thiết kế và chế tạo thiết bị tự động báo sự cố áp lực dầu bôi trơn động cơ đốt trong bằng vi điều khiển

Dầu trong hệ thống bôi trơn được bơm đẩy đến các bề mặt ma sát với áp suất nhất định, do đó hoàn toàn có thể đủ lưu lượng để đảm bảo bôi trơn, làm mát và tẩy rửa bề mặt ma sát.. Vì vậy,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY SẢN

KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN ĐỘNG LỰC TÀU THUYỀN

-oOo -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG BÁO SỰ CỐ ÁP LỰC DẦU BÔI

TRƠN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN

Ngành : CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TÀU THUYỀN

Mã ngành : 18.06.10 Mã LVTN : 8 / ĐATN / 43 CKDL GVHD : TS NGUYỄN THẠCH SVTH : LÊ VĂN ĐOÀN

MSSV : 43S1013 Lớp : 43DLTT- SG

Nha Trang –6/2006

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÔI TRƠN VÀ HỆ THỐNG

TỰ ĐỘNG BÁO SỰ CỐ TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1

1.1 HỆ THỐNG BÔI TRƠN 1

1.1.1.Chức năng, nhiệm vụ, yêu cầu 1

1.1.2 Phân loại 2

1.1.3 Một số hệ thống bôi trơn điển hình 2

1.1.3.1 Hệ thống bôi trơn cacte ướt 2

1.1.3.2 Hệ thống bôi trơn cacte khô 4

1.1.4 Bơm dầu 5

1.1.4.1 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài 5

1.1.4.2 Bơm phiến trượt 6

1.1.5 Lọc dầu 7

1.1.5.1 Bầu lọc cơ khí 7

1.1.5.2 Bầu lọc ly tâm 10

1.2 CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁO SỰCỐ 11

1.2.1 Các hệ thống báo áp suất dầu 12

1.2.1.1 Hệ thống đèn chỉ báo áp suất dầu 12

1.2.1.2 Hệ thống đồng hồ chạy điện 13

1.2.1.3 Đồng hồ điện tử 13

1.2.1.4 Đồng hồ kĩ thuật số 14

1.2.2 Các hệ thống báo nhiệt độ nước làm mát động cơ 14

1.2.2.1 Hệ thống đèn chỉ báo 14

1.2.2.2 Đồng hồ chạy điện 15

1.2.3 Các hệ thống báo nhiên liệu 17

1.2.3.1 Đồng hồ nhiên liệu từ tính 17

1.2.3.2 Đồng hồ nhiên liệu tĩnh nhiệt 18

Chương 2: CẢM BIẾN VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 20

2.1 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG 20

2.1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung 20

2.1.2 Cảm biến tích cực 21

2.1.3 Cảm biến thụ động 23

2.1.4 Các đại lượng ảnh hưởng 24

2.1.5 Mạch đo 24

2.1.6 Sai số của phép đo 25

2.1.7 Chuẩn cảm biến 26

2.1.7.1 Chuẩn đơn giản 26

2.1.7.2 Chuẩn nhiều lần 26

2.1.8 Độ nhạy 27

2.1.8.1 Định nghĩa 27

2.1.8.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh 28

2.1.9 Độ tuyến tính 28

2.1.9.1 Điều kiện để có tuyến tính 28

2.1.9.2 Đường thẳng tốt nhất – độ lệch tuyến tính 29

2.1.10 Độ nhanh – thời gian hồi đáp 29

2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 29

2.2.1 Thang nhiệt độ 30

2.2.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo 31

2.2.2.1 Nhiệt độ đo được 31

2.2.2.2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn 31

2.2.3 Đo nhiệt độ bằng điện trở 31

2.2.3.1 Điện trở kim loại 32

2.2.3.2 Nhiệt điện trở 34

2.2.3.3 Điện trở silic 35

2.2.4 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt 36

2.2.4.1 Đặc trưng chung – độ nhạy nhiệt 36

2.2.4.2 Các hiệu ứng nhiệt điện 37

2.2.4.3 Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo 39

2.3 CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT 41

2.3.1 Áp suất và đơn vị đo áp suất 41

2.3.2 Nguyên tắc đo 42

2.3.2.1 Chất lưu không chuyển động 42

2.3.2.2 Chất lưu chuyển động 43

2.3.3 Vật trung gian 45

2.3.4 Phương pháp chuyển đổi tín hiệu 46

2.3.4.1 Chuyển đổi bằng biến thiên trở kháng 46

2.3.4.2 Chuyển đổi tín hiệu bằng điện dung 48

2.3.4.3 Chuyển đổi bằng dao động cơ điện 50

2.4.VI ĐIỀU KHIỂN 53

2.4.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển 53

2.4.2 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển 54

2.4.3 Bộ vi điều khiển MCU 55

2.4.4 Bộ xử lý trung tâm CPU 57

2.4.5 Các loại bộ nhớ 58

2.5 GIỚI THIỆU VỀ VI XỬ LÝ AT89C51 58

2.5.1 Cấu trúc vi điều khiển 58

2.5.2 Chức năng của từng chân của vi xử lý 8951 60

2.5.3 Tổ chức bộ nhớ 62

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG BÁO SỰ CỐ

ÁP LỰC DẦU BÔI TRƠN 66 3.1 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU 66

3.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 66

3.1.1 Chọn cảm biến 66

3.1.2 Chọn vi điều khiển 67

3.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 68

3.2.1 Thiết kế bộ cảm biến 69

3.3.2 Thiết kế sơ đồ mạch 70

3.2.2.1 Thiết kế mạch nguồn 70

3.2.2.2 Thiết kế mạch tạo âm thanh khi có sự cố 71

3.2.2.3 Hiển thị tín hiệu trên đèn Led 7 đoạn 72

3.2.2.4 Sơ đồ mạch tổng quát 72

3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 74

3.3.1 Lưu đồ giải thuật 74

3.3.2 Viết chương trình phần mềm 75

3.5 TÍCH HỢP HỆ THỐNG 77

3.4.1 Mục đích 77

3.4.2 Nạp chương trình phần mềm cho AT89C51 77

3.6 LẮP RÁP VÀ ĐIỀU CHỈNH 78

3.7 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 79

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triền của công nghệ vi điện tử kĩ thuật số các hệ thống điều khiển dần dần được tự động hoá với những kĩ thuật tiên tiến như: vi xử lý, vi mạch số nhằm thay thế các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ tốc độ xử lý chậm, ít chính xác bằng hệ thống điều khiển tự động với các chương trình đã được thiết lập trước Điều này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng con người khỏi những nơi làm việc độc hại

