Giáo trình Đo lường cảm biến

Cấu tạo của một dụng cụ đo không điện Cảm biến: Là bộ phận thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đối tượng cần nghiên cứu thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra.. Định nghĩa cảm biế

LỜI NÓI ĐẦU

Mô đun Đo lường cảm biến là một trong những mô đun rất quan trọng đối với sinh viên ngành điện, nó trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về các đại lượng không điện, nguyên lý đo các đại lượng không điện phổ biến Giáo trình Mô đun

Đo lường cảm biến được biên soạn bao gồm phần lý thuyết trình bày cấu tạo, nguyên

lý các cảm biến thông dụng đo các đại lượng không điện; phần thực hành hướng dẫn chi tiết thao tác thực hành rèn luyện kỹ năng cho sinh viên lắp mạch, thu thập dữ liệu, tính toán và phân tích đặc tính các cảm biến

Giáo trình Mô đun Đo lường cảm biến bao gồm 7 bài:

Bài 1: Khái niệm chung về cảm biến

Bài 2: Đo nhiệt độ

Bài 3: Đo vị trí và dịch chuyển

Bài 4: Đo vận tốc, gia tốc và độ rung

Bài 5: Đo lực và trọng lượng

Bài 6: Đo áp suất

Bài 7: Đo mức, lưu lượng và các đại lượng khác

Nhóm tác giả biên soạn giáo trình đã tham khảo nhiều tài liệu liên quan, tham khảo

ý kiến của đồng nghiệp Tuy nhiên vẫn còn nhiều thiếu sót, chúng tôi mong nhận được

ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và các em sinh viên để chúng tôi hoàn thiện hơn nữa giáo trình này!

Chân thành cảm ơn!

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 1

BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN 4

I MỤC TIÊU BÀI HỌC 4

II NỘI DUNG 4

1.1 Khái niệm 4

1.2 Phân loại cảm biến 7

1.3 Các thông số kỹ thuật của cảm biến 9

1.4 Nhiễu và cách khắc phục 12

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 13

1.5 Giới thiệu phần mềm Labsoft dùng trong đo lường cảm biến 13

BÀI 2: ĐO NHIỆT ĐỘ 32

I MỤC TIÊU BÀI HỌC 32

II NỘI DUNG 32

2.1 Khái niệm chung về đo nhiệt độ 32

2.2 Cảm biến nhiệt điện trở 33

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 36

2.3 Cặp nhiệt điện 51

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 53

2.4 Cảm biến nhiệt có cấu trúc tiếp giáp P-N 62

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 68

BÀI 3: ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 69

I MỤC TIÊU BÀI HỌC 69

II NỘI DUNG 69

3.1 Cảm biến vị trí, dịch chuyển kiểu điện trở 69

3.2 Cảm biến vị trí và dịch chuyển kiểu điện cảm 71

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 73

3.3 Cảm biến vị trí và dịch chuyển kiểu điện dung 82

3.4 Cảm biến siêu âm đo vị trí và dịch chuyển 89

3.5 Thước đo tuyến tính (Encoder tăng) đo vị trí và dịch chuyển 95

3.6 Cảm biến tiệm cận 96

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 123

BÀI 4: ĐO VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ ĐỘ RUNG 124

I MỤC TIÊU BÀI HỌC 124

II NỘI DUNG 124

4.1 Đo vận tốc 124

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 128

4.2 Đo gia tốc 151

4.3 Đo độ rung 152

BÀI 5: ĐO LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG 154

I MỤC TIÊU BÀI HỌC 154

II NỘI DUNG 154

5.1 Đo lực 154

CÂU HỎI LUYỆN TẬP 160

5.2 Đo trọng lượng 170

BÀI 6: ĐO ÁP SUẤT 175

I MỤC TIÊU BÀI HỌC 175

II NỘI DUNG 175

6.1 Khái niệm chung 175

6.2 Cảm biến áp suất kiểu áp trở 177

BÀI 7: ĐO MỨC, LƯU LƯỢNG VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÁC 195

I MỤC TIÊU BÀI HỌC 195

II NỘI DUNG 195

7.1 Đo mức 195

7.2 Đo lưu lượng 214

7.3 Đo các đại lượng khác 215

Phụ Lục 221

TÀI LIỆU THAM KHẢO 223

BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN

I MỤC TIÊU BÀI HỌC

Sau học xong bài học sinh viên có khả năng:

Kiến thức:

- Trình bày được khái niệm về cảm biến và đo lường cảm biến

- Trình bày được cách thức cài đặt phần mềm Labsoft

Kỹ năng:

- Nhận biết, tra cứu các thông số kỹ thuật của các cảm biến từ catalogue, từ Internet

- Sử dụng các công cụ và các thiết bị ảo của phần mềm Labsoft

- Bảo quản được dụng cụ đo, các cảm biến theo đúng quy trình kỹ thuật

Thái độ:

- Nghiêm túc học tập, tích cực luyện tập

- Tổ chức nơi thực hành gọn gàng, ngăn nắp

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

II NỘI DUNG

1.1 Khái niệm

1.1.1 Các khái niệm cơ bản

Đo lường cảm biến (đo lường không điện)

Là dùng các cảm biến để biến đổi các đại lượng đo (thường là không điện: nhiệt

độ, khoảng cách, tốc độ ), về các đại lượng điện và đo chúng dựa trên các phép đo

điện Sơ đồ cấu trúc của một dụng cụ đo không điện

Máy đo dù đơn giản hay phức tạp đều có cấu tạo gồm 3 khâu (hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo của một dụng cụ đo không điện Cảm biến: Là bộ phận thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đối tượng cần nghiên

cứu thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra Trong dụng cụ đo không điện, cảm biến là khâu quan trọng nhất của máy đo, nó quyết định độ nhạy và độ chính xác của máy đo, cảm biến biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện

Mạch đo: Gia công tín hiệu từ cảm biến tới cho phù hợp với bộ chỉ thị gồm:

khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

Bộ chỉ thị: Chỉ thị kết quả đo (số, điện tử, kim )

1.1.2 Định nghĩa cảm biến

Cảm biến (chuyển đổi) là bộ phận thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện (nhiệt độ, khoảng cách, tốc độ ) đặc trưng cho đối tượng cần nghiên cứu thành sự thay đổi của đại lượng điện (điện áp, dòng điện, điện trở ) đầu ra

theo quan hệ hàm đơn trị Hay, cảm biến là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu kích thích

1.1.3 Vị trí vai trò và ứng dụng của cảm biến

Cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống công nghiệp, nó là một thiết bị trong nhóm các thiết bị cấp trường cùng với các thiết bị chấp hành Cảm biến thu thập

dữ liệu, tín hiệu từ các thiết bị chấp hành (Actuators) và truyền lên các thiết bị thu thập

và xử lý tín hiệu, các bộ điều khiển (controllers) Mô hình mạng công nghiệp được mô

tả trong hình 1.2

Hình 1 2 Mạng công nghiệp

Cảm biến đo lường rất phong phú, đa dạng, chúng đo tất cả các đại lượng không điện do đó có ứng dụng to lớn và rộng rãi Ví dụ như cảm biến quang trong đếm sản phẩm (hình 1.3)

Hình 1 3 Ứng dụng cảm biến quang

Cảm biến áp suất trong đo áp suất hệ thống khí nén (hình 1.4)

Hình 1 4 Ứng dụng cảm biến áp suất

Cảm biến siêu âm trong báo mức (hình 1.5)

Hình 1 5 Ứng dụng cảm biến siêu âm báo mức

Cảm biến Encoder trong đo tốc độ trục động cơ (hình 1.6)

Hình 1 6 Ứng dụng cảm biến Encoder đo tốc độ động cơ

Và còn vô vàn những ứng dụng hữu ích khác

1.2 Phân loại cảm biến

Cảm biến có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:

1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng

Hiện tượng hoá học:

- Biến đổi hoá học

- Biến đổi điện hoá

- Nghiên cứu khoa học

- Môi trường, khí tượng

- Dân dụng

- Giao thông

- Vũ trụ

- Thông tin, viễn thông

- Nông nghiệp

- Quân sự

1.2.4 Phân loại theo thông số của mô hình mạch điện thay thế

+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến

1.2.5 Phân loại theo yêu cầu về nguồn cung cấp

- Cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu phụ thuộc vào đối tượng đo Một mặt giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu, nhưng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như điện trở suất , độ từ thẩm , hằng số điện môi  Vì vậy, giá trị của trở kháng bị thay đổi khi đại lượng đo tác động gây ảnh hưởng đến kích thước hình học, tính chất điện của cảm biến hoặc đồng thời làm thay đổi cả kích thước hình học

và tính chất điện của vật liệu làm cảm biến

Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến

có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng Trong trường hợp cảm biến chứa phần tử chuyển động, mỗi vị trí của chuyển động tương ứng với một giá trị của trở kháng vì vậy nếu đo trở kháng sẽ xác định được vị trí của đối tượng Đây là nguyên lý của nhiều loại cảm biến đo vị trí hoặc dịch chuyển mà ta sẽ nghiên cứu ở chương 2 Trong trường hợp thứ hai, cảm biến có phần tử biến dạng Sự biến dạng được gây nên bởi lực hoặc các đại lượng dẫn đến lực tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến, loại này thường được ứng dụng để chế tạo các cảm biến đo biến dạng, gia tốc, độ rung, lực, trọng lượng, áp suất

Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất điện của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm Nếu chỉ có một trong các đại lượng đó có thể thay đổi còn các đại lượng khác được giữ không đổi, chúng ta sẽ thiết lập được sự quan hệ đơn trị giữa đại lượng đó với trở kháng ra của cảm biến Hầu hết các cảm biến này đòi hỏi có sự cung cấp năng lượng

từ bên ngoài hay tín hiệu kích thích để hoạt động Nguồn tín hiệu ra có được nhờ năng lượng cung cấp Ví dụ: Thermistors, RTD

Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dưới tác dụng của đại lượng cần đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là một thành phần trong một mạch điện Trên thực tế, tùy từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo cho thích hợp với cảm biến

- Cảm biến tích cực

Cảm biến tích cực lập tức phát tín hiệu đáp trả lại sự tác động bên ngoài mà

không cần năng lượng cung cấp từ bên ngoài Nguồn tín hiệu ra có được nhờ các tác nhân kích thích

Ví dụ: Cặp nhiệt điện (Thermocouple), máy phát tốc

1.2.6 Phân loại theo dạng tín hiệu ra

Tín hiệu ra (output) của chúng giữ ở trạng thái các bước hay rời rạc

Tín hiệu số dễ dàng lập lại, đáng tin cậy và dễ truyền đi xa hơn

Ví dụ: Encoder, contact switch

Hình 1 7 Ví dụ về cảm biến số

1.2.7 Phân loại theo phạm vi sử dụng

- Cảm biến công nghiệp

- Cảm biến giao thông

- Cảm biến y tế

1.3 Các thông số kỹ thuật của cảm biến

1.3.1 Phương trình chuyển đổi (Hàm truyền, phương trình đặc trưng)

Đại lượng điện (Y) ở ngõ ra của cảm biến luôn có thể biểu diễn theo ngõ vào không điện (X) qua một hàm f

Biểu thức (1.1) được gọi là phương trình chuyển đổi của cảm biến Như vậy, phương trình chuyển đổi (transfer function) là biểu thức toán học biểu thị mối quan hệ đầu vào và đầu ra của cảm biến

Hình 1 8 Ngõ vào và ra của chuyển đổi

Thực tế ngoài đại lượng cần đo tác động vào cảm biến thì vẫn có nhiều yếu tố tác động vào cảm biến nữa Vì vậy, có thể biểu diễn ngõ vào và ngõ ra của cảm biến như hình 1.4

Hình 1.9 Biểu diễn ngõ vào và ra của cảm biến theo thực tế

Theo hình 1.4 Quan hệ vào ra của cảm biến có thể biểu diễn:

Y = f(X, X1, X2 …Xn ) (1 2) Trong đó

X là đại lượng không điện cần đo (đại lượng chủ đạo ); X1, X2… là đại lượng phụ (nhiễu) Do vậy luôn mong muốn ảnh hưởng của Xi là bằng 0 tức là đạt được (1.1)

Y

X X

Y

Xi Xi

với Xi là biến phụ thứ i, S X i càng bé càng tốt (lí tưởng S X i =0 )

Ví dụ1: Để đo kích thước thì nên chọn cảm biến nào trong các cảm biến sau

Theo định nghĩa về độ nhạy có thể thấy khi chọn cảm biến nên chọn cảm biến

có độ nhạy chủ đạo lớn và độ nhạy phụ nhỏ Như vậy cảm biến 2 sẽ được chọn vì:

SXCB2> SXCB1 và SX1CB2 < SX1CB1

Độ nhạy có thể giúp ích rất nhiều trong việc chọn lựa cảm biến nhưng có nhiều trường hợp nếu chỉ dựa vào độ nhạy thôi thì không đủ cơ sở để chọn lựa nên một thông số mới được đưa ra Đó là độ chọn lựa

Độ chọn lựa (selectivity): Độ chọn lựa là tỉ số giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy

phụ

S K

Xi

X

Khi chọn lựa cảm biến thì cảm biến nào có K i càng lớn càng tốt

Ví dụ 2: Nên chọn cảm biến nào trong 2 cảm biến sau để phục vụ việc đo khối lượng

2 1

1

1  Do vậy, nên chọn cảm biến 1

1.3.3 Ngưỡng độ nhạy và giới hạn đo

Ngưỡng độ nhạy (Resolution): Ngưỡng độ nhạy là trị số biến thiên lớn nhất của ngõ

vào mà ngõ ra chưa thay đổi

Y = f( X; ±∆0 ); ∆0 càng bé càng tốt

Giới hạn đo (Span): Giới hạn đo là phạm vi biến thiên của ngõ vào mà phương

trình chuyển đổi của cảm biến còn nghiệm đúng Khi chọn lựa cảm biến cần chọn cảm biến có giới hạn đo bằng hoặc lớn hơn khoảng muốn đo

Ví dụ 3: Hãy chọn cảm biến tốt nhất để đo kích thước với khoảng cách cần đo từ

S

S K

XCB

XB CB

XCB

CB CB

4

4 4

Khoảng đo của CB3 từ 0 ÷ 1000 mm; Khoảng đo của CB4 từ 0 ÷ 1500 mm Trong khi khoảng cần đo từ 0 ÷ 800 mm bằng 2/3 khoảng đo của CB3 nên đo bằng CB3 cho kết quả chính xác hơn Vì vậy ta chọn CB3

1.4 Nhiễu và cách khắc phục

1.4.1 Nhiễu trong các bộ cảm biến

Nhiễu có thể được định nghĩa như bất kì tín hiệu không mong muốn làm mờ hay làm biến dạng tín hiệu quan sát

Nhiễu có thể được chia làm hai loại:

- Nhiễu nội tại

- Nhiễu do truyền dẫn

1 Nhiễu nội tại

Nhiễu nội tại phát sinh do không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến…, do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng

lý tưởng Sự méo của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên Dạng tín hiệu ra liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của bộ cảm biến

Nhiễu nội tại không thể khắc phục nhưng có thể giảm xuống mức tối thiểu

2 Nhiễu do truyền dẫn

Hình 1 10 Sơ đồ khối của nguồn nhiễu và mạch phối hợp với máy thu

1.4.2 Cách khắc phục nhiễu

Để chống nhiễu ta dùng kỹ thuật vi sai phối hợp bộ chuyển đổi từng đôi, trong

đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ Một bộ chuyển đổi gọi là chuyển đổi chính và bộ kia là chuyển đổi chuẩn được đặt trong màn chắn

Trường điện từ tần số radio

Biến thiên nhiệt…

Mạch phối hợp Điện dung

Từ trường Môi trường dẫn Đóng gói

Máy thu Phần tử cảm nhận Điện trở

Điện dung

Bộ tiền khuếch đại

Bảng 1.1 Các biện pháp giảm nhiễu

100pA 0.01-10pA

Cách ly nguồn nuôi, màn,nối đất Lọc nguồn

Bố trí linh kiện hợp lý Màn chắn

Lọc, nối đất,màn chắn Ghép nối cơ khí, không để dây cao

áp gần đầu vào chuyển đổi

Sử dụng cáp ít nhiễu Lau sạch, dùng cách điện Teflon

CÂU HỎI LUYỆN TẬP Câu 1: Trình bày khái niệm cảm biến và cách phân loại cảm biến?

Câu 2: Trình bày những đặc tính cơ bản của cảm biến, phân tích ý nghĩa của từng đặc

tính trong việc lựa chọn cảm biến

Câu 3: Trình bày khái niệm độ nhạy, phân tích ý nghĩa của độ nhạy trong việc lựa

chọn cảm biến, cho ví dụ minh họa

Câu 4: Trình bày khái niệm phương trình chuyển đổi của cảm biến? Ý nghĩa của

phương trình chuyển đổi? Vì sao phương trình chuyển đổi là một hàm nhiều biến?

1.5 Giới thiệu phần mềm Labsoft dùng trong đo lường cảm biến

1.5.1 Giới thiệu phần mềm

1 Giới thiệu chung

- LabSoft là một giao diện mở, hỗ trợ đa phương tiện cho người dùng trong các bài thí

nghiệm UniTrain-I LabSoft là giao diện chính để sinh viên thực hiện các thí nghiệm trên các phần cứng của UniTrain-I Hệ thống dựa trên ý tưởng chính là sử dụng máy vi tính để tạo các chỉ dẫn và thực hiện các bài thí nghiệm có cấu trúc

- Phần mềm này được dùng để:

+ Đặt các tham số cho các thiết bị

+ Thực hiện các phép đo trên các thiết bị đo

+ Tạo giao diện cho các khoá học LabSoft

+ Điều khiển hoạt động các thiết bị ảo

- LabSoft tích hợp đủ các công cụ cần thiết cho các bài thí nghiệm và phân tích kết quả, báo cáo thí nghiệm; điều khiển các thiết bị ảo, đánh giá, kiểm tra và mô phỏng lỗi

Một họ các thiết bị ảo khác là các nguồn cung cấp và các nguồn tín hiệu, máy phát hàm, máy phát tín hiệu số, điện áp cung cấp ổn định và các nguồn biến đổi DC, AC, và

ba pha

- LabSoft xử lý các khoá học viết dưới dạng file HTML Các văn bản, các trường nhập

dữ liệu và kết quả, các hình ảnh động , video và âm thanh đều có thể thực hiện được

2 Hướng dẫn cài đặt phần mềm

Bộ phần mềm gồm 3 thành phần:

Hình 1 12 Bộ phần mềm Labsoft

Tiến hành giải nén và cài “Lab 30 Measurement”:

Bước 1: Chạy file cài đặt Setup.exe

Chọn tùy chọn: Install english version

Hình 1 13 Lựa chọn ngôn ngữ cài đặt

Bước 2: Click “Next”

Click chọn tất cả các bài học “Control Techniques 1” -> “Control Techniques 2” và

“Measuament technology 1” - “Measuament technology 4”

Hình 1.16 Kết thúc quá trình cài đặt

Click “Finish” để kết thúc quá trình cài đặt phần mềm “Lab 30 Measurement”

Tương tự như trên ta cài đặt 2 phần hỗ trợ các bài học còn lại: “LUCAS-NÜLLE Software_2A” và “LUCAS-NÜLLE Software_8U”

Sau khi cài đặt các phần mềm kể trên, ta có biểu tượng của phần mềm Labsoft như sau:

Hình 1.17 Biểu tượng phần mềm Labsoft

3 Các công cụ chính của phần mềm

Trên góc trên bên trái cửa sổ làm việc là các tool (chức năng) chính của phần mềm

Hình 1.18 Các chức năng (tool) chính của phần mềm

a) Thẻ tài liệu (tab File)

Hình 1.19 Thẻ tài liệu_File

- Save Workspace (Lưu không gian làm việc): Chức năng này giúp ta lưu trữ lại những định dạng của các thiết bị đã được thiết lập trong bài để có thể sử dụng nhiều lần sau mà không phải thiết lập lại

Hình 1.20 Lưu không gian làm việc

- Open Workspace (Mở không gian làm việc): Chức năng này giúp ta mở lại không gian làm việc đã lưu trước đó, để mở ra những thiết bị cùng với các thiết lập đã cài đặt trước đó

Hình 1.21 Mở không gian làm việc

b) Thẻ Tùy chọn (Option)

Hình 1.22 Thẻ tùy chọn

- Select Course Category (Chọn bài học): Khi muốn thay đổi bài học ta có thể chọn từ mục này

Hình 1.25 Các thiết bị đo ảo

Các thiết bị đo cơ bản gồm có:

a Máy hiện sóng (Oscilloscope)

Hình 1.26 Máy hiện sóng

Máy hiện sóng ảo với đầy đủ tính năng như một máy hiện sóng thực đã được học và làm quen trong môn học Đo lường điện như điều chỉnh và hiển thị Time/div, điều chỉnh và hiển thị Vols/div, lựa chọn nguồn tín hiệu AC/DC/GND, lựa chọn nguồn tín hiệu đồng bộ Trigger,…

+) Hướng dẫn lựa chọn time/div

Hình 1.29 Lựa chọn chế độ đo AC/DC/GND

b Vôn kế

Vôn kế có 2 thiết bị là Vôn kế A và Vôn kế B, với khả năng lựa chọn dạng hiển thị dạng số hay tương tự thông qua nút chọn A/D Thay đổi thang đo với chọn “Lên – Xuống”, lựa chọn đại lượng hiển thị giá trị biên độ AV, giá trị đỉnh – đỉnh PP, giá trị tuyệt đối [AV] hay giá trị RMS thông qua việc chọn công tắc chuyển mạch

Chọn nguồn tín hiệu dạng AC hay DC Đèn báo giá trị âm và Over cũng được tích hợp trên mặt đồng hồ Vôn kế

a) Hiển thị số b) Hiển thị kim

Hình 1.30 Vôn kế A

+) Hướng dẫn lựa chọn thang đo của Vôn mét

Hình 1.31 Lựa chọn thang đo của Vôn mét

+) Hướng dẫn lựa chọn dạng hiển thị

Hình 1.32 Lựa chọn dạng hiển thị

+) Hướng dẫn thay đổi dạng đồng hồ tương tự/số

Hình 1.33 Thay đổi dạng đồng hồ tương tự/số

c Ampe kế

Với các tính năng tương tự như Vôn kế, ta có Ampe kế ảo với khả năng thay đổi, lựa chọn thang đo cũng như đại lượng hiển thị, ngoài ra Ampe kế còn cho phép thay đổi giá trị điện trở Shunt của nó

a) Ampe kế b) Thay đổi điện trở Shunt

Hình 1.34 Ampe kế

d Đồng hồ vạn năng

Hình 1.35 Đồng hồ vạn năng

e Các nguồn xung tín hiệu

Phần mềm còn cung cấp cho người dùng những bộ nguồn điện áp cũng như các nguồn xung tín hiệu cần thiết:

Hình 1.36 Các thiết bị sinh hàm, nguồn DC

- Máy tạo hàm (Function Generator)

- Máy phát xung (Pulse Generator)

- Máy phát tùy chọn (Arbitrary Generator)

a) Máy sinh hàm b) Máy phát xung c) Máy phát tùy chọn

Hình 1.37 Hình ảnh các máy phát xung, sinh hàm

f Bộ nguồn DC

Hình 1.38 Nguồn DC

1.5.2 Thực hành

1 Chuẩn bị dụng cụ, vật tư, thiết bị

Thiết bị, vật tư cho một nhóm thực tập (3 sinh viên)

lượng

Đv tính Ghi chú

1 Nguồn Power Supply SO4203-2A 01 Cái Nguồn cung cấp

chính

2 Nguồn Extended Supply SO4203-2D 01 Cái Nguồn mở rộng

TT Tên thiết bị, dụng cụ Số

lượng

Đv tính Ghi chú

3 Giao diện Interface SO4203-2A 01 Cái Module giao tiếp

chính giữa máy tính và phần cứng

Trên màn hình chính xuất hiện giao diện tạo tên nhóm và mật khẩu

Hình 1 39 Giao diện tạo tên nhóm và mật khẩu

- Ghõ vào ô « Name » tên nhóm Ví dụ : Nhóm 1

- Ghõ vào ô « Password » mật khẩu của nhóm Mật khẩu từ 6 ký tự trở lên có thể bao gồm cả chữ cái và chữ số

- Nhấn Enter

Sau khi nhấn Enter giao diện phần mềm hỏi lại việc có quyết định tạo tài khoản nhóm

có tên như đã ghõ hay không ?

Hình 1 40 Cửa số xác nhận tạo tài khoản tên nhóm mới

II/ Thay đổi mật khẩu (password)

Bước 1 : Tại giao diện của bài học tên tool (thanh công cụ) Option (chức năng) chọn Change Password (thay đổi mật khẩu)

Hình 1 41 Chọn chức năng thay đổi mật khẩu

Bước 2 : Nhập mật khẩu mới và xác nhận mật khẩu mới (nhập lại lần thứ 2)

Hình 1 42 Nhập mật khẩu mới và xác nhận

Nhập mật khẩu mới vào ô New password và xác nhận mật khẩu vào ô Confirm password

Bài Thực hành 1.2: Sử dụng các thiết bị đo ảo

I/ Sử dụng Vôn mét đo nguồn điện áp 1 chiều từ nguồn DC

Bước 1 : Tạo nguồn điện áp DC

- Vào công cụ Instruments (dụng cụ đo) -> Chọn Voltage Source -> DC source

để mở nguồn điện áp DC

- Tạo nguồn điện áp 4.5V

Hình 1 43 Mở nguồn điện áp DC và thiết lập giá trị điện áp

Bước 2 : Sử dụng Ampe mét đo điện áp DC

Hình 1 44 Kết nối dây đo nguồn tìn hiệu DC

- Sử dụng dây kết nối như hình vẽ : từ A+ đến S ; từ A- đến chân đất GND

- Mở Vôn mét ảo A trên thanh công cụ

- Chọn thang đo 5V, chọn chế độ đo DC

- Đọc kết quả

II/ Sử dụng máy hiện sóng đo nguồn xung hình sin từ máy phát xung

Bước 1 : Tạo nguồn tín hiệu

- Mở máy phát xung trên thanh công cụ thiết bị ảo

- Tạo nguồn tín hiệu xung sin, biên độ 45% , tần số 1.5kHz

- Bật nguồn Power

Bước 2 : Sử dụng máy hiện sóng đo tín hiệu

- Kết nối dây đo tín hiệu như hình 1.37

- Mở máy hiện sóng trên thanh công cụ thiết bị ảo, thiết lập thông số máy hiện sóng (như phần hướng dẫn sử dụng máy hiện sóng)

- Đọc kết quả trên màn hình máy hiện sóng

- Kiểm tra nguồn ở phần cứng

- Kiểm tra USB

- Khởi động lại phần mềm

2 Vôn kế A chưa có điện

áp

- Chưa có nguồn cấp đầu vào

- Chưa kết nối với phần cứng

- Đo kiểm tra nguồn cấp đầu vào

- Kiểm tra lại kết nối

3 Máy hiện sóng không có

tín hiệu

- Thiết lập thông số cho máy hiện sóng chưa đúng

- Chưa kết nối với phần cứng

- Thiết lập lại các thông số máy hiện sóng

- Kiểm tra lại kết nối

4 Luyện tập

a) Sinh viên luyện tập thực hành theo phiếu luyện tập

PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 1.1

Tên kỹ năng: Khởi động phần mềm Labsoft, tạo tài khoản và password

Họ và tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập:

PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 1.2

Tên kỹ năng: Chuyển đổi bài học, thay đổi password cho tài khoản

Họ và tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập:

- Tìm vị trí chức năng

chuyển đổi bài học, thay

đổi password cho tài khoản

trên Menu chức năng

- Ghi nhận các bước thực

hiện vào bảng

Các bước thực hiện Bước 1:………

Tên kỹ năng: Mở thiết bị Vôn kế ảo từ phần mềm, thiết lập thông số

Họ và tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập:

- Tìm vị trí Vôn kế ảo trên

PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 1.4

Tên kỹ năng: Mở thiết bị Ampe kế ảo từ phần mềm, thiết lập thông số

Họ và tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập:

b) Kiểm tra đánh giá

Kiểm tra đánh giá kết quả thực hành theo tiểu kỹ năng được tiến hành theo phiếu đánh giá

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HÀNH

Tên bài: ………

Họ và tên sinh viên:……… MSSV: Nhóm…………Lớp……… Ngày …tháng …năm Giáo viên hướng dẫn Ca thực tập

chuẩn

Yêu cầu Điểm

đánh giá

Ghi chú

3 Cài đặt phần mềm 10 Mỗi lỗi trừ 2

5 Tiến hành thay đổi thông tin tài

6 Hiệu chỉnh thông số thiết bị ảo

- Thao tác đúng

10

10

Mỗi lỗi trừ 1 điểm

7 Thiết lập thông số cho các thiết bị

9 Thời gian thực hiện 20 phút

phút trừ 1 điểm

BÀI 2: ĐO NHIỆT ĐỘ

I MỤC TIÊU BÀI HỌC

Sau khi học xong bài học sinh viên có khả năng:

Kiến thức:

- Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, thông số kỹ thuật của các cảm biến nhiệt độ

- Trình bày các phương pháp đo nhiệt độ

Kỹ năng:

- Thao tác lắp mạch đo nhiệt độ sử dụng các cảm biến đo nhiệt độ khác nhau

- Thực hiện việc đo nhiệt độ, tính toán quy đổi, hiệu chỉnh đặc tính của các cảm biến

- Không tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

II NỘI DUNG

2.1 Khái niệm chung về đo nhiệt độ

2.1.1 Cơ sở vật lý để xây dựng cảm biến nhiệt độ

Dựa trên quá trình nhiệt: Quá trình đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt Khi nhiệt

độ thay đổi làm thay đổi tính chất vật lý của vật thể Các tính chất đó được sử dụng để chế tạo các cảm biến nhiệt

2.1.2 Cơ sở tính toán

Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt

Qv - Nhiệt lượng tác động vào cảm biến

Qt - Nhiệt lượng toả ra môi trường

Qc - Nhiệt lượng duy trì ở cảm biến

Trong một hệ thống các thành phần trao đổi nhiệt với môi trường do: Nhiệt dẫn, đối lưu, bức xạ thì nhiệt độ toàn phần:

Qn - Nhiệt lượng do nhiệt dẫn

Qk - Nhiệt lượng do đối lưu

Qc- Nhiệt lượng do bức xạ

2.1.3 Thang đo nhiệt độ

Thang Kelvin: Năm 1848 nhà vật lý người Anh Kelvin đưa ra thang nhiệt độ

tuyệt đối (thang Kelvin) đơn vị là K Trong thang Kevin này, ông gán cho nhiệt độ của

điểm cân bằng của ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15K Thang Celsius: Năm 1742 Andreas Celsius, nhà vật lý người Thuỵ Điển đưa ra thang

nhiệt độ bách phân Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là (0C) Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bởi biểu thức:

Thang Fahrenheit: Năm 1706 D G Fahrenheit, nhà vật lý Hà Lan, đưa ra

thang đo nhiệt độ là Fahrenheit (0F) Với điểm nước đá đang tan là 320 Quan hệ với thang độ C:

2.2 Cảm biến nhiệt điện trở

2.2.1 Nhiệt điện trở kim loại

a Cấu tạo

Được chế tạo từ dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại, các kim loại thường được sử dụng loại có hệ số nhiệt lớn, điện trở suất lớn, bền với tác động của môi trường, bền ở nhiệt độ cao như: Đồng, đặc biệt là platin và niken Để giảm tổn hao

do nhiệt dẫn thông thường l >>200d, với d- tiết diện dây kim loại = 0,02 ÷ 0,06 mm,

l- chiều dài dây kim loại 5 ÷ 20 mm (cá biệt có thể tới 1000 mm)

R0 - điện trở tại 00C; Hệ số nhiệt = 3,93.10-3/0C

- Nhiệt điện trở niken

Với hệ số nhiệt cao Ni cho phép chế tạo các cảm biến có kích thước nhỏ

- Nhiệt điện trở platin

Khoảng đo từ -200 ÷ 8500C (cá biệt 1000 0 C)

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế cảm biến Pt-100

b Nguyên lý

Nhiệt điện trở kim loại hoạt động trên nguyên tắc sự thay đổi giá trị điện trở của các vật liệu tinh khiết và tiêu biểu bởi sự thay đổi tuyến tính dương của giá trị điện trở với nhiệt độ, khi nóng giá trị điện trở nó tăng lên và khi lạnh giá trị điện trở giảm xuống Các nguyên tố sử dụng chế tạo nhiệt điện trở kim loại gồm niken (Ni), đồng (Cu), nhưng platin (Pt) được sử dụng phổ biến nhất do khoảng đo nhiệt độ rộng, độ chính xác và ổn định cao

Hình 2.2 Hình dạng thực tế một số nhiệt điện trở kim loại

Nhiệt điện trở kim loại có cấu tạo một trong hai dạng Nhiệt điện trở kim loại dây quấn và dạng màng mỏng, bao gồm lớp kim loại rất mỏng nằm trên bề mặt plastic hay ceramic Cấu trúc này rẻ hơn và được sử dụng khá rộng rãi bởi vì nó chỉ cần rất ít Platin để chế tạo điện trở cho độ chính xác cao Để bảo vệ, nhiệt điện trở kim loại được đặt trong ống kim loại và các dây dẫn được nối đến nó

c Ứng dụng

Hình 2.3 Cấu tạo của Thermistor

Sử dụng phổ biến nhất là RTD (nhiệt điện trở - Resistance Temperature Detector) cấu hình 3 dây RTD có nhiều ứng dụng, đo được nhiệt độ của chất lỏng, bề mặt vật, các dòng khí RTD là loại thiết bị thụ động, khi sử dụng cần có nguồn cung cấp Trong công nghiệp, RTD thường được sử dụng kết hợp với các bộ hiển thị nhiệt độ (Controller) của các hãng Autonics, Honeywell,… ; các bộ chuyển đổi (transmitter) hoặc được nối trực tiếp vào các module AI (của Siemens chẳng hạn) Nếu sử dụng các

bộ hiển thị hay module thì không cần có nguồn cung cấp riêng vì các thiết bị này đã cung cấp nguồn cho RTD

2.2.2 Nhiệt điện trở bán dẫn

Nhiệt điện trở bán dẫn hay còn gọi là Thermistor -THERMALLY SENSITIVE

RESISTOR - Điện trở nhạy nhiệt

a Cấu tạo

Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 Hỗn hợp bột oxit được trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ ~ 10000C Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ tinh

b Phân loại

Nhiệt điện trở bán dẫn có thể được chia thành 2 loại:

Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC - Negative Temperature Coefficient) có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng

Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở dương (PTC - Positive Temperature Coefficient) có giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng

c Nguyên lý

Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm.Sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của Si phụ thuộc vào nồng độ pha tạp ( dẫn tới số diện tích tự do) và vào nhiệt độ Do vậy, có thể phân ra 2 miền nhiệt độ Dưới 120 0 C, hệ số nhiệt

độ của điện trở suất dương nghĩa là điện trở suất tăng theo nhiệt độ Do độ tuyến tính hạn chế mà dải nhiệt độ ứng dụng của điện trở Si là: - 50 đến 120 0 C

Trên khoảng 120 0 C, hệ số nhiệt điện trở của Si là âm và độ tuyến tính kém hơn Trong vùng nhiệt độ trên 120 0 C thì hệ số nhiệt điện trở không phụ thuộc vào mức độ pha tạp

Hình 2.4 Hình dạng của một số nhiệt trở NTC

Hình 2.5 Hình dạng của nhiệt trở PTC

d Ứng dụng

Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

CÂU HỎI LUYỆN TẬP Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt điện trở

Câu 2: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc điểm và ứng dụng của nhiệt điện

trở dây kim loại (RTD)?

Câu 3: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc điểm và ứng dụng của nhiệt điện

   ,  2,8.10 / C 4 0 4,  2,1.10 17/ C0 6 .Hãy tính giá trị điện trở của

cảm biến nhiệt điện trở Niken

Câu 6: Người ta đo được điện trở của cảm biến nhiệt điện trở đồng (Cu) là 170 Ω, biết

R0 =50 Ω, vậy tại điểm đo nhiệt độ thời điểm đó là bao nhiêu?

2.2.3 Đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở

Bài thực hành 2.1 Ghi nhận đường đặc tuyến của NTC

1 Chuẩn bị dụng cụ, vật tư, thiết bị

Thiết bị, vật tư cho một nhóm thực tập (3 sinh viên)

lượng

Đv tính Ghi chú

1 Nguồn Power Supply SO4203-2A 01 Cái Nguồn cung cấp

chính

2 Nguồn Extended Supply SO4203-2D 01 Cái Nguồn mở rộng

3 Giao diện Interface SO4203-2A 01 Cái Module giao tiếp

giữa máy tính và phần cứng

4 Panel gài card mở rộng Expenrienter

SO4203-2D

6 Card bộ khuếch đại và nguồn

Card đo nhiệt độ SO4203-5R

Hình 2.7 Card thực hành đo nhiệt độ

Các thành phần chính có trên card thực hành đo nhiệt độ:

(1) Chiết áp thay đổi điện áp đặt

(2) Điện áp đầu ra hồi tiếp

(3) Tấm kim loại gia nhiệt

(4) Cảm biến nhiệt điện trở NTC

(5) Các điện trở tuyến tính hóa của NTC

(6) Cảm biến PTC

(7) Các điện trở đường dây

(8) Cảm biến cặp nhiệt điện

(9) Cảm biến KTY và mạch cầu đo tương ứng

Card bộ khuếch đại và nguồn SO4203-5N

1

3

4

5

6

8 9

Hình 2.8 Card bộ khuếch đại và khối nguồn

Trước khi vào thực tập yêu cầu kiểm tra thiết bị, dụng cụ, vật tư:

- Kiểm tra tình trạng thiết bị: Đồng hồ vạn năng, Board nguồn làm việc bình thường

- Kiểm tra dụng cụ: Đầy đủ, đúng yêu cầu kỹ thuật

- Kiểm tra vật tư: Vật tư đủ, đúng chủng loại yêu cầu

- Kiểm tra vị trí thực tập: Đảm bảo các thiết bị, dụng cụ đặt gọn gàng, đúng vị trí, dễ

thao tác, an toàn, vệ sinh công nghiệp

3 Trình tự thực hiện

* Vẽ đặc tuyến

Phần thực hành này được dùng để ghi nhận đường đặc tính của cảm biến NTC

Cảm biến sