Thiết kế và ứng dụng VXL trong đo lường và điều khiển

Chương 1. Một số phương pháp đo lường và gia công tín hiệu (10 tiết) 1. Gia công tín hiệu điện 1.1.1. Mạch tỷ lệ dòng điện một chiều Để đo dòng điện một chiều lớn hoặc lấy tín hiệu đo là dòng một chiều người ta thường dung mạch Sun. Sun là điện trở Rs mắc song song với cơ cấu chỉ thị hoặc cơ cấu thu thập tín hiệu đo. Điện áp chỉ thị Uct phản ánh độ lớn dòng điện cần đo I Uct = Ict.rct = (I Ict).Rs Thiết kế mạch tỉ lệ là chọn điện trở Rs trên cơ sở các thông tin ban đầu về thiết bị chỉ thị Ictmax, rct và dòng điện cần đo Imax. Uct max = Ictmax.rct = (Imax Ictmax)Rs.  Rs = Ictmax Imax Ictmax rct Đặt hệ số tỷ lệ dòng là n: n = ImaxIctmax = IIct khi đó: Rs = 1n1rct Công thức chuyển đổi tín hiệu dòngáp: Uct = Ictrct = 1n rct 1.1.2. Mạch tỷ lệ dòng xoay chiều (Mạch biến dòng) Mạch biến dòng được dùng để lấy tín hiệu đo về dòng xoay chiều lớn (1A ÷2500A). Mạch biến dòng có chức năng chuyển đổi tín hiệu dòng điện xoay chiều có giá trị lớn về dòng điện có giá trị thấp hơn để tiện cho việc xử lý thông tin. Mạch biến dòng thường được chế tạo ở dạng các bộ biện dòng. Biến dòng là một biến áp cà cuộn sơ cấp được ghép nối tiếp với dòng điện cần đo, cuộn thứ cấp được nối ngắn mạch bằng điện trở Sun hoặc Ampe kế. Biến dòng được thiết kế để cuộn sơ cấp có số vòng dây W1 rất nhỏ nhưng chịu được dòng điện lớn và cuộn thứ cấp có số vòng W2 rất lớn. Ta có U1I1 = U2I2, từ dây nhận được hệ số chuyển đổi có biến dòng K1: K1 =I1I2 = U2U1 = W2W1 >> 1 Do số vồng dây sơ cấp W1 rất nhỏ lên dùng I1rất lớn nhưng điện áp U1 ở cuộn sơ cấp rất nhỏ và công suất tiêu hao của biến dòng rất thấp. Trong chế độ làm việc bình thường cần nối ngắn mạch cuộn thứ cấp bị hở mạch thì: I10 = U2U1 => ∞ Điều này dẫn đến hiện tượng điện áp thứ cấp tăng vọt từ vài trăm volt đến vài ngàn volt sẽ đánh thủng lớp cách điện, làm cháy biến dòng và gây nguy hiểm cho người sử dụng. 1.1.3. Mạch tỷ lệ điện áp Mạch phân áp điện trở: Mạch phân áp điện trở được dùng để phân áp cho điện áp một chiều hoặc xoay chiều nhỏ và trung bình. Khi không có điện trở tải R, thì hệ số chuyển đổi m là: m0 = U1U2 =I(R1 + R2)IR2 = 1 + R1R2 Khi có điện trở tải Rz , thì hệ số chuyển đổi m là: mz = U1U2 = IR1 +IR2RzR2+R1 IR2RzR2+Rz = 1 + R1R2 + R1Rz = m0 + R1Rz Mạch phân áp điện dung: Mạch phân áp điện dung có thể được sử dụng để phân án dòng xoay chiều Hệ số chuyển đổi điện áp m: m=│U1U2│ =│ I(1jwC1 + 1jwC2)I1jwC2│=│jw(C1+C2)w2C1C21jwC2│ = 1+ C2C1 Mạch biến áp đo lường. Mạch biến áp đo lường có thể dùng để gia công tín hiệu cho cho dòng điện xoay chiều nhỏ trung bình và lớn. Hệ số chuyển đổi Ku Ku = U1U2 = W1W2 Trong đó W1 là số vòng dây cuộn sơ cấp W2 là số vòng dây cuộn thứ cấp. Điện áp thứ cấp U2 định mức thường là 100V 1.2. Các mạch cầu Các dạng mạch cầu được sử dụng để chuyển đồi tín hiệu đầu ra của các cảm biến điện trở, điện dung hoặc điện cảm thành tín hiệu điện áp, túc là thực hiện chuyển đổi tín hiệu dạng không tích cực thành dạng tín hiệu tích cực (tín hiệu điện) thuận tiện cho việc xử lý thông tin. 1.2.1 Mạch cầu tổng quát

