Baì giảng chi tiết môn lý thuyết điều khiển tự động dùng cho nghành máy tàu biển chuong 6

Nếu tập hợp đo được nối với thiết bị điều chỉnh, điều khiển trongmột hệ thống tự động hay nói cách khác là tín hiệu ra của tập hợp đo được đưa vào hệ thống tự độngnhằm mục đích tạo ra tí

Chương 6

Phần tử cảm ứng

6.1 Khái niệm chung

Trong tất cả các hệ thống tự động điều chỉnh kín và trong một số hệ thống tự động điều chỉnh hởđều có các phần tử, mà chức năng của chúng là nhận thông tin và đo đạc thông tin tạo ra những tín hiệuđưa đến các thiết bị có chức năng điều khiển Các phần tử này được gọi là tập hợp đo

Trong các hệ thống tự động điều chỉnh, các đại lượng cần thiết phải đo có thể là các đại lượng đặctrưng cho trạng thái của quá trình (nhiệt độ, áp suất, độ nhớt, lưu lượng) hoặc đặc trưng cho trạng thái củađối tượng, trong một vài hệ thống tự động còn có thể có phần tử đo tác động nhiễu

Trên thực tế tập hợp đo thường có cấu tạo bao gồm hai phần chính là đầu đo (đầu cảm - sensor) và

cơ cấu biến đổi tín hiệu (transmitter) Nếu tập hợp đo được nối với thiết bị điều chỉnh, điều khiển trongmột hệ thống tự động hay nói cách khác là tín hiệu ra của tập hợp đo được đưa vào hệ thống tự độngnhằm mục đích tạo ra tín hiệu điều chỉnh, điều khiển thì khi đó tập hợp đo được gọi là phần tử cảm biến(phần tử cảm ứng) Nếu phần tử đo được nối với thiết bị ghi, chỉ báo… thì khi đó tập hợp đo được gọi làphần tử đo Trên thực tế một tập hợp đo có thể được nối với cả hai loại thiết bị nói trên, khi đó hai kháiniệm phần tử cảm biến và khái niệm phần tử đo có thể coi là tương đương nhau Sau đây vì mục đíchchính là phân tích các hệ thống tự động nên chúng ta sẽ dùng khái niệm phần tử cảm biến (phần tử cảmứng) để chỉ các tập hợp đo

Ngày nay, kỹ thuật chế tạo các phần tử cảm biến, đặc biệt là chế tạo các đầu đo, rất được chú trọng

vì khả năng và độ chính xác của các đầu đo có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của hệ thống Trong kỹ

thuật có vô số các đại lượng cần được đo vì vậy có rất nhiều loại đầu cảm (đầu đo) để đo các đại lượngkhác nhau, mỗi đại lượng lại có thể có những loại đầu đo khác nhau với những dải đo khác nhau, tính chấtcủa tín hiệu ra khác nhau Sau đây là các loại đầu cảm thường được sử dụng trong các hệ thống tự động.

1 Đầu cảm áp suất kiểu hộp xếp, kiểu piston xilanh, kiểu màng, kiểu lò xo Bourdon, tín hiệu

ra là lực hoặc dịch chuyển cơ khí

2 Đầu cảm áp suất kiểu màng điện trở hoặc kiểu màng bán dẫn, tín hiệu ra kiểu điện

3 Đầu cảm mức chất lỏng kiểu phao, kiểu màng, kiểu thuỷ tĩnh học…, tín hiệu ra là áp suất,lực hoặc dịch chuyển cơ khí

4 Đầu cảm mức chất lỏng kiểu điện trở, điện dung, siêu âm…, tín hiệu ra kiểu điện hoặc kiểuxung

5 Đầu cảm mức chất lỏng kiểu ống thông nhau

6 Đầu cảm lưu lượng kiểu ống thắt, tín hiệu ra là độ chênh áp

7 Đầu cảm lưu lượng kiểu điện, điện từ

8 Đầu cảm nhiệt độ kiểu bình nhiệt, tín hiệu ra là áp suất, lực hoặc dịch chuyển cơ học

