Kỹ thuật đo lường 1 (phần 4) ppsx

Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật ño lường sơ cấp s Hình 4.1 Sơ ñồ cấu trúc của chuyển ñổi ño lường X: là tín hiệu vào thuộc nhiều ñại lượng khác

Trang 1

Chương 4 CÁC BỘ CHUYỂN ðỔI ðO LƯỜNG SƠ CẤP 4.1 Khái niệm chung

Trong sản xuất cũng như trong nghiên cứu khoa học, trong các quá trình công

nghệ mới, hay các quá trình sản xuất phức tạp hoặc trong công nghiệp hiện ñại liên

quan ñến việc ño lường các ñại lượng vật lý như cơ học, hoá học, quang học, nhiệt

học Các thiết bị ño hiện ñại không chỉ tác dụng lên giác quan con người mà còn dùng

vào việc tự ñộng thu thập số liệu truyền kết quả ñó ñi xa, tính toán không cần sự tham

gia của con người hay tự ñộng ñiều khiển một quá trình nào ñó Do ñó trên quan ñiểm

kỹ thuật quá trình ño trong các thiết bị hiện ñại là biến ñổi những tin tức về ñại lượng

ño thành dạng nào ñó thích hợp nhất ñối với con người hoặc máy móc ở trình ñộ phát

triển của kỹ thuật

Ưu ñiểm của phương pháp ñiện ñể ño các ñại lượng không ñiện như sau:

+ Có thể thay ñổi ñộ nhạy của thiết bị một cách ñơn giản trong phạm vi rộng của ñại

lượng ño vì vậy cho phép có những thiết bị vạn năng có thể thu thập ñược những thông

tin rất bé và rất lớn Kỹ thuật ñiện tử cho phép khuếch ñại lên hàng ngàn lần, vì vậy ñộ

nhạy của thiết bị tăng lên rất nhiều

+ Các thiết bị ñiện có quán tính nhỏ, có dải tần số rộng Vì vậy không chỉ ño

ñược các ñại lượng không ñiện biến ñổi chậm mà còn có thể ño ñược những ñại lượng biến

ñổi nhanh mà các phương pháp khác không ño ñược

+ Có khả năng ño từ xa, cho phép tập trung hoá và cùng một lúc có thể ño ñược

nhiều ñại lượng khác nhau về số lượng và tính chất, cho phép truyền kết quả ño trên

khoảng cách lớn

+ Có khả năng liên hợp các thiết bị ño và ñiều khiển tự ñộng những khối thiết bị

cùng kiểu

Vai trò quan trọng ñầu tiên trong việc thu thập thông tin ño là các bộ chuyển ñổi ño

lường hay còn gọi là các bộ cảm biến, sensor

4.1.1 ðịnh nghĩa về chuyển ñổi ño lường

Chuyển ñổi ño lường là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm ñơn trị giữa hai ñại

lượng vật lý với một ñộ chính xác nhất ñịnh

Chuyển ñổi ño lường sơ cấp là một khâu chức năng biến một tín hiệu không ñiện

thành tín hiệu ñiện

Trang 2

Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật

ño lường sơ cấp (s)

Hình 4.1 Sơ ñồ cấu trúc của chuyển ñổi ño lường

X: là tín hiệu vào thuộc nhiều ñại lượng khác nhau Y: là tín hiệu ra thông thường là tín hiệu ñiện Phương trình của chuyển ñổi là: Y = f(X)

Quan hệ của hàm này có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, tuy nhiên trong kỹ

thuật người ta cố gắng chọn ñiểm làm việc trên ñoạn tuyến tính của quan hệ ñó ñể

nâng cao ñộ chính xác của phép ño

4.1.2 Các ñặc tính của chuyển ñổi ño lường sơ cấp

ðại lượng chủ

Khi làm việc mỗi chuyển ñổi chịu ảnh hưởng của ñồng thời nhiều ñại lượng tác

dụng, song nó chỉ tiếp thu một ñại lương gọi là ñại lượng chủ của chuyển ñổi

Ví dụ như ñiện trở của chuyển ñổi, biến trở chịu ảnh hưởng nào ñó của ñiện trở

dây quấn, ñộ ẩm của lõi…nhưng ñại lượng chủ của chuyển ñổi là di chuyển của con

chạy

ðặc tính của chuyển ñổi

Quan hệ trên xảy ra các trường hợp:

+ Quan hệ (4-1) là tuyến tính

Y

S = X gọi là ñộ nhạy của chuyển ñổi ðộ nhạy này thường có thứ nguyên rất

khác nhau phụ thuộc vào bản chất của các ñại lượng vào ra, (trên thực tế ñể có ñược ñặc

tính ấy người ta có thể tính toán giải tích hoặc bằng phương pháp thực nghiệm)

+ Quan hệ trên là phi tuyến

Người ta khắc phục bằng cách tuyến tính hoá quan hệ ñó bằng các mạch ñiện tử

hoặc dùng các thuật toán thực hiện gia công bằng máy tính, vi xử lý…

+ Quan hệ trên là ña biến

Thực tế ñại lượng ta của chuyển ñổi không những phụ thuộc vào X (ñại lượng

chủ) mà còn phụ thuộc vào ñiều kiện bên ngoài Z: Y =f(X, Z) ; với X là ñại lượng

chủ Vậy khi xét tới ñầu ra của chuyển ñổi ta phải cố ñịnh ñiều kiện Z, giá trị nhỏ nhất

của ñại lượng vào X mà chuyển ñổi có thể phát hiện ñược một cách chắc chắn gọi là

ngưỡng ñộ nhạy

Biên soạn: PGS.TS Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 69

Version1 - Tháng 8 năm 2009

Trang 3

Sai số

ðặc tính quan trọng nhất của chuyển ñổi là sai số:

+ Sai số cơ bản: là sai số gây ra do nguyên tắc của chuyển ñổi, sự không hoàn thiện của

cấu trúc, yếu kém về mặt công nghệ chế tạo Theo tính chất biểu hiện ta có thể chia

thành 1 số dạng sai số cơ bản như sau:

- Sự lệch có hệ thống của ñường ñặc tính ñối với hàm ñã lý tưởng hoá

- Sự phụ thuộc của ñường ñặc tính vào chiều sâu của ñại lượng vào, tức là tính trễ

hay còn gọi là sự biến hình

- Sự sai lệch của ñường ñặc tính ñối với nhiễu

- ðộ lệch gây ra bởi sự chọn không tốt các tham số của ñặc tính chuẩn tức là sai số

do khắc ñộ

+ Sai số phụ:

Gây ra do các ñiều kiện bên ngoài khác ñiều kiện tiêu chuẩn như là ñiện áp

nguồn, nhiệt ñộ, từ trường, ñộ chấn ñộng v.v

Chuyển ñổi là khâu ñầu tiên ñể lấy thông tin từ ñối tượng, phục vụ cho các hệ

thống thông tin ño lường, hệ thống ñiều khiển tự ñộng do vậy việc giảm sai số có ý nghĩa

quan trọng

Phản tác dụng của chuyển ñổi lên ñối tượng ño

Phản tác dụng của chuyển ñổi thể hiện ở tiêu hao năng lượng của ñối tượng cần ño,

tiêu hao năng lượng này ñược thể hiện ở ñiện trở vào của chuyển ñổi ño lường

4.1.3 Phân loại chuyển ñổi sơ cấp

Phân loại dựa trên nguyên lý của chuyển ñổi

- Chuyển ñổi ñiện trở: là chuyển ñổi mà ñại lượng không ñiện X ñược biến thành ñại

