu ứng này có thể sử dụng trong thực tế, góc cần phải lớn hơn. Trong kim loại góc này rất bé, với germanium góc lệch khoảng 200, trong Indiumantimon do độ linh động của electron rất cao nên góc lệch = 800`, với B = 1T. 61 Hình 5.19: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb Để tạo con đường dịch chuyểncủa electron càng dài càng tốt dưới tác dụng của từ trường, như vậy ngõ ra sẽ có sự thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến được kết cấu như hình vẽ 5.19. Nhiều phiến InSb (bề rộng vài m ) được ghép nối tiếp nhau, giữa các phiến này là màng kim loại. Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim, người ta tạo ra những cây kim bằng Nickelantimon nằm bên trong InSb có chiều song song với hai cực điện, một ít NiSb cho vào trong InSb chảy lỏng và qua các công đoạn làm nguội, vô số cây kim NiSb được hình thành bên trong InSb. Các cây kim này có đường kính khoảng 1 m và dài 50 m , các cây kim này dẫn điện rất tốt và hầu như không có điện áp rơi trên nó. Mật độ điện tích phân bố không đều trong InSb do tác dụng của từ trường, sẽ được phân bố đều trên các cây kim, như thế ta có sự phân bố điện tích ở nơi khởi đầu vùng 1 giống như ở nơi khởi đầu vùng 2. Điện trở từ có thể coi như 1 hàm của cảm ứng từ theo cách tính gần đúng: RB  R0 (1  2.B2 ) Trong đó  là hằng số vật liệu có trị số khoảng 0,85. Điện trở cảm biến nằm trong khoảng 10 dến 500Ω, diện tích cắt ngang của bán dẫn càng nhỏ càng tốt, tuy nhiên chiều rộng không thể nhỏ hơn 80 m . - Cảm biến điện trở từ với vật liệu Permalloy: + Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu Permalloy: Hình 5.20: Hiệu ứng trên điện trở từ Permalloy 62 Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi là Permalloy (20% Fe ; 80% Ni). Khi không có sự hiện diện của từ trường, véc tơ từ hoá bên trong vật liệu nằm song song với dòng điện. Với từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng nhưng thẳng góc với dòng điện, véc tơ từ hoá sẽ quay đi 1 góc, kết quả là điện trở của Permalloy thay đổi theo R  R0  R0.cos2   0  R  Rmax   90  R  Rmin Trong đó : R0 và ∆R0 là các thông số phụ thuộc vào chất liệu Permalloy. ∆R0 = (2 →3)% .R Nguyên tắc này được ứng dụng để đo tốc độ quay và góc quay + Tuyến tính hóa đặc tính của cảm biến : Điện trở cảm biến điện trở từ không tuyến tính (hình 5.22), để 1 cảm biến tiện lợi trong sử dụng thì tốt nhất là đặc tuyến của nó tuyến tính Hiệu ứng điện trở từ có thể được tuyến tính hoá bằng cách đặt 1 màng mỏng nhôm gọi là barber poles Hình 5.21: Kết cấu cảm biến điện trở từ barber poles Hình 5.22 a) Đặc tuyến R – H của cảm biến điện trở từ loại tiêu chuẩn b) Đặc tuyến R – H của cảm biến điện trở từ loại có barber poles 5. Ứng dụng - Đo chiều dài của vải sản xuất ra: Encoder được gắn với một cái cốt, khi cốt quay thì encoder sẽ xuất ra xung tương ứng và ứng với số lượng xung nhận được ta dễ dàng biết được chiều dài của vật cần đo 63 Hình 5.23: Ứng dụng của encoder - Kiểm tra tốc độ các máy trộn, máy ly tâm Hình 5.24: Ứng dụng của encoder Sử dụng kết hợp encoder với một bộ K3MA-F. Encoder gắn với phần quay cơ khí, khi encoder quay sẽ xuất ra tín hiệu xung và được đưa về bộ K3MA-F hiển thị tốc độ quay của máy trộn, máy ly tâm. - Định vị cho máy cắt. Hình 5.25: Ứng dụng của encoder 64 Encoder cho phép định vị ở một bước cắt nhất định cho dao cắt vật một cách chính xác - Tính và hiển thị thời gian bánh ở trong lò nướng Hình 5.26: Ứng dụng của encoder Encoder được dùng để giám sát tốc độ của dây chuyền, từ đó sẽ tính được thời gian bánh ở trong lò. Kết hợp một bộ K3 của Omron để hiển thị thời gian bánh ở trong lò. 6. Lắp mạch đo vận độ và góc quay dùng Encoder 6.1. Thiết bị Hình 5.27: Module thí nghiệm thực hành cảm biến đo lường tốc độ Thông số kỹ thuật - Điện áp hoạt động: 24VDC - Động cơ: Một chiều công tốc độ max 1800v/p dùng cho thí nghiệm tính năng đo tốc độ, đếm xung - Bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều: Công suất 75W, thay đổi tốc độ bằng chiết áp xoay. - Chế độ hiển thị: cho phép hiển thị đồng thời vận tốc dài và vận tốc góc - Số cổng vào: 01 cổng cho cảm biến tốc độ kiểu phát tốc, 01 đầu cho cảm biến tốc độ kiểu encoder - Kiểu hiển thị: Led 7 thanh 65 - Đèn báo trạng thái quay thuận, quay ngịch - Các đầu ra: Đầu ra xung tốc độ, xung chiều quay, xung vị trí - Thông số kĩ thuật bộ cảm biến tốc độ kiểu Encoder + Số xung trên 1 vòng quay ngõ 1: 360 xung + Kiểu đầu ra: A, B, Z + Số xung trên 1 vòng quay ngõ 2: 18 xung + Kiểu đầu ra: A + Đầu ra điện áp: 01 đầu + Tần số đáp ứng tối đa: 100 kHz + Cấp bảo vệ: IP50 + Tốc độ quay tối đa: 6000 vòng/phút. - Thông số kĩ thuật bộ cảm biến tốc độ kiểu phát tốc + Đầu ra điện áp: 01 đầu + Tốc độ quay tối đa: 6000 vòng/phút. Các đầu vào ra L1, N: Nguồn cấp cho module Photo Sensor: + V+, GND: Nguồn cấp cho cảm biến. + A, B: Tín hiệu ra của cảm biến. Encoder: + V+, GND: Nguồn cấp cho encoder. + A, B: Tín hiệu ra của emcoder. Đồng hồ MP5W: + 12V, GND: Điện áp ra. + A, B: Tín hiệu vào đồng hồ. V.adj: điều chỉnh tốc độ động cơ. SW: Chọn chiều quay động cơ: + FOR: Quay thuận. + REV: Quay nghịch Nguyên lý hoạt động Cấp nguồn cho module, cài đặt cho đồng hồ MP5W với các thông số theo ý. Cấp ngồn cho Photo Sensor (hoặc Encodder) từ +12V. Điều chỉnh và quan sát kết quả hiển thị trên MP5W. Sử dụng núm điều chỉnh và công tắc để điều chỉnh tốc độ encoder hoặc chiều quay của encoder theo ý muốn. Giới thiệu đồng hồ đo tốc độ phản hồi encoder MP5W 66 Hình 5.28: Đồng hồ đo tốc độ phản hồi encoder MP5W Đồng hồ MP5W có 13 loại chế độ hoạt động: Vòng quay, tốc độ, tần số, tỷ lệ tuyệt đối, thời gian di chuyển, tỷ lệ lỗi, chu kỳ, tỷ trọng, tốc độ di chuyển, Lỗi, độ rộng thời gian, đo chiều dài, khoảng thời gian, quá độ, tính nhân (MP5M Series có 11 chế độ hoạt động). Nhiều chức năng ngõ ra: Ngõ ra Relay, ngõ ra NPN/PNP collector hở, ngõ ra nối tiếp tốc độ thấp, ngõ ra BCD, PV transmission, ngõ ra truyền thông RS485. Có nhiều chức năng: chức năng cài đặt tỷ lệ, kiểm tra dữ liệu, cài đặt độ trễ, kiểm tra giá trị Max/Min, chức năng trì hoãn, chức năng cài đặt thời gian tự trở về Zero, chức năng cài đặt khóa, trì hoãn chu kỳ hiển thị. Dải hiển thị Max: -19999~99999 Nhiều đơn vị hiển thị: rpm, rps, Hz, kHz, sec, min, m, mm, mm/s, m/s, m/min, m/h, l/s, l/min, l/h, %, counts Có thể lựa chọn ngõ vào điện áp (PNP) hoặc không có điện áp (NPN). Chức năng đáp ứng tốc độ cao 50 kHz. Đặc tính kỹ thuật - Hiển thị bằng Led 7 thanh - Dải hiển thị lớn nhất: -1999~99999 - Kích thước số hiển thị: rộng 6,8 x cao 13,8mm - Nguồn cung cấp: 100-240VAC, 50/60Hz - Điện áp hoạt động cho phép là 90 ~ 100% - Điện năng tiêu thụ nhỏ nhất khoảng 6VA. - Năng lượng của bộ cảm biến bên ngoài : 12ADC ± 10%, 80mA - Tần số đầu vào: + Đầu vào mức cố định là 50 KHz (độ rộng xung ON/OFF: 10µs) + Đầu vào tiếp điểm Max 45KHz (độ rộng xung ON/OFF: 11ms) - Mức đầu vào: + Áp đầu vào mức cao từ 4,5 ~24VDC, Mức thấp từ 0 ~1VDC; trở kháng vào là 4,5KΩ. + Khi không có áp đầu vào; trở kháng khi ngắn mạch lớn nhất là 200Ω, trở kháng khi hở mạch nhỏ nhất là 100Ω. 67 - Phạm vi đo: + Chế độ F1, F4, F7, F8, F9, F10 là 0, 0005Hz~50 KHz + Chế độ F3 là 0, 02s~3,200s + Chế độ F2, F3, F6 là 0, 01s~3,200s + Chế độ F11, F12, F13 là 0~4x109giá trị - Chế độ hoạt động: Số của chế độ Vòng quay/Tốc độ/Tần số là F1, Tốc độ di chuyển là F2, Chu kỳ là F3, Thời gian di chuyển là F4, Độ rộng thời gian là F5, Khoảng thời gian là F6, Tỷ lệ tuyệt đối là F7, Tỷ lệ lỗi là F8, Tỷ trọng là F9, Lỗi là F10. Đo chiều dài là F11, Khoảng cách là F12, Tích nhân là 13. Kết nối - Đối với MP5W-4N ( Loại chỉ thị) Hình 5.29: Cách kết nối của đồng hồ MP5W-4N loại chỉ thị Sử dụng cho RESET khi chế độ hoạt động là 13. Sử dụng cho chức năng BANK - Đối với MP5W-4N (5 rơle ra) Hình 5.30: Cách kết nối của đồng hồ MP5W-4N loại 5 rơle ra - Đối với MP5W-41(3 rơle ra) 68 Hình 5.31: Cách kết nối của đồng hồ MP5W-4N loại 5 rơle ra Đặc điểm kỹ thuật đầu vào  Tín hiệu đầu vào + Đầu vào không tiếp xúc: Tần số lớn nhất là 50 KHz (độ rộng của mỗi xung lớn hơn 10µs). Mức điện áp đầu ra khi có xung (ON) là từ 4,5 -24V, khi không có xung (OFF) là tà 0-1,0V. + Đầu vào tiếp xúc: Tần số lớn nhất là 45 KHz (độ rộng của mỗi xung lớn hơn 11ms)  Loại đầu vào: MP5W có đầu vào NPN và đầu vào PNP - Khi loại đầu vào là NPN Hình 5.32: Loại cảm biến đầu ra colector hở NPN - Khi loại đầu vào là PNP Hình 5.33: Loại cảm biến đầu ra colector hở PNP Đặc điểm kỹ thuật đầu ra  Đầu ra BCD - Đầu ra: Hiển thị giá trị - Tín hiệu đầu ra: + Dữ liệu BCD: A, B, C, D, DOT. Trong đó A là bít thấp nhất, DOT là bít cao nhất. + Dữ liệu số: D0, D1, D2, D3, D4. Trong đó D0 là số thấp nhất, D4 là số cao nhất 69 - Loại đầu ra: Đầu ra colector hở NPN (Open collector) - Điện áp trên tải: 12~24VDC. - Dòng trên tải lớn nhất: 20mA.  