9 Đầu cảm nhiệt độ kiểu điện trở, pin nhiệt điện, quang …, tín hiệu ra kiểu điện

10 Đầu cảm nhiệt độ kiểu lưỡng kim

11 Đầu cảm vòng quay kiểu ly tâm, khí nén, thuỷ lực

12 Đầu cảm vòng quay kiểu máy phát tốc dòng một chiều

13 Đầu cảm mật độ kiểu phao

14 Đầu cảm mật độ kiểu điện dung, kiểu ion, kiểu quang điện…

15 Đầu cảm độ ẩm

16 Đầu cảm lực kiểu lò xo

17 Đầu cảm công suất điện

18 Đầu cảm mô men kiểu Tenxomet

19 Đầu cảm năng lượng

20 Đầu cảm phát xung kiểu quang điện hoặc từ trường

Có rất nhiều đại lượng cần đo khác nhau, các đầu cảm cũng có rất nhiều loại khác nhau nên tínhiệu nhận được ở đầu ra của các đầu cảm có thể có nhiều thang giá trị, tính chất và dạng năng lượng khácnhau Đây chính là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất trong quá trình thiết kế phần tử cảm biến và bộ điềuchỉnh Vì nếu mỗi loại bộ điều chỉnh cần một loại phần tử cảm biến riêng biệt thì sẽ làm tăng giá thành hệthống tự động Để có thể loại trừ được vấn đề nan giải này, người ta tiêu chuẩn hoá vùng đo của các đầucảm, độ lớn tín hiệu ra của đầu cảm dùng thiết bị biến đổi trung gian Thiết bị này có nhiệm vụ biến đổitín hiệu ra của đầu cảm thành tín hiệu thích hợp (cả về thang giá trị và tính chất) để đưa đến đầu vào của

bộ điều chỉnh

Tín hiệu vào của các thiết bị biến đổi trung gian gọi tắt là tín hiệu trung gian Tín hiệu này ra từđầu cảm - vùng thay đổi giá trị của nó phụ thuộc vào cấu trúc của đầu cảm Vùng thay đổi giá trị thôngthường của các tín hiệu trung gian được liệt kê trong bảng 6.2.1

101

Trong một số trường hợp, tín hiệu ra của đầu cảm phù hợp với bộ điều chỉnh kể cả về giá trị vàtính chất ví dụ các đầu cảm nhiệt độ, khi đó phần tử cảm biến chỉ bao gồm đầu cảm và được nối trực tiếpvới bộ điều chỉnh

Bảng 6.2 vùng thay đổi giá trị của tín hiệu trung gian

3 Độ nhạy (dy/dx) phải cao và không phụ thuộc vào tín hiệu vào

4 Dạng tín hiệu ra y phải phù hợp với thiết bị nối tiếp sau phần tử cảm biến

5 Độ ồn khi hoạt động phải thấp

6 Tác động ngược lại đối với tín hiệu vào x phải nhỏ

7 Độ trễ trong quá trình đo phải nhỏ

Sau đây ta lần lượt nghiên cứu từng loại phần tử cảm ứng, trên cơ sở cấu tạo, đặc tính và ứng dụngcủa chúng.

6.2.1 Phần tử cảm ứng vòng quay

Trên thực tế có thể gặp phần tử cảm ứng vòng quay dạng cơ học, thuỷ lực, khí nén và điện Nhưnghai loại phần tử cảm ứng tốc độ quay kiểu khí nén và điện ít được ứng dụng trong các hệ thống tự độngđiều chỉnh các thông số nhiệt vì thế trong phần tử này không đề cập đến ở đây chỉ xét một loại phần tửcảm ứng vòng quay điển hình đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều chỉnh vòng quay củađộng cơ diesel, tua bin hơi và khí

Trên hình 6.3 biểu thị sơ đồ nguyên lý của phần tử cảm ứng vòng quay kiểu cơ học Vật có khốilượng m quay quanh trục x - x với vận tốc góc  Khối lượng m này được giữ ở vị trí tương ứng với trụcquay bởi lò so có độ cứng là c một đầu được gần chặt tại điểm A Khối lượng m có thể dịch chuyển dọctheo trục ZZ vuông góc với x - x phụ thuộc vào giá trị của 

Nếu  = 0 thì trọng tâm của khối lượng m nằm ở điểm B cách trục x - x một khoảng Zo Trongtrường hợp lò xo ở vị trí cân bằng

Giả sử tốc độ góc có giá trị là  và khối lượng m dịch chuyển đến vị trí D cách trục x - x mộtkhoảng là: Z + Zo Nếu không tính đến lực hút của khối lượng m khi  = const sẽ có phương trình cânbằng sau đây:

C: độ cứng của lò xo: và c = const

Có thể tính được Z theo phương trình (1)

1m

c

XZ

103

 thì mẫu số có giá trị âm Trường hợp này tương tự như khi đặt vật nặng m, khi 

= 0 có trọng tâm nằm bên trái trục x - x

Trên hình 6.4 biểu thị mối quan hệ giữa Z = f() Đường 1 biểu thị mối quan hệ giữa Z = f() khi

Để xác định vị trí cân bằng của vật có khối lượng m (ở điểm D) cần phải xây dựng đồ thị các đặctính lực tác dụng lên khối lượng khi có  = const phụ thuộc vào độ dịch chuyển của khối lượng này trêntrục ZZ Trên hình 6-5a chỉ điểm D là điểm cân bằng bền vững, bởi vì nếu trọng tâm của vật có khốilượng m lệch về phía nào cũng gây nên lực dư E kéo khối lượng m về vị trí cân bằng ban đầu Như vậy

2

ứng với mỗi giá trị của tốc độ góc  có một vị trí nhất định của khối lượng m và ngược lại Dựa trênnguyên tắc này người ta ứng dụng để xây dựng phần tử cảm ứng tốc độ quay cơ học của các bộ điềuchỉnh vòng quay hiện nay.

Trong trường hợp  > K từ biểu thức 2 cho thấy Z chỉ có giá trị đương trong trường hợp Zo < 0

Có nghĩa là trọng tâm của vật khi  = 0 nằm về phía bên trái của trục X - X Trên hình 6-5b chỉ rõ điểm Dkhong phải là điểm cân bằng vĩnh viễn Do vậy không thể xây dựng phần tử cảm ứng theo nguyên tắcnày Phần tử cảm ứng vòng quay thực tế mô tả trên hình 6.6 Trục chính của phần tử cảm ứng vòng quay

105

cơ học nhận truyền động từ trục của máy Cùng quay với trục có 2 quả văng 3 treo trên thanh truyền 2 vàkhớp nối 1 chuyển động dọc theo trục.

Dưới tác đụng của lực ly tâm, hai quả văng chuyển động ra xa trục quay Trong khi đó trọng lựccủa quả văng G2, trọng lượng của khớp nối GK và lực kéo của lò xo F tác động ngược chiều với lực ly tâmkéo quả văng gần lại với trục quay Khi tốc độ quay có giá trị nhất định, sẽ thiết lập trạng thái cân bằng vềlực và khớp nối 1 được giữ ở vị trí nhất định nào đó Trục Z và x có hướng dương tương ứng với hướngchuyển dịch của khớp trượt về phía tăng vận tốc góc

Ta xét đặc tính hoạt động của phần tử cảm ứng theo từng trường hợp

a Khi phần tử cảm ứng không hoạt động  = 0 tác động nên quá văng chỉ có lực lò so và lực G2

trọng lực của quả văng Nếu cho khớp trượt dịch chuyển một đoạn Z nào đó tương ứng sẽ có sự chuyểndịch của điểm B một khoảng 2x (chính là độ dịch chuyển của lò xo) và Z1 độ dịch chuyển theo phươngthẳng đứng của quả văng

Công sinh ra của tổng hợp các lực trong trường hợp này sẽ là:

x

1 2

Z

ZGZ.GZ

Từ đó rút ra:

Z

x F Z

Z G G





xác định bằngcách dựng một số vị trí của các chi tiết của phần tử cảm ứng giữa 2 vị trí cực đại và cực tiểu của khớp nối

và xác định bằng đồ thị độ chuyển dịch của điểm đặt của các lực

Biểu thức (6) chỉ rõ rằng lực phục hồi E phụ thuộc vào vị trí của khớp nối và lực ban đầu của lò

xo (Sức căng ban đầu của lò xo Fo)

Trên hình 6 - 7a biểu thị mối quan hệ giữa lực phục hồi E và độ dịch chuyển của khớp trượt Z ởcác giá trị khác nhau của sức căng ban đầu của lò xo

ở những bộ điều chỉnh (đ/c) vòng quay của động cơ diesel cao tốc và tua bin có phần tử cảm ứngkhông lớn lắm, do vậy trọng lượng của quả văng, khớp nối, thanh truyền vv nhỏ Vì thế lực phục hồiđược tính theo phương trình

Z

x 2 F

E = Fo + c Z

Như vậy khi thay đổi sức căng ban đầu của lò xo thì lập tức E cũng thay đổi theo

107

Như vậy độ hiệu chỉnh sự thay đổi của lực phục hồi E được gọi là độ hiệu chỉnh của phần tử cảmứng và ký hiệu là  Cho nên lực E phụ thuộc vào hai yếu tố: E = F(Z, ).