Chương 1 Một số phương pháp đo lường và gia công tín hiệu (10 tiết)

1 Gia công tín hiệu điện

Công thức chuyển đổi tín hiệu dòng/áp:

Uct = Ict*rct = * rct

1.1.2 Mạch tỷ lệ dòng xoay chiều (Mạch biến dòng)

Mạch biến dòng được dùng để lấy tín hiệu đo về dòng xoay chiều lớn (1A

÷2500A) Mạch biến dòng có chức năng chuyển đổi tín hiệu dòng điện xoay chiều có giá

trị lớn về dòng điện có giá trị thấp hơn để tiện cho việc xử lý thông tin Mạch biến dòngthường được chế tạo ở dạng các bộ biện dòng.

Biến dòng là một biến áp cà cuộn sơ cấp được ghép nối tiếp với dòng điện cần đo,cuộn thứ cấp được nối ngắn mạch bằng điện trở Sun hoặc Ampe kế

Biến dòng được thiết kế để cuộn sơ cấp có số vòng dây W1 rất nhỏ nhưng chịuđược dòng điện lớn và cuộn thứ cấp có số vòng W2 rất lớn

Ta có U1I1 = U2I2, từ dây nhận được hệ số chuyển đổi có biến dòng K1:

Khi không có điện trở tải R, thì hệ số chuyển đổi m là:

m0 = = = 1 + Khi có điện trở tải Rz , thì hệ số chuyển đổi m là:

mz = = = 1 + + = m0 +

- Mạch phân áp điện dung:

Mạch phân áp điện dung có thể được sử dụng để phân án dòng xoay chiều

Hệ số chuyển đổi điện áp m:

m=││ =│ =││ = 1+

- Mạch biến áp đo lường.

Mạch biến áp đo lường có thể dùng để gia công tín hiệu cho cho dòng điện xoay chiềunhỏ trung bình và lớn

Hệ số chuyển đổi Ku

Ku = = Trong đó W1 là số vòng dây cuộn sơ cấp

xử lý thông tin

4

ZTh =

Mạch điện tương đương với mạch cầu có dạng:

Nếu Z1 = Z2 và Z3 = Z4 thì mạch cầu ở chế độ cân bằng và khi đó ETh = 0 1.2.2 Thiết kế mạch cầu điện trở

ETh = VS { - }

6

Cầu Wheatstone được thiết kế trên cơ sở xác định các thông số VS, R4, R2, R3 saocho thỏa mãn các điều kiện EThmin, EThmax, RImin và RImax cho trước.

Nếu RImin và RImax là các biến đo thì:

EThmin = VMIN =VS { - }

EThmax = VMAX=VS {- }Trong đó giá trị tới han của R4, R3 và R2 được xác định khi cầu ở chế độ cân bằng với

EThmin =0:

= Nếu chọn R2 = R3 = R4 = Rthì ta nhận được điện áp ETh khi cầu không cân bằng:

ETh = { - }Nếu R1 là một cảm biến điện trở và trị số của nó bị thay đổi theo sự thay đổi củamôi trường đo thì mạch cầu Wheatstone được thiết kế như trên sẽ chuyển sự thay đổi củađiện trở một đại lượng không tích cực, thành một tín hiệu điện áp tương ứng thuận tiệnhơn cho các quá trình xử lý thông tin tiếp theo

1.2.3 Thiết kế mạch cầu điện kháng

Mạch cầu điện kháng được sử dụng khi dùng các cảm biến dạng điện dụng hoặcđiện kháng:

Đặc điểm của mạch cầu điện kháng là:

- Nguồn VS là xoay chiều

- Hai nhánh là trở thuần

- Hai nhánh là điện kháng

Nếu Z1 và Z4 là các tụ điện thì mạch cầu có dạng sau:

Z1 = , Z2 = R2, Z3 = R4 , Z4 = điện kháng của cảm biến

ETh =VS {- }Nếu chọn R2 =R3 =R thì:

ETh = { - }Nếu Z1 và Z4 là dạng điện cảm, trong đó:

Z1= jwL1, Z4 = jwL4 và Z2 = Z3 = R

ETh = { - }1.3 Đo nhiệt độ

1.3.1 Một số khái niệm cơ bản

Đo nhiệt độ là công việc thường gặp trong các ngành công nghiệp hóa chất, vậtliệu, xây dựng luyện kim, năng lượng

Nhiệt độ đo thường được chia làm 3 dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt

độ cao Với nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc Vớinhiệt độ cao phương pháp đó là phương pháp không tiếp xúc

Mỗi một vùng nhiệt đô cần đo cần các cảm biến và phương pháp đo khác nhau(xem bảng)

Nhiệt điện:

8

1.3.2 Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt trở

Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt điện trở sử dụng phương pháp đo kiểu tiện dụng.Vật liệu làm bộ cảm biến: Platin, niken, bán dẫn…

a Các loại cảm biến nhiệt điện trở

 Cảm biến Termistor (nhiệt điện trở bản dẫn)

Quan hệ nhiệt độ - điện trở của Termistor được biểu diễn bởi công thức như sau:

Đặc điểm:

- Termistor thường được dùng đo nhiệt độ trong khoảng từ -1000C đến 4000C

- Đặc tính chuyển đổi có độ phi tuyến lớn

- Rẻ tiền

 Cảm biến Platin

Đặc điểm:

- Platin là kim loại ổn định, không rỉ, không bị oxy hóa, điểm nóng chảy cao.

- Đặc tính chuyển đổi có độ phi tuyến nhỏ (gần như tuyến tính)

- Dải nhiệt độ đo: -2000C ÷ 8500C

- Đắt tiền

Công thức biểu diễn quan hệ điện trở - nhiệt độ (trên 0C):

t2 – (+ 102)t + () = 0

Rt : điện trở Platin ở nhiệt độ t

R0: điện trở Platin ở nhiệt độ 00C

R100: điện trơt Platin ở 1000Cδ: hằng số thiết bị

Hoặc:

Rt = R0 (1+Bt +At2)Với:

A = - và B =

b Phương pháp gia công tín hiệu đo

Mạch gia công tín hiệu đo cho cảm biến nhiệt điện trở là mạch cầu Wheatstone(chương IV, phần 2) Tuy nhiên, nếu sử dụng mạch Wheatstone thông thường thì mạch

đo sẽ gây sai số đo do có sự thay đổi điện trở dây dẫn nối đến cảm biến theo nhiệt độ môitrường

10

ETh = VS {- }

Rd1, Rd2: Điện trở đường dây nối

R1: cảm biến nhiệt điện trở

R2: là biến trở chỉnh cân bằng ở t0

Ký hiệu: R∑1 = R1 + Rd1 + Rd2 là điện trở dây nối nằm trên một nhánh cầu

Để cầu ở chế độ cân bằng, ví dụ ở t0 = 200C, thì cần chọn các điện trở nhánh saocho ETh =0, khi đó:

R∑1 = Rt0 + Rd1 + Rd2 = R2

R3 = R4 = RKhi nhiệt độ môi trường chứa dây dẫn thay đổi thì điện trở dây dẫn cũng thay đổi:

R∑1 = Rt0 + Rd1 + Rd2 +∆Rd1 + ∆Rd2 ≠ R2

Làm cho Eth ≠ 0 và gây ra sai số đo

Để giảm sai số đo do nhiệt độ môi trường tác động lên dây dẫn, người ta dùngmạch nối 3 dây:

ETh = VS {- }

Đặc điểm mạch nối 3 dây là điện trở của hai dây nối nằm trên hai nhánh cầu:

- Dây dẫn thứ nhất với điện trở Rd1, nằm trên nhánh cầu cảm biến R1.

