Bài giảng ĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆP

Sơ đồ khối hệ thống đo trong công nghiệp Hình 1.2: Hệ thống đo trong công nghiệp Hệ thống đo trong công nghiệp tối thiểu gồm 2 thành phần làcảm biến đo và thiết bị chỉ thị đo, giữa cảm b

Trang 1

ĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆP

Giảng viên : ThS Trần Mạnh Cường

Bộ môn : Kỹ thuật điện tử Trường : Đại học Giao thông vận tải Thời lượng : 45 tiết

22/01/2010

GIỚI THIỆU CHUNG

Mục đích môn học

• Cung cấp các kiến thức về đo lường các đại lượng không điện,

áp dụng trong điều kiện công nghiệp

• Giới thiệu phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống đolường trong công nghiệp

Yêu cầu

Sinh viên có kiến thức các môn học sau

• Kỹ thuật đo lường

• Cảm biến đo lường

• Kỹ thuật số

• Kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển

Trang 2

Nội dung môn học

Chương 1: Khái niệm đo lường công nghiệpChương 2: Hệ thống đo nhiệt độ

Chương 3: Hệ thống đo áp suất và lưu lượngChương 4: Hệ thống đo nồng độ chất khí

Tài liệu tham khảo

[1] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn VănHòa, Nguyễn Thị Vấn, Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý,NXB GD & ĐT 1996

[2] Tuyển tập các phương pháp đo lường trong công nghiệp(bản tiếng anh)

22/01/2010

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG

CÔNG NGHIỆP

Trang 3

1.1 Nhắc lại các kiến thức về đo lường

Phép đo là quá trình xác định giá trị của một đại lượng bằng

cách so sánh giá trị đó với một giá trị chuẩn

A Giá trị cần đo

Ax Giá trị đơn vị đo

A n Ax

=

22/01/2010

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆP

Sai số là giá trị biểu thị sự sai khác giữa giá trị cần đo với giá

trị thực của đại lượng đo

Sai số tuyệt đối

Sai số tương đối

n N n

∆ = −

n n N

δ = ∆

n

∆

n δ

Trang 4

Đánh giá sự chính xác của đại lượng thực đo được N

Một là: lấy kết quả đo từ thiết bị đo mà ta biết chắc chắn có độchính xác cao hơn, đó chính là kết quả đo của các thiết bị mẫu

Hai là: đo nhiều lần và lấy N là giá trị trung bình cộng của cáclần đo

1

k i i

n N k

Phân loại sai số phép đo

Sai số cơ bản là sai số do khả năng chế tạo thiết bị gây ra Khithiết bị đo làm việc trong điều kiện tuân thủ tất cả các yêu cầucủa nhà sản xuất đặt ra thì sai số phép đo bằng với sai số cơbản

Sai số phụ là sai số sinh ra do điều kiện sử dụng thiết bị khôngtuân thủ đầy đủ yêu cầu của nhà chế tạo Khi tồn tại sai số phụthì sai số phép đo sẽ là tổng sai số cơ bản và sai số phụ

Trang 5

Các phương pháp đo

Đo trực tiếp là giá trị đại lượng cần đo được so sánh trực tiếp

với đơn vị đo để xác định chỉ số đo Phương pháp này có độ chính xác không cao vì bị giới hạn bởi đơn vị nhỏ nhất và khả năng nhận biết của người đo, đồng thời không có khả năng tự động hóa

Đo gián tiếp, giá trị đại lượng cần đo được chuyển sang dạng

tín hiệu khác (cảm biến đo)

Hình 1.1: Phép đo gián tiếp 22/01/2010

1.2 Sơ đồ khối hệ thống đo trong công nghiệp

Hình 1.2: Hệ thống đo trong công nghiệp

Hệ thống đo trong công nghiệp tối thiểu gồm 2 thành phần làcảm biến đo và thiết bị chỉ thị đo, giữa cảm biến đo và thiết bịchỉ thị có thể có các chuyển đổi đo có vai trò là chuyển đổi tínhiệu đo từ dạng này sang dạng khác thuận tiện cho việc tínhtoán giá trị đo