Điều này thể hiện rõ trên đặc tính 6 - 7a

Lực duy trì (lực giữ) khi phần tử cảm ứng làm việc, trên khớp trượt không chỉ có lực phục hồi tácđộng mà còn lực thứ hai đó là lực giữ - ký hiệu là C Lực này được xác định từ điều kiện cân bằng côngthực hiện bởi lực ly tâm FLT của các chi tiết quay và lực giữ hướng theo trục chuyển động của khớp nối

từ đây rút ra:

)(

x x m Z

x F

i i n

Trong đó: mi: khối lượng của chi tiết quay thứ i

Xi: khoảng cách từ trọng tâm của chi tiết quay thứ i đến trục quay

Như vậy lực giữ C được xác định:

Nếu độ nghiêng của đặc tính phục hồi E (Z, ) lớn hơn độ nghiêng đặc tính lực giữ C (Z, ) nhưđường 1 và đường 2 thì khi chuyển dịch khớp trượt về vị trí ban đầu - phần tử có tính bền vững, phần tửcảm ứng dạng này được sử dụng trong thực tế

Nếu độ nghiêng đặc tính E(Z, ) nhỏ hơn đặc tính C(Z, ) (đường 3 và 2 trên hình 6 - 8) thì sựcân bằng của phần tử cảm ứng tại điểm Z1 là không bền vững vì khi khớp nối chuyển dịch về bất cứ phíanào thì nó sinh ra lực căng làm cho vị trí của khớp trượt dịch chuyển ra xa điểm cân bằng hơn nữa Phần

tử cảm ứng loại này là phần tử cảm ứng vòng quay có tính không bền vững và không được sử dụng trongthực tế

Tính ổn định của phần tử cảm ứng đặc trưng bởi chỉ số bền vững Fođ:

Z

C E

C C Z Z

Như vậy tất cả các lực tác dụng lên khớp trượt của phần tử cảm ứng có thể thay bằng 2 lực ngượcchiều nhau E và C Trạng thái cân bằng của khớp trượt chỉ tồn tại khi 2 lực C và E bằng nhau.

Phương trình (12) được gọi là phương trình cân bằng tuyến tính Từ các phương trình trên ta thấylực E và lực C phụ thuộc vào Z và ,  và cũng từ đó ta tìm được sự phụ thuộc giữa Z và , đồng thờidựng đường cong gọi là đặc tính tuyến tính của phần tử cảm ứng tốc độ quay Song dạng liên kết Z =Z() ít gặp ở dạng cụ thể, cho nên ta dùng cách phân tích bằng đồ thị: dựng E = f(Z) và C = f(Z) ở mộtgiá trị của  sau đó tổng hợp trên cùng một đồ thị lấy các điểm Zi tương ứng với i dựng được đặc tínhtuyến tính - biểu thị sự phụ thuộc giữa đại lượng ra và đại lượng vào

Hiệu giữa giá trị ở chế độ ổn định nào đó và giá trị ở chế độ định mức gọi là sai số tuyến tính (sai số tĩnh)

T ) Z (

T ) Z ( E

Z A

T Z

từ Zmin đến Zmax ta dựng được vùng không nhạy như trên hình 6 - 9

Tỷ số khoảng không cảm ứng và giá trị tốc độ góc trung bình gọi là hệ số không cảm ứng (hệ sốkhông nhạy) của phần tử và có ký hiệu là 

TB

' '

6.2.2 Phần tử cảm ứng áp suất

a Cấu tạo

Trên thực tế có thể gặp phần tử cảm ứng áp suất khác nhau về cấu tạo Trong các bộ điều chỉnhthường ứng dụng phần tử cảm ứng áp suất: phần tử cảm ứng kiểu màng, hộp xếp, kiểu piston xi lanh, kiểudạng ống cong đàn hồi vv

Chọn và ứng dụng phần tử cảm ứng áp suất vào thực tế phụ thuộc vào mức độ áp suất cần điềuchỉnh, độ chính xác yêu cầu trước và độ tin cậy của phần tử cảm ứng trong mọi điều kiện khai thác khácnhau Trên hình 6-11 biểu thị một số phần tử cảm ứng áp suất tiêu biểu thường áp dụng trong thực tế

b/ Xây dựng đặc tính

Phần tử cảm ứng áp suất kiểu piston - xilanh

111

Nếu không tính đến lực ma sát giữa piston và xilanh cùng với trọng lượng của piston và thanhtruyền có thể viết phương trình cân bằng của phần tử cảm ứng áp suất kiểu piston - xilanh như sau:

Trong đó: Sn: diện tích tiết diện của piston

Fo: sức căng ban đầu của lò xo

ta thường sử dụng phần tử cảm ứng kiểu màng đàn hồi, hộp xếp, ống cong đàn hồi vv