- Dây dẫn thứ hai với điện trở Rd2 nằm trên nhánh cầu đối xứng

Điện trở của các nhánh cầu bây giò là: R3, R4,

Hiệu điện thế tiếp xúc xuất hiện ở phần hở nếu nhiệt độ ở phần hở T2 và nhiệt độ ỏphần nối T1 là khac nhau.

Điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào các kim loại A và B và nhiệt độ T1ở điểm nối

b Các luật về hành trạng của cặp nhiệt ngẫu khi ứng dụng để đo nhiệt độ:

Ký hiệu: T1 là nhiệt độ cần cho

T2 là nhiệt độ của mối nooisqui chiếu và biết trước

Luật 1:

S.đ.đ của cặp nhiệt ngẫu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T 1 và T 2 của các mối nối và không phụ thuộc vào nhiệt độ dây dẫn các mối nối.

Ứng dụng:

Dây dẫn đo và mối nối qui chiếu có thể được đặtở môi trường cónhiệt độ khác nhau

Luật 2:

Nếu có kim loại C chèn vào chèn vào giữa A (hoặc B) và tạo ra hai mối nối mới

có cùng nhiệt độ T 3 thì S.đ.đ của cặp nhiệt không bị thay đổi.

Ứng dụng:

Có thể đưa điện thế kế (hoặc mạch gia công tín hiệu đo) vào mạch cặp nhiệt ngâu

mà không làm ảnh hưởng đến điện áp được sinh ra

Có thể nối nhiều đoạn dây nối mà không ảnh hưởng đến S.đ.đ của cặp nhiệt ngẫu.Luật 3:

Nếu có kim loại C chèn vào giữa A và B tạo ra hai mối nối mới AC và BC ở cùng nhiệt độ (T 1 hoặc T 2 ) thì S.đ.đ không thay đổi.

Giả thiết ta muốn đo nhiệt độ T1 0C của một chất lỏng trong một thùng chứa bảng nhiệt ngẫu Mối nối đo (đầu cảm biến cặp nhiệt ngẫu) được nhúng vào trong thùng, mối nối quy chiếu (đầu hở) nằm ở ngoài thùng chứa và có nhiệt độ T3= 200 C.

Giả sử S.đ.đ đo được là E T1T3 =E T120 =5.3mV.

Theo bảng đặc tuyến của cặp nhiệt ngẫu ta có giá trị ET30 tại ngiệt độ T3= 200 C là

E20 0 = 0.8mV

Từ các dữ liệu trên và theo luật 4 ta có:

E T10 = E T1 20 + E 20 0 = 5.3+0.8 = 6.3 mV

Từ đây theo bảng đặc tuyến ta tìm được nhiệt độ T1=1490C

c Các loại cặp nhiệt ngẫu:

Chỉ có một số ít các cặp kim loại được dùng làm cặp nhiệt ngẫu.

Bảng đặc tuyến quan hệ sức điện động –nhiệt độ của một số cặp nhiệt ngẫuthường gặp:

Loại J Sắt Constantin

Loại K Chromel Alumel

Loại R Platinum 13%

Rhodium/Platinum

LoaiT Đồng Constantin

Lực (hoặc trọng lực) tác động lên vật thể có khối lượng m làm cho nó chuyểnđộng (dịch chuyển) hoặc biến dạng Định luật 2 của Newton xác định mối quan hệ này:

F = m.a [N][Kg.m/s2]1.4.1 Đo lực theo nguyên lý dịch chuyển

a Cảm biến đàn hồi (phi điện)

Cảm biến đàn hồi thường ở dạng một vật thể khối lượng m đặt trên lò xo hoặc

màng đàn hồi (hình vẽ)

16

b Bộ cảm biến lực kiểu điện từ (hỗ cảm)

δ: chiều dài khe hở giữa phần động và phần tĩnh

S: tiết diện khe hở

W1: số vòng dây cuộc sơ cấp (cuộn kích thích)

W2: số vòng dây cuộn thức cấp (cuộn dây đo)

Lực tác động của cảm biến dịch chuyển Khi chiê dài khe hở δ hoặc tiết diện khe

hở S thay đổi sẽ làm thay đổi từ thông của mạch từ và xuất hiện sức điện động trong cuộndây đo:

Từ thông tức thời trong mạch từ:

ɸ (t) = i (t) [1 Wb = 1T.1m2]

i(t): dòng điện tức thời trong cuộn kích thích

µ: độ từ thẩm của không khí giữa khe

Sức điện động xuất hiện trong cuộn đo:

era(t) = - W2 = -W2 với i(t) = Imsinωtt ta có

era(t) = -W2 .ωtIm cos ωtt

và S đ đ hiệu dụng Era là:

Era = = K2

Trong đó I là dọng điện hiệu dụng

Phương trình của bộ cảm biến lực – điện từ cho thấy S.đ.đ Era tỷ lệ thuận với thiếtdiện khe hở không khí và tỷ lệ nghịch độ rộng khe hở

dEra = ds +dδ hay ∆Era = K2 -KSS

trong đó K2 = W1.W2.μ0.ωt.I

μ0: độ từ thẩm không khíωt: tần số dòng điện kích thíchI: cường độ hiệu dụng dòng điện kích thích

∆δ<0 : khoảng dịch chuyển của khe hở

Từ (3-2) và (3-1) với ∆S = 0, ∆δ ≡ x < 0 nhận được quan hệ chuyển đổi lực – điện

áp của bộ cảm biến lực – điện từ:

18

∆E = - 1.4.2 Đo lực bằng bộ chuyển đổi điện trở lực căng (Chuyển đổi điện trở tensơ)

a Nguyên lý tác dụng và quan hệ chuyển đổi

Khi dây dẫn chịu biến dạng cơ khí do lực tác dụng thì điện trở của nó thay đổi,hiện tượng này gọi là hiệu ứng tensơ

Chuyển đổi điện trở làm việc dựa trên hiệu ứng tensơ gọi là chuyển đổi điện trởtensơ hay chuyển đổi điện trở lực căng (hình vẽ)

Độ dài dây điện trowrr: (8 ÷ 15) mm

Điện trở R thường có giá trị trong khoảng 800 Ω ÷ 1000 Ω

Dưới tác dụng của lực căng điện trở của dây có thể thay đổi trong khoảng

∆R = 10Ω ÷ 150ΩCác điện trở tensơ được dán trên phần tử đàn hồi chịu tác động của lực

Các dạng cảm biến lực – điện trở tensơ

R + ε - điện trở tăng khi có F.

R -ɛ - điện trở không tăng khi có F

Giới hạn đo của cảm biế đàn hồi – điện trở tensơ là: 2.104 N ÷ 105 N

Điện trở dây dẫn:

R = ρ ρ – điện trở xuất dây dẫn

l – chiều dài của dây dẫn

S – tiết diện dây dẫn

Ký hiệu

biến thiên tương đối của điện trở tensơ khi bị biến dạng

biến thiên tưng đối theo l

biến thiên tương đối theo S, đặc trưng cho thay đổi kích thước hình

học của bộ chuyển đổi

20

sự biến thiên tương đối của điện trở suất.

Quan hệ giữa thiết diện s và độ dài l được biểu diễn qua công thức:

Kρ hệ số Poisson

Ta có công thức chuyển đổi của điện trở tensơ với đọ nhạy chuyển đổi K như sau:

Hay

Trong đó K = 1 + m +2 , độ lớn của tỷ lệ thuận với lực căng F

Trên thực tế, với kim loại thì Kρ = 0.25 ÷ 4

b Mạch gia dông tín hiệu đo với cảm biến điện trở tensơ

Người ta thường đặt điện trở tensơ trong các nhánh của cầu Wheatston cân bằng

Có ba loại mạch cầu điện trở tensơ:

 Điện trở tensơ đặt trên một nhánh cầu Wheatston:

Khi có lực F 0 tác động lên điện trở tensơ thì

Vra = Vs

Vra = Vs

 Điện trở tensơ mắc trên hai nhánh đối diện của cầu Wheatston:

22

Bar, psi (1b/sq.inch – bảng/inch vuông ), kPa, atmotphe (atm).