Trong quá trình sản suất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay tất cả các thiết bị làm việc tự động đều sử dụng các bộ vi xử lý hoặc các bộ vi điều khiển để thay thế các cụm rơle cơ điện cồng kềnh không linh hoạt, độ tin cậy thấp Điều này giúp ta biết được tình trạng làm việc của các bộ phận, cơ cấu của máy móc đồng thời có thể ghép nối với máy tính dễ dàng và có thể điều khiển từ xa giúp người vận hành có thể phát hiện và xử lý kịp thời, tránh được những hư hỏng và sự cố đáng tiếc xảy ra

Để tạo tiền đề cho việc tiếp cận với một lĩnh vực khoa học đang còn rất mới đồng thời để củng cố kiến thức kiến thức đã được học Nay tôi quyết định chọn đề

tài: ”Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động báo sự cố áp lực dầu bôi trơn động cơ đốt trong bằng vi điều khiển” Qua quá trình nghiên cứu và tìm hiểu nay tôi đã

hoàn thành đề tài này với các nội dung chính sau

- Tổng quan về hệ thống bôi trơn và hệ thống tự động báo sự cố trên động cơ đốt trong

- Cảm biến và vi điều khiển

- Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động báo sự cố áp lực dầu bôi trơn

Trong suốt quá trình thực hiện mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức, thời gian, tài liệu có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong quý thầy cô và các bạn góp ý để đề tài hoàn thiện hơn

Nhân đây, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Thạch đã tận tình hướng dẫn, cung cấp cho tôi nhiều tài liệu, ý kiến cũng như thông tin giá trị trong quá trình thực hiện đề tài Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Đoàn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÔI TRƠN VÀ

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁO SỰ CỐ TRÊN

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 HỆ THỐNG BÔI TRƠN 1.1.1.Chức năng, nhiệm vụ, yêu cầu

Máy đốt trong được tạo ra bởi các hệ thống, cơ cấu, mối ghép… Khi làm việc, các bộ phận có chuyển động tương đối với nhau Tại bề mặt liên kết giữa chúng sẽ nảy sinh ma sát và hao mòn Người ta đưa chất bôi trơn vào các bề mặt chịu ma sát

ấy, tạo ra môi trường có lợi cho ma sát và hao mòn Các chất bôi trơn thường dùng trong máy đốt trong là dầu mỡ, graphit… Nó cho phép thay đổi loại ma sát và hao mòn Như vậy, chức năng của bôi trơn là điều khiển ma sát và hao mòn của máy Chức năng: hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ giảm ma sát và hao mòn của máy

Do vậy, nó làm tăng hiệu suất, tuổi thọ và tính tin cậy của máy khi sử dụng

Ngoài ra, bôi trơn còn có nhiệm vụ khác như: làm mát, làm sạch, làm kín, giảm tiếng ồn, giảm rung động…

Tuy nhiên, khi làm mát cho mối ghép, bôi trơn đã tăng bền và tính chống dính, chống tróc bề mặt ma sát… tác động có lợi cho ma sát và hao mòn

Yêu cầu:

Chất bôi trơn phải phù hơp với máy đốt trong, phù hợp với nhiệm vụ, chế độ

và điều kiện làm việc của cơ cấu, hệ thống, mối ghép… mà nó phải bôi trơn Chất bôi trơn phải dễ kiếm, có đủ lượng dùng, giá thành có thể chấp nhận được, lại không độc hại Bền vững về tính chất bôi trơn, không hoặc ít tạo cấn, tạo bọt, không hoặc ít bị phân giải, không gây nổ, gây cháy…

Chất bôi trơn phải đưa tới nơi cần bôi trơn một cách liên tục, đều đặn, với lưu lượng, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) tính chất xác định và có thể kiểm tra, điều chỉnh

và điều khiển được

Các thiết bị, bộ phận của hệ thống bôi trơn phải đơn giản dễ sử dụng, tháo lắp, kiểm tra sửa chữa, điều chỉnh… có khả năng tự động hóa cao nhưng giá thành vừa phải

1.1.2 Phân loại

* Theo cánh đưa dầu về bề mặt bôi trơn

- Vung tóe

- Nhỏ giọt (có chu kì, tự động và không có chu kì không tự động)

- Cưỡng bức áp suất thấp, áp suất cao (tuần hoàn hoặc không tuần hoàn)

- Kết hợp đồng thời các phương pháp trên

* Theo cách chứa dầu trong động cơ, có các loại sau:

- cacte ướt

- cacte khô

1.1.3 Một số hệ thống bôi trơn điển hình

Hầu hết các hệ thống động cơ ngày nay đều sử dụng phương pháp bôi trơn cưỡng bức Dầu trong hệ thống bôi trơn được bơm đẩy đến các bề mặt ma sát với áp suất nhất định, do đó hoàn toàn có thể đủ lưu lượng để đảm bảo bôi trơn, làm mát

và tẩy rửa bề mặt ma sát

Thông thường, tùy theo vị trí chứa dầu, hệ thống bôi trơn cưỡng bức phân thành hai loại là hệ thống bôi trơn cácte ướt và hệ thống bôi trơn cácte khô

1.1.3.1 Hệ thống bôi trơn cacte ướt

Trong hệ thống này, (Hình 1.1) toàn bộ lượng dầu của động cơ chứa trong cacte của động cơ

Bơm dầu được dẫn động từ trục khuỷu hay trục cam Dầu trong cacte 1 được hút vào bơm phao hút dầu 2, phao 2 có luới chắn để lọc sơ bộ những tạp chất có kích thước lớn Ngoài ra phao có khớp tùy động nên luôn luôn nổi trên mặt thoáng

để hút được dầu, kể cả khi động cơ bị nghiêng Sau bơm dầu có áp suất cao chia thành hai nhánh Một nhánh đến két 12, tại đây dầu được làm mát rồi trở về cacte Nhánh kia đi qua bầu lọc thô 5 đến đường dầu chính 8 Từ đường dầu chính, dầu theo đường nhánh 9 đi bôi trơn trục khuỷu sau đó lên bôi trơn đầu to thanh truyền

và chốt piston và theo đường nhánh 10 đi bôi trơn trục cam … Cũng như đường dầu chính một đường dầu 15-20% lưu lượng của nhánh dẫn đến bầu lọc tinh 11 Tại đây, những phần tử tạp chất rất nhỏ được giữ lại nên dầu được loc rất sạch Sau khi

ra khỏi lọc tinh với áp suất còn lại nhỏ, dầu chảy trở về cacte 1

Van an toàn 4 của bơm dầu có tác dụng giữ cho áp suất dầu không đổi trong phạm vi tốc độ vòng quay làm việc của động cơ