Đầu ra tốc độ thấp. - Đầu ra: Hiển thị giá trị - Tín hiệu ra: CLK, dữ liệu, chốt (latch) - Vòng CLK: 50Hz - Bít CLK đầu ra: 25 bit - Bít dữ liệu đầu ra: 25 bit - Dạng đầu ra: Đầu ra colector hở NPN - Điện áp trên tải: 12~24VDC - Dòng trên tải lớn nhất: 20mA. Hình 5.34: Biểu đồ thời gian Hình 5.35: Dữ liệu đầu ra tuần tự  Đầu ra truyền tải PV (4-20mADC) - Ứng dụng: Truyền tải giá trị đo được. - Chức năng: Truyền tải 4-20mADC đã được chuyển đổi từ giá trị đầu ra đo được giữa giới hạn cao (FS-H) và giới hạn thấp (FS-L). - Điện trở tải lớn nhất là 600Ω  Giao diện đầu ra RS485 - Địa chỉ: 0~99 (32 kênh) - Tốc độ truyền: 2400/4800/9600 bps - Mã truyền tải: ASCII - Bit dữ liệu: 8 bit 70 - Bit dừng: 1 bit Hình 5.36: Biểu đồ nhóm thông số : Khi chọn chế độ hoạt động, thông số sẽ được hiển thị : Khi chọn chế độ hoạt động, thông số sẽ không được hiển thị : Chỉ có thể hoặc cho cảm biến thực hiện trong F11, F12, F13 của chế độ hoạt động. Thông số  Thông số nhóm 0 71 Hình 5.37: Biểu đồ nhóm thông số 0 - Nếu ấn phím ở chế độ RUN thông số sẽ được nhập vào thông số nhóm 0. - Đặt giá trị so sánh HH (High High), nhìn vào phạm vi cài đặt trong bảng phạm vi cài đặt của giá trị so sánh .Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt. - Đặt giá trị so sánh H. Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt - Đặt giá trị so sánh L (Low). Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt - Đặt giá trị so sánh LL. Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt - Hiển thị giá trị cao nhất của giá trị đo được. Ấn nút giá trị cao nhất sẽ được đặt lại và dòng đo được sẽ hiển thị. - Hiển thị giá trị thấp nhất của giá trị đo được. Ấn nút giá trị thấp nhất sẽ được đặt lại và dòng đo được sẽ hiển thị. Chú ý: Sau khi đặt giá trị dữ liệu cho mỗi thông số, ấn nút để lưu dữ liệu rồi mới tiếp tục trở lại chế độ RUN. Nếu không lưu dữ liệu sẽ bị mất sau 60s. Bảng 5.1: Phạm vi cài đặt của giá trị so sánh Chế độ hoạt động Phạm vi cài đặt F1, F2, F7, F9, F11, F12, F13 0 ~ 99999 F3, F4, F5, F6 0 ~ phạm vi cài đặt thời gian 72 F8, F10 -19999 ~ 99999  Thông số nhóm 1 Hình 5.38: Biểu đồ nhóm thông số 1 - Thông số nhóm 1 hiển thị và di chuyển đến . - Chọn chế độ hoạt động: (Ấn nút để thay đổi chế độ). - Đặt loại cảm biến của đầu vào A (Ấn nút để thay đổi). - Đặt loại cảm biến của đầu vàoB (Ấn nút để thay đổi loại cảm biến). - Đặt chế độ đầu ra: (Ấn nút để thay đổi chế độ) - Đặt trễ cho đầu ra. Phạm vi trễ: 0 ~ 9999. (Ấn nút để thay đổi giá trị cài đặt) - Chọn thời gian bắt đầu để kết nối chức năng hoặc đầu ra so sánh (L, LL) chức năng giới hạn (Ấn nút để thay đổi giá trị cài đặt) - Thời gian duy trì được đặt ở chức năng timer của : 0,0 ~ 99,9 giây. (Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt). 73 - Đặt thời gian Auto – Zero của đầu vào INB. Phạm vi cài đặt: 0,1 ~ 9999,9 giây. (Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt). - Đặt duy trì nhớ (On: duy trì nhớ, Off không duy trì nhớ), (ấn để thay đổi giá trị cài đặt).  Thông số nhóm 2 Hình 5.39: Biểu đồ nhóm thông số 2 - Hiển thị và di chuyển tới . - Đặt dữ liệu (ấn để thay đổi giá trị cài đặt) - Chọn dữ liệu , nó sẽ được hiển thị trong chế độ họat động F3, F4, F5, F6 và đặt đơn vị thời gian (ấn để thay đổi giá trị cài đặt); nó sẽ được hiển thị trong chế độ họat động F3, F4, F5, F6 và đặt phạm vi thời gian (ấn để thay đổi giá trị cài đặt) 74 - Đặt giá trị so sánh HH (High High), nhìn vào phạm vi cài đặt trong bảng phạm vi cài đặt của giá trị so sánh .Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt. - Đặt giá trị so sánh H .Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt. - Đặt giá trị so sánh L (Low). Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt. - Đặt giá trị so sánh LL. Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt.  