Kĩ thuật đo lường cảm biến

rở dây Sai số tương đối ∆Ro/Ro Sai số tuyệt đối∆t ( oC) Vật liệu dây Khoảng nhiệt độ (oC) Điện trở Ro (Ω) Cấp I Cấp II Cấp I Cấp II Cấp III Platin 0 ÷ 650 -200 ÷ 0 10 ÷ 46 100 ±0,05 ±0,1 ±(0,15±3.10-3t) ±(0,15±4,5.10-3t) - ±(0,3±6.10-3t) - - Đồng -50 ÷ 180 53 ÷ 100 ±0,05 ±0,1 - ±(0,3±3,5.10 -3t) ±(0,3±6.10 - 3t) Bảng 2.3: Cấu tạo và thông số một số nhiệt điện trở bán dẫn Loại điện trở Hệ số nhiệt điện trở, %/oC Điện trở bán dẫn Nhiệt độ làm việc lớn nhất oC Hằng số thời gian trong không khí (s) Ứng dụng -2,4÷-3,4 1÷200 +120 85÷115 Đo nhiệt độ -2,3÷-3,4 0,01÷5 +120 85÷115 Hiệu chỉnh nhiệt độ 82 -4,5÷-60 0,5÷3,0 +120 - Đo nhiệt độ - - - 1÷10 Đo nhiệt độ biến thiên của chất khí không xâm thực C, Mạch đo: Mạch đo của chuyển đổi nhiệt điện trở có thể dùng mạch bất kỳ để đo điện trở của nó. Thông thường người ta hay dùng mạch cầu không cân bằng có chỉ thị là lôgômét hoặc cầu tự động ghi. Để giảm sai số của điện trở đường dây có thể dùng mạch cầu 3 dây như hình 2.31. Hình 2.31: Mạch đo dùng với chuyển đổi nhiệt điện trở a) Mạch logomet; b) Mạch cầu 3 dây dùng logomet; c) Mạch cầu 3 dây 83 84 Sai số của nhiệt kế điện trở chủ yếu là do điện trở đường dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Điện trở đường dây có thể đạt tới 5Ω trong khi đó điện trở của bản thân nhiệt điện trở vào khoảng 40 ÷ 100Ω, do đó khi điện trở đường dây thay đổi sẽ gây nên sai số đáng kể. Ngoài ra, dòng điện chạy qua nhiệt điện trở gây nóng cũng làm cho điện trở tăng gây sai số. Mặt khác, nhiệt điện trở được bọc ngoài bằng một vỏ thép nên bị tổn hao nhiệt và gây sai số. D, Ứng dụng: Chuyển đổi nhiệt điện trở dùng đo nhiệt độ, đo các đại lượng không điện như đo độ di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và khí. 2.6. CÁC CHUYỂN ĐỔI HOÁ ĐIỆN: 1. Nguyên lý làm việc của chuyển đổi hoá điện: Chuyển đổi hoá điện là những chuyển đổi dựa trên các hiện tượng hoá điện xảy ra khi cho dòng điện đi qua bình điện phân hoặc do quá trình ôxi hoá khử các điện cực. Các hiện tượng này phụ thuộc vào tính chất của các điện cực, bản chất và nồng độ của các dung dịch. Do đó chuyển đổi hoá điện thường là một bình điện phân chứa một dung dịch nào đó, có 2 hay nhiều cực để nối với mạch đo lường. Giống như phần tử của một mạch điện, chuyển đổi hoá điện có thể được đặc trưng bằng sức điện động mà nó sinh ra, sụt áp khi dòng điện qua nó hoặc là các phần tử điện trở, điện cảm, điện dung. Nguyên lý làm việc của các chuyển đổi này là dựa vào quan hệ giữa các thành phần, các tính chất các dung dịch với các thông số điện nói trên. Quan hệ này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất, tốc độ dịch chuyển, các thông số khác của dung dịch và của điện cực, do vậy phương trình biến đổi của các chuyển đổi hoá điện là các hàm rất phức tạp. Khi tăng một sự phụ thuộc này và giảm đến mức thấp nhất các sự phụ thuộc khác có thể chế tạo ra các chuyển đổi hoá điện không chỉ để xác định thành phần, nồng độ các dung dịch mà còn dùng để đo nhiều đại lượng không điện khác như các di chuyển, áp suất, tốc độ, gia tốc… Để hiểu được nguyên lý làm việc của các chuyển đổi hoá điện cần hiểu được các hiện tượng điện hoá cơ bản sau: A, Hiện tượng phân ly: Khi hoà tan vào nước hoặc các dung dịch khác các hợp chất muối, axit, bazơ…, phân tử của các chất này sẽ phân ly thành các ion điện tích dương (cation) và các ion điện tích âm (anion) tạo thành dung dịch có khả năng dẫn điện. Sự chuyển động của các hạt mang điện trong chất điện ly hay giữa chất điện ly và các điện cực chỉ diễn ra dưới dạng chuyển động của các ion hoặc tách ion trên các điện cực. Nồng độ của dung dịch càng lớn thì điện dẫn của các dung dịch càng tăng. Điện dẫn của nước tinh khiết bằng 0, điện dẫn của dung dịch bất kỳ được tính bằng công thức: γ = λfc = λa (1/Ωm) (2.119) trong đó: c: là nồng độ tương đương hay nồng độ phân tử (gmol/lit) f: là hệ số hoạt động của dung dịch (f = 1 ở dung dịch loãng, giảm khi nồng độ tăng) a = fc: là độ hoạt động của dung dịch λ: là hệ số, còn gọi là điện dẫn tương đương. Hình 2.32 là đặc tính của một số dung dịch. Hình 2.32: Đặc tính của một số dung dịch Điện dẫn của các dung dịch phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Hệ số nhiệt độ của các dung dịch điện dẫn khác nhau vào khoảng 1,5 ÷ 2,5% trên 1oC. B, Điện thế cực: Khi nhúng một điện cực kim loại vào nước hay dung dịch, giữa các điện cực và dung dịch xuất hiện một điện thế gọi là điện thế cực. Điện thế cực này được tạo ra do các ion dương kim loại đi vào dung dịch. Khi đó xác lập một trạng thái cân bằng động giữa kim loại và dung dịch, trên bề mặt kim loại xuất hiện một điện thế nhảy cấp, chính là điện thế cực. Khi nồng độ dung dịch thấp, các ion kim loại đi vào dung dịch nên điện cực có thế âm hơn so với dung dịch. Ngược lại ở nồng độ cao, các ion kim loại được tách ra bám vào bề mặt điện cực làm cho điện cực có điện thế dương so với dung dịch. Điện thế cực không chỉ xuất hiện trên các điện cực kim loại mà còn xuất hiện trên các điện cực phi kim loại. Người ta lấy điện cực hyđro làm điện cực chuẩn, điện thế cực của nó bằng 0. 85 Điện thế cực của các chất khác nhau đối với điện thế cực chuẩn không vượt quá ±3V. Ví dụ: điện thế cực Kali EoK = -2,92V; Kẽm EoZn = -0,76V; Đồng EoCu = +0,34V (Eo là điện thế cực chuẩn với nồng độ 1g-mol/l và nhiệt độ 18oC). + Điện thế cực ở nhiệt độ và nồng độ bất kỳ: alnnF RTEE o += (2.120) trong đó R: là hằng số khí, R = 8,3178/C T: nhiệt độ tuyệt đối oK n: hoá trị ion F: hằng số Faraday, F = 96522 C/g-mol + Nếu hai điện cực nhúng môi trường, trên các điện cực sẽ xảy ra các phản ứng ôxi hoá khử và tạo thành một phần tử ganvanic, sức điện động của nó bằng hiệu điện thế giữa 2 điện cực. Mỗi điện cực gọi là bán phần tử. 2 1 02012112 a aln nF RTEEEEE +−=−= (2.121) Ngoài điện thế cực ra, trên biên của hai dung dịch cũng có một hiệu điện thế gọi là điện thế biên sinh ra do độ cơ động của các ion trong 2 dung dịch khác nhau. Điện thế biên cỡ vài milivon đến vài chục milivon. C, Hiện tượng điện phân và sự phân cực: Nếu cho một dòng điện chạy qua dung dịch thì sẽ xảy ra hiện tượng điện phân, đó là quá trình biến