1Pa ≡ 10-4 N/cm2 ≡ 1,0 N/m2 ≡ 0,004 Inch H2O ≡ 0,0101 cm H2O ≡ 7,506 Torr

1bar ≡ 100 V Pa ≡ 29,53 Inch thủy ngân ≡ 14,52 psi ≡ 10,1 m H2O

1atm ≡ 101,325 Pa ≡ 14,696 psi ≡ 29,92 Inch thủy ngân ≡ 760 mmHg ≡ 760 Torr

1.5.2 Nguyên lý đo áp suất

Tất cả các thiết bị đo áp suất hoạt động bằng cách xác định sự thay đổi của áp suất chênh lệch giữa áp suất chất lỏng được đo và áp suất qui chiếu

Có 3 cấu hình đo áp suất:

a Áp suất đo so với áp suất khí quyển

Khi đầu đo áp suất thông với khí quyển thì chỉ thị áp suất bằng 0

24

b Áp suất đo so với chân không ( áp suất tuyệt đối ):

c Đo theo áp suất sai lệch:

Áp suất cần đo được qui chiếu với một áp suất khác

1.5.3 Các bộ chuyển đổi áp suất-Tín hiệu điện

Chuyển đổi áp suất – tín hiệu điện cho tín hiệu đầu ra dạng điện áp cách điện Chuyển đổi loại này phù hợp với các hệ thống đo tự động bằng hoặc tĩnh Các bộ chuyển đổi này có độ chính xác cao và cung cấp tín hiệu đầu ra chuẩn

Có 3 loại chuyển đổi áp suất – tín hiệu điện dựa trên các hiệu ứng điện trở, điện cảm và điện dung

a Bộ chuyển đổi áp suất – điện trở

Bộ chuyển đổi áp suất – điện trở hoạt động dựa trên sự biến dạng của phần tử đàn hồi khi có áp suất đo tác động Trên phần tử đàn người ta dán các điện trở tensơ, giá trị điện trở bị thay đổi khi phần tử đàn hồi bị biến dạng dưới tác động của áp suất đo

Điện áp ở đầu ra của bộ cảm biến áp suất – điện trở tensơ là:

Vra = Kε1Vs

b Bộ chuyển đổi áp suất – điện cảm

Bộ chuyển đổi áp suất – điện cảm là một bộ chuyển đổi tuyến tính vi sai (hình vẽ):

Tại áp suất P0 xác định trước thì cảm biến chữ C không bị biến dạng và lõi kimloại được đặt ở vị trí chính giữa hai cuộn dây thứ cấp

Điện áp kích thích được đưa vào cuộn sơ cấp là điện áp xoay chiều Uv = U Sinωtt.Các cuộn dây thứ cấp được chế tạo và kết nối sao cho khi cảm biến ở trạng thái ban đầu

26

P0 thì biên độ điện áp U1 và U2 ở đầu ra của hai cuộn thứ cấp là bằng nhau, nhưng lệchpha 1800 Điện áp đầu ra Ura = U1 – U2 = 0.

Khi áp suất chất lỏng làm biến dạng ống chữ C, dẫn đến sự dịch chuyển lõi kimloại, làm cho từ thông qua cuộn thứ cấp 1 tăng, từ thông qua cuộn thứ cấp 2 giảm và kếtquả là U1 tăng, U2 giảm Độ lệch điện áp đầu ra phản ánh độ lớn của áp suất đầu vào P:

URA = U1 – U2

Vùng áp suất đo: 30 Kpa ÷ 1 Gpa

c Bộ chuyển đổi áp suât – điện dung

Bộ chuyển đổi áp suât – điện dung có cấu tạo như hình vẽ:

Các cặp điện cự dạng lá kim loại cùng điện cực gắn trên màng ngăn tạo thành hai

tụ điện C1 và C4

- Điện cực 1 và phần động ( màng ngăng – điện cực 3 ) tạo thành tụ điện C1

- Điện cực 2 và phần động ( màng ngăn – điện cực 3 ) tạo thành tụ điện C4

Với điện dung C =

Trong đó ε0 là hằng số điện môi của chân không, ε là hằng số điện môi của chấtkhí cần đo d0 là khoảng cách giữa hai bản tự điện ∆d là khoảng dịch chuyển, ∆d = 0 khi