Thông số nhóm 3 Hình 5.40: Biểu đồ nhóm thông số 3 - Hiển thị và di chuyển tự động tới thông số . - Đặt giá trị giới hạn cao của đầu ra truyền dẫn PV. Nhìn vào phạm vi cài đặt trong bảng phạm vi cài đặt của giá trị so sánh để cài đặt giới hạn.( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt). - Đặt giá trị giới hạn thấp của đầu ra truyền dẫn PV. ( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt). - Đặt địa chỉ giao tiếp. Đặt giới hạn: 00 ~ 99 (32 kênh). ( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt). - Đặt tốc độ giao tiếp . ( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt). 75 - Chọn Remote và Local (Off: đang sử dụng, On: đang không sử dụng). - Khóa phím cho mỗi nhóm thông số ( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt). Chế độ hoạt động  Chế độ F1: Hiển thị tần số đã được tính toán, số vòng quay hoặc tốc độ tần số ở đầu vào A. Tần số (Hz) = f × α [α = 1s] Số vòng quay (rpm) = f × α [α = 60s] Tốc độ (m/phút) = f × α [α = 60 x L(m)] Trong đó: L - Chiều dài của băng tải trong một vòng xung. Hình 5.41: Biểu đồ thời gian chế độ F1  Chế độ F2: Hiển thị tốc độ di chuyển giữa ON của đầu vào A và ON của đầu vào B. Tốc độ di chuyển (V) = f × α [α = L (m)] Trong đó: F - Số đối ứng của thời gian giữa On của đầu vào A và ON của đầu vào B; L: Khoảng cách giữa đầu vào A và đầu vào B Hình 5.42: Biểu đồ thời gian chế độ F2  Chế độ F3: Hiển thị thời gian từ khi đầu vào A ON đến ON kế tiếp. Chu kỳ (T) = t Trong đó: t - thời gian đo được (s) 76 Hình 5.43: Biểu đồ thời gian chế độ F3  Chế độ F4: Hiển thị thời gian di chuyển một khoảng cách nhất định để đo thời gian giữa ON và ON kế tiếp của đầu vào A. Thời gian di chuyển (s) = t × α ky(m)chu xung1 vipham ngchuyen tro dicach Khoang )(mL  Trong đó: t- thời gian đo được (s) L: khoảng cách nhất định (m) Hình 5.44: Biểu đồ thời gian chế độ F4  Chế độ F5: Hiển thị thời gian ON của đầu vào A. Độ rộng thời gian (T) = t Trong đó: t-thời gian ON của đầu vào A (s) Hình 5.45: Biểu đồ thời gian chế độ F5  Chế độ F6: Hiển thị thời gian từ khi đầu vào A ON đến khi đầu vào B ON. Khoảng thời gian (T) = t (Ta ~ Tb) Trong đó: t (Ta ~ Tb) - thời gian đo được từ khi đầu vào A ON đến khi đầu vào B ON Hình 5.46: Biểu đồ thời gian chế độ F6 77  Chế độ F7: Hiển thị tỉ lệ phần trăm nhanh hay chậm, tốc dộ, giá trị ... của đầu vào B so với đầu vào A là bao nhiêu. Tỷ lệ tuyệt đối = Đầu vào B/Đầu vào A × 100% Tỷ lệ tuyệt đối = (Tần số ngõ vào B [Hz] × Bα)/(Tần số ngõ vào A [Hz] × Aα) × 100% Trong đó: Aα - Giá trị của đầu vào A; Bα: Giá trị của đầu vào B. Hình 5.47: Biểu đồ thời gian chế độ F7  Chế độ F8: Hiển thị tỉ lệ phần trăm nhanh hay chậm của đầu vào B so với đầu vào A là bao nhiêu. Tỷ lệ lỗi = Tỷ lệ lỗi = %100 )AA x vaongo so(Tan )AA x vaongo so(Tan -)B x B vaongo so(Tan    Hình 5.48: Biểu đồ thời gian chế độ F8  Chế độ F9: Hiển thị tỷ lệ của đầu vào B so với tổng cộng của đầu vào A và đầu vào B. Tỷ trọng = [Đầu vào B / (Đầu vào A + Đầu vào B)] x100% Tỷ trọng = %100 )B x B vaongo so(Tan )AA x vaongo so(Tan )B x B vaongo so(Tan     Hình 5.49: Biểu đồ thời gian chế độ F9  Chế độ F10: Hiển thị lỗi giữa đầu vào A chuẩn và đầu vào B so sánh. Lỗi = Đầu vào B – Đầu vào A Lỗi = (Tần số của đầu vào B [Hz] × Bα) - (Tần số của đầu vào A [Hz] × Aα) Hình 5.50: Biểu đồ thời gian chế độ F10  Chế độ F11: Hiển thị số của xung đầu vào A trong khi đầu vào B ON. Đo chiều dài = P × α 78 Trong đó: P - số của xung đầu vào A; α -giá trị tỉ lệ Hình 5.51: Biểu đồ thời gian chế độ F11  Chế độ F12: Hiển thị số của xung đầu vào A từ khi đầu vào B ON đến khi đầu vào B ON kế tiếp. Khoảng cách = P × α Trong đó: P - số của xung đầu vào A; α -giá trị tỉ lệ Hình 5.52: Biểu đồ thời gian chế độ F12  Chế độ F13: Hiển thị giá trị đếm giữa các xung của đầu vào A. Tính nhân = P × α Trong đó: P - số của xung đầu vào A; α -giá trị tỉ lệ Hình 5.53: Biểu đồ thời gian chế độ F13 6.2 Trình tự thực hiện Bước 1: Cấp nguồn cho mudule Bước 2: Cài đặt số xung/ vòng cho encoder: nhấn OK để chuyển sang chế độ cài đặt. Dùng 2 phím để chỉnh về 360- chỉ thị 360 xung/ vòng. Nhấn ESC đến khi đèn Run báo sáng là đã chuyển sang chế độ hoạt động của bộ hiển thị tốc độ. Bước 3: Thay đổi tốc độ tốc độ bằng biến trở để tìm tốc độ tối đa cho phép của động cơ khi đo số vòng /phút, số vòng/ giây và khi sử dụng thước đo tuyến tính. Quan sát tốc độ quay của motor và hiển thị số vòng quay trên module hiển thị tốc độ. Chú ý khi đó Led Run phải nháy sáng. Bước 4: Đưa ra nhận xét và kết luận. 79 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày các phương pháp đo vòng quay và góc quay. 2. Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến đo vận tốc và góc quay bằng phương pháp Analog và quang điện tử. 80 BÀI 6 CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC Giới thiệu Giới thiệu về các loại cảm biến cảm biến siêu âm, cảm biến màu, cẩm biến trọng lượng, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất. Mục tiêu: - Trình bày được nguyên tắc hoạt động của Cảm biến siêu âm, cảm biến màu sắc, cảm biến trọng lượng, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất. - Nêu được ứng dụng của các cảm biến siêu âm, màu sắc, trọng lượng, lưu lượng và áp suất. - Nhận biết được cảm biến siêu âm, màu sắc, trọng lượng, lưu lượng và áp suất trong mạch điện. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn vệ vệ sinh công nghiệp Nội dung 1. Cảm biến siêu âm 1.1 Cấu trúc Hình 6.1.Cảm biến siêu âm. 1.2 Nguyên lý hoạt động Sử dụng bộ chuyển đổi đóng vai trò vừa là bộ phát vừa là bộ thu sóng âm. Bộ chuyển đổi có thể đặt trên đỉnh của bình chứa. Sóng âm dạng xung phát ra từ bộ chuyển đổi đến bề mặt chất lưu sẽ bị phản xạ trở lại và được bộ chuyển đổi thu nhận để biến thành tín hiệu điện. Khoảng thời gian từ thời điểm phát xung đến thời điểm thu sóng phản xạ sẽ tỉ lệ với khoảng cách từ bộ chuyển đổi đến bề mặt chất lưu. Như vậy, qua đó có thể để đánh giá được mức của chất lưu trong bình chứa. Cảm biến siêu âm được chế tạo dựa trên nguyên lý phản xạ của âm thanh. Người ta sử dụng phương pháp đo vận tốc âm thanh truyền đi trong không khí. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí) Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng. 81 2 v t d   Với d là khoảng cách cần đo; v là vận tốc truyền âm;t là thời gian từ lúc sóng phát ra tới lúc nhận lại. 1.3 Ưu, nhược điểm  Ưu điểm - Vùng cảm biến rộng khoảng cách phát hiện vật thể có thể lên đến vài m. - Có thể dùng để xác định các vật thể có màu sắc và vật liệu khó phân biệt. - Có thể phát hiện được vật thể trong suốt ( vật liệu thủy tinh ). - Có thể làm việc trong một môi trường dơ và bụi.  Nhược điểm - Cảm biến siêu âm có giá thành rất cao, không kinh tế. - Cảm ứng siêu âm phản ứng tín hiệu chậm hơn các dạng cảm biến khác. - Tần số chuyển mạch từ 1 đến 125 HZ. 1.4 Ứng dụng Hình 6.2. Hình ảnh một số cảm biến siêu âm trong thực tế. Hình 6.3. Ứng dụng của cảm biến siêu âm 82 2. Cảm biến màu sắc 2.1 Cấu trúc Hình 6.4: Cấu trúc của cảm biến màu 2.2 Nguyên tắc hoạt động Cảm biến màu phát các ánh sáng đỏ (R), xanh lá (G), xanh dương (B) tới vật cảm biến, sau đó nhận ánh sáng phản xạ về, phân tích tỉ lệ các ánh sáng R, G, B để phân biệt màu của vật. Biến đổi tín hiệu ra của bộ cảm biến màu thành số Hình 6.5: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến màu 2.3 Đặc điểm - Độ tin cậy cao. - Dễ sử dụng. - Có thể dạy cho cảm biến biết màu của vật (chức năng teach). 2.4 Ứng dụng - Để phát hiện bàn chải đánh răng các màu khác nhau: E3MC là loại sensor màu, nó rất dễ dàng nhận biết các màu theo yêu cầu (phân biệt 4 màu cùng 1 lúc). 83 Hình 6.6: Ứng dụng của cảm biến màu - Phát hiện và loại ra các sản phẩm khác màu: Với chức năng Teach, ta có thể dạy sensor biết được màu của vật cần chọn. Nếu vật khác màu đã lưu (tức là không giống sản phẩm mong muốn), sensor sẽ xuất tín hiệu báo . Hình 6.7: Ứng dụng của cảm biến màu - Phát hiện màu của chất lỏng: Sensor E3MC phân biệt màu bằng cách phát hiện sự khác biệt giữa màu phát hiện với màu chuẩn đã đăng ký, sử dụng một tấm panel trắng phía sau giúp độ phản xạ cao hơn. Hình 6.8: Ứng dụng của cảm biến màu - Các lon được đặt ở bên trong hộp trong suốt. Muốn cả hộp trông vuông vắn đẹp mắt thì tất cả các lon bên trong phải được để đúng chiều: Dùng loại E3MC có thể chỉnh được đúng hướng qua màu sắc hoặc dấu hiệu 84 Hình 6.9: Ứng dụng của cảm biến