đổi hoá học tách vật chất ra khỏi dung dịch. Để tách một gam tương đương một chất bất kỳ ra khỏi dung dịch cần có một lượng điện tích bằng 96522 culong. Nguyên lý làm việc của các chuyển đổi điện phân dựa trên hiện tượng này. Hiện tượng phân cực là hiện tượng thay đổi điện thế cực do sự thay đổi nồng độ ở gần điện cực khi có dòng điện chạy qua bình điện phân. Dựa trên hiện tượng phân cực người ta chế tạo các thiết bị dùng để phân tích định tính và định lượng dung dịch, thiết bị đó gọi là phân cực ký. Nếu dòng đi qua bình điện phân là dòng xoay chiều thì điện áp phân cực cũng sẽ biến thiên, điện áp và dòng điện lệch pha nhau một góc 90o. 86 Điện áp rơi trên bình điện phân bao gồm điện áp rơi trên điện trở dung dịch và điện áp phân cực trên các điện cực ∆U. Khi đo điện trở dung dịch bằng dòng một chiều, sai số do phân cực bằng ∆U/U và có thể đạt tới 10% nếu điện áp trên 2 cực U = 20V. Đối với dòng điện xoay chiều sai số sẽ giảm nhiều khi ∆U << U và bằng0,5∆U/U2, vì điện áp rơi trên điện trở bình điện phân và điện áp phân cực lệch pha nhau 90o. 2. Chuyển đổi điện dẫn dung dịch: A, Nguyên lý làm việc: Chuyển đổi điện dẫn dung dịch hoạt động dựa vào sự phụ thuộc của điện dẫn dung dịch với thành phần và nồng độ của chất điện phân cũng như khoảng cách l và tiết diện s của điện cực. Một cách gần đúng phương trình của chuyển đổi có dạng: s l fc 1 s l1R λ=γ= (2.122) B, Mạch đo: Chuyển đổi điện dẫn dung dịch thường dùng với mạch cầu. Hình 2.33 là sơ đồ chuyển đổi điện dẫn dung dịch đo nồng độ. Nó gồm: vỏ (1), điện cực Platin (2), bình đo (3) có lỗ (4) để lắp chuyển đổi vào. Các bình này cho phép đo nồng độ dung dịch đang chảy hoặc nhờ bơm cao su (5) để khuấy dung dịch. Hình 2.33: Chuyển đổi điện dẫn dung dịch đo nồng độ 87 Hằng số k = l/s trong khoảng 30 ÷ 70 1/m, được xác định bằng thực nghiệm với sai số ±1%. Chuyển đổi được cung cấp bằng điện áp xoay chiều 50Hz ÷ 1000Hz để loại trừ sai số do hiện tượng phân cực. Trong công nghiệp, khi cần đo nồng độ các dung dịch người ta dùng chuyển đổi có điện cực dạng 2 hình trụ đồng tâm và cho dung dịch cần đo chảy qua. Tuỳ theo bản chất của dung dịch, điện cực có thể được làm bằng graphit, platin, thép không nung hay các vật liệu khác không tương tác với dung dịch. Để loại trừ sai số do sự phân cực, cùng với việc cung cấp bằng điện áp xoay chiều, người ta còn dùng chuyển đổi 4 điện cực hình 2.34 trong đó có 2 bản điện cực dòng (1 và 2) cung cấp bằng dòng điện xoay chiều ổn định và 2 điện cực áp (3 và 4) dùng để đo điện áp. Hình 2.34: Sơ đồ chuyển đổi dùng 4 điện cực Để loại trừ hiện tượng phân cực và các tác dụng tương hỗ không mong muốn khác giữa các điện cực và dung dịch, người ta dùng chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc (hình 2.35). Hình 2.35: Chuyển đổi điện dẫn không tiễp xúc 88 Tuỳ theo tần số cung cấp cho chuyển đổi mà phân thành chuyển đổi tần thấp và chuyển đổi cao tần. Hình 2.35a là một chuyển đổi âm tần kiểu biến áp có cuộn dây ngắn mạch (đó là một ống thuỷ tinh chứa dung dịch cần đo). Dòng điện trong cuộn dây sơ cấp phụ thuộc vào tổng trở của mạch thứ cấp. Bản thân mạch thứ cấp lại có tổng trở phụ thuộc vào nồng độ dung dịch cần đo. Chuyển đổi này dùng để đo nồng độ dung dịch có điện trở suất trong khoảng γ = 0 ÷ 50 (1/Ωm) Nhược điểm là kết cấu phức tạp do phải chế tạo vòng đựng chất lỏng. Gần đây để đo các nồng độ nhỏ người ta dùng các loại chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc cao tần (vài MHz). Hình 2.35b là loại chuyển đổi điện dẫn kiểu điện dung, gồm một ống thuỷ tinh hoặc chất dẻo có đặt các điện cực bằng kim loại ở phía ngoài. Các chuyển đổi cao tần kiểu điện cảm (hình 2.35c) trong đó các điện cực được thay bằng dây quấn quanh ống. Các chuyển đổi cao tần được nối với mạch cộng hưởng do một máy phát cao tần cung cấp (hình 2.36) Hình 2.36: Mạch cộng hưởng cao tần Để đo nồng độ dung dịch nhỏ có thể dùng mạch 7.32a, mạch cộng hưởng gồm các phần tử được mắc song song với nhau. Với nồng độ lớn hơn, người ta dùng mạch gồm các dụng cụ mắc nối tiếp. Dụng cụ được khắc độ theo mẫu có nồng độ đã biết. C, Ứng dụng: Chuyển đổi điện dẫn dung dịch được sử dụng rộng rãi để đo nồng độ của dung dịch R khi giữ l và s không thay đổi: λ=γ= 1.k)(fR (2.123) 89 hoặc đo các đại lượng có R = f(l/s) khi nồng độ dung dịch không đổi. 3. Chuyển đổi gavanic: A, Nguyên lý làm việc: Chuyển đổi Gavanic hoạt động dựa vào sự phụ thuộc của điện thế cực theo nồng độ, và thành phần của dung dịch. Gavanic thường được dùng rộng rãi để đo hoạt độ của các ion Hyđrô, qua đó xác định được thành phần và tính chất của dung dịch cần nghiên cứu. Sự phân ly của nước diễn ra như sau: H2O = H+ + OH – Nếu gọi aH+ và aOH- là hoạt độ của các ion H+ và OH – thì K = aH+.aOH- là một hằng số gọi là hằng số phân ly ở nhiệt độ 25oC, K = 10-14. Với nước sạch hoặc dung dịch trung hoà: aH+ = aOH- = 10-7 Với dung dịch axit: aH+ > aOH- Với dung dịch kiềm: aH+ < aOH- Trong thực tế để tiện cho việc tính toán và ghi chép, người ta dùng đơn vị pH = - lg aH+. Vì aH+ thay đổi từ 100 ÷ 1014 nên pH nằm trong khoảng 0 ÷ 14. Các dụng cụ đo pH được gọi là pH-mét, trong đó có chuyển đổi Gavanic. Chuyển đổi Gavanic gồm có bán phần tử Calômen (1) và điện cực đo lường thuỷ tinh (2). (Hình 2.37) Hình 2.37: Cấu tạo chuyển đổi Gavanic Điện cực bán phần tử Calomen là một ống thuỷ ngân trong đó có dung dịch Calomen bão hoà khó hoà tan (Hg2Cl2). Sự tiếp xúc điện của bán phần tử với dung dịch thí nghiệm cần được thực hiện qua dung dịch KCl (khoá điện ly) để giảm điện thế khuếch tán, do trên biên của dung dịch KCl điện thế khuếch tán có trị số nhỏ. 90 91 Điện cực thuỷ tinh (2) là một bình thuỷ tinh có thành mỏng (chứa Natri). Khi nhúng bình thuỷ tinh vào dung dịch các ion Natri từ thành bình sẽ đi vào dung dịch còn các ion Hyđrô từ dung dịch vào chiếm chỗ của chúng do đó bề mặt của lớp thuỷ tinh được làm bão hoà bởi các ion Hyđrô và điện cực thuỷ tinh có tính chất như điện cực Hyđrô. Để lấy điện thế ở bên trong điện cực thuỷ tinh, bình được đổ đầy dung dịch mẫu có pHm đã biết. Trong bình thuỷ tinh có điện cực Clorua bạc (3). Với độ pHx cần đo, sức điện động E của chuyển đổi Gavanic có thể biểu diễn dưới dạng: E = Eo + b.pH (2.124) Trong đó Eo: là suất điện động của chuyển đổi khi pH = 0 b: là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ và loại điện cực sử dụng. B, Sai số: Sai số của chuyển đổi Gavanic chủ yếu do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và điện thế biên. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện thế cực và điện trở của chuyển đổi. Để giảm sai số này có thể dùng mạch hiệu chỉnh nhiệt độ. (xem mạch cuối chương 1) Sai số động của chuyển đổi có điện cực thuỷ tinh phụ thuộc vào chiều dày của bình. Với thành bình rất mỏng (0,05mm), thế của điện cực thuỷ tinh thay đổi tức thời theo sự thay đổi của độ pH trong dung dịch. Khắc độ được tiến hành theo dung dịch mẫu có độ pH ổn định và có thể đạt được với sai số tuyệt đối ±0,01pH. C, Mạch đo: Do tín hiệu ra của chuyển đổi Gavanic rất nhỏ (tổng trở ra lớn) nên mạch đo cần có tổng trở vào lớn (108 ÷ 1012Ω). Khi đo sức điện động của chuyển đổi Gavanic thường dùng mạch đo kiểu bù có thiết bị tự động hiệu chỉnh sai số nhiệt độ. D, Ứng dụng: Các pH-mét công nghiệp có thể đô được độ pH của dung dịch và bùn ở nhiệt độ từ 0 ÷ 100oC với sai số cơ bản 0,02 đơn vị pH. Các pH-mét trong phòng thí nghiệm với điện cực thuỷ tinh có màn chắn và có thiết bị hiệu chỉnh nhiệt độ đạt được sai số không lớn hơn 0,01 đơn vị pH và dải làm việc trong khoảng từ 0 ÷ 100oC. 4. Chuyển đổi điện phân (chuyển đổi Culong): A, Nguyên lý làm việc: Chuyển đổi điện phân hoạt động dựa trên hiện tượng điện phân. Theo định luật Faraday, quan hệ giữa điện lượng Q và lượng vật chất tách ra trên điện cực được biểu diễn theo phương trình: ∫ == A F.n.midtQ (2.125) trong đó m: khối lượng chất được giải phóng n: hoá trị ion A: trọng lượng nguyên tử chất F: hằng số Faraday (F = 96522 C/g-mol) Chuyển đổi điện phân là một khâu tích phân, đại lượng vào có thể là điện lượng Q hoặc sự thay đổi dòng điện với thời gian t. Đại lượng ra có thể là khối lượng chất giải phóng hoặc sự thay đổi chiều dài, điện trở của điện cực, độ trong suốt quang học của điện cực và dung dịch. B, Sai số và ứng dụng: Chuyển đổi điện phân đơn giản nhất là đồng hồ thời gian hình 7.34a, dùng để đo thời gian làm việc của các thiết bị. Nó gồm có vỏ thuỷ tinh (1) đặt 2 điện cực bằng đồng Anốt (2) và Catốt (3). Catốt nằm trong ống mao quản, dọc theo ống mao quản có thang chia độ 5. Dung dịch chứa trong bình là sunfat đồng CuSO4. Khi có dòng điện một chiều đi qua sẽ xảy ra hiện tượng điện phân. Anốt tan vào dung dịch còn Catốt được bám vào một lượng đồng làm tăng độ dài của nó. 92 Hình 2.38: Chuyền đổi điện phân và sơ đồ mắc một chiều, xoay chiều Với dòng điện không thay đổi, độ dài của cực Catốt khi tăng một lượng ∆l có thể viết dưới dạng: t.kt. s I. nF Al =δ=∆ (2.126) trong đó δ là mật độ dòng điện s là tiết diện Catốt t là thời gian đo Hình 2.38b và 2.38c tương ứng là sơ đồ mắc của đồng hồ với dòng điện một chiều và xoay chiều. Đồng hồ thời gian trên được chế tạo với giới hạn đo 5 ÷ 10000h với dòng chảy từ 0,01 ÷ 1mA. Sai số khoảng 5% khi cân Catốt và 20% khi tính theo thang chia độ. Ngoài đồng hồ thời gian, chuyển đổi điện phân còn được chế tạo thành các dụng cụ để đo điện lượng khi phóng nạp ắcquy và các điện trở điều khiển dùng trong các mạch điều khiển và mạch điều chỉnh. 5. Chuyển đổi Khimôtrôn: A, Nguyên lý làm việc: 93 94 Khimôtrôn là một chuyển đổi điện hoá, nguyên lý làm việc của nó (tương tự như điốt và tranzito bán dẫn), dựa trên việc sử dụng lớp “khoá”, đó là lớp môi trường làm nghèo đi các hạt mang điện tích. Chuyển đổi Khimôtrôn là một bình điện phân chứa đầy dung dịch IottuaKali được duy trì dưới dạng ôxi hoá và dạng khử của một loại ion nhất định. Các điện cực được làm bằng kim loại không tương tác hoá học với chất điện phân (vàng, bạch kim…) Khi ở dạng dung dịch, IottuaKali phân ly thành: KI = K+ + I- Nếu ta đặt vào hai điện cực Anốt và Catốt một điện áp cỡ 1V. Các ion sẽ chuyển động và dẫn điện. Điện dẫn của dung dịch chủ yếu là do các anion I-, còn cation K+ không tham gia dẫn điện vì Catốt có điện thế âm cỡ -2V (trong khi đó điện thế thoát của K+ khoảng –1,8V) Dưới tác dụng của điện trường giữa Anốt và Catốt, các ion I- di chuyển đến Anốt và cho Anốt điện tử để tạo thành I-3: 3I- → I-3 + 2e Các ion I- giảm liên tục và rất nhanh cho đến khi dòng điện giảm đến không (I = 0) do I- biến hết thành I-3. Nhờ sự khuếch tán trong dung dịch, các ion I-3 chạm vào cực Catốt, chúng nhận được điện tử để tạo thành dòng khuếch tán: I-3 + 2e → 3I- Dòng điện khuếch tán này rất nhỏ cỡ 10µA ở nhiệt độ bình thường. Bằng phương pháp nào đó người ta đẩy các ion I-3 về điện cực Catốt, các ion I-3 nhận điện tử để biến thành 3I- và dòng điện tăng lên rất nhanh. Dòng điện I phụ thuộc chủ yếu vào lượng chuyển động của ion I-3 về phía Catốt, tức là phụ thuộc vào tác động của đại lượng cơ học nào đó. B, Sai số: C, Ứng dụng: Ứng dụng chủ yếu của chuyển đổi Khimôtrôn là dùng trong các dụng cụ đo áp suất, gia tốc và tạo thành điốt điện hóa. Hình 2.39 là ví dụ về một loại chuyển đổi Khimôtrôn được chế tạo thành thiết bị đo áp suất và đặc tính Von-Ampe của nó (hình 2.40). Thiết bị gồm có bình (1) được gắn kín bởi 2 màng đàn hồi (2). Bên trong bình gồm có cực Catốt làm bằng Platin (3) có lỗ ở giữa để dung dịch đi qua, hai Anốt (4) được đặt ở hai phía của Catốt, đó là những tấm lưới Platin, bên trong bình chứa dung dịch KI. Khi các điện cực được mắc với nguồn điện ngoài, dung dịch ở trạng thái đứng yên, dòng điện chạy trong mạch rất yếu và chủ yếu là dòng khuếch tán (hình 2.40). Dưới tác dụng của áp suất bên ngoài, màng đàn hồi ép dung dịch KI có các ion I-3 qua lỗ của Catốt (3). Các ion I-3 nhận điện tử tạo thành 3I- và dòng điện tăng lên. Dòng chảy của dung dịch qua lỗ càng nhiều, dòng càng tăng nhanh nhưng các đường cong đặc tính hình 2.40. Hình 2.39: Chuyền đổi Khimôtrôn Hình 2.40: Đặc tính Vôn-Ampe của chuyền đổi Khimôtrôn 95 Hình 2.41: Chuyển đổi đo gia tốc góc 1) Bình chứa dung dịch; 2) Ống chứa dung dịch Các đường cong này tương tự như đặc tính Von-Ampe của tranzito. Hình 7.36 là sơ đồ nguyên lý của chuyển đổi đo gia tốc góc. Trong chuyển