lượng ra Y là ñiện trở của chuyển ñổi

- Chuyển ñổi ñiện từ: là chuyển ñổi mà ñại lượng không ñiện X làm thay ñổi các

thông số của mạch từ như: L, M, ñộ từ thẩm , từ thông …

- Chuyển ñổi tĩnh ñiện: ñại lượng không ñiện X làm thay ñổi ñiện dung C hay ñiện

tích của nó

- Chuyển ñổi hoá ñiện: ñại lượng không ñiện X làm thay ñổi ñiện dẫn hay sức ñiện

ñộng hoá ñiện, ñiện cảm…

- Chuyển ñổi nhiệt ñiện: ñại lượng không ñiện X làm thay ñổi sức ñiện ñộng

nhiệt ñiện hay ñiện trở ñầu ra của nó

Phân loại theo tính chất của nguồn ñiện

Trang 4

- Chuyển ñổi phát ñiện: ñại lượng không ñiện sẽ làm thay ñổi tín hiệu ñầu ra là E, U, I,

Q v.v

- Chuyển ñổi thông số: ñầu ra của chuyển ñổi là các ñại lượng R, L, C, M Lúc ñó cần

thêm các nguồn ñiện phụ thì mới biến ñổi thành các ñại lượng U, I

4 2 Chuyển ñổi ñiện trở

4.2.1 Chuyển ñổi ñiện trở tiếp xúc

1 Nguyên lý cơ bản

Chuyển ñổi ñiện trở tiếp xúc là 1 chuyển ñổi ño lường trong ñó di chuyển cơ học

ñược biến thành sự thành sự ñóng mở các tiếp ñiểm, các tiếp ñiểm này dùng ñể ñiều

khiển mạch ñiện ðại lượng chủ của chuyển ñổi tiếp xúc là sự chuyển rời Chuyển ñổi tiếp

xúc ñơn giản nhất là chuyển ñổi có 1 giới hạn và một cặp tiếp ñiểm như hình vẽ trên, sự

ñóng mở tiếp ñiểm do sự di chuyển của cần ño

C

1 Hình 4.2 Chuyển ñổi tiếp xúc một giới hạn

Ví dụ: khi tăng kích thước của sản phẩm 1, thanh trượt 2 di chuyển làm cho phần tử

tiếp xúc gắn trên thanh 3 ñược tiếp xúc với 4 ðiện trở tiếp xúc của 3 và 4 thay ñổi từ Rtx =

 thành Rtx  0

Khi kiểm tra kích thước sản phẩm người ta thường dùng chuyển ñổi nhiều giới hạn

như hình vẽ sau:

Hình 4.3 Chuyển ñổi tiếp

Trang 5

Tiếp ñiểm là bộ phận qua trọng nhất của chuyển ñổi tiếp xúc, vật liệu cấu tạo và sự

chế tạo cũng như chế ñộ làm việc của nó sẽ quyết ñịnh ñến ñộ chính xác, ñộ tin cậy và

tính ổn ñịnh của chuyển ñổi theo thời gian Sai số ñóng cắt của chuyển ñổi này là 1  2m

2 Yêu cầu ñối với mạch ño

ðể tránh hồ quang và tia lửa ñiện ñảm bảo ñộ bền cho các tiếp ñiểm thì công suất

trong mạch lấy tín hiệu phải nhỏ hơn 150mW Vì vậy với các phần tử lấy tín hiệu, phần tử

ño hoặc thừa hành nếu như công suất nhỏ hơn 150mW thì có thể nối trực tiếp với chuyển

ñôỉ Nếu các phần tử thừa hành công suất lớn thì ta phải nối qua mạch khuyếch ñại

4.2.2 Chuyển ñổi biến trở

1 Nguyên lý cơ bản

Chuyển ñổi biến trở là một biến trở

mà con chạy của nó di chuyển tương ứng

với ñại lượng không ñiện cần ño ðại lượng

chủ của chuyển ñổi là sự di chuyển của con

chạy, có thể là di chuyển dài hoặc di

chuyển góc còn ñại lượng ra là ñiện trở

R, l

R x , l

x

Hình 4.4 Chuyển ñổi biến trở

ðiện trở này biến thiên theo một quy luật nào ñó phụ thuộc vào ñường ñi của con

chạy Quan hệ giữa ñại lượng ra và ñại lượng vào là: R = f(Xv)