Hình 1.1 Hệ thống bôi trơn cácte ướt

1 cacte dầu, 2 phao hút dầu, 3.bơm, 4 van an toàn bơm dầu, 5 bầu lọc thô,

6 van an toàn, 7 đồng hồ áp suất dầu, 8 đường dầu chính, 9 đường dầu bôi trơn trục khuỷu, 10 đườmg dầu bôi trơn trục cam, 11 bầu lọc tinh, 12 két làm mát dầu,

13 van khống chế lưu lượng dầu qua két làm mát, 14 đồng hồ báo nhiệt độ dầu,

15 nắp rót dầu, 16 thước thăm dầu

Khi bầu lọc bị tắc, van an toàn 6 của bầu lọc sẽ mở, phần lớn dầu sẽ không qua lọc thô lên thẳng đường dầu chính đi bôi trơn, tránh hiện tượng thiếu dầu cung cấp đến các bề mặt cần bôi trơn

Khi nhiệt độ dầu lên cao quá (khoảng 800C), do độ nhớt giảm, van khống chế lưu động 13 sẽ đóng hoàn toàn để dầu qua két làm mát rồi trở về cacte

Khi động cơ làm việc, dầu bị hao hụt do bay hơi và các nguyên nhân khác nên phải thường xuyên kiểm tra lượng dầu trong cacte bằng thước thăm dầu 16 Khi mức dầu ở dưới cần bổ sung thêm dầu

Do toàn bộ dầu bôi trơn chứa trong cacte nên cacte phải sâu để có dung tích chứa lớn, do dó làm tăng chiều cao động cơ Ngoài ra dầu trong cacte luôn luôn tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao từ buồng cháy lọt xuống mang theo hơi nhiên liệu

và hơi axit làm giảm tuổi thọ của dầu

1.1.3.2 Hệ thống bôi trơn cacte khô

Hệ thống bôi trơn cácte khô (Hình 1.2) khác cơ bản với hệ thống bôi trơn cacte ướt ở chỗ, hệ thống có thêm 1 đến 2 bơm làm nhiệm vụ chuyển dầu sau khi bôi trơn rơi xuống cacte, từ cacte qua két làm mát 13 ra thùng chứa 3 bên ngoài cacte động cơ Từ đây dầu được bơm lấy đi bôi trơn giống như ở hệ thống bôi trơn cacte ướt

Hình 1.2 Hệ thống bôi trơn cácte khô

1 cacte dầu, 2 bơm chuyển, 3.thùng dầu, 4 lưới lọc sơ bộ, 5 bơm dầu đi bôi trơn, 6 bàu lọc thô, 7 đồng hồ áp suất dầu, 8 đường dầu chính, 9 đường dầu bôi trơn trục khuỷu, 10 đườmg dầu bôi trơn trục cam, 11 bầu lọc tinh, 12 đồng hồ áp suất dầu, 13 két làm mát dầu

Do phần lớn lượng dầu được chứa ở thùng 3 ngoài cacte động cơ nên hệ thống bôi trơn cacte khô khắc phục được những nhược điểm của hệ thống bôi trơn cacte ướt Cụ thể là cacte không sâu nên động cơ thấp hơn, tuổi thọ dầu được kéo dài nên chu kì thay dầu dài hơn Ngoài ra động cơ có thể làm việc lâu dài ở dịa hình dốc mà không sợ thiếu dầu do phao không hút được dầu Tuy nhiên, hệ thống này phức tạp hơn vì có thêm bơm chuyển Hệ thống bôi trơn cacte khô thường được sử dụng cho động cơ diesel lắp trên máy ủi, xe tăng, máy kéo, tàu thủy …

1.1.4 Bơm dầu

Để tạo áp suất cao đưa dầu đi bôi trơn, phải dùng bơm thể tích như: bơm bánh răng, bơm trục vít, bơm phiến gạt, bơm piston…

1.1.4.1 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài được trình bày trên hình 1.3 là một kiểu bơm tuy đơn giản nhưng rất thông dụng Bánh răng chủ động 4 được dẫn động từ trục khuỷu hay trục cam Khi cặp bánh răng quay, dầu bôi trơn từ đường dầu áp suất thấp được guồng sang đường dầu áp suất cao theo chiều mũi tên Để tránh hiện tượng chèn dầu giữa các răng khi vào ăn khớp, trên mặt dầu của nắp bơm có phay rãnh triệt áp 3 Van an toàn gồm lò xo 10 và bi cầu 11 khi áp suất trên đường ra vượt quá giá trị cho phép, áp lực dầu thắng sức căng lò xo 10 mở bi 11 để tạo ra một dòng dầu chảy ngược về với áp suất thấp Đối với kiểu bơm này, lưu lượng và hiệu suất phụ thuộc rất nhiều vào khe hở hướng kính giữa đỉnh răng với thân bơm và khe

hở trục giữa mặt đầu bánh răng và nắp bơm

Hình 1.3 Bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài

1 thân bơm, 2 bánh răng bị động, 3 rãnh giảm áp, 4 bánh răng chủ động, 5 đường dầu ra, 6 đường dầu vào, 7 đệm làm kín, 8 nắp van điều chỉnh, 9 tấm đệm điều chỉnh, 10 lò xo, 11 van bi

1.1.4.2 Bơm phiến trượt

Bơm phiến trượt có sơ đồ kết cấu như Hình 1.4 Rôto 5, lắp lệch tâm với thân bơm 1, có các rãnh lắp các phiến trượt 3 khi rôto quay, do lực ly tâm và lực ép của

lò xo 7, phiến trượt 3 luôn tì sát bề mặt vỏ bơm tạo thành không gian kín và do đó guồng dầu từ đường áp suất thấp 2 sang đường dầu áp suất cao 4 bơm phiến trượt

có ưu điểm rất đơn giản, nhỏ gọn, nhưng đồng thời cũng có nhược điểm cơ bản là mài mòn bề mặt tiếp xúc giữa phiến trượt và thân bơm rất nhanh

Bầu lọc thấm được dùng rất rộng rãi cho động cơ đốt trong Nguyên lý làm

việc của bầu lọc thấm như sau: dầu có áp suất cao chui qua (thấm qua) các khe hở nhỏ của phần tử lọc Các tạp chất có kích thước lớn hơn kích thước khe hở sẽ được giữ lại Vì vậy, dầu được lọc sạch Bầu lọc thấm có nhiều dạng kết cấu phần tử lọc khác nhau

Bầu lọc thấm dùng lưới lọc bằng đồng (Hình 1.5) thường được dùng trên động

cơ tàu thủy và động cơ tĩnh tại Lõi lọc gồm các khung lọc 5 bọc bằng lưới đồng ép sát trên trục của bầu lọc Lưới đồng dệt rất dày có thể lọc sạch tạp chất có kích thước 0.1 - 0.2 mm

Hình 1.5 Bầu lọc thấm dùng luới lọc

1 thân bầu lọc, 2 đường dầu vào, 3 nắp bầu lọc, 4 đường dầu ra, 5 phần tử lọc, 6 lưới của phần tử lọc

Hình 1.6 Bầu lọc thấm dùng tấm kim loại

1 nắp bầu lọc, 2 đường dầu ra, 3 thân bầu lọc, 4 đường dầu vào, 5 phiến lọc, 6 phiến gạt, 7 phiến cách

Bầu lọc thấm dùng tấm kim loại ( Hình 1.6), có lõi lọc gồm các phiến kim

loại dập 5 (dày khoảng 0,3 – 0,5 mm) và 7 sắp xếp xen kẽ nhau tạo thành khe lọc có kích thước bằng chiều dày phiến cách 7 (khoảng 0,07 đến 0,08 mm) Các phiến gạt cặn 6 có cùng chiều dày với phiến cách 7 và được lắp với nhau trên một trục cố

định trên nắp bầu lọc Còn các tấm 5 và 7 được lắp trên trục 8 có tiết diện vuông và

có tay vặn nên có thể xoay được Dầu bẩn theo đường dầu vào 4 vào bầu lọc, đi qua các khhe hở giữa các tấm 5 để lại các cặn bẩn có kích thước lớn hơn khe hở rồi theo đường dầu ra 2 đi bôi trơn Khi xoay tay vặn của trục 8, lõi lọc quay theo nên các phiến gạt 6 sẽ gạt cặn bẩn bám bên ngoài lõi lọc tránh cho lọc bị bí tắc

Bầu lọc thấm dùng lưới lọc và bầu lọc thấm dùng phiến lọc nêu trên thường được dùng cho bầu lọc thô Sau một thời gian sử dụng do nhà chế tạo quy định, các phần tử lọc được bảo dưỡng và dùng lại

Bầu lọc thấm dùng lõi lọc bằng giấy, len, dạ, hàng dệt … Trên Hình1.7 trình

bày một loại lõi lọc bằng dạ, lõi lọc 3 gồm các vòng dạ ép chặt với nhau Dầu sau khi thấm qua lõi lọc dạ sẽ chui qua các lỗ trên trục 6 theo đường dầu ra 5 Bầu lọc thấm loại này có thể dùng làm bầu lọc thô hay bầu lọc tinh Khác với các loại lõi lọc

đã xét ở trên, lõi lọc bằng giấy, len, dạ, hàng dệt … sau một thời gian sử dụng phải thay thế không sử dụng lại được

Nói chung, các bầu lọc thấm có khả năng lọc tốt, lọc sạch, kết cấu đơn giản nhưng thời gian sử dụng ngắn Thông thường chỉ sau 50 giờ làm việc, lọc đã bị bí

do cặn bẩn bám đầy ở phần tử lọc

Hình 1.7 Bầu lọc thấm dùng làm lọc tinh

1 thân bầu lọc, 2 đường dầu vào, 3 lõi lọc bằng dạ, 4 nắp bầu lọc, 5 đường dầu ra, 6 trục bầu lọc

1.1.5.2 Bầu lọc ly tâm

Trên Hình 1.8 trình bày kết cấu điển hình của bầu lọc ly tâm Dầu có áp suất cao theo đường 3 vào roto 7 của bầu lọc Roto được lắp trên vòng bi đỡ 6 và trên rôto có các lỗ phun 11 Dầu trong rôto khi phun qua các lỗ phun 11 tạo ra ngẫu lực làm quay rôto với tốc độ có thể đạt 5000 đến 6000 vòng/phút, sau đó chảy về cacte theo đường dầu 2 Dưới tác dụng của phản lực, rôto bị nâng lên và tỳ vào vít điều chỉnh 9 Do ma sát với bề mặt trong của rôto nên dầu cũng quay theo Cặn bẩn trong dầu có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng của dầu cũng văng ra xa sát vách rôto nên dầu càng gần tâm rôto càng sạch Dầu sạch theo đường ống 10 đến đường dầu 5 đi bôi trơn Theo thời gian làm việc, cặn bẩn lưu giữ trong bầu lọc làm giảm dần khả năng lọc của bầu lọc Để đánh giá mức độ bẩn của bầu lọc có thể căn cứ vào thời gian từ lúc dừng động cơ đến khi nghe thấy tiếng quay của rôto Thời gian này càng ngắn, chứng tỏ lọc càng bị bẩn Sau một thời gian làm việc nhất định ( do nhà chế tạo quy định ) bầu lọc được bảo dưỡng để làm sạch cặn bẩn đọng bám trên vách rôto

Tùy theo cách lắp bầu lọc ly tâm trong hệ thống bôi trơn, người ta phân biệt bầu lọc ly tâm toàn phần và bầu lọc ly tâm bán phần

Bầu lọc ly tâm toàn phần được lắp nối tiếp trên mạch dầu Toàn bộ lượng dầu

do bơm cung cấp đều đi qua bầu lọc Một phần dầu (khoảng 15 – 20%) qua các lỗ phun ở rôto rồi chảy về cácte phần còn lại theo đường dầu 5 đi bôi trơn Bầu lọc trình bày trên Hình 1.8 chính là bầu lọc ly tâm toàn phần Bầu lọc ly tâm trong trường hợp này đóng vai trò của bầu lọc thô

