PHẦN II ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN

Đặc điểm và phân loại cảm biến: Đặc điểm và phân loại cảm biến: Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động: tạo ra các thông số mạch điện Cảm biến tích cực: sinh ra dòng, áp hay điện tích V

Trang 1

Ph ầ n II: Đ o cỏc đạ i l ượ ng khụng đ i ệ n

đạ i l ượ ng khụng đ i ệ n

Phân loại: thông thường phân loại

Theo các đại lượng:

Nhiệt độ

X CB Y BĐCH Yc TBĐ

h CB- Cảm biến

Di chuyển và kích thước hình học, khoảng cách

Đo lực, áp suất và ứng

CB- Cảm biến BĐCH - Biến đổi chuẩn hoá

TBĐ- Thiết bị đo điện

Đo lực, áp suất và ứng suất

Đo các thông số chuyển

động

Đo phân tích nồng độ vật chất

2

đạ i l ượ ng khụng đ i ệ n (2)

Phần quan trọng nhất của việc đo không điện là các cảm biến

Đặc điểm và phân loại cảm biến:

Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động: tạo ra các thông số mạch

điện

Cảm biến tích cực: sinh ra dòng, áp hay điện tích

Ví dụ về cảm biến thụ động

Đại lượng Thông số biến đổi Vật liệu làm cảm biến

Nhiệt độ Nhiệt độ rất thấp

Điện trở suất Hằng số điện môi

Kim loại : platine, nickel,

đồng, chất bán dẫn Thuỷ tinh Điện trở suất Hợp kim niken và silic mạ Biến dạng

Điện trở suất

Độ từ thẩm

Hợp kim niken và silic mạ Hợp kim sắt từ

Từ thông của bức xạ quang

quang

Hằng số điện môi

Chlorure de lithium Hợp kim polymere

Trang 2

Ví dụ về cảm biến tích cực

Đại l−ợng vật lý cần đo Hiệu ứng sử dụng Tín hiệu ra

Lực

áp suất

Gia tốc

Từ thông bức xạ quang

Hoa quang Phát xạ quang

Điện tích Dòng điện

5

Từ thông bức xạ quang Phát xạ quang

Hiệu ứng quang áp Hiệu ứng quang điện từ

Dòng điện Điện áp Điện áp

V ấ n đề c ủ a b ộ th ố ng nh ấ t hoỏ

Thớch ứng về trở khỏng

Cảm biờn Signal

Thớch ứng về trở khỏng tuyến tớnh hoỏ

Khuếch đại

Thống nhất Hoỏ cảm biế

thụđộng

Khuếch đại

Chuẩn hoỏ tớn

hiệ

Cảm biế

Thống nhất hoỏ

c m biến

thụđộng

Đó thống nhất hoỏ

6

Vớ d ụ

Chuyển đổi /tín hiệu Thống nhất hóa tín hiệu

Cặp nhiệt ngẫu

Nhiệt điện trở RTD

Khuếch đại, tuyến tính hoá

và bù đầu tự do Nguồn nuôI, cấu hình 4 dây Nhiệt điện trở RTD

Cảm biến điện trở

lực căng

Nguồn nuôI, cấu hình 4 dây

và 3 dây, tuyến tính hóa Nguồn điện áp cung cấp cho cầu, cấu hình và tuyến tính hoá

lực căng

Đất chung

hoặc địên áp cao

Các tảI yêu cầu chuyển

tuyến tính hoá

Khuếch đại cách ly

Các tảI yêu cầu chuyển

mạch xoay chiều hoặc

dòng điện lớn

Các tín hiệu với

Rơle điện cơ hoặc rơle bán dẫn

Lọc thông thấp Các tín hiệu với

Hoà h ợ p tr ở khỏng Hoà h ợ p tr ở khỏng

Nguồn ỏp

VO= Vi . R2

R1+R2

Vi R1 R

2 0

Một chuỗi đo cú thể coi là mộ

Nguồ T i đo lường

VO= Vi . R2

R1+R2 V

R1

R 2

Nguồn dũng

R1+R2

Z1 << Z2 Nguồ tại đo b biến đổi

Z1 << Z2 b biến đổi

dũng - ỏp

Nguồ t lạười đng o

Trang 3

Hoà h ợ p tr ở kháng

Nguồn điện tích

khuếch đại iện tích

Đ i ệ n tích đượ c đư a vào m ộ t t ụ đ i ệ n không đổ i Cr, khi tích lu ỹ vào t ụ ạ o ra m ộ đ i ệ n áp trên

c ự c c ủ a t ụ đ i ệ n t ỉ l ệ v ớ i đ i ệ n tích n ạ p vào

Khuếch đại đo lường

Mạch vào vi sai

9

Mạch vào vi sai

Th ố ng nh ấ t hoá v ề độ l ớ n đ i ệ n áp

Dùng nguồn áp bên ngoài để nuôi mạch của cảm biế

s c c s

c c s s

R Z Z R

Z Z R E Vm

+

∆ + +

∆

=

∆

0

2

1 ) (

Nguồn dòng

s

c R

Z0+

Z I

V = ∆

Tính gần đúng ta được

c s

V = ∆

0

2 c

c s m

R

R E

V = ∆

∆

10

0

c

Th ố ng nh ấ t hoá v ề độ l ớ n đ i ệ n áp

Một số nhận xét

Khả năng phân giải thấ

Rất nhạy với thay đổi của nguồ

Tồn tại điện áp không khi mà không có đối tượng đ

C ầ u th ố ng nh ấ t hoá

Tính toán điện áp Vm theo biến động của nguồn nuôi và điện trở

Rccủa cảm biế

∆ +

3 3

1 0

0

1 0

0

R E R E V

R R R R R E R R R R R E V

c c c c s c

c c c s A

∆ +

=

+

∆ +

∆ + +

∆ +

=

0 2 1

1 4

R

R R

R E V V V

c c s B A

3 2 3

R R

R E R R

R E

+

∆ + +

Trang 4

Th ố ng nh ấ t hoá v ề t ầ n s ố : Dao độ ng

hình sin

Dao động hình sin: Cảm biến điện cảm và địên dung được đưa

vào mạch cộng hưởng dao động Điều kiện cộng hưởng

0

1 2

1

C L f

π

=

Sự thay đổi điện cảm dẫn đến thay đổi tần số

0 0 0

f

π

=

Xét đến biên độ của dao động

) 2 1 (

;

0 0 0

L f f L

L f

∆

Xét đến biên độ của dao động

13

Th ố ng nh ấ t hoá v ề t ầ n s ố : T ự dao

độ ng

Tạo ra tín hiệu xung vuông với tần số phụ thuộc vào cảm biế

R

-Vm +

Vm

R2 R1

1

14 )

2 1 lg(

2

2 1

R

R RC

f m

+

=

c ự c: Th ố ng nh ấ t hoá tín hi ệ u

Chuẩn hoá cho cảm biến sinh áp: Ri>>Rc

Rc

A

Rc

e c

Vm Ri

Khuếch đại

B

1 2 1

R R R

A v= +

Khuếch đại

c ự c: Th ố ng nh ấ t hoá tín hi ệ u

Chuẩn hoá cảm biến sinh dòng: Ri<< Rc

c c m

R R

R i I

+

=

i

c R

R +

Trang 5

Chu ẩ n hoá cho c ả m bi ế n tích c ự c:

Chuẩn hoá cảm biến sinh điện tích

C C

Q V

c c

+

=

Nguyên tắc của khuếch đại địên tích

) ( ) R(C 1

R )

(

c

p Q p C

pA p

V s

+ +

=

Nguyên tắc của khuếch đại địên tích

ARp

C A p Q

p V

S

p A RC

ARp p

Q p

V

s

=

− +

−

) (

) 1 ( 1 ) ( )

(

1

17

C p

Q( )

Tuyến tính hoá cầu Wheatstone Tuyến tính hoá cầu Wheatstone

Phản ứng điện áp không cân bằng Va-Vb

cân bằng Va-Vb

Phản ứng điện áp không cân

b ng (Va-Vb) đồng thời với

điện áp nuôi

điện áp nuôi (giữa +V1 và -V1)

18

Tuy ế n tính hoá t ừ ng đ o ạ n Tuy ế n tính hoá t ừ ng đ o ạ n

V m

V L

V m1

V m2 V m3

V m2 m3

Người ta « thay » đường cong không tuyến

tính bằng những đ ạn thẳng

nhi ệ t độ

Trang 6

6.1 Lý luận chung- Đo nhiệt độ

Trong các nhà máy nói chung các thiết bị đo nhiệt độ gồm:

• Cảm biến nhiệt ngẫu đo nhiệt độ từ 6000C →16000C

• Cảm biến nhiệt địên trở đo nhiệt độ từ 00C →6000C

• Cảm biến sử dụng lớp chuyển tiếp N-P đo nhiệt độ từ đến 2000C

• Hoả quang kế đo nhiệt độ trên 16000C

• Cảm biến hồng ngoại

21

6.2 Nhiệt kế nhiệt địên trở

Nhiệt điện trở là là điện trở thay đổi theo sự đổi nhiệt độ của nó: RT= f(t0)

Đo RT có thể suy ra nhiệt độ

Trong công nghiệp, nhiệt điện trở được chia ra thành nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn

Điện trở kim loại theo nhiệt độ RT=R0(1+ αt + βt2+ γt3) Với Pt: α= 3.940 10-3/0C

β= -5.8 10-7/ oC2;γ ≈0 trong khoảng 0-6000C; γ= -4 10-12/0C3

Với đồng từ -500C đến 2000C: α= 4.27 10-3/0C

βvà γtrong phạm vi sử dụng vơí độ chính xác không cao thì coi như không đáng

kể và quan hệ RTvà t coi như tuyến tính

22

Nhiệt điện trở kim loại (RTD)

Để đo những nhiệt độ từ -50 0 C -600 0 C người ta thường dùng nhiệt điện trở

PT-100 (Platin 100 Ω ở 0 0 C

PT-100 (Platin 100 Ω ở 0 C

Cu -100 (đồng 100 Ω ở 0 0 C)

Ni-100 (Ni 100 Ω ở 0 0 C)

Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của Pt100

nhiệt

độ, 0 C

-200 -190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -100 nhiệt

độ, 0 C

Ω 17.28 21.65 25.98 39.29 34.56 38.80 43.02 47.21 51.38 55.52 Ω

Ω 59.65 63.75 67.84 71.91 75.96 80.00 84.03 88.04 92.04 96.03 Ω

Ω 100.0 103.9 107.9 108.5 115.7 119.7 123.1 127.4 131.3 135.2 Ω

Ω 100.0

0

103.9

6

107.9 1 108.5 115.7 8 119.7 0 123.1 0 127.4 9 131.3 7 135.2 4

Ω

Nhiệt điện trở kim loại

Trang 7

Nhiệt điện trở bán dẫn (NTC-PTC)

Một số nhiệt địên trở bán dẫn

a) KMT và MMT b) MKMT c) Quan hệ giữa RT( 0 t)

1.Nhiệt điện trở đồng 2 Nhiệt điện trở bán dẫn

B, Nhiệt điện trở bán dẫn (NTC-PTC)

Nhiệt điện trở bán dẫn

A và βđều không ổn định Ta cũng có thể tính

T

A và βđều không ổn định Ta cũng có thể tính

α= (-2.5% +-4%)/ 0C Thụng thường được chế tạo từ cỏc oxit bỏn dẫn đa tinh

Cỏc bột oxit được trộn theo một tỉ

lệ thớch hợp, sau đú được nộn với định dạng và thiờu kết ở nhiệt độ 10000C

Trang 8

NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

30

Transfer functions of PTC

and NTC thermistors as compared with

an RTD

CÊu t¹o -NhiÖt ®iÖn trë

Đầu bịt

Nút đậy Đầu dây

bên trong

Giá đỡ

Ống cách

mối hàn nhiệt

Phần tử điện trở ống bảo vệ

Mối hàn điện trở

Cấu tạo bên ngoài Cấu tạo bên trong

Trang 9

M ạ ch đ o- ph ươ ng pháp ngu ồ n dòng

.