Trang 6

Cảm biến đo có nhiệm vụ chuyển tín hiệu cần đo thành tín hiệu

thuận lợi và có thể thực hiện phép đo Đặc trưng của cảm biếnđo

- Đặc tính cảm biến đo được biểu thị dưới dạng y = f (Q) Cảm biến

đo được đánh giá có tính ưu việt nhất khi mối liên hệ của nó là dạng

22/01/2010

- Giới hạn đo của cảm biến là giá trị lớn nhất của đại lượng cần

đo mà cảm biến đo có thể thu nhận được mà không bị méo vàkhông gây hư hại cho nó

- Sai số của cảm biến là chỉ số chất lượng cơ bản của nó Sai sốcủa cảm biến đo được xác định bằng thực nghiệm đồng thờivới quá trình xác định đặc tính của nó, tức là quá trình khắc độcảm biến đo Trong quá trình khắc độ cảm biến đo, cần phảitiến hành xác định nhiều lần mối liên hệ giữa đầu vào và đầu

ra trong cùng một điều kiện chuẩn Kết quả thu được thường làkhác nhau, do đó, cần thiết phải xác định đặc tính chuẩn củacảm biến đo

Trang 7

Xác định đặc tính chuẩn của cảm biến

- Xây dựng các mối liên hệ ngẫu nhiên giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của cảm biến đo bằng thực nghiệm

- Trên cơ sở trường tương quan vừa xây dựng chọn dạng hàm hồi quy y = f(Q, a, b, ) với a, b, là các hệ số của hàm

- Các hệ số được xác định theo phương pháp cực tiểu tổng bình phương sai lệch

J y f Q a b

=

=∑ − 

0 0

J a J b

Chỉ thị đo có nhiệm vụ thực hiện gia công số liệu nhận được từ

cảm biến đo để xác định giá trị chỉ số đo và hiển thị một cáchchính xác

- Chỉ thị liên tục chỉ thị bằng kim, với đặc trưng là tốc độ chỉthị, giới hạn đo và độ chính xác kết quả đo

- Chỉ thị số chỉ thị bằng Led 7 thanh hoặc màn tinh thể lỏng,với đặc trưng là chu kì lấy mẫu và số lượng chữ số được hiểnthị trong dãy số

Hình 1.3: Chỉ thị liên tục và chỉ thị số

Trang 8

1.3 Đặc điểm chính của hệ thống đo trong công nghiệp

- Trong hệ thống đo công nghiệp tồn tại nhiều chuyển đổi đogiữa cảm biến đo và chỉ thị đo Vai trò của chuyển đổi đo làchuyển dạng tín hiệu đo từ dạng này sang dạng khác, cần thiết

để thực hiện các thao tác tiếp theo Mối liên hệ giữa tín hiệuvào và tín hiệu ra của chuyển đổi đo là tuyến tính Đặc trưngcủa chuyển đổi đo là độ nhạy và ngưỡng độ nhạy Giới hạnchuyển đổi phải luôn luôn đảm bảo yêu cầu thiết kế

- Lúc này, sai số của cả hệ thống được xác định

2 1

k i i

n

=

∆ = ∑∆ ∆n∆i Sai số của hệ thốngSai số của thiết bị thứ i

k Số lượng thiết bị trong hệ thống 22/01/2010

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ

Trang 9

2.1 Khái niệm chung

Nhiệt độ là đại lượng vật lý biểu thị mức độ nóng lạnh của vật thể

hay của môi trường Đại lượng này ảnh hưởng trực tiếp đếnchất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ

CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ

2.2 Nhiệt kế chất lỏng

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Nhiệt kế chất lỏng sử dụng nguyên lý về sự dãn nở chất lỏngphụ thuộc nhiệt độ để thực hiện việc đo nhiệt độ

Hình 2.1: Nhiệt kế dãn nở chất lỏng

Trang 10

Với độ chính xác không cao lắm, ta có thể sử dụng công thức rút gọn

Để có thể quan sát được sự thay đổi thể tích bằng mắt thườngthì chất lỏng phải có hệ số dãn nở vì nhiệt tối thiểu là

α = 1,6.10-4K-1

Các chất lỏng được sử dụng trong công nghiệp là thủy ngân,dầu hỏa, pentan (C5H12), benzentoluen (C6H5CH3), rượu êtylic(C2H5OH), trong đó thủy ngân được sử dụng rộng rãi nhất

Trang 11

- Nếu giới hạn đo của nhiệt kế dưới mức 200oC thì không gian trong ống mao dẫn thường là chân không

- Các nhiệt kế thủy ngân có giới hạn đo vượt quá 200oC thì trong khoảng không gian trong ống mao dẫn thường điền đầy khí trơ với áp suất cao (thường là nitơ)

Để đo được nhiệt độ 500oC thì áp suất trong ống mao dẫn phải đạt được 20 KG/cm2(2MPa)

Trang 12

Nguyên lý

Các chất rắn sẽ thay đổi kích thước khi nhiệt độ thay đổi Nếu khoảng thay đổi nhiệt độ không lớn thì chiều dài của một vật rắn phụ thuộc nhiệt độ theo công thức

Bằng cách tính được bán kính cong của cảm biến, ta có thể tính được nhiệt độ của môi trường cần đo

0 (1 )

t

l0 Chiều dài của vật ở nhiệt độ 0 o C

α Hệ số dãn nở dài trung bình của vật.

22/01/2010

Các phương trình tính toán

Khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi, do độ dãn nở vì nhiệt của

2 kim loại là khác nhau nên cảm biến sẽ bị cong và làm thay đổi bán kính cong của cảm biến Dựa vào sự thay đổi bán kính cong này mà ta có thể tính được sự thay đổi về nhiệt độ

2 2

α2, α1 Hệ số dãn nở vì nhiệt của 2 kim loại t1, t2 Độ dày của 2 tấm kim loại

dài bằng nhau

Trang 13

2.4 Nhiệt kế công nghiệp sử dụng chất khí

Cấu tạo

Hình 2.4:

Trang 14

Nhiệt kế áp lực là thiết bị đo nhiệt độ dựa vào mối quan hệgiữa áp suất và nhiệt độ trong một hệ thống kín Phụ thuộc vàovật thể trong hệ thống nhiệt mà người ta chia thành nhiệt kế áplực chất khí, nhiệt kế áp lực chất lỏng,

Nguyên tắc hoạt động

Hệ thống nhiệt của nhiệt kế được điền đầy chất lỏng hoặc chấtkhí có chức năng dẫn nhiệt Khi hệ thống nhiệt được đặt trongmôi trường cần đo nhiệt độ, áp suất trong hệ thống sẽ thay đổi

Khi đó, áp suất trong hệ thống sẽ làm cho tiết diện ống bị biếndạng, lò xo ống dãn ra và làm dịch chuyển đầu tự do của nó

Thông qua thanh dẫn, tác động này sẽ làm quay bánh rănghình quạt, quay bánh răng và làm kim chỉ thị dịch chuyển trênthang chia độ

22/01/2010

Các thông số của nhiệt kế áp lực

- Ống lò xo thường có dạng hình elip hoặc hình chữ nhât

- Ống mao dẫn được chế tạo từ đồng thau hoặc thép có đườngkính ngoài 2,5mm và đường kính trong là 0,35mm

- Chiều dài ống mao dẫn có thể từ 1m đến 60m Phía ngoàiống mao dẫn có vỏ kim loại để bảo vệ