đổi này không có màng đàn hồi, bình chứa dung dịch có dạng ống tròn. Dưới tác dụng của gia tốc góc, dung dịch bị di chuyển qua lỗ của cực Catốt và dòng điện thay đổi theo sự thay đổi gia tốc. 2.7. CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN TỬ VÀ ION: 1. Phân loại: Nhóm các chuyển đổi điện tử và ion là nhóm gồm nhiều loại chuyển đổi khác nhau. Nguyên lý làm việc của các loại chuyển đổi này dựa vào sự thay đổi dòng ion và dòng điện tử dưới tác động của các đại lượng đo. Người ta chia các chuyển đổi điện tử và ion thành 2 loại: chuyển đổi điện tử và chuyển đổi ion hoá.Trong các chuyển đổi điện tử, chúng được phân thành: chuyển đổi tự phát xạ điện tử, chuyển đổi phát xạ nhiệt điện tử và chuyển đổi phát xạ quang điện tử. 2. Chuyển đổi tự phát xạ điện từ là các đèn 2 cực: Dưới tác dụng của điện trường mạnh (với điện áp trên Anốt và Catốt cỡ 3000V), các điện tử bắn ra khỏi Catốt. Trên đường đi chúng ion hoá các phân tử khí tạo thành các ion dương và ion âm. Dòng điện chảy từ Anốt đến Catốt thay đổi theo mật độ không khí trong đèn 2 cực. Ứng dụng nguyên lý trên người ta chế tạo các thiết bị đo áp suất thấp còn gọi là các chân không kế. Ví dụ: chân không kế loại BM B-1 của Liên Xô cũ đo độ chân không 2.10-6 ÷ 8.10-4 mmHg. 3. Chuyển đổi có phát xạ nhiệt điện tử: Các loại chuyển đổi này được chế tạo dưới dạng đèn điện tử hai cực và ba cực. Do Catốt bị đốt nóng, các điện tử bắn ra khỏi nó và dưới tác dụng của điện trường, các điện tử chuyển động từ Anốt đến Catốt. Trên đường đi của điện tử, chúng làm ion hoá 96 97 không khí tạo thành các ion dương và ion âm, cũng như loại chuyển đổi tự phát xạ điện tử, chuyển đổi loại này dùng đo độ chân không tới 10-6 mmHg. Nếu giữ cho đèn có độ chân không ổn định , dòng điện chạy trong mạch phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 cực Anốt và Catốt. Ứng dụng hiện tượng trên, người ta chế tạo các thiết bị đo các đại lượng cơ như đo độ dịch chuyển, đo áp suất… 4. Chuyển đổi có phát xạ quang điện tử: Dưới tác dụng của các dòng ánh sáng với bước sóng thích hợp chiếu vào Catốt, điện tử từ Catốt bị bật ra tạo thành dòng điện. Chuyển đổi quang điện được phân thành 3 loại: + Tế bào quang điện: là phần tử quang điện sử dụng hiệu ứng quang điện ngoài. Đó là một đèn chân không hay có khí mà Catốt của nó sẽ phát ra các điện tử dưới tác dụng của dòng ánh sáng. + Quang điện trở: là loại chuyển đổi quang điện dựa vào hiệu ứng quang điện trong. Điện trở của một vài chất bán dẫn thay đổi dưới tác dụng của dòng ánh sáng. Các chất có hiệu ứng quang điện trong mạnh là Selen, muối Sunfit Cadimi, hợp chất của Tal, Bismut hoặc chì với lưu huỳnh. + Phôtô điốt (Van quang điện) là chuyển đổi quang điện, dưới tác dụng của ánh sáng, lớp khoá của một số mặt ghép các chất bán dẫn sẽ trở thành nguồn dòng điện. 5. Ứng dụng của chuyển đổi quang điện: Chuyển đổi quang điện dùng để đo các đại lượng không điện khác nhau. Chúng rất khác nhau về kết cấu và hệ thống quang học, điều đó xác định tác dụng của dòng ánh sáng lên phần tử quang điện. Song về cơ bản có thể phân các chuyển đổi quang điện thành 2 nhóm: + Nhóm 1: gồm các chuyển đổi làm việc trong chế độ điều biến biên độ, dòng quang điện phụ thuộc vào đại lượng không điện cần đo. Do đó, chúng đòi hỏi các đặc tuyến không bị phụ thuộc vào thời gian và tác động của các nhân tố bên ngoài (như nhiệt độ, điện áp nguồn dao động…). + Nhóm 2: gồm các chuyển đổi làm việc trong chế độ điều biến tần số (điều tần), dòng quang điện không phải là hàm của đại lượng cần đo. Hình 2.42 là ví dụ các phương pháp sử dụng các chuyển đổi quang điện để đo các đại lượng không điện. Hình 2.42a: đối tượng A là nguồn sáng, dòng ánh sáng của nó di chuyển đến chuyển đổi quang điện làm thay đổi đặc tính của đèn. Ứng dụng nguyên lý trên người ta chế tạo các thiết bị như hoả quang kế cường độ sáng để đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc. Hình 2.42b: đèn sợi đốt hay nguồn sáng bất kỳ đóng vai trò là nguồn phát sáng, dòng ánh sáng khi đi đến phần tử quang điện phải qua đối tượng đo A và bị hấp thụ một phần, mức độ hấp thụ nhiều ít phụ thuộc vào tham số cần đo của bình A. Đó là các thiết bị so màu dùng để đo độ đục và độ trong suốt của dung dịch và môi trường khí. Hình 2.42c: nguồn sáng (đèn Đ) chiếu sáng đối tượng A và được phản chiếu trở lại đến phần tử quang điện. Khả năng phản xạ của đối tượng A phụ thuộc vào chất lượng và trạng thái bề mặt và có thể là hàm số của đại lượng cần đo, ví dụ dụng cụ đo độ bóng chi tiết, đo tốc độ quay của trục quay… Hình 2.42d: nguồn sáng Đ đến phần tử quang điện bị chắn bởi lá chắn A. Mức độ chắn tuỳ thuộc vào vị trí của lá chắn tức là tuỳ thuộc vào độ di chuyển của nó. Đó là cơ sở của dụng cụ đo độ di chuyển, các bộ đếm… Hình 2.42: Các phương pháp sử dụng các chuyển đổi quang điện 6. Chuyển đổi ion hoá: a, Nguyên lý làm việc: Dưới tác dụng của các tia phóng xạ và tia Rơnghen, chất khí sẽ bị ion hoá. Nếu bình ion hoá được đặt một điện áp thì các điện tử và ion sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện ion. Dòng ion phụ thuộc vào điện áp đặt lên bình, tính chất của tác nhân ion, môi trường ion hoá, vật liệu của thành bình và các vật thể khác nằm trên đường đi của các tác nhân ion hoá. Các tác nhân ion hoá là các tia phóng xạ như tia α, tia β, tia γ và tia Rơnghen. 