Ví dụ như: hiệu ứng nhiệt điện; quang điện; hóa điện; cộng hưởng từ hạt nhân … vì vậy mà độ chính xác, độ nhạy, tính tác động nhanh của các chuyển đổi đo lường không chỉ phụ thuộc vào cá
Trang 1BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ Thiết bị cảm biến đo lường truyền thông công nghiệp và ứng dụng vào việc
giám sát, điều hành quá trình sản xuất
GV TS Bùi Đình Thanh
Bộ môn Điện khí hóa- trường ĐH Mỏ địa chất
1 Các khái niệm cơ bản về cảm biến
Kỹ thuật cảm biến đã có từ rất lâu, cho đến ngày nay nó càng ngày càng phát triển và hoàn thiện Trong các hệ thống tự động điều khiển, các hệ thống thông tin đo lường, các hệ thống cảnh báo giám sát … đều không thể thiếu các thiết bị cảm biến Trong các hệ thống này bộ cảm biến thường dùng để biến đổi một đại lượng không điện thành đại lượng điện để
dễ dàng đo, kiểm tra và giám sát
1.1. Chuyển đổi đo lường
Là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa 2 đại lượng vật lý với 1 độ chính xác nhất định
Như vậy chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ 1 đại lượng vật lý này sang 1 đại lượng vật lý khác Mối quan hệ hàm giữa chúng có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến Tuy nhiên trong kỹ thuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển đổi đo lường tuyến tính nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo
Thông thường tín hiệu vào của các chuyển đổi đo lường là các đại lượng không điện
và đầu ra của nó là đại lượng điện Đa số các chuyển đổi đều dựa trên các hiệu ứng vật lý Ví
dụ như: hiệu ứng nhiệt điện; quang điện; hóa điện; cộng hưởng từ hạt nhân … vì vậy mà độ chính xác, độ nhạy, tính tác động nhanh của các chuyển đổi đo lường không chỉ phụ thuộc vào các thành tựu khoa học mà còn phụ thuộc vào công nghệ chế tạo chúng
1.2. Cảm biến
Khi chuyển đổi đo lường được đặt trong một vỏ có kích thước và hình dáng khác nhau phù hợp với vị trí đặt của điểm đo thì được gọi là cảm biến (sensor, đầu đo hay dattrik)
Ví dụ: cảm biến nhiệt độ bao gồm chuyển đổi cặp nhiệt bên trong, bao bọc bên ngoài
là ống kim loại được cách điện với chuyển đổi bởi các vật liệu cách điện và cách nhiệt
1.3. Sai số của cảm biến
Có 2 loại sai số của cảm biến:
Trang 2- Sai số cơ bản của cảm biến là sai số gây ra do nguyên lý của chuyển đổi, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo
- Sai số phụ của cảm biến là sai số gây ra do sự biến động của điều kiện bên ngoài khác với điều kiện tiêu chuẩn
Để nâng cao độ chính xác của phép đo hay dụng cụ đo người ta cố gắng nâng cao độ chính xác của các cảm biến vì đây chính là khâu cơ bản trong thiết bị đo
1.4. Độ nhạy của cảm biến
Độ nhạy của cảm biến được xác định theo biểu thức:
X
Y dX
dY k
trong đó: X - độ biến thiên của đại lượng (tín hiệu) đầu vào;
Y
- độ biến thiên của đại lượng (tín hiệu) đầu ra;
Khi độ nhạy của cảm biến càng cao thì cảm biến càng có khả năng bắt nhạy với những biến động nhỏ của mạch tín hiệu
1.5. Phân loại cảm biến
Có nhiều cách phân loại cảm biến, ta xét một số trường hợp cụ thể sau
a) phân loại theo nguyên lý của chuyển đổi
+ Cảm biến điện trở: sự thay đổi của đại lượng không điện cần đo tỷ lệ với giá trị điện trở của cảm biến
+ Cảm biến điện từ: là cảm biến làm việc theo nguyên lý về lực điện từ Đại lượng không điện X làm thay đổi các thông số của mạch từ: điện cảm L, hỗ cảm M, từ thông …
+ Cảm biến tĩnh điện: là cảm biến làm việc dựa trên các hiện tượng tĩnh điện Đại lượng không điện X làm thay đổi điện dung C hay điện tích của nó
+ Cảm biến hóa điện: là cảm biến làm việc dựa trên các hiện tượng hóa điện Đại lượng không điện X làm thay đổi điện dẫn Y, sức điện động hóa điện
+ Cảm biến nhiệt điện: là cảm biến làm việc dựa trên các hiện tượng nhiệt điện Đại lượng không điện X làm thay đổi sức điện động nhiệt điện hay điện trở của nó
+ Cảm biến điện tử và ion: là cảm biến có chuyển đổi, dưới tác dụng của đại lượng không điện làm thay đổi dòng điện tử hay dòng ion của nó
+ Cảm biến lượng tử: là cảm biến dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân hay công hưởng từ điện tử
Trang 3b) phân loại theo tính chất nguồn
+ Cảm biến phát điện: là loại cảm biến có đại lượng ra là điện áp U, sức điện động E, dòng điện I Còn đại lượng đầu vào là các đại lượng không điện cần đo
+ Cảm biến thông số: là loại cảm biến có đại lượng ra là các thông số điện như: R, L
… Còn đại lượng đầu vào là các đại lượng không điện cần đo
c) phân loại theo phương pháp đo
+ Cảm biến có chuyển đổi biến đổi trực tiếp: với loại này đại lượng không điện được trực tiếp biến đổi thành đại lượng điện
+ Cảm biến có chuyển đổi bù: đại lượng không điện cần đo X được bù bởi đại lượng cùng loại Xb
2 Các cảm biến đo nhiệt độ