màu 3. Cảm biến trọng lượng Load cell 3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Cấu tạo chính của Load cell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell. Hình 6.10: Cầu điện trở Wheatstone Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góckhác. Thân Load cell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân Load cell được thiết kế có hình dạng đặc biệt khác nhau và chế tạo bằng vật liệu kim loại khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim). Hình 6.11: Tải trọng tác động lên Load cell 85 Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân load cell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra. Hình 6.12: Nguyên lý hoạt động Load cell Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân). 3.2 Phân loại Có thể phân loại loadcells như sau: - Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) - Phân loại theo hình dạng: dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S, dạng mỏng - Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn. 86 Hình 6.13: Phân loại Load cell 3.3 Loadcells tương tự và Loadcells số 3.3.1 Loadcells tương tự (analog loadcell) Với các loại load cell việc chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) được thực hiện bởi bộ chỉ thị indicator. Tín hiệu từ loadcell tương tự (analog loadcell) truyền về bộ chỉ thị là dạng điện áp. Hình 6.14:.Load cell Analog và bộ hiển thị Tín hiệu ngõ ra của loadcell phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp cho load cell (chính là điện áp được cung cấp bởi bộ chỉ thị). Ví dụ với loadcell capacity là 10t và thông số ngõ ra là 2mV/V, khi đặt lên loadcell 1 tải trọng là 10t, nếu điện áp cung cấp cho loadcell là 10V thì tín hiệu ngõ ra của loadcell đạt 20 mV (2 mV x 10V) còn nếu điện áp cung cấp cho loadcell là 8V thì tín hiệu ngõ ra của loadcell chỉ đạt 16 mV (2 mV x 8V). Kết nối Loadcel + Excitation (Điện áp kích thích) là đầu vào dương của điện áp cung cấp 87 – Excitation là đầu vào âm của điện áp cung cấp + Output là tín hiệu ra dương của Loadcell – Output là tín hiệu ra âm của Loadcell + sense và –sense là các dây dẫn được nối trực tiếp với Excitation. Có loại Loadcell thì có, có loại thì không. Có thể nối cũng được mà không nối cũng được. Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo là nên nối. Ưu điểm: Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứngdụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạngkhác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng Nhược điểm: - Tín hiệu điện áp đầu ra của Loadcell rất nhỏ (thường không quá 30mV). Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp - Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn 3.3.2 Loadcells số (digital loadcell) Đối với load cell số, quá trình chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) được thực hiện trong chính bản thân loadcell. Sau quá trình xử lý và chuyển đổi một cách chính xác, một tín hiệu số (digital signal) sẽ được đưa về bộ chỉ thị cân điện tử số (digital indicator). Hình 6.15: Load cell Analog và bộ hiển thị Với Loadcell số (digital loadcell), tín hiệu ngõ ra của loadcell là dạng số nên không phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp cho loadcell. Ví dụ với loadcell số (digital loadcell) có capacity là 10t, khi đặt lên loadcell 1 tải trọng là 10t, thì tín hiệu ngõ ra luôn là 10.000 cho dù điện áp cung cấp cho loadcell có là 10V hay 8V đi nữa. Ưu điểm - Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi nhiệt độ thất thường trên đường dây cable dẫn. - Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m. - Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần. - Loadcell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại; Những ưu điểm của hệ Loadcell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác cao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân tán trên phạm vi rộng. 88 3.4 Ứng dụng  Trong công nghiệp cũng như đời sống thì loadcell được ứng dụng rất rộng từ những cân điện tử dùng gia dụng đến những cân dùng cân trọng lượng ô tô hay là cân nguyên liệu đầu vào và thành phẩm ra ở nhiều nhà máy. Hình 6.16: Sơ đồ hệ thống cân xe dùng Load cell  Trong ngành công nghệ cao: Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Loại Loadcell này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên.  