98 Chuyển đổi ion hoá có nhiều loại khác nhau, song bất kỳ loại nào cũng cần có nguồn phóng xạ và thiết bị thu các sản phẩm của quá trình ion hoá để tạo thành dòng điện.Thiết bị đó gọi là bộ thu bức xạ. b, Bộ thu bức xạ: Có nhiệm vụ biến đổi năng lượng bức xạ hạt nhân thành điện năng. Bộ thu bức xạ dựa vào hiện tượng ion hoá chất khí khi cho tia phóng xạ đi qua nó hoặc dựa vào hiện tượng phát quang của một số chất dưới tác dụng của năng lượng bức xạ hạt nhân. Có 3 loại bình thu bức xạ: + Bình ion hoá + Máy đếm phóng điện trong chất khí + Máy đếm nhấp nháy. Hình 2.43a là đặc tính Von-Ampe của bình ion hoá và hình 2.43b cấu tạo của một bình ion hoá bằng tia α. Dòng quang điện thường rất nhỏ (cỡ 10-3 ÷ 10-7 µA). Điện áp đặt lên điện cực cao áp (vỏ bình) cỡ hàng nghìn Von, dòng điện ion lấy qua cực lưới được khuếch đại bằng bộ khuếch đại đo lường. Hình 2.43: Cấu tạo và đặc tính Vôn-Ampe của bình ion hoá Để tránh dòng điện dò, cách điện giữa cực lưới và vỏ (cực cao áp) phải đạt tới (108 ÷ 1013 MΩ), vì thế điện cực lưới được bọc bởi cực bảo vệ nối đất với mạch đo lường để thu dòng điện dò từ cực cao áp. Ứng dụng của các chuyển đổi ion hoá dùng để đo các đại lượng không điện như chiều dày lớp phủ bề mặt các chi tiết, đo di chuyển, đo áp suất (100 kN/m2 ÷ 0,1 N/m2), tốc độ dòng khí, tạp chất trong không khí… 2.8. CÁC CHUYỂN ĐỔI LƯỢNG TỬ: 99 100 Là loại chuyển đổi dựa trên hiện tượng vật lý hạt nhân nguyên tử. Ta hãy xét sau đây một loại chuyển đổi lượng tử phổ biến nhất, đó là chuyển đổi dựa trên hiện tượng công hưởng từ hạt nhân. Trong những năm 1960, giáo sư S.A.Spektor ở trường đại học Bách khoa Pêtecbua đã sử dụng hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân vào kỹ thuật đo lường. Nhờ đó việc đo cường độ từ trường cũng như các đại lượng khác có quan hệ với nó chẳng hạn như dòng điện lớn đã nâng cao được độ chính xác lên rất nhiều lần. 1. Nguyên lý làm việc của chuyển đổi: Ta biết rằng nhiều hạt nhân nguyên tử có chứa một mômen từ được gọi là dipol khí hiệu là µ và mômen khối lượng chuyển động được gọi là spin p. Tỷ số của các mômen ấy là γ=µ/p gọi là hệ số thuỷ từ của hạt nhân. Nó là một hằng số mà đại lượng của nó không phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài. 101 Hình 2.44: Chu n đổi lượng tử Nếu ta đặt vật liệu (ví dụ: nước nặng) trong một ống thí nghiệm. Sau đó đặt cả ống yể nghiệm vào trong một từ trường đều (hình 44a) có độ từ cảm B thì các mômen từ µ sẽ quay xung quanh vectơ B (hình 44b). Lúc đó mômen lực M tác dụng lên các mômen ừ µ được thể hiện bằng phươ g trình: t n BM µ= (2.127) còn ng tr h ch n động sẽ có dạng: phươ ìn uyể BM dt Pd µ== (2.128) g mặNhưn t khác: ω= P dt Pd (2.129) ần số quay của mômen từ xung quanh B. ω - là t Từ đó ta có: ω=µ PB Suy ra: B P B γ=µ=ω (2.130) ta tạo ra một t trườừ ng xoay chiều Nếu trong m ng ặt phẳng vuông góc với từ trườ B B′ có tần số cao cùng quay với mômen dipol thì khi vectơ BG ′ quay đồng bộ với các men từ dipol µ sẽ gây ra sự thay đổi của từ trường cao tần v ẽ xuất hiện mômen tác mô à s động lên dipol µ làm cho góc ϕ giữa B và µ thay đổi. Khi có sự cân bằng giữa tần số quay ω của mômen từ µ xung quanh B và ần số quay của vectơ t B′ sẽ sinh ra cộng hưởng. Đó là hiện tượng ng hưởng từ hạt nhân. Như vậy có thể xác định B theo giá trị tần số cộn cộ g hưởng ω và hệ số thuỷ từ γ. Hệ số γ đối p đo từ trường này phụ thuộc các yếu tố sau: 0,001% 05 ÷ 0,1% rong khi đó bằng các iệm (1) chứa một chất (ví dụ nước nặng D) đặt vào trong một cuộn dây đổi cộng hưởng từ hạt nhân với mỗi chất có thể xác định chính xác đến 0,001% còn sai số đo ω có thể đạt đến 0,001% bằng tần số kế chỉ thị số. Cho nên nếu sử dụng loại chuyển đổi này có thể đo độ từ cảm của từ trường với độ chính xác cao hơn hẳn các phương pháp thông thường khác. 2. Sai số: Sai số của phé + Sai số do tần số có thể đạt đến 0,001% + Sai số do việc xác định hệ số thuỷ từ là + Sai số do việc tìm điểm cộng hưởng có thể đạt 0, Do đó phép đo từ trường này có thể đạt đến sai số 0,1 ÷ 0,2%. T phương pháp thông thường sai số cỡ 1,5 ÷ 2%. 3. Mạch đo: Một ống ngh (2). Cuộn dây này cùng với điện dung C (có thể thay đổi được) tạo thành một máy phát cao tần LC. Ống nghiệm và cuộn dây được đặt trong một từ trường đều có độ từ cảm cần đo Bx của nam châm vĩnh cửu (4). (hình 2.45) Hình 2.45: Mạch đo của chuyển 102 103 Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân là lúc mà tần số quay của prôtôn (hạt hiệu điều chế 50Hz qua bộ điều chỉnh pha vào 2 bản cực Y của này được biểu diễn ở hình 2.46a tín hiệu điều chế 50Hz có chu kỳ là TM. ứ m ào 2 cực X của dao động ký ta có thể tách Hình 2.46: a, Tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân h dao động ký điện tử nhân Hyđrô) bằng tần số của máy phát cao tần ở một giá trị nào đó của độ từ cảm B. Ở trạng thái đó sẽ xảy ra sự mất mát năng lượng làm giảm biên độ dao động của máy phát. Để nhắc lại hiện tượng cộng hưởng và nhận được tín hiệu liện tục, từ trường không thay đổi Bx được điều chế bởi một từ trường xoay chiều có tần số thấp 50Hz bằng một cuộn dây phụ (3) đặt trong từ trường. Như vậy điện áp cao tần của máy phát cũng bị điều chế. Sau đó vào khuếch đại cao tần qua tách sóng vào khuếch đại âm tần và đi đến 2 bản cực Y của dao động ký điện tử. Mặt khác ta đưa tín dao động ký. Quá trình C ỗi chu kỳ TM điều kiện cộng hưởng được nhắc lại 2 lần. Vì khi tín hiệu điều chế đi qua điểm “0” giá trị B tại đó có cộng hưởng sẽ nhắc lại. Như thế trên màn hình của dao động kế sẽ xuất hiện 2 tín hiệu (hình 2.46b). Điều chỉnh pha của tín hiệu điều chế v thành 2 tín hiệu như hình 2.46b. Điểm giao nhau ở giữa Đ sẽ là điểm cộng hưởng. Khi điểm Đ đạt vị trí ở giữa màn hình của dao động ký thì ta đo tần số cao tần bằng tần số kế chỉ thị số. Từ đó theo công thức (2.123) ta tính được giá trị độ từ cảm Bx cần đo. b, Tín hiệu cộng hưởng trên màn hìn 104 4. Ứng dụng: ể trên được dùng để đo độ từ cảm của từ trường đều từ 0,005T trở đi. iới 0,5T ợc từ 1,0T trở đi. rộng rãi trong thực tế hân người ta còn sử dụng chuyển đổi cộng ưởn ức sau: Phương pháp k G hạn đo phụ thuộc vào hạt nhân nguyên tử của chất mà ta sử dụng. Ví dụ: Nếu hạt nhân là Hyđrô (H2) thì ta có thể đo từ trường đến Nếu dùng Li7 thì đo từ 0,5 ÷ 1,0T Nếu là nước nặng D thì có thể đo đư Ngoài việc đo từ trường, phương pháp này còn được sử dụng để đo dòng điện lớn. Trong lĩnh vực Y học, người ta sử dụng loại chuyển đổi này để chế tạo máy chụp cắt lớp (TURBOGRAPH) là loại máy hiện đại để phát hiện các khối u trong não hoặc trong cơ thể thay cho việc sử dụng tia X độc hại. 5. Chuyển đổi cộng hưởng từ điện tử: Ngoài chuyển đổi cộng hưởng từ hạt n h g từ điện tử. Trong chuyển đổi này phương pháp và thiết bị để tìm cộng hưởng giống như đối với chuyển đổi cộng hưởng từ hạt nhân. Hệ số thuỷ từ điện tử được tính theo công th Cm2 e=γ e dt (2.131) Trong đó: e: điện tích của điện tử cộng hưởng từ điện tử có: hơn cỡ 3 lần. + S ng từ điện tử lớn hơn cộng hưởng từ hạt nhân vì + C ừ điện