P1 = áp suất qui chiếu P2

Cặp tụ điện C1 và C4 được nối vào mạch cần đo Cầu đo được thiết kế sao cho khi

áp suất đo P1 = áp suất qui chiếu P2 thì C1 = C4 và cẩu ở trạng thái cân bằng

Khi áp suất đo P1 thay đổi làm màng ngăn biến dạng, vị trí điện cực 3 thay đổi,điều này dẫn đến điện dung của các tự điện C1 và C4 thay đổi và làm cầu đo chuyển sangtrạng thái không cân bằng Khi đó điện áp đầu ra VRA phản ánh độ lớn của áp suất cần đo

P1 Với R2 = R3 = R thì

VRA = VS , C1 = , C4 =

Vùng áp suất đo: 1Pa ÷ 100 KPa

1.6 Đo lưu tốc và lưu lượng chất lỏng và chất khí

Có nhiều loại thiết bị đo dòng chảy, chất lỏng và chất khí, và dựa trên nhiềunguyên lý hoạt động cảm biến khác nhau Ở đây chỉ quan tâm đến các bộ chuyển đổi cóđầu ra là tín hiệu điện

1.6.1 Đầu đo lưu tốc kiểu cánh quạt

Khi có dòng chảy thì cánh quạt quay và từ thông của nam châm vĩnh cửu NS tănglên khi cánh quạt nằm dọc trục nam châm, từ thông giảm đi khi lõi thép nằm vuông gócvới trục nam châm

N

S

Từ thông thay đổi sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng Wdɸ/dt trong cuộn dây L.Mỗi vòng quay làm từ thông tăng, giảm 2 lần, như vậy tần số dòng điện cảm trong cuộndây L phản ánh tốc độ dòng chảy.

1.6.2 Đầu đo lưu tốc-lưu lượng kiểu cảm ứng

Đầu đo lưu tốc – lưu lượng kiểu cảm ứng được dùng để đo các chất lỏng dẫn điện

E

Nguồn dòng dạng xung

Cuộn dây tạo

từ trường B

B

V

Điện cực

Đầu đo lưu tốc – lưu lượng kiểu cảm ứng được chế tạo trên cơ sở nguyên lý cảmứng điện từ khi có một dây dẫn chuyển động trong một từ trường.

Dòng điện I chạy trong ống dây sinh ra từ trường B:

Đầu đo lưu tốc khí kiểu nhiệt điện trở tự đốt nóng có cấu tạo như hình vẽ:

Dây kim loại mỏng điện trở RT được đốt nóng đến nhiệt độ Td, đặt trong môi trường là một dòng khí có nhiệt độ TF, với Td > TF

Phương trình cân bằng năng lượng có dạng:

i2RT = u(v)S(Td – Tr)

RT – điện trở của dây nhiệt điện trở ở nhiệt độ Td

i – dòng điện chạy qua RT

S – diện tích truyển nhiệt

v – tốc độ của dòng khí

u(v) – hệ số truyền nhiệt (phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và thông số của môitrường)

Ở trạng thái nhiệt độ môi trường ổn định thì u(v) = a + b

Các hằng số a, b phụ thuộc vào chất liệu dây dẫn và tính chất vật lý của môitrường cụ thể và chỉ có thể xác định qua thực nghiệm cụ thể

Nếu duy trì được điện trở RT và các thông số Td, Tr là hằng số thì ta nhận được công thứccân bằng năng lượng và cũng là công thức phản ánh quan hệ dòng điện I và vận tốc v:

Giá cách điện

i2 = c1 + c2 với Td – Tr = const, S = const.

cảm biến nhiệt điện trở RT được mắc vào mạch cầu tự cân bằng (hình vẽ) Khi tốc độdòng khí v = 0 thì cầu cân bằng và ∆U = 0, ∆i = 0

Khi có một dòng khí chả qua RT làm nhiệt độ Td của điện trở giảm, điều này dẫ đến RT bị giảm và mạch cầu mất cân bằng, kết quả là điện áp ra của cầu ∆U ≠ 0

Điện áp ∆U được đưa vào bộ khuyếch đại KD Tín hiệu đẩu ra của KD được đưa phản hồi về cung cấp điện áp Vs cho cầu:

VS = V0 + K∆V

VS tăng làm tăng dòng điện i1 trong RT, điều này dẫn đến nhiệt độ Td của RT cũng

bị tăng lên Dòng i1 tăng cho đến khi cầu cân bằng trở lại

Sai lệch cường độ của dòng điện ∆iRA, được chỉ thị bởi ampe kế A, phản ánh tốc

F

∆U

Tần số f được xác định bởi số các chu kỳ lặp lại của sự thay đổi tín hiệu trong mộtđơn vị thời gian.