Bầu lọc ly tâm bán phần không có đường dầu đi bôi trơn Dầu đi bôi trơn

trong hệ thống do bầu lọc riêng cung cấp Chỉ có khoảng 10 đến 15% lưu lượng do bơm cung cấp đi qua bầu lọc ly tâm bán phần, được lọc sạch rồi trở về cácte Bầu lọc ly tâm bán phần đóng vai trò lọc tinh trong hệ thống bôi trơn

Hiện nay, bầu lọc ly tâm đươc sử dụng rộng rãi vì có các ưu điểm sau:

- Do dùng lõi lọc nên khi bảo dưỡng không phải thay các phần tử lọc

- Khả năng lọc tốt hơn nhiều so với lọc thấm dùng lõi lọc

- Tính năng lọc ít phụ thuộc vào mức độ cặn bẩn đọng bám trên bầu lọc

Hình 1.8 Bầu lọc ly tâm

1 thân bầu lọc, 2 đường dầu về cácte, 3 đường dầu vào lọc, 4 van an toàn,

5 đường dầu đi bôi trơn, 6.vòng bi đỡ, 7 rôto, 8 nắp bầu lọc, 9 vít điều chỉnh, 10 ống lấy dầu sạch, 11 lỗ phun

1.2 CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁO SỰCỐ

Động cơ cũng là máy móc, tương tự các máy móc khác, động cơ bị mòn dần trong quá trình sử dụng bình thường Nhưng trong suốt quá trình sử dụng, từ khi sử dụng đến khi loại bỏ, động cơ có thể có những sự cố khác nhau

Sự cố của động cơ là tình trạng bất thường ảnh hưởng đến sự vận hành của động cơ Nguyên nhân sự cố động cơ có thể ở các hệ thống cơ học của động cơ Tuy nhiên, nguyên nhân thường ở một hoặc một nhiều hệ thống hỗ trợ động cơ

(nhiên liệu, bôi trơn, làm nguội, đánh lửa) hoặc các hệ thống khác liên quan đến động cơ, bao gồm hệ thống xả, khởi động, và điều khiển động cơ bằng điện tử

Để khai thác có hiệu quả khả năng làm việc của động cơ và xác định chính xác tình trạng kỹ thuật của nó Từ đó ta có những phương pháp điều chỉnh, sửa chữa, thay đổi thích hợp đối với động cơ Vì vậy, ta phải bố trí các hệ thống tự động báo

sự cố trên động cơ như: hệ thống tự động báo áp suất và nhiêt độ nước làm mát đông cơ, hệ thống báo mức nhiên liệu trong két nhiên liệu hàng ngày, hệ thống tự động báo áp suất và nhiệt độ dầu bôi trơn… Các hệ thống này sẽ đưa ra các thông

số, các tín hiệu trên bàn điều khiển giúp người vận hành động cơ có thể phát hiện ra những hư hỏng của động cơ một cách nhanh chóng, từ đó có những xử lý, khắc phục để động cơ làm việc được tốt hơn

1.2.1 Các hệ thống báo áp suất dầu

1.2.1.1 Hệ thống đèn chỉ báo áp suất dầu

Đèn chỉ báo được mắc nối tiếp với acquy, công tắc đánh lửa, và công tắc áp suất dầu trên động cơ (Hình 1.9) Công tắc áp suất dầu đóng khi động cơ ngưng hoạt động Khi bật công tắc đánh lửa đến ON, đèn chỉ báo sáng Ngay khi động cơ khởi động, áp suất hình thành trong hệ thống bôi trơn làm công tắc dầu mở và đèn chỉ báo tắt Khi áp suất dầu động cơ thấp hơn áp suất tối thiểu được xác lập trước, công tắc áp suất dầu đóng và đèn chỉ báo bật sáng

Hình 1.9 Mạch điện của đèn

báo áp suất dầu

1.2.1.2 Hệ thống đồng hồ chạy điện

Đồng hồ áp suất có thể là đồng hồ từ tính hoặc đồng hồ nhiệt Trong đồng hồ

áp suất dầu từ tính ( Hình 1.10), thiết bị đo có một màng mỏng, được nối tiếp với điểm di trượt Áp suất dầu động cơ đẩy màng này lên làm tiếp điểm chuyển động dọc theo điện trở Sự tăng áp suất dầu làm tăng điện trở trong mạch Dòng điện truyền qua đồng hồ giảm, cho phép cuộn dây bên phải kéo kim đồng hồ về bên phải, báo hiệu áp suất dầu tăng

Hình 1.10 Mạch điện của đồng hồ áp suất dầu từ tính

1.2.1.3 Đồng hồ điện tử

Đồng hồ áp suất dầu điện tử, thường hiển thị áp suất dầu dưới dạng đồ thị vạch gồm nhiều vạch Các vạch được hiển thị càng nhiều áp suất dầu càng cao Áp suất dầu cao hoặc thấp đều làm cho đồ thị này chớp sáng

Hình 1.11: Đồng hồ kĩ thuật số

1.2.2 Các hệ thống báo nhiệt độ nước làm mát động cơ

1.2.2.1 Hệ thống đèn chỉ báo

Hình 1.12: Mạch điện của đèn chỉ báo nhiệt độ nước làm mát

Đèn chỉ báo nhiệt độ do chuyển động của lá tĩnh nhiệt trong công tắc (Hình 1.12) Khi chất làm nguội động cơ và công tắc nhiệt nóng, lá tĩnh nhiệt cong Khi nhiệt độ chất làm nguội gần đến điểm sôi, lá tĩnh nhiệt chạm vào điện cực bên trong công tắc nhiệt Đèn nhiệt độ ở bảng điều khiển sẽ sáng

1.2.2.2 Đồng hồ chạy điện

Hình 1.13 minh hoạ đồng hồ nhiệt từ tính Thiết bị này có hai cuộn dây Cuộn bên phải nối mát qua thiết bị đo động cơ, có chứa thermistor Khi nóng thiết bị đo ở động cơ giảm điện trở Dòng điện truyền qua cuộn dây bên phải tăng, tạo ra từ trường mạnh hơn, kéo phần ứng và đồng hồ quay về phía bên phải báo hiệu nhiệt độ nước làm mát tăng

Hình 1.13: Mạch điện của đồng hồ nhiệt độ từ tính

Đồng hồ nhiệt độ nước

Đồng hồ nhiệt độ nước chỉ nhiệt độ nước làm mát trong áo nước động cơ

Có hai kiểu đồng hồ nhiệt độ nước, kiểu điện trở lưỡng kim có một phần tử lưỡng kim ở bộ chỉ thị và một biến trở trong bộ cảm nhận nhiệt độ và kiểu cuộn dây chữ thập có các cuộn dây chữ thập ở trong đồng hồ chỉ thị nước làm mát