tử cũng sử dụng để đo từ trường đều và các đại lượng liên me: khối lượng của điện tử C: tốc độ ánh sáng So sánh với cộng hưởng từ hạt nhân thì + Hệ số thuỷ từ lớn hơn gấp 103 lần và tần số cộng hưởng cũng lớn + Tín hiệu cộng hưởng từ điện tử cũng lớn hơn tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân vì thế mà có thể đo Bx nhỏ hơn (từ 1.10-5 ÷ 5.10-4T) mà phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân khó có thể đạt được. ai số của phương pháp cộng hưở độ rộng của cộng hưởng khá lớn do vậy mà việc tìm cộng hưởng vấp phải sai số lớn hơn. ộng hưởng t quan đến từ trường đều. CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN THÔNG MINH 3.1. SỰ RA ĐỜI CỦA CẢM BIẾN THÔNG MINH Cảm biến làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng đo phi điện thành điện trong các hệ thống thông tin đo lường và điều khiển. Đây là khâu cơ bản nhất quyết định sai số của hệ thống đo hay dụng cụ đo. Việc cải tiến các đặc tính kỹ thuật của cảm biến nhằm giảm thiểu các sai số của chúng vẫn luôn được quan tâm và nghiên cứu. Một trong những cách làm đem lại nhiều hiệu quả nhất hiện nay chính là việc áp dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử và tin học trong đo lường. Với những tính năng ưu việt mà các bộ vi xử lý, vi điều khiển (khi kết hợp chúng với các bộ cảm biến khác nhau) đem lại như: khả năng tự động chọn thang đo, tự động xử lý kết quả đo, thông tin đo và bù sai số... đã khiến cho xu hướng này được nhanh chóng ứng dụng một cách rộng rãi trên thế giới. Ngoài ra, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật chip điện tử, giá thành của chúng cũng không quá đắt thậm chí làm cho giá thành của các bộ cảm biến thông minh tăng lên không đáng kể so với các cảm biến thông thường khác. Việc kết hợp vi xử lý với các cảm biến thông thường tạo nên cảm biến thông minh với các ưu điểm vượt trội điển hình như: • Sử dụng đa chức năng, có thể đo nhiều đại lượng khác nhau với các khoảng đo khác nhau. • Có khả năng chương trình hoá với ý nghĩa là quá trình đo có thể theo một chương trình định trước, chương trình này có thể thay đổi bằng các thiết bị ghi chương trình. • Tự động xử lý kết quả đo: tự động khắc độ, tự động chọn thang đo, tự động bù sai số hệ thống và ngẫu nhiên, tự động bù ảnh hưởng các yếu tố khác nhau, tự động truyền kết quả đo lên cấp trên. 3.2. VI ĐIỆN TỬ HOÁ CÁC CHUYỂN ĐỔI SƠ CẤP Để nâng cao tính năng của các cảm biến, người ta đã cố gắng đưa công nghệ vi điện tử vào các chuyển đổi đo lường sơ cấp điển hình hoá chúng và nâng cao đặc tính kỹ thuật của chúng làm phần tử cơ bản của cảm biến thông minh. 1. Chuyển đổi điện trở: Người ta đã làm ra các nhiệt điện trở chính xác và thậm chí các cầu đo bằng kỹ thuật vi điện tử. Người ta cũng đã chế tạo ra các chuyển đổi điện trở lực căng bằng công nghệ này, nuôi cấy đa tinh thể trên đơn tinh thể được ứng dụng trong các cảm biến đo trọng lượng (cân), các áp kế (đo áp suất) và các hiệu áp kế (đo lưu 105 lượng). Người ta cũng đã chế tạo cả các điện trở bù nhiệt độ ngay trên các cảm biến để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ lên kết quả đo. Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng là ba đại lượng thường gặp nhất trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất. Các chuyển đổi điện trở lực căng này được nuôi cấy trên màng kim loại, vì thế không bị ảnh hưởng của hiện tượng trượt gây nên bởi công nghệ dán điện trở. 2. Chuyển đổi quang điện: Phôtô điốt, ôptrôn, ống dẫn quang với công nghệ vi điện tử sẽ đạt được kích thước nhỏ và hiệu quả cao. Optron kết hợp với cáp quang làm tăng hiệu quả của các phương pháp đo quang điện. Ví dụ: thiết bị đo tốc độ (optron tachometic) các quang kế, quang phổ kế, các máy so màu đo độ đục đã có kích thước giảm một cách đáng kể, dẫn đến giảm bớt kích thước mẫu thử và thậm chí có thể thực hiện phép đo tại chỗ trong cơ thể. Các cảm biến được kết hợp với khả năng xử lý của máy tính đã trở thành các thiết bị phân tích thông minh. 3. Công nghệ màng bán thấm có chọn lọc: Công nghệ này tạo ra được các chuyển pHmét với các khuếch đại bán dẫn trường ở đầu vào đạt kích thước không quá 1mm, cho phép linh hoạt hoá các phép đo pH với các yêu cầu khác nhau. Trong phân tích nồng độ vật chất, màng lọc có chọn lọc trở thành những bộ phận rất quý, các máy phân tích khí hậu hiện đại có độ chọn lọc cao với nồng độ thấp. Nghiên cứu các cảm biến đa chức năng với chuyển đổi sơ cấp điện tử là một nội dung của việc nghiên cứu để tạo ra các cảm biến thông minh. 3.3. XỦ LÝ SƠ BỘ KẾT QUẢ ĐO TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH Trong các cảm biến thông minh, người ta sử dụng khả năng tính toán của các bộ vi xử lý để nâng cao các đặc tính kỹ thuật của bộ cảm biến như: nâng cao độ chính xác, loại trừ sai số phi tuyến, bù ảnh hưởng của yếu tố môi trường... 3.3.1. Tự động khắc độ: Quá trình tự động khắc độ tiến hành như sau: Ban đầu, tiến hành đo các giá trị của đại lượng vào chuẩn để ghi vào bộ nhớ, sau đó đo các giá trị của đại lượng cần đo và bằng các công cụ toán học (thuật toán) có thể so sánh, gia công kết quả đo và loại trừ sai số. Công việc này được thực hiện cho từng cảm biến. Khi mắc cảm biến vào hệ thống, vi xử lý làm nhiệm vụ điều khiển tín hiệu chuẩn thay đổi, bộ nhớ sẽ ghi lại các giá trị ở đầu ra y của cảm biến một cách tương ứng. 106 Khi đo, đại lượng đo x tác động vào cảm biến tương ứng với giá trị nào của x thì bộ nhớ sẽ đưa ra giá trị tương ứng của tín hiệu chuẩn đã được ghi từ trước. Với cách làm đó, chúng ta có thể loại trừ được các sai số phi tuyến của đặc tính của cảm biến mà các dụng cụ số thông thường không làm được. Phương pháp này đòi hỏi các cảm biến phải hoàn toàn giống nhau để trong trường hợp hỏng hóc cần thay thế sẽ không gây ra sai số đáng kể. Nếu không, khi thay thế cảm biến mới không hoàn toàn giống thì phải tiến hành khắc độ lại. 3.3.2. Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn: Trường hợp đặc tính của tín hiệu x sau cảm biến là một hàm phi tuyến của đại lượng đo ξ, tức là x(ξ) là một hàm phi tuyến. Thay vì khắc độ đặc tính đo vào bộ nhớ như trên, ta có thể thay thế đặc tính x(ξ) bằng một đường gấp khúc tuyến tính hoá từng đoạn với sai số εo cho trước tức là sai số xấp xỉ hoá không vượt quá εo. Đó chính là phương pháp nội suy tuyến tính. Thuật toán lưạ chọn đoạn tuyến tính hóa như sau: • Ở giá trị ξo của đại lượng đo đường cong x(ξ) cho tương ứng một giá trị xo. xo được lưu lại trong RAM của vi xử lý • Ở giá trị ξ1 của đại lượng đo đường cong x(ξ) cho tương ứng một giá trị x1. x1 được lưu lại trong RAM của vi xử lý • Ở giá trị ξ2 của đại lượng đo đường cong x(ξ) cho tương ứng một giá trị x2. x2 được lưu lại trong RAM của vi xử lý • Tính tỷ số các số gia bậc một của đa thức nội suy Lagrange đi qua 2 điểm x )(x*1 ξ o, x1: o2 o2 o2 xx ),( ξ−ξ −=ξξ∇ • Tính giá trị của đa thức nội suy ở điểm ξ1: ))(,(x)(x o1o2o1*1 ξ−ξξξ∇+=ξ • Tính độ sai lệch ở điểm ξ1: )(xx)( 1*1111 ξ−=ξε • So sánh ε1(ξ1) với sai số đã cho εo. Nếu ε1(ξ1) < εo thì giá trị tín hiệu sẽ không được chấp nhận. 107 • Ở điểm ξ3 ta có x3 • Giá trị của x3 được lưu trong RAM • Tính tỷ số các số gia bậc một của đa thức nội suy Lagrange : )(x*2 ξ o3 o3 o3 xx ),( ξ−ξ −=ξξ∇ • Tính giá trị của đa thức nội suy ở các điểm ξ1, ξ2: ))(,(x)(x o1o3o1*2 ξ−ξξξ∇+=ξ ))(,(x)(x o2o3o2*2 ξ−ξξξ∇+=ξ • Tính độ sai lệch ở điểm ξ1, ξ2: )(xx)( 1*2112 ξ−=ξε )(xx)( 2*2222 ξ−=ξε • So sánh ε2(ξ1) và ε2(ξ2) với sai số đã cho εo. Nếu thì giá trị tín hiệu sẽ không được chấp nhận và không được coi là điểm cuối của đoạn tuyến tính hoá. ⎩⎨ ⎧ ε<ξε ε<ξε o22 o12 )( )( • Ở điểm ξk nào đó ta có xk và đa thức nội suy sẽ là: ))(,(x)(x ojokoj* 1k ξ−ξξξ∇+=ξ− ok ok ok xx ),( ξ−ξ −=ξξ∇ mà ta có oj* 1kjj1k )(xx)( ε≥ξ−=ξε −− đối với một điểm j nào đó, thêm vào đó 0 < j < k. • Khoảng nội suy lúc đó sẽ bằng: 108 okk ξ−ξ=ξ∇∆ Lúc đó giá trị xk sẽ được chấp nhận như là điểm cuối của đoạn thẳng của đường xấp xỉ hoá từng đoạn. • Với phép nội suy tuyến tính, quá trình hồi phục sẽ được tiến hành bằng cách nối liền các điểm bằng các đoạn thẳng: )( xx x)(x o ok ok o * ξ−ξξ−ξ −+=ξ Đoạn thẳng tiếp theo sẽ đi qua điểm ξk và giá trị của quá trình tuyến tính hoá từng đoạn. Một cách tổng quát: đoạn thẳng thứ i của đường gấp khúc có dạng: )(xxx)(x i i1i i1i i * k ξ−ξξ−ξ −+=ξ + + Để phục hồi các giá trị đo ta chỉ việc tính theo đối số ξ là các đại lượng đo được từ cảm biến. Các giá trị tính được theo đường nội suy tuyến tính luôn luôn đảm bảo sai số cho phép là ε )(x*i ξ o. 3.3.3. Gia công kết quả đo: Khi tính toán sai số ngẫu nhiên, người ta thường sử dụng các đặc tính của chúng, đó là kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương. Các đặc trưng thống kê này để đánh giá sai số của kết quả đo. Việc tính các đặc tính số này là nội dung cơ bản trong quá trình gia công kết quả đo. Để tính kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương ta phải có số lượng các phép đo rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế số lượng các phép đo n là có hạn, vì thế ta chỉ tìm được ước lượng của kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương mà thôi. Thường các ước lượng đối với các lượng đo vật lý có các tính chất cơ bản là các ước lượng có căn cứ không chệch và có hiệu quả. 3.4. CẤU TRÚC CỦA CẢM BIẾN THÔNG MINH Qua những phân tích về chuyển đổi sơ cấp, về các nội dung phải xử lý trong các hệ thống đo lường các đại lượng vật lý có thể suy ra cấu trúc của cảm biến thông minh sẽ bao gồm: • Các chuyển đổi sơ cấp dùng để biến đổi đại lượng cần đo thành đại lượng điện. Các đại lượng này có thể chính là đại lượng chủ cần thiết cho phép đo, cũng có thể là đại lượng ảnh hưởng dùng để loại trừ sai số do ảnh hưởng của chúng. • Các đại lượng điện sau đó được đưa qua các khâu chuyển đổi chuẩn hoá. 109 • Sau cùng được đưa vào bộ dồn kênh MUX và qua chuyển đổi A/D trước khi vào vi xử lý. Có 2 loại công nghệ: + Nếu các chuyển đổi là loại chuyển đổi sơ cấp bình thường thì các đầu ra của chúng được đưa vào một vi mạch công nghệ lai gồm các biến đổi chuẩn hoá, MUX, A/D và vi xử lý trong một khối có đầu nối liền máy tính cấp trên và bộ ghi chương trình cho EPROM. + Nếu các chuyển đổi là loại chuyển đổi thực hiện bằng công nghệ vi mạch thì cả chuyển đổi lẫn các phần tử gia công phía sau được để trong một khối công nghệ mạch lai. Các cảm biến thông minh dạng trên đã phát triển vì thế việc hệ thống hoá các cảm biến, chọn cấu trúc thế nào cho có tính linh hoạt cao, việc chương trình hoá được dễ dàng, đây là các nội dung cần nghiên cứu về cảm biến thông minh. 3.5. MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CẢM BIẾN THÔNG MINH 3.5.1. Cảm biến đo áp suất thông minh 4301: Cảm biến đo áp suất thông minh 4301 là một cảm biến áp suất đo từ xa, có thể sử dụng để đo cả áp suất, mức, lưu lượng (kết hợp với các bộ biến đổi khác). Cảm biến thông minh được chế tạo từ cảm biến điện dung. Thiết bị được chế tạo bằng công nghệ cao và tin cậy. Kỹ thuật số được áp dụng cho 4301 tạo ra khả năng truyền dữ liệu đi xa và dễ dàng ghép nối với các thiết bị ngoại vi giữa đối tượng đo và phòng điều khiển trung tâm của xí nghiệp công nghiệp. Sơ đồ khối của cảm biến thông minh được biểu diễn ở hình dưới đây. Cảm biến được sử dụng là cảm biến điện dung kiểu vi sai. Ở cảm biến này áp suất P1, P2 tác động lên 2 phía của cảm biến CH, CL (ở đây P1 ≥ P2). Khi P1 > P2 màng đàn hồi của cảm biến bị đẩy sang phía P2 tạo sự chênh lệch điện dung của 2 phía. Một phía điện dung tăng lên CH còn phía kia điện dung bị giảm CL. Đó là cảm biến kiểu vi sai. Sau khi mắc cảm biến vào mạch đo chuẩn hoá (MĐCH) tín hiệu phát ra dưới dạng tần số. Qua mạch cách ly bằng phôtôđiốt tín hiệu được đưa vào CPU. MUX được cài đặt 110 để ngoài tín hiệu đo còn đưa tín hiệu nhiệt độ môi trường vào để hiệu chỉnh sai số qua một cảm biến nhiệt độ sau đó qua A/D để đưa vào vi xử lý, RAM... trong CPU. CPU làm nhiệm vụ quản lý mọi thao tác của tất cả các khâu trong bộ cảm biến như tuyến tính hoá từng đoạn đường cong của cảm biến và truyền thông tin đi xa qua MODEM hoặc vào máy tính. Chương trình được cất giữ ở PROM bên trong vi xử lý khi thu thập số liệu, thông tin được nhớ vào RAM. Thông tin trong RAM sẽ bị mất khi ngắt nguồn vì vậy CPU có chứa thêm EEPROM để lưu trữ thông tin này. Ví dụ về thao tác này là quá trình khắc