Chu kỳ T là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị tín hiệu lặp lại độ lớn của nó:

u(t) = u(t + T)

f =

1.7.2 Đo tần số bằng phương pháp số

Thiết bị đo tần số có cấu trúc như sau:

Bộ đầu vào là một bộ khuyeesch đại hoặc hạn chế tín hiệu điện áp vào U fx đến mức

đủ kích mạch tạo dạng xung

Bộ tạo dạng xung biến tín hiệu có chu kỳ từ bộ đầu vào thành dãy xung có biên độ

không đổi và có tần số đứng bằng tần số f x cần đo

Bộ phát tần số chuẩn, được ổn định bằng thạch anh, tạo tín hiệu tần số chuẩn f 0

Bộ chia tần cho phép từ tần số chuẩn f 0 tạo ra cac dãy xung có tần số f 0 /K, (K là hệ

số chia của bộ chia tần)

Tạo khoảng T

do

Bộ tạo khung thời gian đo tạo ra tín hiệu có khoảng thời gian xác định:

T do = =

Khóa Kh có 2 đầu vào và 1 đầu ra.

Dãy xung có tần ssos fx được đưa vào một đầu vào khóa Kh.

Tín hiệu xác định thời gian đo T do được đưa vào đầu thứ hai để khống chế khoảngthời gian cho phép dãy xung fx đi vào bộ đếm

Số lượng xung xuất hiện trong khoảng thời gian T do là N:

N = , Tx = , fx = =

Nếu thời gian đo Tdo = 1 sec thì: fx = N

Sai số của phép đo là sai số lượng tử hóa theo thời gian Sai số lượng tử thóa theo thờigian xuất hiện do sự không trùng nhau giữa thời điểm bắt đầu Tdo và thời điểm bắt đầu Tx

Sai số lớn nhất là:

∆N = ±1 xungSai số ∆N giảm khi fx tăng hoặc thời gian đo Tđo tăng

Sai số ∆N tăng khi fx giảm

Để giảm sai số ∆N khi đo fx thấp thì cần tăng Tđo

Chương 2 Một số phương pháp gia công tín hiệu tương tự và số (5 tiết)

2.1 Các mạch khuếch đại thuật toán

2.1.1 Khuếch đại thuật toán lý tưởng và thực tế

36

+

2MΩ75Ω1mV5µV/10C80nAĐặc tính điện của KĐTT lý tưởng:

A => ∞i_ = i+ = 0

VOUT = A*(V+ - V-)

Do A=> ∞ và VOUT là giới hạn, nên V+ - V- = 0

Vậy với KĐTT lý tưởng thì V+ = V

-2.1.2 Mạch khuếch đại thuật toán có phản hồi và các ứng dụng

a Mạch khuếch đại đảo (hình vẽ)

Với KDTT lý tưởng ta có

i4 = 0 => V+ = 0 => V- = 0

-b Mạch khuếch đại không đảo (hình vẽ):

ở mạch khuếch đại không đảo thì

V+ = *

V- = V+ = VIN

và hệ số khuếch đại K của mạch khuếch đại không đảo là:

d Mạch khuếch đại vi sai (hình vẽ)

Đường truyền tín hiệu đo trong thực tế trường chịu tác động nhiễu của môi trường.Nếu chỉ dùng mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu vào so với đất thì tín hiệu đượckhuếch đại không chỉ là tín hiệu đo mà còn cả tín hiệu nhiễu Để giải quyết về cơ bản loạinhiễu này cần dùng khuếch đại có lối vào kiểu vi sai Mạch khuếch đại vi sai sẽ khuếchđại sự sai lệch điện áp giữa hai đầu vào Nếu ở cả hai đầu vào đều có tín hiệu cùng mức

và đồng pha với nhau (nhiễu đồng pha) thì loại tín hiệu này sẽ bị triệt tiêu ở đầu ra

40

VOUT

+