U J R

U U I R

=

10

T

vao

R

γ

=

γ

33

Iref = Vref/R1

34









+

− +

=

4 3 3

R R R

R E

U

t

t R

Bài t ậ p Bài t ậ p

1. Tính tóan nguồn cung cấp cho mạch cầu đo nhiệ độ sử dụng nhiệ điện trở Pt100 với dòng điện cho phép là 10 mA

nhiệ điện trở Pt100 với dòng điện cho phép là 10 mA

2. Tính tóan nguồn cung cấp cho mạch cầu đo nhiệ độ sử dụng nhiệ điện trở Pt100 với dòng điện cho phép là 1 mA Nếu sử

d ng mạch ổn áp 5V để nuôi cầu, người ta phải dùng thêm mộ

điện trởđể chia áp- tính giá trịđiện trởđó? Nhược điểm của cách

mắc này?

Đo nhiệ độ bằng cặp nhiệt ngẫu loại K ( KT= 40.6µV/0C) khoảng

3. Đo nhiệ độ bằng cặp nhiệt ngẫu loại K ( KT= 40.6µV/0C) khoảng

đo từ 6000C đến 12000C Tính tóan mạch bù đầu tự do sử dụng

Pt 100 với dòng cho phép 5mA Biết nhiệ độđầu tự do thay đổi

từ (10- 40)0C

Trang 10

Sơ đồ bộ biến đổi nhiệt điện trở

Nguồn dòng 2.5mA tạo ra một sự biến thiên

điện áp trên điện trở là 100mV/1000C

RT = R0(1+αt); α= 0.385% / 0C

Nếu RTđược cung cấp bằng nguồn dòng 2.58

mA thì khi nhiệt độ biến thiên 1000C

∆U = ∆RT I = 0.385 x 2.58 =100mV

Điện áp rơi trên RTđược đưa vào khuếch đại

bù điện áp ở 00C và biến đổi áp thành dòng (4-20mA) để đưa vào hệ thống thu thập số đo

1- Nhiệt điện trở 2- Modul vào 3- Dòng cung cấp (hằng) 4- Điện áp một chiều khuếch đại 5- Modul ra 6- Điều chỉnh điện áp

37

Mạch chuẩn hoá

6.3 Phương pháp cặp nhiệt ngẫu

Nguyên lý : Dựa trên hiện tượng nhiệt điện Nếu hai dây dẫn khác nhau (hình vẽ) nối với nhau tại hai

điểm và một trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt

điện, được cho bởi công thức

ET = KT(tn- ttd) Trong đó: KT- hệ số hiệu ứng nhiệt điện

t - nhiệt độ đầu nóng t

tn- nhiệt độ đầu nóng

ttd- nhiệt độ đầu tự do

a

b

t 2

38

t 1

C ấ u t ạ o

Cú nhiều hỡnh dỏng khỏc nhau

đầu bờn trong Nắp

Khối bờn trong Giỏ đỡ

Mối hàn Ống bảo vệ Phần cỏch ly

Phần tử

39

Phần tử cặp nhiệt Giao

Vớ d ụ c ấ u t ạ o bờn trong c ủ a c ả m bi ế n

40

Trang 11

Các kiểu cặp nhiệt ngẫu

Ký hiệu Ký hiệu hinh

thức

Vật liệu cấu thành Đạc điểm cần lưu tâm

30-Platin.Rhomdium 6

Dây dương như là hợp kim 70%Pt, 30% Rh.

Dây âm là hợp kim 94%Pt, 6% Rh Loại B bền hơn loại R, giai đo nhiệt độ đến

1800 0 C, con các đặc tính khác thì như loại R

Rh Dây âm là Pt nguyên chất Cặp này rất chính xác, bền với nhiệt và ổn định Không nên dùng ở những môi trường có hơi kim loại

Dây âm là Pt nguyên chất Các đặc tính khác như loại R

Cr Dây âm là hợp kim chủ yếu là Ni Dùng rộng rãi trong Công nghiệp, bền với môi trường oxy hoá Không được dùng ở môi trường có CO, SO2hay khí S có H

41

loại J Có sức địên động nhiệt điện cao và thường dùng ở môi trường acid

42

Các kiểu cặp nhiệt ngẫu

Trang 12

Giới hạn nhiệt độ và các ống bảo vệ

Dạng của cặp nhiệt

Dường kính của dây Giới hạn nhiệt độ làm việc ống bao vệ O.D x I.D

ký hiệu đường

kính bên ngoài

giới hạn chuẩn

giới hạn trên ống bao vệ bằng

im loại ( φ mm)

ống bảo vệ không bằng kim loại ( φ mm)

B Pt Rh 30%/ Pt

Rh 6%

R Pt Rh 13%- Pt L 0.5 1400 0 C 1600 0 C _ 15 x 11

S Pt Rh 10%-Pt L 0.5 1400 0 C 1600 0 C _ 15 x 11

K (Chromel_Alumel) D 3.2 1000 0 C 1200 0 C 21.7 x 16.1 17 x 13

C 2.3 900 0 C 1100 0 C 21.7 x 16.1 17 x 13

C 2.3 900 C 1100 C 21.7 x 16.1 17 x 13

B 1.6 860 0 C 1050 0 C 15 x 11 15 x 11

A 1.0 750 0 C 950 0 C 12 x 9 15 x11

H 0.65 650 0 C 850 0 C 10 x7 10 x 6

45

H 0.65 650 0 C 850 0 C 10 x7 10 x 6

C, Ph ươ ng phỏp đ o nhi ệ t độ b ằ ng c ặ p nhi ệ t ng ẫ u

Thống nhất hoỏ bằng mạch điện ỏp tớch cực

Bự đầu tự do

Bự điện trở dõy nối



 R + R R











=

2

3 1 4

5 1

R

R R R

R E

Ura

46

Bù nhiệt độ đầu tự đo

Mạch bù nhiệt độ đầu tự do được thực hiện bằng 1 mạch cầu 4 nhánh trên ấy có một nhiệt điện trở, hoạt động của nó như sau:

00C 4 nhánh của cầu cân bằng điện áp ở đường chéo cầu∆U=0, khi nhiệt độ ở trên đầu hộp nối dây tức là nhiệt độ đầu tự do thay

đổi:

td CC T T

R R U

∆

4 4

Ta lại có ET= KT(tnóng- ttựdo) = KTtnóng-KTttự do

Để bù ảnh hưởng của nhiệt độ đầu tự do ta có

α

=

→ α

CC do t CC do t T

K U

t U t

ư

Để bù ảnh hưởng của nhiệt độ đầu tự do ta có

α 4

Trang 13

Bộ cặp nhiệt ngẫu của SIEMENS

Vớ dụ

IAvà UH- Tín hiệu ra một chiều và nguồn cung cấp

1- Cặp nhiệt ngẫu 2- Đầu vào của mạch

cầu

3- Đầu lạnh của cặp nhiệt 4- nguồn dòng hằng

5- Điện áp một chiều khuếch đại 6- Modul ra

7- điều chỉnh điện áp

49

7- điều chỉnh điện áp

6.4 Đ o nhi ệ t độ b ằ ng Đ i ố t và transitor 6.4 Đ o nhi ệ t độ b ằ ng Đ i ố t và transitor

Dựa trờn lớp chuyển tiếp bỏn dẫ

Quan hệ của dũng địờn theo nhiệ độ









−













kT

qv exp I I

địờn ỏp ra của điốt cú thể viết như sau:



  kT

LogC kT mLogT kT LogI kT v

q mLogT q LogI q v

50

LM75 /TCN75

Trang 14

Ví d ụ v ề LM335

53

Ví d ụ m ạ ch đ o đầ u tiên s ử d ụ ng

54

Nguån ¸p : LM35

M¹ch ®o víi nhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

Trang 15

Nhiệt điện trở bán dẫn

Độ nhạy nhiệt của diode và trans mắc theo kiểu diode:

S=dV/dT cỡ -25mV/0C

Giả sử 2 Transistor giống nhau, có cùng nhiệt độ

°

=

















=

− ln 86,17 /

2

1 2

q

k avec I

I T q

k V

V

C

C B

Mạch chuẩn hoá

Giả sử 2 Transistor giống nhau, có cùng nhiệt độ

S R r

r V I R I

R C C B

′′

+

′′

=

= 2 2 2 1

1













+



+ ′′

= 1 R V kTln R1

S

57





















+









′′

+

=

2

1

R

R q

kT V r

R

58

M ạ ch đ o

Siemens

Vớ dụ

Trang 16

Vớ d ụ v ề b ộ c ả m bi ế n thụng minh đ o

nhi ệ t độ

Cỏc thụng số cú thểđặt

được

Loại cảm biế

Khoảng đ

Bự nhiệ độ ( trong/ngoài)

Nhiệ điện trở mắc theo

sơđồ 2,3,4 dõy

Đặc tớnh của cảm biến

Thời gian biến đổi của bộ

biến đổi

Đại lượng ra 0-20mA hay

4-20mA

61

4-20mA

Bộ biến đổi thông minh đo nhiệt độ

Đầu vào Các dầu vào (2) Hợp kênh MUX (3) Khuếch đại (4) Nguồn dòng dùng để đo nhiệt độ Nhiệt điện trở (1)

Mạch khắc độ (9)

Vi điều khiển(10)

Bộ biến đổi tương tự số (5) Lọc thông thấp để là bằng kết quả (6) Khối tuyến tính hoá phục vụ cho các đặc tính phi tuyến của cảm biến (7)

điều chế độ rộng xung đầu ra (8)

Đầu ra

Bộ cách ly về điện (13)

Bộ ra với tín hiệu xung điều chế độ rộng (17) và bộ biến đổi số tương tự

Đẩu ra để kiểm tra để theo dõi tín hiệu ra (18) Cảm biến phụ, rơle (14)

Kiểm tra và hiện thị Giao diện nối tiếp (11) để hỏi đáp và đặt các thông số

62

Giao diện nối tiếp (11) để hỏi đáp và đặt các thông số Nút ẩn để kiểm tra cho nhiệt điện trở hay để khắc độ các cảm biến điện trở

Đầu báo (làm việc và có sự cố)

Nguồn cung cấp 24V một chiều nối vào lưới điện

6.4 Hoả quang kế

Đo nhiệt độ không tiếp xúc dải nhiệt độ cao > 16000C

Mật độ phổ năng lượng phát xạ theo bước sóng của vật đen

lý tưởng khi bị đốt nóng

1

5

=C ư

λ - bước sóng; T - nhiệt độ tuyệt đối ;

1

/

5 1

e C

λ - bước sóng; T - nhiệt độ tuyệt đối ;

C1= 37,03 10-17 Jm2/sc ; C2= 1,432 10-2 m0C

3 phương pháp :

Hoả quang kế bức xạ

Hoả quang kế cường độ sáng

Hoả quang kế mầu sắc:

Phõn b ố c ủ a cụng su ấ t b ứ c x ạ c ủ a v ậ t đ en tuy ệ t đố i

tuy ệ t đố i

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	1,75 MB