2 ðộ nhạy và ñộ chính xác

ðây là chuyển ñổi bậc thang vì sự biến thiên liên tục của ñại lượng vào tương

ứng với sự biến ñổi bậc thang của ñiện trở ra ðây là nguyên nhân gây ra sai số

Chuyển ñổi biến trở chỉ có thể phát hiện ra sự biến thiên ñiện trở bằng ñiện trở của một

vòng dây tương ứng với sự di chuyển bằng khoảng cách giữa hai vòng dây kế tiếp

Ta gọi ñiện trở toàn phần của chuyển ñổi là R, số vòng dây là w

ðiện trở nhỏ nhất có thể phát hiện ñược là r =

nhạy của chuyển ñổi theo ñiện trở

Rw

, và R = r ñược gọi là ngưỡng

Nếu chiều dài của chuyển ñổi là l thì ñộ di chuyển bé nhất có thể phát hiện ñược là

Trang 6

Trang 7

Ta nhận thấy muốn giảm sai số thì ta cần phải tăng số vòng dây w Ngài ra

chuyển ñổi này còn mắc sai số phi tuyến là 0.1  0.3% và sai số nhiệt ñộ là 0.1% /10 0C

Sai số phi tuyến sinh ra do khi chuyển ñổi làm việc thì tiết diện của dây ñiện trở bị mòn khi

con chạy di chuyển

3 Mạch ño của chuyển ñổi

R0: Tổng trở ñầu vào của mạch lấy tín hiệu

R: ðiện trở của toàn bộ biến trở

x: khoảng di chuyển của con chạy

Hình 4.5 Mạch ño di chuyển thẳng

Dòng ñiện trong mạch tỷ lệ nghịch với Rx, ta thấy quan hệ I = f(x) trên là phi

tuyến, dòng ñiện không biến thiên từ 0 trở ñi cho nên mạch này ít ñược sử dụng

b Mạch phân áp

Ta có:I 

RR x

UR

R

Chuyển ñổi biến trở thường dùng ñể ño những di chuyển thẳng kích thước từ 2

3mm hoặc các di chuyển góc Ngoài ra chuyển ñổi biến trở còn dùng ñể lấy các

thông tin về lực, áp xuất, mức chất lỏng

Trang 8

Trang 9

4.2.3 Chuyển ñổi tenzo (ñiện trở lực căng)

1 Nguyên lý và cấu tạo

a Nguyên lý:

Nguyên lý làm việc của chuyển ñổi này dựa trên hiệu ứng tenzo, có nghĩa là sự

thay ñổi của ñiện trở dây dẫn khi dây dẫn bị biến dạng cơ học

Ta biết rằng ñiện trở của dây dẫn ñược tính theo công thức sau: R = 

l S

biến thiên hình học của chuyển ñổi,

dẫn Ta có thể viết gọn như sau:

K: hệ số ñặc trưng cho hiêu ứng tenzo của các vật liệu Khi thiết kế và tính toán

hệ số K có thể tra trong các sổ tay kỹ thuật ứng với từng loại vật liệu cụ thể hoặc nó ñược

ghi ngay trên bề mặt của chuyển ñổi

b Cấu tạo

Chuyển ñổi tenzo trong công nghiệp thường có 3 loại là chuyển ñổi tenzo dây

mảnh, lá mỏng và màng mỏng Tuy nhiên phổ biến nhất là chuyển ñổi dây mảnh có cấu

tạo như hình vẽ sau:

Trang 10

Tấm giấy mỏng loại bền 1

Dây ñiện trở tenzo 2 có ñường

kính 0.02  0.05mm dán lên tấm

giấy mỏng 1 ðầu dây của ñiện trở

ñược nối với dây dẫn bằng ñồng 3

a

l0Hình 4.7 Cấu tạo của chuyển ñổi tenzo dây

Phía trên thường ñược phủ bằng sơn hoặc dán một tấm giấy lên ñể cố ñịnh sau ñó

người ta ghi các thông số của chuyển ñổi sau:

R0 : ðiện trở của chuyển ñổi khi chưa có biến dạng I:

Dòng ñiện cho phép

K: Hệ số ñộ nhạy

l0: Chiều dài tác dụng của chuyển ñổi (thường bằng 0.8  15 mm)

2 Mạch ño của chuyển ñổi tenzo

Các chuyển ñổi tenzo thường dùng với mạch cầu 1 chiều, xoay chiều hoặc mạch phân áp

a Mạch cầu 1 nhánh hoạt ñộng

P1

R4 R1=RT

R2=RT0 Hình 4.8 Mạch cầu một nhánh hoạt ñộng

Trong mạch này người ta dùng hai chuyển ñổi cùng loại ñặt ở hai nhánh của cầu,

trong ñó 1nhánh không làm việc ñể bù nhiệt và do ñó mạch này sẽ loại trừ ñược sai số do

nhiệt ñộ

+ Khi chuyển ñổi chưa làm việc tức là P1=0 Lúc ñó ta phải chế tạo và hiệu

chỉnh sao cho cầu ở trạng thái cân bằng, tức là R1R2 = R3R4

Trang 11

R1 = RT0, R2 =RT0 với RT0 là ñiện trở của chuyển ñổi khi chưa làm việc +

Khi P1  0 làm cho R1 biến thiên, tức là: R1 = Rt =RT0(1 +  RT)

Trong ñó  RT = R là biến thiên tương ñối của ñiện trở RT

Nếu ñảm bảo R3 = R4 thì Ura  0,25UR/RT0;

b Mạch cầu hai nhánh biên thiên ngược chiều

nhau

Mạch này có ñộ chính xác cao

hơn, hai náh của cầu ñược dán ñiện

trở tenzo và cùng hoạt ñộng ngược

chiều nhau ðiện áp ra của mạch

cầu tăng gấp hai lần, khả năng bù

nhiệt tốt hơn, sai số do nhiệt ñộ bị

Chuyển ñổi tenzo ñược ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật dùng ñể ño lực biến

dạng, lực mômen, gia tốc, áp xuất Do cấu tạo ñơn giản, có kích thước nhỏ nên các

chuyển ñổi tenzo ñược dùng ñể ño trên các chi tiết có nhiều hình dạng khác nhau của

máy móc và thiết bị Có thể dùng ñể ño các biến thiên nhanh như ñộ chấn ñộng ðể

giảm sai số ñòi hỏi phải có một công nghệ dán và vị trí dán thích hợp , lúc ñó sai số có

thể giảm  5%

Trang 12

4.3 Các bộ chuyển ñổi ñiện từ

Là chuyển ñổi trong ñó ñại lượng không ñiện (thường là các di chuyển thẳng hay góc ) dẫn

ñến thay ñổi ñiện cảm, hỗ cảm hoặc xuất hiện sức ñiện ñộng cảm ứng ở cuộn dây

4.3.1 Chuyển ñổi ñiện cảm

Chuyển ñổi ñiện cảm là chuyển ñổi biến ñổi giá trị ñại lượng ño thành trị số ñiện cảm

1 Một số loại chuyển ñổi thường gặp

Hình 4.10 Một số chuyển ñổi ñiện cảm thường gặp

-Hình a là chuyển ñổi ñơn khá phổ biến, dưới tác dụng của ñại lượng cơ học P ví

dụ như lực, áp xuất, sự di chuyển v.v sẽ làm thay ñổi khe hở không khí  nên làm thay