độ, sắp xếp và nhận biết cho ra số liệu đo. Một bộ EEPROM khác cũng được lắp đặt để ghi và đọc thông tin về độ chênh lệch áp suất và nhiệt độ môi trường. Bộ đầu ra OUTPUT thực hiện nhiệm vụ đưa thông tin ra dưới dạng tương tự (qua D/A-126A) dưới dạng dòng một chiều DC 4 – 20 mA hoặc ra chỉ thị số, hoặc truyền đi xa hay vào máy tính (thông qua MODEM EELL-202). Sử dụng MODEM để điều hcế tần số dạng mã ứng với mức “1” là tần số 1200Hz và ứng với mức “0” là tần số 2200Hz khi truyền tần số hoặc truyền dòng điện 1 chiều DC 4 – 20 mA. Nguồn cung cấp có dòng là 3,9mA. Tuỳ thuộc vào cách sử dụng, bộ cảm biến thông minh có thể có các chức năng sau: + Đo trực tiếp đại lượng đo x: sử dụng trong trường hợp đo áp suất, độ chênh áp suất và đo mức. + Đo căn bậc 2 của x ( x ): trong trường hợp đo lưu lượng với các chuyển đổi áp suất kiểu vi sai. + Đo căn bậc 2 của x3 ( 3x ): sử dụng cho trường hợp đo lưu lượng một kênh nước mở có tiết diện hình thang. + Đo căn bậc 2 của x5 ( 5x ): sử dụng cho trường hợp đo lưu lượng một kênh nước mở có tiết diện hình chữ V. + Tín hiệu áp suất được sắp xếp theo bảng biểu có 16 điểm hay biến đổi thành mức của một bể chứa hình trụ. + Quá trình diễn ra luôn được so sánh với một giá trị đặt trước (Setpoint). Sự sai lệch so với giá trị đặt sẽ được đưa vào điều khiển bởi thuật toán PID. + Quá trình hiệu chỉnh được thực hiện cho không những mức cao, mức thấp mà còn cho các chức năng khác như: đầu vào, đầu ra, các dạng thao tác, chỉ thị, điều chỉnh giá trị đặt, điều chỉnh các thông số của bộ PID... một cách tự động hoàn toàn. + ... 111 3.5.2. Cảm biến đo áp suất vi sai thông minh:(SMART 3000 - Honeywell) Đây là cảm biến áp suất vi sai (DPS - Differential Pressure Sensor) kết hợp với cảm biến áp suất tĩnh (SPS - Static Pressure Sensor) và một cảm biến nhiệt độ (TS – Temperature Sensor). Hai loại cảm biến sau để phân tích và phản ánh các đại lượng ảnh hưởng đến phép đo và hiệu chỉnh đại lượng cần đo là áp suất vi sai. Toàn bộ 3 cảm biến này nằm trong một hộp tiêu thụ dòng điện khoảng 4 – 20 mA. Việc trao đổi giữa cảm biến và nhân viên vận hành nhờ bàn phím. Sơ đồ như vẽ: 112 Khối cảm biến ở đây gồm 3 cảm biến DPS, SPS, TS; tiếp theo là bộ điều biến độ rộng xung PWM dùng để chuẩn hoá tín hiệu đo. Tiếp đến tín hiệu tương tự thu được sẽ được số hoá và xử lý thông qua bộ vi xử lý, vi điều khiển và bộ xử lý tín hiệu DSP (Digital Signal Processor) (bộ xử lý chuyên dùng này thường được dùng ở những nơi cần tăng cường khả năng tính toán. Chương trình của chúng thường chứa nhiều lệnh số học hơn các lệnh di chuyển dữ liệu hoặc xử lý vào ra). 3.6. THIẾT BỊ ĐO THÔNG MINH VÀ LINH HOẠT Cũng trên cơ sở của cảm biến thông minh người ta đã chế tạo ra các thiết bị đo linh hoạt và thông minh. Các thiết bị đo thông minh thường được dùng vào các hệ thống thông tin đo lường sau: • Hệ thống tự động nghiên cứu khoa học • Hệ thống tự động kiểm tra xuất xưởng và kiểm tra tiếp nhận hàng hoá • Hệ thống tự động phân tích nồng độ vật chất trong công nghiệp, sinh hoá, sinh học • Hệ chuẩn đoán kỹ thuật. Trong các hệ thống trên người ta đã giải quyết các vấn đề sau: 1. Menu hoá các chế độ đo lường: 2. Chuẩn độ tự động thiết bị: 3. Tự động lập chương trình thử nghiệm: Các thử nghiệm đều tuân thủ một trình tự thử, thu thập kết quả, xử lý và báo cáo theo một mẫu nhất định. Với một menu nhất định máy tự động lập trình thử, lấy số liệu và in kết quả đo. Các ví dụ thực tế về máy đo thông minh: 1. Máy TOC-5000: (hãng Shimadzu, Nhật Bản) Máy hoạt động dựa trên nguyên lý đốt và phân tích khí kiểu hồng ngoại. Khoảng đo 4.10-9 đến 4.10-3, sai số không vượt quá 1% đến 2% tuỳ theo chế độ làm việc. 113 Máy có các khả năng đo lường sau: • Phân tích TC (nồng độ cacbon toàn phần) • Phân tích IC (nồng độ cacbon vô cơ) • Phân tích TOC (nồng độ cacbon hữu cơ toàn phần) • Phân tích NPOC (nồng độ cacbon hữu cơ không sục) Trên cơ sở tín hiệu phân tích có thể thực hiện các nhiệm vụ: + Tự động hoá điều khiển van, lò, motơ... để thực hiện phép đo theo menu. + Tự động chọn chế độ tối ưu cho việc phân tích + Tự động chọn đường cong khắc độ thích hợp nhất cho việc phân tích + Tự động chọn khối lượng chất thử nghiệm thích hợp cho việc thử (4÷2500µl) + Tư động lặp lại phép đo 10 lần xử lý gia công ngẫu nhiên + Tự động tính toán diện tích các xung pick nhọn để suy ra nồng độ + Tự động trình bày kết quả dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo yêu cầu. 2. Máy 7457-5700A: (công ty Fluke, Mỹ) Máy có khả năng tự động kiểm tra các thiết bị đo: + Kiểm tra các multimet (vạn năng kế) tương tự hoặc số với các giải đo khác nhau. + Đo điện áp một chiều và xoay chiều (220mV đến 1100V) với sai số không lớn hơn 10 phần triệu. + Đo dòng điện một chiều và xoay chiều (220µA đến 2,2A) có thể mở rộng thang đo đến 11A. + Đo điện trở từ 1Ω đến 100MΩ. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Đức Chiến, Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú; Giáo trình cảm biến; NXB Khoa học và kỹ thuật. [2]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà; Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý ; NXB Giáo dục. [3]. Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân; Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển; NXB Khoa học và kỹ thuật. [4]. Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Tấn Nhơn, Ngô Văn Ky; Kỹ thuật đo; Đại học Bách Khoa TpHCM. [5]. Bùi Văn Yên ;Đo điện thực hành; NXB Hải Phòng. [6]. Dương Minh Trí ;Cảm biến và ứng dụng; NXB Khoa học và kỹ thuật. [7]. Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện; Vụ Trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề. [8]. Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú; Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử; NXB Khoa học và kỹ thuật. [9]. Bộ sách giáo trình Vật lý đại cương đã học trong giai đoạn đại cương. [10]. Manual for Theory; PEPPERL FUCHS company [11]. Jacob Fraden; Handbook of modern sensors; Springer [12]. Ian R. Sinclair; Sensor and Tranducers; Planta Tree [13]. Jon Wilson; Sensor technology handbook;Elsevier [14]. Thomas Putruzzelles;Alarm, Sensor & Security circuit Cookbook; Mc Graw-Hill