Kiểu điện trở lưỡng kim

Hình 1.14: Đồng hồ báo nhiệt độ nước

Bộ chỉ thị dùng lưỡng kim và bộ cảm nhận nhiệt độ dùng một biến trở gọi là nhiệt điện trở

Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, điện trở của nhiệt điện trở trong bộ cảm nhận nhiệt độ nước làm mát cao và gần như không có dòng điện chạy qua Vì vậy, dây may so chỉ sinh ra một ít nhiệt nên kim đồng hồ chỉ bị lệch một chút

Khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên, điện trở của nhiệt điện trở giảm xuống, làm tăng cường độ dòng điện chạy qua và cũng tăng lượng nhiệt sinh ra bởi dây may so Phần tử lưỡng kim bị uốn cong tỉ lệ với lượng nhiệt, làm cho kim đồng hồ chỉ thị sự gia tăng của nhiệt độ

Kiểu cuộn dây chữ thập

Đồng hồ kiểu cuộn dây chữ thập được dùng trong đồng hồ chỉ thị

Hình 1.15: Đồng hồ kiểu cuộn dây chữ thập

Đồng hồ cuộn dây chữ thập là một thiết bị điện tử trong đó có các cuộn dây được cuốn bên ngoài một roto từ theo bốn hướng, mỗi hướng lệch nhau 900 Khi dòng điện chạy qua cuộn dây bị thay đổi bởi điện trở bộ cảm nhận nhiệt độ nước, từ thông được tạo ra trong cuộn dây theo bốn hướng thay đổi, làm roto quay và kim dịch chuyển

1.2.3 Các hệ thống báo nhiên liệu

1.2.3.1 Đồng hồ nhiên liệu từ tính

Bộ cảm biến trong bình nhiên liệu có một biến trở, với điện trở thay đổi khi phao dịch chuyển lên xuống, làm dịch chuyển công tắc trượt đồng hồ trên bảng điều khiển có hai cuộn dây Khi công tắc đánh lửa hoạt động, dòng điện từ ắcquy đi qua cuộn dây này, tạo nên từ trường tác động lên phần ứng Khi mức nhiên liệu cao,

từ tính của một cuộn sẽ kéo con trỏ phần ứng sang phải, khi mức nhiên liệu giảm, điện trở trong bộ cảm biến giảm, dòng điện đi qua cuộn dây sẽ tăng lên, phần ứng dịch chuyển sang trái biểu thị mức nhiên liệu thấp

Hình 1.16: Sơ đồ của đồng hồ nhiên liệu từ tính

1.2.3.2 Đồng hồ nhiên liệu tĩnh nhiệt (Hình1.17)

Khi mức nhiên liệu thấp, điện trở của bộ cảm biến sẽ cao, dòng điện trở nhỏ đi qua đồng hồ trên bảng điều khiển, kim dịch chuyển sang trái Khi mức nhiên liệu cao, phao nổi lên trên làm giảm điện trở của bộ cảm biến, dòng điện lớn đi qua đồng

hồ trên bảng điều khiển kim dịch chuyển sang phải

Các bộ cảm biến trong bình nhiên liệu của đồng hồ từ tính và tĩnh nhiệt có hình dạng tương tự nhau Tuy nhiên, đồng hồ từ tính sử dụng bộ cảm biến có điện trở cao khi phao đi lên và điện trở thấp khi phao đi xuống Bộ cảm biến của đồng hồ tĩnh nhiệt có điện trở thấp khi phao đi lên và điện trở cao khi phao đi xuống

Bộ điều áp duy trì điện áp khoảng 5V cho đồng hồ, để tránh sai số do điện áp

biến thiên trong quá trình vận hành động cơ

Hình 1.17: Sơ đồ điện của đồng hồ nhiên liệu kiểu tĩnh nhiệt

Dòng điện từ đồng hồ nhiên liệu đi qua tập hợp các tiếp điểm và thanh kim loại kép trong bộ điều áp hoặc qua cuộn dây nóng Thanh này nguội các tiếp điểm

sẽ nóng Khi điện áp cao các tiếp điểm mở và đóng tương đối nhanh gây nên sự rung động cao, do đó đòi hỏi phải có điện áp ổn định cho các đồng hồ đo

Ngày nay, tốc độ phát triển kĩ thuật tăng nhanh và nhu cầu sử dụng máy móc cũng như ứng dụng động cơ đốt trong vào cuộc sống ngày càng nhiều Đứng trước nhu cầu đó con người đang từng bước tự động hoá trong việc đo lường và điều khiển động cơ để sử dụng chúng một cách có hiệu quả nhất Sau đây là một số loại cảm biến và vi điều khiển thường được sử dụng trong việc đo lường và điều khiển

động cơ đốt trong

Chương 2 CẢM BIẾN VÀ VI ĐIỀU KHIỂN2.1 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG 2.1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung

Các đại lương vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất được là đại

lượng cần đo m Sau khi tiến hành các công đoạn thực nghiệm đề đo m ta nhận được

đại lượng tương ứng ở đầu ra Đại lượng này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng

tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết m Việc đo m được là dùng cảm biến Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính

chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện kí hiệu là s Đặc trưng điện s

là hàm của đại lượng cần đo m:

s =F(m)

Trong đó s là đại lượng đầu ra và m là đại lượng đầu vào Việc đo đạc s cho phép nhận biết giá trị của m

Biểu thức s = F(m) là dạng lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động

của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến, đôi khi vào môi trường và chế độ sử dụng

Để dễ sử dụng, thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra Ds và biến thiên đầu ra Dm

Ds = S Dm

trong đó S là độ nhạy của cảm biến

Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm

sao cho độ nhạy S của chúng không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố

sau:

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó ;

- Thời gian sử dụng ;

- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác của môi trường xung quanh

Vì cảm biến là một phần tử mạch điện, có thể coi cảm biến :

- Hoặc như một máy phát trong đó s điện tích, điện áp hay dòng và như vậy ta

có loại cảm biến tích cực

- Hoặc như một trở kháng, trong đó s là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung,

trường hợp này ta có cảm biến loại thụ động

Cách phân biệt cảm biến tích cực và cảm biến thụ động dựa trên sơ đồ tương đương, trên thực tế là sự khác nhau về bản chất của chính hiện tượng vật lý được sử dụng trong nguyên lý chế tạo

2.1.2 Cảm biến tích cực

Hoạt động như một máy phát, về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng luợng điện

Hiệu ứng nhiệt điện:

Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 sẽ suất hiện một suất điện động e(T1, T2) Hiệu ứng này dùng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thí dụ cho T2 = 00C

Hình 2.1: Ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng áp điện:

Khi tác dụng một lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện, thí dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện hiện tượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu trên các mặt đối diện của vật Đó là hiệu ứng áp điện Hiệu ứng này được dùng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc ) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của tụ điện

Hình 2.2: Ứng dụng hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

Trong một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi sẽ xuất hiện một suất điện động tỉ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian nghĩa là tỉ

lệ với độ dịch chuyển của dây dẫn

Cũng tương tự như vậy, trong một khung dây dẫn chịu tác động của từ thông biến thiên sẽ xuất hiện suất điện động bằng và ngược dấu với biến thiên từ thông Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng

Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng chung một bản chất: đó là hiện tượng giải phóng ra các hạt tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện nói chung) có bước sóng nhỏ hơn giá trị ngưỡng đặc trưng cho vật liệu Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo cảm biến quang (thí dụ các công tắc tự động đóng ngắt đèn chiếu sáng công cộng)

2.1.3 Cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng vừa phụ thuộc vào kích thước hình học mẫu, vùa phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như điện trở suất

r, từ thẩm m, hằng số điện môi e Vì vậy, giá trị của trở kháng thay đổi dưới tác dụng của đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình hoc, tính chất điện hoặc cả kích thước hình học và tính chất điện của vật liệu

Thông số hình học kích thước trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần

tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng Trong trường hợp thứ nhất, cảm biến chứa phần tử động, mỗi vị trí của phần tử chuyển động tương ứng với một giá trị của trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác định được vị trí của đối tượng Trong trường hợp thứ hai, cảm biến có phần tử biến dạng Sự biến dạng gây nên bởi lực hoặc các đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hay gián tiếp lên cảm biến Sự thay đổi của trở kháng liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tác động của đại lượng cần đo biến đổi thành tín hiệu điện (hiệu ứng áp trở)

Phụ thuộc bản chất của vật liệu khác nhau, tính chất điện của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm Nếu chỉ có một đại lượng có thể thay đổi và các đại lượng khác giữ nguyên chúng ta sẽ thiết lập được sự tương ứng đơn trị của giá trị này và trở kháng của cảm biến

Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi trở kháng dưới tác dụng của đại lượng cần đo chỉ có thể xác định khi cảm biến là một phần trong mạch điện

2.1.4 Các đại lượng ảnh hưởng

Trong khi dùng cảm biến để xác định một đại lượng cần đo, không phải chỉ có một đại lương này tác động đến cảm biến mà còn có nhiều đại lượng vật lý khác tác động gây ảnh hưởng đến tín hiệu đo Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng ảnh hưởng hoặc đại lượng gây nhiễu

Các đại lượng ảnh hưởng thường gặp và tác động của chúng có thể liệt kê như sau:

- Nhiệt độ làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của cảm biến;

- Áp suất, dao động, gia tốc có thể gây nên biến dạng và ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu hồi đáp;

- Độ ẩm có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liêu như hằng số điện môi e, điện trở suất r;

- Từ trường có thể gây nên suất điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích Ngoài ra, nó còn làm thay đổi tính chất điện của vật liệu cấu thành cảm biến, thí dụ điện trở suất r trong trường hợp cảm biến có sử dụng vật liệu từ điện trở;

- Biên độ và tần số của điện áp nuôi, trường hợp biến thế vi sai, ảnh hưởng đến đại lượng điện ở đầu ra

hỏi, đồng thời do sự cần thiết của việc khai thác tín hiệu, mạch đo thường gồm nhiều thành phần trong đó có các khối để tối ưu hóa việc thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu Trên Hình 2.4 trình bày một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được láp ráp từ nhiều phần tử

7- Máy tính

Hình 2.4: Mạch đo điện thế bề mặt

2.1.6 Sai số của phép đo

Sản phẩm của phép đo đều được ghi lại ở dạng này hay dạng khác, song bất luận trong trường hợp nào cũng chứa đựng sai số Các giá trị của mọi đại lượng cần

đo đều chỉ có thể biết được sau khi xử lý qua mạch đo Chính giá trị thực của đại lượng đo xác định sự kích thích tác động lên cảm biến, nhưng người làm thực nghiệm chỉ có được hồi đáp tổng thể của hệ đo Hồi đáp này được biểu diễn qua đơn vị của dại lượng đo và được gọi là giá trị đo hiệu số giữa giá trị thực và giá trị

đo được là sai số của phép đo Sai số của phép đo chỉ có thể đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biết giá trị thực của đại lượng đo

Khi đánh giá sai số người ta thường phân chúng làm hai loại, sai số hệ thống

và sai số ngẫu nhiên

- Giả sử ta đã có một đại lượng đã biết trước giá trị thực của nó Nếu như giá trị trung bình của các giá trị đo được luôn lệch khỏi giá trị thực không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp thì ta nói trong trường hợp này có sai số hệ thống

- Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện cũng như dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định Một số nguyên nhân sai số ngẫu nhiên có thể đoán trước được nhưng độ lớn của chúng thì không biết trước

2.1.7 Chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến có mục đích diễn dải tường minh, dưới dạng đồ thị hoặc đại

số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại lượng đo và giá trị s đo được của lượng đại

diện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng

2.1.7.1 Chuẩn đơn giản

Chuẩn đơn giản là phép đo trong đó chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và sử dụng một cảm biến không nhạy với các đại lượng ảnh hưởng và cũng không chịu tác động của đại lượng này Chuẩn cảm biến chính là kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của đại lượng đo với giá trị tương ứng của đại lượng điện ở đầu ra Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách sau:

- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao

- Chuẩn gián tiếp: sử dụng kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc

Khi tác động lần lượt lên hai cảm biến bằng cùng một giá trị của đại lượng đo, ta nhận được kết quả tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến chuẩn Lặp lại với các giá trị khác của đại lượng đo sẽ cho phép xây dựng đường cong chuẩn cho cảm biến chuẩn

2.1.7.2 Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ, giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này trong những trường hợp như vậy cần phải áp dụng chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:

- Đặt điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương đương điểm gốc, m = 0 và s = 0

- Dựng lại đại lượng đầu ra bằng cách lúc đầu tăng giá trị của đại lượng cần đo

ở đầu vào đến cực đại, sau đó giảm giá trị đo Các giá trị biết trước của đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng tăng dần và giảm dần.s

m

s S

=

÷ø

öçè

æD

D

=

Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với

những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo Điều này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp

để sao cho mạch đo thỏa mãn những điều kiện đặt ra

Đơn vị đo độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lượng liên quan, thí dụ:

- W/oC đối với nhiệt điện trở,

- mV/oC đối với cặp nhiệt

2.1.8.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh

Chuẩn cảm biến ở chế độ tĩnh là dựng lại các giá trị s i của đại lượng điện ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt chế độ làm việc danh định Đặc trưng tĩnh của cảm biến chính là dạng chuyển đổi đồ thị của việc chuẩn đó và điểm làm việc Qi của cảm biến chính là đặc trưng

tĩnh tương ứng với các giá trị m i , s i

Độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc Nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc

2.1.8.3 Độ nhạy trong chế độ động

Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo là hàm tuần hoàn theo thời gian Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra cũng là hàm tuần hoàn Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng:

m(t) = m 0 + m 1 coswt

Ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s được mô tả bởi biểu thức

s(t) = s 0 + s 1 cos(wt + y)

trong đó m0 là hằng số, m1 là biên độ, s0 là giá tri không đổi tương ứng với m0

xác định điểm Q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh, s1 độ biến thiên ở đầu ra

Độ nhạy trong trường hợp này được xác định như sau:

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải

đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo Nếu như cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hoá, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng

đo

2.1.9.2 Đường thẳng tốt nhất – độ lệch tuyến tính

Khi chuẩn cảm biến người ta nhận được các giá trị không nằm trên một đường thẳng bởi vì có sự không chính xác khi đo và những sai lệch khi chế tạo cảm biến Tuy nhiên từ những thực nghiệm ta có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất

Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất trong dải đo

2.1.10 Độ nhanh – thời gian hồi đáp

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra

có thể theo kịp thời gian với biến thiên của đại lượng đo không Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định trị số của độ nhanh

Độ nhanh là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra của cảm biến chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn quy định

Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp càng nhỏ Thời gian hồi đáp đặc trưng cho tốc độ tiến triển của chế độ quá độ và là hàm của các thông số xác định chế độ này

2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được coi trọng nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính

một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó, thí dụ áp suất và thể tích của một chất khí Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết

Có các phương pháp đo nhiệt độ sau:

- Phương pháp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)

- Phương pháp cơ dựa trên sự dãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc khí (với

áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm

- Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh

2.2.1 Thang nhiệt độ

Các tính chất vật lý của vật liêu phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng Sự thay đổi nhiệt của một đặc trưng vật lý của vật liệu cho trước người ta luôn luôn có thể xác định một thang nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ và đặc biệt là nhận biết sự cân bằng của hai nhiệt độ Tuy vậy, thang nhiệt độ như thế là hoàn toàn tuỳ tiện bởi vì nó liên quan đến một tính chất đặc biệt của một vật thể đặc biệt: nó không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ một ý nghĩa vật lý riêng Chỉ có xuất phát từ các địnhh luật nhiệt động học mới có thể xác định thang nhiệt độ có đặc trưng tổng quát cho mọi trường hợp

Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:

Thang Kenvin: đơn vị là K, trong thang Kenvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273.15K

Từ thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối người ta xác định các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit

Thang Celsius:

Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là oC, một Celsius bằng một độ Kenvin Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kenvin được xác định bởi biểu thức: T(0C) = T(K) – 273,15

Thang Farenheit:

Đơn vị nhiệt độ là Farenheit (oF):

T(oC) = {T(oF)-32}5/9 T(oF) = 5/9T(oC) + 32

2.2.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

2.2.2.1 Nhiệt độ đo được

Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chính bằng nhiệt độ của cảm biến kí hiệu là Tc Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt trong đó Nhiệm vụ của người làm thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số

Tx-Tc xuống nhỏ nhất Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa Tx và Tc

- Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo

- Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài

2.2.2.2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Thông thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngoài Để đo nhiệt

độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoan một lỗ nhỏ với đường kính r và bằng độ sâu L Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu bên trong vật rắn Để tăng độ chính xác của kết quả, phải đảm bảo hai điều kiện:

- Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn mười lần đường kính của nó

- Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng 2 cách: giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan, khoảng trống giữa vỏ cảm biến và thành

lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt

2.2.3 Đo nhiệt độ bằng điện trở

2.2.3.1 Điện trở kim loại

a) Chọn kim loại

Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác người ta thường làm điện trở bằng Pt, Ni Đôi khi còn dùng Cu, W để chế tạo điện trở

Platin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao Điều này cho phép tăng

độ chính xác của các tính chất điện của vật liệu Ngoài ra tính trơ về hoá học và sự

ổn định trong cấu trúc mạng tinh thể của Pt đảm bảo sự ổn định trong cấu trúc tinh thể của Pt đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này Các điện trở làm bằng Pt hoạt động trong một dải nhiệt độ khá rộng T= -200oC đến 1000oC nếu như vỏ bảo vệ của nó cho phép

Niken có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với Pt Điện trở của nikel ở 100oC lớn gấp 1.617 lần so với giá trị ở 0oC Đối với Pt sự chênh lệch của điện trở ở hai nhiệt độ này chỉ bằng 1,385 Tuy vây nikel là chất có hoạt tính hoá học cao, nó sẽ bị ôxy hoá nếu nhiệt độ tăng Điều này làm giảm tính ổn định của nó và dải nhiệt độ làm việc của điện trở Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt

độ thấp hơn 250oC

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp vì sự thay đổi nhiệt của các điện trở chế tạo đồng có độ tuyến tính cao Tuy nhiên, hoạt tính hóa học của đồng quá lớn nên các điện trở loại này chỉ sử dụng ở nhiệt độ T< 180oC Ngoài ra,do điện trở suất của đồng nhỏ nên muốn có điện trở trị số cao phải tăng chiều dài của dây làm tăng kích thước của điện trở

Wonfram có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nó

có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn Từ wonfram có thể chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trị số cao, kích thước nhỏ

b) Chế tạo nhiệt kế

Giá trị điện trở và kích thước dây :