- Nếu áp suất trong hệ thống thấp hơn 64Kg/cm2thì không cần

có vỏ bảo vệ Nếu áp suất này lớn hơn 250Kg/cm2thì cần cóống bảo vệ bằng kim loại

- Các nhiệt kế áp lực được chế tạo trong điều kiện chuẩn(20oC) Khi đo nhiệt độ trong điều kiện khác chuẩn, ta thường

sử dụng 1 thanh kim loại hình chữ U thay cho thanh dẫn để bù

Trang 15

P0 Áp suất tại nhiệt độ 0 o C

ß Hệ số nhiệt – áp suất của chất khí ß(Nitơ) = (0,003661÷0,000013P0)1/ o K 22/01/2010

Khi nhiệt độ thay đổi từ giới hạn đầu td đến giới hạn cuối củathang đo tcthì sự thay đổi áp suất được mô tả

Khi đó, sự thay đổi áp suất trong hệ thống sẽ là

Rõ ràng khi sự thay đổi áp suất trong hệ thống tỉ lệ với áp suấtban đầu và hiệu nhiệt độ tc – td Tuy nhiên, khi nhiệt độ thayđổi thì thể tích chất khí cũng thay đổi theo Do vậy, ∆P theocông thức trên không hoàn toàn chính xác nhưng nhìn chungảnh hưởng hưởng này là không đáng kể

Trang 16

Khi giới hạn đo thay đổi, để đảm bảo giá trị ∆P cần thiết, người tathường thay đổi giá trị áp suất ban đầu Pd

- Khi giới hạn đo từ 0 ÷ 100oC thì ở áp suất 0oC thì Pd = 38Kg/cm2

- Khi giới hạn đo 0 ÷ 600oC thì ở áp suất 0oC thì Pd = 15Kg/cm2

Bầu nhiệt có thể tích tùy vào chiều dài ống dây

- Đường kính bầu nhiệt thường là 20mm Chiều dài bầu nhiệt

là 125mm khi chiều dài ống dẫn tối đa là 2,5m

- Khi chiều dài ống dây là 40m thì chiều dài bầu nhiệt là500mm

22/01/2010

2.5 Các loại cảm biến nhiệt độ Cặp nhiệt điện

Hình 2.5: Cặp nhiệt điện

Trang 17

Các vấn đề khi sử dụng cặp nhiệt điện

- Giá trị của suất điện động sinh ra trong cặp nhiệt điện

22/01/2010

Xét vòng dây kín ta cóGiả sử 2 dây A và B có nồng độ điện tử

nA > nB, khi đó xuất hiện dòng khuếchtán điện tử từ A sang B tức là xuất hiện

eAB(t) và eAB(t0) từ dây B sang dây AGiả sử tại đầu dưới có nhiệt độ t lớn hơnnhiệt độ đầu trên t0 Khi đó, có dòng điện

tử khuếch tán từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp, tức là có eA(t,t0) và eB(t,t0) có chiều từ trên xuống dưới

Điện áp xuất hiện trong vòng dây sẽ là

E=e t −e t t −e t +e t t

Trang 18

Trong thực tế, 2 điện áp eA(t,t0) và eB(t,t0) rất nhỏ so với eAB(t)

Tại sơ đồ thứ nhất, thiết bị đo được mắc tại đầu tự do của cặp nhiệt điện Khi đó

Trang 19

Tại sơ đồ thứ 2, thiết bị đo được mắc trong điện cực Theo định luật Kirchoff 2 ta có

Ghép mắc xung đối Ghép mắc nối tiếp

Hình 2.6: Các cách ghép cặp nhiệt điện

Trang 20

Mạch đo trong công nghiệp

Đặc điểm mạch đo trong công nghiệp

- Đầu tự do phải có độ ổn định nhiệt cao, cách xa các bề mặt được đốt nóng, thông thường đầu tự do của cặp nhiệt điện phải đưa về phòng điều khiển trung tâm để ghép với thiết bị đo Do