Ứng dụng trong cầu đường: Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu, sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời. Hình 6.17: Ứng dụng load cell cân tải 4. Cảm biến lưu lượng Cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí, chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩm-nước giải khát, dầu mỏ- khí 89 đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào. Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lương loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc tính chất lỏng (dòng chảy một hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc, ), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, ), dải lưu lượng và yêu cầu về độ chính xác phép đo. Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh hưởng đến quyết định chọn lựa này. Nói chung, độ chính xác của lưu lượng kế còn phụ thuộc vào cả môi trường đo xung quanh. Các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, chất lỏng/khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm. 4.1 Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Hình 1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra. Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy.Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy. Hình 6.18: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice) Đo lưu lượng dạng Orifice Là đồng hồ đo lưu lượng nước bão hòa, hơi hóa nhiệt, khí nén, khí N2, O2, H2, nước, dầu. 90 Hình 6.19: Đo lưu lượng dạng Orifice Đo lưu lượng bằng Venturi Venturi đo lưu lượng được sử dụng để đo lường sự ổn định một pha trong dây dẫn khép kín của dòng chất lỏng, thường được sử dụng trong các phep đo không khí, khí đốt, nước và dòng chảy chất lỏng khác. Hình 6.20: Đo lưu lượng dạng Venturi Đo lưu lượng bằng Nozzle Hình 6.21: Đo lưu lượng bằng Nozzle Đo lưu lượng bằng Pitot Hình 6.22: Đo lưu lượng bằng Pitot Lưu ý: Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứng dụng công 91 nghiệp cần lưu ý các điểm sau: - Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng; - Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp; - Độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ; - Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm; - Yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy. Hình 6.23: Một số hình ảnh về cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất 4.2 Cảm biến lưu lượng điện từ Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2). Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Điện áp này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được. Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC. Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệu xoay chiều. Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC. Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu. Do đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo. Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường là vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được. Bởi vậy, phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao. Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC. 92 Hình 6.24: Cảm biến lưu lượng điện từ Lưu ý: Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến các điểm sau: - Chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện; - Sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt; - Không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp; - Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như xi măng, thạch cao, vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắp đặt phía trong ống dẫn; - Độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng; - Giá thành cao hơn. Hình 6.25: Một số hình ảnh về lưu lượng cảm biến điện từ 5. Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất là một dạng thiết bị dùng để đo áp suất hay nói cách cụ thể là chuyển đổi từ đại lượng áp suất sang đại lượng điện. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống như các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về vi xử lý, vi xử lý tín hiệu rồi đưa tín hiệu ra. 5.1 Khái niệm - Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích P = F/A [N] 93 - Áp suất tuyệt đối: là áp suất chênh lệch giữa điểm đo và chân không tuyệt đối (áp suất bằng 0). - Áp suất dư/tương đối: là áp suất chênh lệch giữa điểm đo và môi trường xung quanh (khí quyển). - Áp suất vi sai: là áp suất chênh lệch giữa hai điểm đo, một điểm được chọn làm điểm tham chiếu. - Đơn vị đo + Trong hệ SI: Pascal (Pa), 1 Pa = 1 N/m2 = 10-5 bar. + Châu Âu: bar, Bắc Mỹ: psi, Châu Á: kg/cm2, Mpa Bảng 6.1: Mối quan hệ giữa các đại lượng đo áp suất 5.2 Nguyên lý đo áp suất Cảm biến áp suất là thiết bị cảm nhận áp suất trên đường ống hoặc bồn chứa có áp suất.Áp suất này được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Các tín hiệu này sẽ được truyền về biến tần hoặc PLC để điều khiển động cơ hoạt động. Hình 6.26: Các loại cảm biến áp suất thường dùng Cấu tạo bên ngoài của cảm biến áp suất thường làm bằng Inox 304 không gỉ. Khả năng chống va đập cao. 94 Hình 6.27: Cấu tạo cảm biến áp suất + Electric connection: Kết nối điện + Amplifier: Bộ khuếch đại tín hiệu + Sensor: Màng cảm biến xuất ra tín hiệu + Process Connection: Chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất) Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất Hình 6.28: Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất Theo sơ đồ trên chúng ta thấy rằng khí áp suất Dương ( + ) đưa vào thì lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải , còn khi đưa vào áp suất âm ( – ) thì lớp màng sẽ căng lên từ phải sang trái. Chính sự dịch chuyển này sẽ đưa tín hiệu về mạch xử lý và đưa ra tín hiệu để biết áp suất đưa vào là bao nhiêu. + Hình đầu tiên bên trái: Khi không có áp suất => Hight = Low = Ov output + Hình ở giữa: Khi có áp suất nén => Hight > Low = + V Output + Hình bên phải: Khi có áp suất hút => Low > Hight = -V Output Dựa vào nguyên lý trên ta lấy ví dụ thực tế như sau: 95 Cảm biến áp suất dãy đo 0-10bar. Tín hiệu ngõ ra: 0-10V. Khi áp suất đạt 0-5bar thì tín hiệu điện áp xuất ra 0-5V. Tương tự khi áp áp đạt giới hạn max 10bar thì tín hiệu điện áp 10V Cảm biến áp suất chân không dãy đo -10bar. Tín hiệu ngõ ra: 4-20mA. Điều này có nghĩa là khi không có sự tác động lực hút thì áp suất 0bar tương ứng với tín hiệu dòng 4mA. Khi lực hút đạt giới hạn max -1bar thì cảm biến sẽ xuất tín hiệu dòng 20mA 5.3 Ứng dụng Đối với các trường hợp dùng cảm biến áp suất dùng cho máy nén khí, áp suất nước, dầu thủy lực và các chất lỏng không có tính ăn mòn khác thì dùng loại cảm biến áp suất thường. Các dãy đo áp suất 0-0.1bar; 0-0.16bar; được dùng để đo mức nước tĩnh trong bồn chứa không có áp suất. Mức nước được tính như sau: 1bar = 10mH2O (hoặc 100mbar = 100mmH20) Trường hợp ứng dụng cho các môi trường thực phẩm như: sữa, nước khải khátthì bắt buộc phải dùng cảm biến áp suất màng đảm bảo tiêu chuẩn thực phẩm. Cảm biến áp suất dùng cho xăng, dầu.ngành dầu khí phải đảm bảo tiêu chuẩn chống cháy nổ. Tùy vào nhu cầu sử dụng mà ta chọn loại cảm biến phù hợp Hình 6.29 : Cảm biến áp suất chính xác cao – phòng nổ Atex CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày khái niệm của cảm biến lực, áp suất, lưu lượng, siêu âm? 2. Trình bày nguyên lý hoạt động của Load Cell? 3. Cho những cách phân loại Load Cell? 4. Cho biết ưu và nhược điểm của load cell tương tự và load cell số? 5. Cho biết cách phân loại của cảm biến áp suất? 6. Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất điện trở áp điện? 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]-Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dựng, NXB Khoa học kỹ thuật 2006. [2]-Nguyễn Văn Hòa, Giáo trình đo lường và cảm biến đo lường, NXB Giáo dục 2005. [3]-Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các bộ cảm biến trong kĩ thuật đo lường và điều khiển, NXB Khoa học và kỹ thuật 2006. [4]-Lê Văn Doanh, Các bộ cảm biến trong kĩ thuật đo lường và điều khiển, NXB Khoa học và kỹ thuật 2001. [5]-Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học và kỹ thuật 2008. [6]-Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Cảm biến, NXB Khoa học và kỹ thuật 2000. [7]-Vũ Quang Hồi, Giáo trình Kỹ thuật Cảm biến, NXB Giáo Dục 2009.