KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Định nghĩa Cảm biến  Trong các HT điều khiển công nghiệp, các biến cần đo và giám sát là các đại lượng vật lý như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, lực,...Các đại lượng vật lý này kh

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI GIẢNG

TS LÊ NGỌC TRÂN Email: lengoctranbvu@gmail.com

Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến

Cảm biến đo lường và ứng dụng

Một số khái niệm cơ bản về đo lường

Phân loại đo lường theo các cơ sở sau

 Lĩnh vực đo : Đại lượng cơ học, đại lượng nhiệt, điện, hóa lý…

 Đặc tính đại lượng cần đo : Các đại lượng biến thiên chậm/ nhanh

 Mục đích đo : đo thực nghiệm/ dùng trong điều khiển tự động …

 Phương pháp đo : đo trực tiếp/ gián tiếp/đo hợp bộ/đo 1 lần…

ĐO LƯỜNG

Điều kiện đo

 Điều kiện cần : Điều kiện để thực hiện đo lường

 Điều kiện đủ : Để phép đo có độ chính xác cao

Các hệ đơn vị đo khác nhau trên thế giới hiện nay

 CGS (centimeter Gramme Seccond)

 Hệ Anh (English)

 Hệ MKS (Meter Kilogram Second)

 Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere)

 Hệ Á Đông (thước, tấc, yến, tạ, sào, mẫu…)

 Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân …)

 Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI (International System of Units)

m

kg

A

Cd mol

Thời gian Nhiệt độ Góc phẳng Góc khối

giây Kelvin radian steradian

s

K rad

Sr

Một số khái niệm cơ bản về đo lường

Từ các đơn vị đo cơ bản trên ta có các đơn vị kéo theo

Diện tích Thể tích Khối lượng riêng Thể tích riêng Tốc độ

Gia tốc Lực

Áp suất Công suất Nhiệt dung riêng Công, nhiệt lượng

m3/kg m/s m/s2

N

Pa

W J/kg.K

J Pa.s

m2/s W/m.K W/m2.K

Một số khái niệm cơ bản về đo lường

 Tín hiệu đo: Nhiệt độ, điện trở, cường độ dòng điện, áp suất, âm thanh…và có thể chia làm 2 loại : Tin hiệu điện/ tín hiệu cơ

Tín hiệu đo có thể chuyển sang 2 dạng hiển thị : Tín hiệu điện, tín hiệu cơ

Tín hiệu điện

Chuyển đổi

sơ cấp

Chuyển đổi trung gian

Chuyển đổi truyền tải

 Cách thực hiện phép đo

o Đo trực tiếp / Đo gián tiếp

o Đo 1 lần / Đo nhiều lần

o Đo tiếp xúc/ Đo không tiếp xúc

Tín hiệu đo và chuyển đổi tín hiệu đo

 Chuyển đổi tín hiệu đo

Cấu trúc của phương tiện đo

Cảm biến &

bộ chuyển đổi

sơ cấp

Mạch đo Bộ hiển thị

Định nghĩa Cảm biến

 Trong các HT điều khiển công nghiệp, các biến cần đo và giám sát là các đại lượng vật lý như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, lực, Các đại lượng vật

lý này không có tính chất điện, trong khi các BĐK và Cơ cấu chỉ thị chỉ làm

việc với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất điện thành các đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ các tính chất của đại lượng vật lý cần đo Thiết bị đó gọi là Cảm biến (Thiết bị đo)

(điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện)

Đại lượng đo

(Nhiệt độ, áp suất,

mức, lưu lượng, )

Tín hiệu chuẩn (4-20mA, 0- 10V, ) Tín hiệu bus

Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo

Thiết bị đo

PT Cảm biến

Bộ chuyển đổi tín hiệu đo Chỉ báo

Sensor

Transducer

Transmitter

Indicator

Sai số thiết bị đo

Sai số tuyệt đối và sai số tương đối:

 Sai số tuyệt đối (ΔX): là hiệu giữa giá trị thực Xth và trị đo được của các lần đo x

Ví dụ: khi đo nhiệt độ của 2 chất môi giới, chất thứ nhất có nhiệt độ

100 0 C, chất thứ 2 có nhiệt độ 300 0 C, nếu sai số tuyệt đối của 2 trường hợp như nhau và bằng 2 0 C Trong trường hợp nào có độ chính xác cao hơn?

Độ chính xác : trong đo lường có 2 khái niệm về «độ chính xác» cần phải phân biệt rỏ ràng: Độ chính xác của kết quả đo (Accuracy) và độ chính xác của thiết

bị (Precision)

Các tính chất của cảm biến

Low precision Low accuracy

High precision Low accuracy

High precision High accuracy

Độ nhạy : khi đại lượng cần đo ở đầu vào biến thiên thì đại lượng đo được ở đầu ra của CB cũng biến thiên Tỉ số giữa biến thiên ra của đại lượng đo được

ở đầu ra và biến thiên vào tương ứng của đại lượng cần đo ở đầu vào gọi là độ nhạy của thiết bị đo

Độ nhạy S bị ảnh hưởng bởi: điều kiện làm việc của CB,

hiệu ứng vật lý được sử dụng trong CB, vật liệu chế tạo, nguồn nuôi,

Phân loại cảm biến

Cảm biến tích cực là loại dựa vào các hiệu ứng, hiện tượng tự nhiên chuyển đổi trực tiếp đại lượng không điện thành đại lượng điện mà không có nguồn năng lượng bên ngoài cung cấp

Ví dụ:

- Hiệu ứng nhiệt điện: chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện

- Hiệu ứng quang điện: chuyển đổi trực tiếp cường độ ánh sáng thành dòng

điện trong chất bán dẫn

- Hiệu ứng cảm ứng điện từ (Faraday): chuyển đổi tốc độ quay thành sức

điện động để đo tốc độ động cơ, hoặc chuyển đổi tốc độ chảy của lưu chất thành sức điện động để đo lưu lượng,

- Hiệu ứng áp điện: lực tác động lên vật liệu có tính chất áp điện làm xuất

hiện điện áp trên bề mặt vật liệu

Cảm biến thụ động là loại cũng dựa vào các hiện tượng tự nhiên nhưng

chuyển đổi đại lượng không điện thành các đại lượng thụ động điện đó là điện trở, điện dung, điện cảm Để có tín hiệu điện ngõ ra thì cảm biến phải được cung cấp nguồn điện bên ngoài

Ví dụ: CB điện dung / điện cảm đo áp suất / dịch chuyển, áp điện trở, nhiệt điện trở, quang trở,

Cảm biến tương tự là loại có tín hiệu điện ngõ ra là dạng tương tự, tức là liên tục theo thời gian Hầu hết cảm biến công nghiệp là dạng này vì bản thân các đại lượng không điện trong

tự nhiên cũng là tương tự

Cảm biến dạng số là loại có tín hiệu ngõ ra dạng số, xung vuông, nhị phân, hoặc dạng các bước

Ví dụ:

- Encoder đo tốc độ động cơ (có ngõ ra là chuỗi xung vuông)

- Cảm biến tiệm cận phát hiện có hay không có vật hay các dạng công tắc quang (có ngõ ra On/Off) để điều khiển đóng cắt mạch

Phân loại cảm biến

Nguyên lý hình thành cảm biến

Cảm biến là một thiết bị chuyển đổi các dạng năng lượng khác trong tự nhiên thành năng lượng điện Để làm được điều này, cảm biến phải ứng dụng một số nguyên lý, hiệu ứng, hiện tượng có trong tự nhiên

Đối tượng Nguyên lý Cảm biến Ứng dụng

Giao thoa kế laser, Giao thoa kế siêu âm, Các bộ thu phát, điện trở tuyến tính, Encoder

Định vị/ điều khiển vị trí, tốc độ

Tốc độ Biến đổi tần số, sức điện động, sự truyền nhiệt Encoder, dynamo, hồng ngoại Robot, đo tốc độ gió

Lực, áp suất, mô

men xoắn Sự biến dạng / điện trở, sự biến dạng /lực điện động, biến vị

Áp điện trở, điện dung, điện cảm,

áp điện, lò xo

Đo khối lượng vật, cảm biến lực, áp suất

Độ sáng, màu sắc Hiệu ứng điện từ trong chất

Độ ẩm

Tính thấm nước, nhiệt hóa hơi,

sự hấp thụ tia hồng ngoại, sự biến đổi dung lượng, độ dẫn điện

Đầu / que dò độ ẩm, cảm biến độ

Đối tượng Nguyên lý Cảm biến Ứng dụng

Lưu lượng kế

Đo góc Dưới dạng đo chiều dài

Không có cảm biến đặc thù, chuyên dụng mà thông qua những cảm biến

đo các đại lượng vật lý khác

Encoder xoay Gia tốc kế

Microphone

Gia tốc Dưới dạng đo lực

Sóng âm, rung

động Dưới dạng đo áp suất

Tính đàn hồi Biến dạng đàn hồi, đo tốc độ âm

thanh

Độ cứng Phản xạ sóng siêu âm

Nhiệt lượng Dưới dạng đo nhiệt độ

Khói, hỏa hoạn Kiểm tra phát hiện hồng ngoại, phát hiện chất khí

Tỉ trọng, mật độ Phương pháp so sánh, các quy

luật trọng lượng Mùi, vị Phản ứng hóa học

Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến

 Hiệu ứng hỏa điện:

 Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện (sulfate

triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ

 Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó

tăng lên làm thay đổi phân cực điện

 Hiệu ứng hỏa điện được sử dụng để chế tạo cảm biến đo

thông lượng bức xạ của ánh sáng

 Hiệu ứng áp điện:

 Khi tác dụng một lực cơ học lên một vật làm bằng chất áp điện (Thạch anh), sẽ làm vật đó biến dạng và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu

 Hiệu ứng này dùng để chế tạo các cảm biến đo lực, đo áp suất, gia tốc,

Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến

 Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

 Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với biến thiên của từ thông nghĩa là

tỷ lệ với tốc độ của chuyển động của thanh dẫn

 Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng

Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến

 Hiệu ứng quang điện:

 Bản chất của hiệu ứng quang điện là hiện tưởng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ành sáng

 Ứng dụng chế tạo cảm biến quang

Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến

Khi đặt một vật dẫn mang dòng điện vào trong một từ trường, một điện áp sẽ được tạo

ra vuông góc với cả hai dòng điện và từ trường Nguyên lý này được gọi là hiệu ứng Hall

 Hiệu ứng HALL:

Một tấm vật liệu bán dẫn mỏng (phần tử Hall) có

dòng điện chạy qua nó Kết nối ngõ ra vuông góc với

chiều của dòng điện Khi không có từ trường đặt vào,

sự phân bố dòng sẽ không đổi và không có sự khác

biệt về điện áp ở ngõ ra

Khi đặt một từ trường vuông góc thêm vào , một lực Lorent tác dụng lên dòng điện Lực này sẽ làm nhiễu loạn sự phân bố dòng điện, kết quả là tạo sự khác biệt

về điện áp ở ngõ ra Điện áp này được gọi là điện áp Hall Sự tương tác giữa từ trường và dòng điện được chỉ ra như biểu thức dưới đây

K H : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu

Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến

Một số nguyên lý mạch đo trong cảm biến

 Mạch cầu Wheatstone:

 Sử dụng rất phổ biến trong mạch cảm biến vì tính chất của mạch cầu

là rất nhạy với sự thay đổi

 Sử dụng mạch cầu trong các trường hợp mắc vi sai sẽ cho một quan

hệ tuyến tính giữa điện áp ra và đại lượng biến đổi

 Sử dụng mạch cầu giúp triệt tiêu nhiễu tác động lên phần tử cảm biến

 IC khuếch đại thuật toán Op-Amp (Operator Amplifier):

Công dụng: Khuếch đại (Amplifier), So sánh (Comparator),

thực hiện các phép toán (cộng, trừ, vi tích phân)

Khi In+ < In- : Áp âm (<0)

Một số nguyên lý mạch đo trong cảm biến

 Ghép khuếch đại không đảo:

Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán

 Tín hiệu vào ngõ (+)

 Ngõ ra (-) nhận hồi tiếp qua R2, ta nhận được tín hiệu ở ngõ ra mạnh hơn và đồng pha với tín hiệu ở ngõ vào

 Ghép khuếch đại đảo dấu:

 Nếu ta ghép R 2 hồi tiếp về ngõ vào (-) và tín hiệu cho vào ngõ vào (-)

hiệu ở ngõ vào

Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán

Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán

 Ghép thành mạch cộng:

Mạch cộng thuận

Các tín hiệu Vi1 ,Vi2, trộn với nhau ở ngõ (+)

và ngõ (-) nhận hồi tiếp qua Rht thì ngõ ra Vo:

Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán

Ghi chú: muốn thực hiện phép chia ta suy biến từ phép trừ

Ví dụ: 8 : 2 =4 Các bước thực hiện: dò 4 x 2 xem vừa bằng 8 không?  rồi lấy kết quả trừ cho 8 xem phải nhỏ hơn 2 thì dừng



Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán

 Nếu ta cho tín hiệu xung vuông vào ngõ (-) thì ngõ ra ta được tín hiệu tam giác

t1, t2: thời điểm đầu và thời điểm xét

 Ghép mạch vi phân:

Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán

 Nếu cho tín hiệu Vin cho vào ngõ (-) nối tiếp với tụ C và nhận hồi tiếp qua R, thì tín hiệu Vo lấy ra:

in o

Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán

V V

V   RI e

Một số ứng dụng mạch đo

Cảm biến

Đại lượng

cần đo

X

Khuếch đại (hệ số K)

Mạch nhân

Mạch chia

K X

Đại lượng

cần đo

X

Khuếch đại (hệ số K)

Tóm tắt chương 2

 Khái niệm cảm biến

 Cấu trúc cơ bản của cảm biến

 Các tính chất của cảm biến

 Phân loại cảm biến

 Nguyên lý hình thành cảm biến

 Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến

 Một số nguyên lý mạch đo trong cảm biến

Nhận dạng các hiệu ứng vật lý