Phần tử cảm ứng áp suất kiểu đàn hồi

Về cấu tạo màng đàn hồi có nhiều loại và chế tạo từ nhiều vật liệu khác nhau phụ thuộc vào giá trị

áp suất điều chỉnh và điều kiệnlàm việc của phần tử cảm ứng Phần tử áp suất kiểu màng có nhược điểm

cơ bản Sự thay đổi của tâm màng với áp suất vào biến thiên chỉ tuyến tính trong khoảng đàn hồi nhỏ củamàng - vì thế đối với phần tử cảm ứng áp suất kiểu màng phẳng thường có tín hiệu ra nhỏ và không phảnảnh chính xác sự thay đổi của thông số cần thiết Để khắc phục nhược điểm này, người ta chế tạo màngmềm có diện tích hữu hiệu không thay đổi Trên hình 6 -12 biểu thị một vài dạng cấu tạo bề mặt củamàng thường gặp trong thực tế

Do cấu tạo của bề mặt màng có các dạng lượn sóng khác nhau, nên sự hoạt động của phần tử cảmứng trên quan điểm hoạt động tuyến tính cũng có sự khác biệt nhau rõ rệt

Trên cơ sở cấu tạo của màng và các đặc tính mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào Có thểrút ra một số nhận xét sau:

- Về độ bền, phần tử cảm ứng kiểu màng có bề mặt gợi sóng hình sin và bề mặt cong đều có độbền tốt nhất Sau đó là gợn sóng hình thang và cuối cùng là hình tam giác

- Tính tuyến tính của phần tử phụ thuộc vào hình dạng bề mặt gọn sóng Bề mặt gợn sóng tam giác

có tính tuyến tính cao nhất sau đó đến bề mặt gợn sóng của hình thang và cuối cùng là hình sin

- Cùng kiểu bề mặt gợn sóng như nhau, nhưng màng nào có bề sâu gợn sóng lớn hơn, thì tínhtuyến tính của phần tử càng tốt hơn

Phần tử cảm ứng kiểu hộp xếp

Đặc điểm chung của phần tử cảm ứng hộp xếp có đặc tính lò xo, do vậy mối quan hệ giữa độ dịchchuyển Z và thông số cần đo có khoảng tuyến tính lớn hơn so với màng đàn hồi Nhưng cả hộp xếp vàmàng đàn hồi đều có độ dịch chuyển nhỏ hơn so với phần tử cảm ứng kiểu piston - xilanh

Xác định lực phục hồi và lực duy trì của phần tử cảm ứng áp suất

Lực phục hồi R của phần tử cảm ứng áp suất kiểu piston xi lanh màng đàn hồi và hộp xếp là tổnglực của các chi tiết đàn hồi, trọng lượng của các chi tiết động (piston, thanh truyền vv ) đại lượng các lựcphục hồi E được xác định từ đẳng thức công của lực tương đương trên quãng đường Z và các lực tácdụng trên quãng đường này

ở đây: Gp: trọng lượng của piston, màng, hộp số

GT: trọng lượng của các thanh truyền

F: lực của cơ cấu đàn hồi (lò xo, hộp xếp màng)

113

R R

P R 3

Ngoài ra một phần lực tác dụng vào màng ngoài vật cứng cũng tác dụng lên trục ra Thành phầnlực này được xác định bằng công thức:

P r R

r R r R

r 2 R 3

1 ' dC

r R

1 S S S S ( P 3

Tuy nhiên nếu tăng nhiều quá thì sẽ giảm tính tuyến tính của phần tử cảm ứng Cho nên trên thực

tế diện tích vật cứng được phép chế tạo không được vượt quá 80% diện tích của màng

Lực giữ C không phụ thuộc vào độ dịch chuyển của khớp trượt mà chỉ phụ thuộc vào sự thay đổicủa thông số điều chỉnh C = C(P) Do vạy đặc tính C = C(Z) là những đường thẳng song song với trụchoành như thể hiện trên hình (6-14)

115

Để tìm mối quan hệ giữa P và Z tức là tìm đặc tính tĩnh của phần tử cảm ứng Như ta đã biết ở chế

Nếu tính đến lực ma sát khô trong quá trình làm việc của phần tử cảm ứng sẽ thấy xuất hiện vùngkhông cảm ứng (vùng không nhạy) của phần tử cảm ứng Phương trình trạng thái cân bằng sẽ có dạng:

TB P

' P ' P

tử bền vững ứng dụng trong thực tế Phần tử nào có độ cứng lò xo càng lớn thì phần tử đó có tính ổn địnhcàng cao

6.2.3 Phần tử cảm ứng mức đo

117