Trong tất cả các đại lượng không điện, nhiệt độ là 1 trong số những đại lượng được quan tâm nhiều nhất Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hằng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết
Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”
Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà chúng ta trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần
tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này (bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt)
Một nguyên tắc đặt ra là: Tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cần đo
Cảm biến nhiệt độ được chia thành các loại như sau:
- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple );
- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector );
- Thermistor;
- Bán dẫn ( Diode, IC ,….);
- Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc (hỏa kế- Pyrometer), dùng hồng ngoại hay lazer
Trang 42.1 Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ).
- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu (đầu nóng- cho tiếp xúc với môi trường đo), đầu còn lại được để tự do (đầu lạnh- nối vào mạch đo)
- Tầm đo: -100 0C <1400 0C
- Ứng dụng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao
- Nguyên lý làm việc: Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt
độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này
để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp
- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, đây chính là nguyên nhân gây ra độ không chính xác, để giải quyết điều này cần phải bù trừ cho nó (thực hiện bằng cách offset ngay trên bộ điều khiển)
Lưu ý khi sử dụng:
- Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này không nên nối thêm dây (vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều)
- Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng (đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo) Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị
- Vì tín hiệu cho ra là điện áp (có cực âm và dương) do vậy cần chú ý ký hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng
Trang 5Hình cặp nhiệt điện
2.2 Nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector)
- Cấu tạo của RTD: gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo
Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD
- Nguyên lý làm việc: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất
định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200,
500, 1000 Ώ tại 00C Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây
Lưu ý khi sử dụng:
- Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số
- Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với cặp nhiệt điện (Thermocouple) Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này (hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu) và có thể đo test bằng VOM được
- Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây
Cảm biến dạng RTD
2.3 Thermistor
Trang 6- Cấu tạo: Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột oxit kim loại: mangan, niken
… Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi
- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo
- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp
- Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử
- Tầm đo: 50 ÷1500C
Cấu tạo Thermistor.
- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi
- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC
- Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50÷1500C do vậy người
ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt Trong các Block làm lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ
Lưu ý khi sử dụng:
- Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( hay được gọi là thường đóng/ thường hở) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM
- Nên ép chặt vào bề mặt cần đo
- Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ
- Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây
Trang 7Các loại thermistor thường gặp.
2.4 Cảm biện nhiệt bán dẫn
- Cấu tạo: Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn Có các loại như Diode, Transistor, IC
- Nguyên lý: Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường
- Ưu điểm: Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, dễ chế tạo,
độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,…
- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền
- Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử
- Tầm đo: -50 ÷1500C
Cấu tạo cảm biến nhiệt bán dẫn
- Hiện nay hay sử dụng các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch
Trang 8IC cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến nhiệt dạng Diode
- Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”
IC cảm biến nhiệt DS18B20
Lưu ý khi sử dụng:
- Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến
- Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được
sự chính xác
- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất
có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh
2.5 Nhiệt kế bức xạ (còn gọi là hỏa kế- pyrometer).
- Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được (lò nung thép, hóa chất
ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)
- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích
để cho ra nhiệt độ của vật cần đo
- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học
- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt
- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo
- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền
- Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung
- Tầm đo: -54 ÷10000F
Trang 9Lưu ý khi sử dụng:
- Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên
đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao Và vì đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần
đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh ( góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường )
Các loại hỏa kế
Trang 103 Các cảm biến đo khí mêtan
Trong bầu không khí mỏ hầm lò, khả năng xảy ra cháy nổ khí mêtan sẽ xảy ra khi mà nồng độ của nó nằm trong khoảng từ (5%÷14%) Như vậy cần phải kiểm tra thường xuyên hàm lượng khí mêtan và có biện pháp thông gió để làm sạch bầu không khí trong mỏ
Để đo nồng độ khí mêtan hiện nay người ta phổ biến dùng loại đầu đo hoạt động dựa trên nguyên tắc đốt cháy không ngọn lửa khí mêtan (ôxy hóa) trên bề mặt của phần tử tác dụng xúc tác và việc đo đo nhiệt lượng tỏa ra khi đó (đo đốt xúc tác) Cấu tạo của loại cảm biến này được giới thiệu như hình vẽ dưới đây, bao gồm: 1 sợi dây platin cuốn hình lò xo đặt chìm bên trong ôxit nhôm
Hình 3.1 Cấu tạo của cảm biến xúc tác
Cảm biến 1 được lắp vào một nhánh với một phần tử khác không nhạy với chất khí cần phân tích 2 mắc ở nhánh kề với cảm biến (mục đích để bù nhiệt) (hình 3.2) Cả 2 phần tử được đặt trong buồng phản ứng, 2 phần tử này được đốt nóng (trực tiếp hoặc gián tiếp) đến nhiệt độ (450÷800)0C Hỗn hợp khí phân tích được bơm vào buồng phản ứng, nếu trong hỗn hợp khí cần phân tích có chứa khí mêtan sẽ diễn ra sự ôxy hóa mêtan trên bề mặt dây platin của cảm biến, làm cho nhiệt độ bề mặt nó tăng lên, do đó điện trở nó cũng tăng lên (số gia điện trở của chuyển đổi tỷ lệ với nồng độ % khí mêtan) làm cho cầu mất cân bằng Vì vậy chỉ cần xác định được điện trở của cảm biến sẽ xác định được nồng độ khí mêtan
Tùy theo quy mô khai thác và đặc điểm thoát khí của mỏ, cảm biến được bố trí trên luồng gió thải (và có thể cả luồng gió vào của các lò chợ), lò chuẩn bị của cả khu vực khai thác, tại các trạm biến áp di động trong lò Số lượng cảm biến cần lắp đặt tùy thuộc vào diện khai thác, công nghệ khai thác, cấp nguy hiểm về khí
Trang 11Hình 3.2 Cầu đo của cảm biến xúc tác
4 Các cảm biến đo khí CO
Để đo nồng độ khí CO sử dụng cảm biến điện – hóa Cảm biến gồm có 2 điện cực chính được đặt vào một dung dịch điện phân Một cực được gọi là cực làm việc, tại cực này xảy ra các phản ứng ôxi hóa giữa dung dịch điện phân với chất khí cần được xác định nồng độ tạo ra các điện tích tự do e và các ion Cực thứ 2 sẽ tạo ra phản ứng giữa ion được tạo ra ở cực kia với các chất ngoài không khí để trung hòa điện tích trong dung dịch và đồng thời nó sẽ có dòng điện do electron tự do của phản ứng ôxi hóa Xác định được giá trị dòng điện này sẽ xác định được nồng
độ khí đưa vào Loại cảm biến này thích hợp để đo nồng độ khí CO, H2S …
Phương trình phản ứng hóa học diễn ra khi cảm biến làm việc:
CO+ H2O→ CO2+ 2H+ + 2e
-Tại cực thứ 2 các ion H+ sẽ tác dụng với ôxi ngoài không khí tạo thành nước Điện tích e của phản ứng tạo ra dòng điện, dòng điện này tỷ lệ với lượng khí CO đưa vào Như vậy, qua việc đo dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí CO cần tìm
V
n V
n
CO 22,4 CO 22,4 e
Trong đó: V- thể tích của hỗn hợp khí đưa vào (đã biết)
nCO- số phần tử CO
ne- số phần tử điện tích tự do
