Chương IV: Các bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp potx

Ưu điểm của phương pháp điện để đo các đại lượng không điện:+ Độ nhạy của thiết bị có thể thay đổi được trong một phạm vi rộng của đại lượng đo.. - Phản tác dụng của chuyển đổi: thể hiện

Chương IV

Các bộ chuyển đổi

đo lường sơ cấp

Các bộ chuyển đổi đo lường

sơ cấp

4.1 Khái niệm chung

4.2 Các bộ chuyển đổi điện trở

4.3 Các chuyển đổi điện từ

4.4 Chuyển đổi tĩnh điện

4.5 Chuyển đổi nhiệt điện

4.1 Khái niệm chung

- Chuyển đổi đo lường là 1 thiết bị kĩ thuật

nhằm thực hiện một quan hệ đơn trị giữa hai đại lượng vật lý xác định với một độ chính

xác nào đó

- Chuyển đổi đo lường:

+ Chuyển đổi sơ cấp

+ Chuyển đổi chuẩn hóa

Ưu điểm của phương pháp điện để đo các đại lượng không điện:

+ Độ nhạy của thiết bị có thể thay đổi được

trong một phạm vi rộng của đại lượng đo

+ Đo được các đại lượng có tốc độ biến đổi

khác nhau

+ Cho phép tập trung hóa và truyền dữ liệu đi xa

- Các đặc tính của chuyển đổi đo lường sơ cấp

+Phương trình chuyển đổi:

Nếu Y = f(X) : tuyến tính  S = const

Nếu Y = f(X) : phi tuyến  S ≠ const

+Đại lượng chủ của chuyển đổi:

Đại lượng ra của chuyển đổi có thể phụ

thuộc vào nhiều đại lượng khác nhau, nhưng

nó chỉ phụ thuộc chủ yếu vào một đại lượng

x  x là đại lượng chủ của chuyển đổi

+Sai số: Yêu cầu sai số phải thỏa mãn yêu

cầu, giảm sai số càng nhỏ càng tốt

- Sai số cơ bản: sai số gây ra do nguyên lý

hoạt động của chuyển đổi, sự không hoàn

thiện của cấu trúc, công nghệ chế tạo không tốt…

- Phân loại dựa trên nguyên lý của chuyển đổi

sơ cấp:

+ Chuyển đổi điện trở

+ Chuyển đổi điện từ

+ Chuyển đổi tĩnh điện

+ Chuyển đổi nhiệt điện

+ Chuyển đổi hóa điện

+ Chuyển đổi lượng tử

…

- Phản tác dụng của chuyển đổi: thể hiện ở

tiêu hao năng lượng của đối tượng cần đo, tiêu hao năng lượng này được thể hiện ở

điện trở vào của chuyển đổi đo lường

- Kích thước, khối lượng của chuyển đổi:

thường yêu cầu phải phù hợp với ứng dụng, thường càng nhỏ càng tốt, như vậy mới đưa được đầu đo vào những nơi nhỏ hẹp để

4.2 Chuyển đổi điện trở

4.2.1 Chuyển đổi điện trở tiếp xúc4.2.2 Chuyển đổi biến trở

4.2.3 Chuyển đổi Tenzo

4.2.1 Chuyển đổi điện trở tiếp

xúc

1 Nguyên lý cơ bản:

các tiếp điểm, các tiếp điểm này dùng để

điều khiển mạch điện

Đại lượng chủ của chuyển đổi tiếp xúc là di

chuyển cơ học (sự chuyển rời).

Chuyển đổi nhiều giới hạn:

4.2.2 Chuyển đổi biến trở

1 Nguyên lý cơ bản

biến trở dẫn đến thay đổi điện trở đầu ra

Đại lượng chủ: sự di chuyển của con chạy ( di

chuyển dài hoặc di chuyển góc)

2 Các đặc tính

l

R ,

Rx, lx

- Quan hệ giữa điện trở

đầu ra của chuyển đổi

- Sai số rời rạc của chuyển đổi :

- Ngưỡng nhạy của chuyển đổi theo độ dịch chuyển của con chạy :

3 Mạch đo của chuyển đổi

a Mạch đo di chuyển thẳng

I

Rx

U x

R: Điện trở của toàn bộ biến trở

x: khoảng di chuyển của con chạy

I = f(x) là phi tuyến

I không biến thiên từ 0 trở đi  mạch này ít

được sử dụng

Thiết kế sao cho khi

chuyển đổi chưa làm

việc thì cầu cân bằng

Khi chuyển đổi làm việc thì R1 biến thiên một

4

V

U R U

d Ứng dụng

Chuyển đổi biến trở thường dùng để đo những

các di chuyển góc Ngoài ra chuyển đổi biến trở còn dùng để lấy các thông tin về lực, áp suất, mức chất lỏng …

4.2.3 Chuyển đổi tenzo

(điện trở lực căng)

1 Nguyên lý và cấu tạo

l R

4.3 Chuyển đổi điện từ

4.3.1 Chuyển đổi điện cảm

Chuyển đổi điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí

1 Tính năng của chuyển đổi điện cảm

Điện cảm của cuộn dây:

2

2

w L

Rµ

µ δ

w : số vòng dây

µ0 = 4 π 10 -7 : hệ số dẫn từ của không khí

δ : chiều dài khe hở không khí

s : tiết diện hiệu dụng của khe hở không khí

R µ : là từ trở của khe hở không khí

đổi chưa làm việc+ Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi

+ Độ nhạy của chuyển đổi khi δ thay đổi

0 0

0 2

0

0

2 0

−

=

∆+

µ δ

δ

L S

w

L S

∆ ≤

2 Mạch đo của chuyển đổi

F tác động  L thay đổi  Z thay đổi

 Modun dòng, áp trong mạch thay đổi

( mạch điều biên)

 Góc lệch pha giữa dòng và áp

(mạch điều pha)Trong thực tế, đối với chuyển đổi điện cảm, chủ yếu là sử dụng mạch cầu điều kiện biên

Mạch cầu vi sai dùng chuyển đổi điện cảm

+ Khi trục đo nằm ở vị trí cân bằng

δ1 = δ2 = δ0, Z1 = Z2 = Z

+ Khi trục đo lệch khỏi vị trí cân bằng

3 Sai số và ứng dụng

- Sai số của chuyển đổi điện cảm chủ yếu phụ thuộc vào mức độ ổn định của nguồn nuôi

trong mạch đo Ngoài ra, chuyển đổi điện

- Dùng để đo lực, đo di chuyển từ vài micromet đến vài chục cm

4.3.2 Chuyển đổi hỗ cảm

Chuyển đổi hỗ cảm là một chuyển đổi đại lượng

đo thành trị số hỗ cảm tạo thành sđđ hỗ cảm

1 Tính năng của chuyển đổi hỗ cảm

δ

+ Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi

2 Mạch đo của chuyển đổi

4.3.3 Chuyển đổi cảm ứng

Sinh viên tự học

4.4 Các bộ chuyển đổi tĩnh điện

4.4.1 Chuyển đổi điện dung

1 Nguyên lý làm việc

Chuyển đổi điện dung làm việc dựa trên

nguyên tắc tương hỗ giữa 2 bản cực, tạo

2 Tính năng của chuyển đổi điện dung

+ Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi

3 Ứng dụng

- Chuyển đổi điện dung có tiết diện thay đổi

dùng để đo di chuyển lớn và các di chuyển

góc

lượng động như tốc độ, lực

( trong bảo quản thực phẩm, chất hóa học…)

4.4.2 Chuyển đổi áp điện

1 Nguyên lý làm việc

Dựa trên nguyên lý hiệu ứng áp điện:

- Hiệu ứng áp điện thuận:

Vật liệu áp điện khi chịu tác dụng của lực cơ học biến thiên thì trên bề mặt của nó xuất

hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điện tích biến mất

- Hiệu ứng áp điện ngược:

Là sự thay đổi kích thước hình học của chất áp điện khi đặt nó trong từ trường

3 Ứng dụng

- Thường đo các đại lượng biến thiên nhanh

- Ưu điểm: kích thước nhỏ gọn, làm việc tin cậy

- Sai số thường do sự thay đổi thông số mạch

4.5 Chuyển đổi nhiệt điện

1 Khái niệm chung

- Chuyển đổi nhiệt điện việc dựa trên quan hệ của quá trình nhiệt với các yếu tố như nhiệt dẫn của môi trường, diện tích trao đổi nhiệt, tốc độ di chuyển của môi trường…

- Quán tính nhiệt lớn, quá trình quá độ kéo dài

- Việc đo lường, điều khiển nhiệt độ là một trong

những yếu tố quan trọng nhất trong điều khiển quá trình.

- Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được

quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất.

Có bốn phương pháp đo nhiệt độ dựa trên các đặc điểm vật lý sau:

- Sự giãn nở của các vật liệu theo nhiệt độ

- Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ

- Sự thay đổi nhiệt độ ở điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau

- Sự thay đổi năng lượng phát ra theo nhiệt độ

- Thang đo nhiệt độ:

Nhiệt độ Kelvin (K)

Celsius ( 0 C)

T ( 0 273,15

Nguyên lý làm việc là biến nhiệt độ thành sức

điện động

Vật liệu chế tạo đòi hỏi có tính chất:

quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện và nhiệt độ

là đơn trị, ổn định, bền cơ học và hoá học ở nhiệt

độ cao, dẫn nhiệt tốt.