ñổi từ trở toàn bộ mạch từ Như vậy sẽ làm thay ñổi tổng trở Z cũng như ñiện cảm L

của cuộn dây

Hình b, c dưới tác dụng của ñại lượng cơ học P sẽ làm thay ñổi khe hở không khí 

Chuyển ñổi này thường dùng ñể ño những di chuyển từ 5  20mm hoặc di chuyển góc

Hình d là chuyển ñổi làm thay ñổi dòng ñiện xoáy, gồm một cuộn dây không lõi thép

ñược mắc vào ñiện áp có tần số rất cao(cỡ vài Mhz) Khi ta di chuyển tấm kim loại hoặc

vòng dây ngắn mạch sẽ làm thay ñổi tổn hao từ trong cuộn dây, do vậy ñiện cảm L của

cuộn dây cũng thay ñổi theo Hình a, b, c, d còn gọi là chuyển ñổi ñiện từ ñơn

Hình e là chuyển ñổi làm thay ñổi khe hở không khí kiểu vi sai, gồm hai cuộn dây

giống hệt nhau Khi chuyển ñổi chưa làm việc thì:

Trang 13

1 = 2 =0, Z1 = Z2 =Z0

Nếu chuyển ñổi làm việc thì: 1  2, Z1 = Z0  Z, Z2 = Z  Z

2 Tính năng của chuyển ñổi ñiện cảm

Nếu ta bỏ qua từ trở của mạch từ thì:

w: là số vòng dây, 0 = 4.10-7 là hệ số dẫn từ của không khí,  là chiều dài khe hở

không khí, S tiết diện hiệu dụng của khe hở không khí, R là từ trở của khe hở không khí

Vậy L phụ thuộc vào S và , sự biến thiên của L theo S và  như sau:

Ta có: dL  L

S

LdS d

Trong ñó S0, 0 là giá trị ban ñầu của S và  khi chuyển ñổi chưa làm việc +ðộ

nhạy của chuyển ñổi khi tiết diện thay ñổi (= 0 =const)



Ta thấy ñộ nhạy của chuyển ñổi phụ thuộc vào 0

Nhận xét: ðộ nhạy của chuyển ñổi khi S thay ñổi bằng hằng số, còn khi  thay

ñổi thì phụ thuộc vào 



0, vậy quan hệ giữa L=f() là phi tuyến Thực tế cho thấy

Trang 14

Trang 15

L = f()



0 Chuyển ñổi ñơn

Chuyển ñổi vi sai

Hình 4.11 Quan hệ giữa ñiện cảm và sự biến thiên  của chuyển ñổi ñiện cảm

3 Mạch ño của chuyển ñổi

Sự biến thiên ñiện cảm sẽ làm biến thiên trở kháng trong toàn mạch Mạch ño có

nhiệm vụ biến ñổi tiếp tín hiệu thành ñại lượng ñiện ñủ lớn ñể có thể phát ra các tín

hiệu khống chế một cách chắc chắn, biến thiên ñiện cảm trong mạch có thể dẫn ñến

biến thiên về biên ñộ hoặc pha hoặc tần số của ñiện áp hay dòng ñiện ñầu ra Mạch ño

có tên tương ứng là mạch ñiều biên, ñiều pha hoặc ñiều tần Ta sẽ nghiên cứu mạch

thông dụng là mạch ñiều biên Mạch này thường là mạch cầu vi sai như sau:

Z1, Z2 là trở kháng của chuyển ñổi vi sai

ñổi ñiện cảm

+Khi trục ño lệch khỏi vị trí cân bằng tức là 1 và 2 biến thiên ngược nhau 1

lượng là , khi ñó Z1 và Z2 cũng biến thiên một lượng là Z làm xuất hiện ñiện áp ra trên

ñường chéo cầu

4 Ưu nhược ñiểm và ứng dụng

Nhược ñiểm của chuyển ñổi ñiện cảm là phản tác dụng lên ñối tượng ño rất lớn

Tuy nhiên nó vẫn ñược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ñể ño các di chuyển từ vài

Định dạng
Số trang	31
Dung lượng	643 KB