đó phải có dây dẫn bù

- Mỗi cặp nhiệt điện đều có dây dẫn bù riêng

- Nhiệt độ tác động lên đường dây dẫn bù có nhiệt độ trong khoảng 0-100oC

22/01/2010

Theo sơ đồ trên ta có

Nếu toàn bộ hệ thống có cùng chung một nhiệt độ thì

Trang 21

Bù nhiệt độ đầu tự do

Điều kiện chuẩn để xác định đặc tính của cặp nhiệt điện là

0oC Tuy nhiên trong thực tế sử dụng, đầu tự do luôn khác 0

Nghĩa là suất điện động đo được luôn nhỏ hơn suất điện độngtiêu chuẩn Vì thế ta phải tiến hành bù suất điện động này

Điện trở R1, R2và R3được làmbằng manganin có hệ số nhiệt vôcùng nhỏ Rbđược chế tạo bằngdây đồng thỏa mãn

Trang 22

Loại nhiệt điện trở Công thức liên hệ Nhiệt độ đo được

Nhiệt điện trở bạch kim

Trang 23

Can nhiệt điện trở

Hình 2.8: Can nhiệt điện trở

22/01/2010

Can nhiệt điện trở thường gặp

Can nhiệt điện trở bạch kim có kí hiệu TCΠ-50 (R0=50Ω) và TCΠ-100 hay PT-100 (R0=100Ω)

Can nhiệt điện trở đồng có kí hiệu TCM-50 (R0=50Ω) và TCM-100 (R0=100Ω)

Độ chính xác

Phân loại Sai số R0 Sai số hệ số nhiệt Phân loại Sai số R0 Sai số hệ số nhiệt

6

7.10 1 /

o dR

C

R dt

Trang 24

2.6 Hệ thống đo nhiệt độ công nghiệp sử dụng trong đo lường và điều khiển

Hệ thống đo nhiệt độ trong công nghiệp thường sử dụng cảmbiến nhiệt độ cặp nhiệt điện hoặc sử dụng can nhiệt điện trởkết hợp với hệ thống hiển thị

Hệ thống hiển thị có thể sử dụng loại chỉ thị kim (chỉ thị từđiện) hoặc chỉ thị số

Trong thực tế, ngoài việc sử dụng cặp nhiệt điện, can nhiệtđiện trở, người ta cũng còn sử dụng các loại cảm biến điện tử

từ điện Nguyên tắc hoạt động của

cơ cấu là khi có dòng điện chạy trongmột khung dây kín đặt trong từ trường,khung dây sẽ chịu ảnh hưởng của lực

từ trường vào sẽ quay quanh trụccủa nó Mô men quay có độ lớn phụ thuộc vào cường độ dòng điện qua khung dây Hình 2.9: Milivolt kế

Kim chØ

Trang 25

Phương trình đặc trưng

Milivolt kế trong hệ thống đo nhiệt độ

Hình 2.10: Hệ thống đo nhiệt độ cặp nhiệt điện-milivolt kế

.

K I

22/01/2010

Cường độ dòng điện trong khung dây

Góc quay của khung dây

Yêu cầu đặt ra là góc quay α chỉ phụ thuộc vào E(t,t0), để đảm bảo yêu cầu này thì Ʃ R phải cố định Thông thường người ta

R R R

Trang 26

Hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống đo lường số

- Cảm biến đo được sử dụng thông thường là cặp nhiệt điện

- Chuyển đổi đo thông thường là khối khuếch đại có nhiệm vụkhuếch đại tín hiệu từ cảm biến cho phù hợp với khâu lượng tửhóa

- Khâu lượng tử hóa có nhiệm vụ chuyển tín hiệu tương tự thànhtín hiệu số

- Chỉ thị số có nhiệm vụ hiển thị kết quả đo

22/01/2010

Hình 2.12: Đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện sử dụng vi điều

khiển AVR với màn hiển thị LCD

Trang 27

2.7 Các loại hỏa kế đo nhiệt độ lớn

Nguyên lý

Hỏa kế là thiết bị đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếpxúc Nhiệt lượng được xác định thông qua năng lượng bức xạcủa nó Do cảm biến không tiếp xúc với vật đo nên không làmthay đổi nhiệt độ của vật đo Đồng thời, cảm biến đo khôngtiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao nên theo lý thuyết, có thểnói phương pháp đo không tiếp xúc không tồn tại giới hạn đo