2 Chuyển đổi nhiệt ngẫu

+Phương trình chuyển đổi của nhiệt ngẫu có

thể viết gần đúng như sau:

Et =At + Bt 2 + Ct 3

Trong đó: Et là sức điện động nhiệt điện, t

hiệu nhiệt độ giữa các đầu nóng và lạnh, A,

B, C các hằng số tuỳ thuộc vào vật liệu làm

cực

Độ nhạy của chuyển đổi nhiệt ngẫu :

Sai số chủ yếu gây ra do sự không ổn định nhiệt

độ đầu tự do (trong phòng thí nghiệm đầu tự do đặt trong nước đá đang tan, trong công nghiệp dùng các mạch ổn nhiệt) Để khắc phục người ta dùng nhiều phương pháp như sau:

+Hiệu chỉnh hệ số K trên từng đoạn của đường

cong đặc tính Et = f(t)

Biểu diễn quan hệ Et =f(t) với nhiệt độ đầu tự do t0

= 0 0 C, giả sử đầu công tác ở nhiệt độ tx, đầu tự do

ở nhiệt độ t0’ > t0 Lúc đó sức điện động nhiệt điện

sẽ nhỏ hơn khi nhiệt độ đầu tự do bằng t0 =0 0 C vì thế số chỉ của dụng cụ đo E’x sẽ nhỏ hơn một

∆ E =ET(t1, t0) – ET(t0, t0’)

Theo hình vẽ ta có:

(tx – tx’) = (t0’ – t0)

K ) t

' t

( '

α

Trong đó K =tg α /tg α ’ là hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ đầu

tự do Nếu đặc tuyến của nhiệt ngẫu là tuyến tính thì K

=1 K là hàm số của nhiệt độ t và do đó ở mỗi đoạn

CÆp nhiÖt

Hình 3.34 M ch hi u ch nh nhi t ạ ệ ỉ ệ độ đầ u

+Dùng thiết bị hiệu chỉnh tự động nhiệt độ đầu tự do

Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, điện trở(đồng, niken) thay đổi, cầu mất cân bằng và trên đường chéo của cầu xuất hiện một điện áp ∆ U Điện áp này bù cho lượng ∆ E

bị giảm khi môi trường có nhiệt độ khác 0 0 C.

Là vật dẫn hay bán dẫn có hệ số nhiệt độ lớn và được trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Vì điện trở của nó phụ thuộc vào nhiệt độ nên phụ thuộc vào cách trao đổi nhiệt giữa dẫn và môi trường Dựa vào quan hệ này người ta chế tạo thiết bị đo các đại lượng không điện khác nhau như nhiệt độ, vận tốc, lưu tốc, nồng độ v.v Nhiệt điện trở thường làm bằng dây mảnh có đường kính từ 0.02 ÷ 0.06mm, dài 5 ÷ 20mm Yêu cầu đối với vật liệu làm nhiệt điện trở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn định Điện trở xuất lớn

Có các loại nhiệt điện trở sau:

3.1 Nhiệt điện trở kim loại:

3 Nhiệt điện trở

Phương trình chuyển đổi của nhiệt điện trở đồng trong dải từ –50 ÷

180 0 C được xem là tuyến tính: Rt = R0(1+ α t)

Trong đó: R0 là điện trở của nhiệt điện trở tại 0 0 C,

t

) t (

R

+ τ

+ τ

Trong đó R1 và R2 là giá trị điện trở tại các nhiệt độ t1 và t2, τ =1/ α

là hằng số, với đồng thì τ = 234.

+ Nhiệt điện trở Platin

Nhiệt điện trở Platin cho phép nung đến 1200 0 C mà khôngbị oxy hoá, tuy nhiên qua hệ Rt =f(t) là phi tuyến

+Khi nhiệt độ từ 0 ÷ 660 0 C thì Rt =R0 (1+At +Bt 2 )

+Trong khoảng từ -180 ÷ 0 0 C thì Rt = (1+At +Bt +C(t-100 )3 )

A, B, C là các hằng số tra trong sổ tay kỹ thuật

+Khoảng nhiệt độ t < -180 0 C và t> 660 0 C thì quan hệ Rt =f(t)

được lập thành bảng.

+Nhiệt điện trở Niken

Nhiệt điện trở Niken thường dùng để đo nhiệt độ ≤ 300 0 C,

trong trường hợp này nó có đặc tính giống như nhiệt điện trở

đồng α = 5.10 -3 / 0 C

2 Nhiệt điện trở bán dẫn:

≈ T 0

1 T

1 0

R

R0 là điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối T0 =

0 0 K

β là hệ số phụ thuộc vào loại bán dẫn

Hình vẽ bên là đường cong RT =f(T)

của nhiệt điện trở bán dẫn và nhiệt điện

trở kim loại vẽ trên cùng hệ trục toạ độ

để so sánh.

(1) là của kim loại, (2) là của chất bán dẫn.

Hệ số nhiệt độ của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức α =- β T/T0

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ bán dẫn

Rt =Ae β/T

Trong đó: A là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích thước và hình dạng của nhiệt điện trở, B là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, T là nhiệt độ

tuyệt đối

Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thường khá lớn và có giá trị âm

α = (-2.5 ÷ 4).102/ 0 C

3.3 sai số và ứng dụng

Ngoài ra dòng điện chạy qua nhiệt điện trở cung gây

nóng và làm cho điện trở tăng gây ra sai số Mặt khác nhiệt điện trở được bọc ngoài bằng một vỏ thép nên bị tổn hao nhiệt và gây ra sai số.

Ứng dụng của chuyển đổi nhiệt điện dùng để đo nhiệt

độ, đo các đại lượng không điện như đo di chuyển, đo

áp xuất và dùng để phân tích thành phần nồng độ của một số hợp chất và chất khí.