Các loại hỏa kế đều dựa trên cơ sở các định luật bức xạ nhiệtcủa vật đen tuyệt đối

22/01/2010

Hỏa kế bức xạ toàn phần

Trang 28

Cấu tạo

Cấu tạo hỏa kế bức xạ toàn phần gồm 2 phần chính

- Phần đầu đo gồm các cặp nhiệt điện được mắc nối tiếp vớinhau và một hệ thống các thấu kính hội tụ, vỏ đầu đo, hệ thốngkính màu để bảo vệ mắt người

- Thiết bị chỉ thị có thể là dạng chỉ thị kim hoặc chỉ thị số đểbiểu diễn giá trị đo được từ hệ thống cảm biến cặp nhiệt điện

- Giá trị chuẩn của nhiệt độ vỏ hỏa kế được thiết kế là 20oC

Trang 29

Bù giá trị nhiệt độ môi trường

Phương pháp 1

- Sử dụng hệ thống màn chắn để tạo nên một khoang làm mátnhư hình 2.13 Điều này làm thay đổi dòng năng lượng bức xạchiếu lên tổ hợp cặp nhiệt điện

- Hệ thống màn chắn bao gồm 4 thanh kim loại kép được gắnlên vỏ có khả năng bị uốn cong khi nhiệt độ thay đổi

- Khi nhiệt độ môi trường tăng lên, hệ thống màn chắn bị uốncong nên năng lượng bức xạ chiếu lên hệ thống cảm biến cũngtăng lên Khi đó cả e(t) và e(t0) cũng đều tăng lên Do đó giá trị

E thay đổi không đáng kể

- Điện trở bù được chế tạo bằng đồng được lắp sát với vỏ hỏa

kế nên có nhiệt độ bằng nhiệt độ của môi trường

- Điện áp U nhận được không phải là cặp nhiệt điện E

1

b

E U

r R

= +

Rb Điện trở bù tăng/giảm theo nhiệt độ môi trường

Trang 30

Một số cải tiến của hỏa kế bức xạ toàn phần

22/01/2010

Một số cải tiến của hỏa kế bức xạ toàn phần

Trang 31

- Hỏa kế quang học được chế tạo để đo nhiệt độ trong khoảng

700 đến 8000oC

- Nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên tắc đo so sánh cường

độ bức xạ đơn sắc trong vùng bước sóng quan sát được của đốitượng cần đo nhiệt độ với cường độ bức xạ của dây tóc bóngđèn mẫu

- Việc so sánh được thực hiện hoàn toàn bằng mắt người, dovậy kết quả đo có yếu tố chủ quan của người sử dụng

Trang 32

Các bức đo

- Điều chỉnh thấu kính để mắt người có thể nhìn rõ hình ảnhcủa đối tượng cần đo nhiệt độ

- Ấn khóa K để bật đèn, điều chỉnh thị kính để mắt người cũng

có thể nhìn thấyhình ảnh của dây tóc bóng đèn Kính lọc sắc

đỏ có tác dụng đơn sắc hóa chùm tia chiếu vào mắt người quansát Kính lọc này có thể được bỏ ra khi hệ thống được sử dụng

để đo nhiệt độ có bức xạ không lớn

- Điều chỉnh con trỏ để thay đổi cường độ dòng điện – thay đổicường độ ánh sáng dây tóc bòng đèn sao cho cường độ ánhsáng của dây tóc bóng đèn giống cường độ ánh sáng của vậtcần đo nhiệt độ

22/01/2010

- Cường độ dòng điện lúc đó sẽ tương ứng với nhiệt độ của đốitượng cần đo

Môi trường có nhiệt độ khác Môi trường có nhiệt độ nhiệt độ dây tóc bằng nhiệt độ dây tóc

Hình 2.15: Các trường hợp so sánh

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	1,19 MB

Bài giảng ĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆP

Các loại hỏa kế đo nhiệt độ lớn

Máy phân tích khí từ cơ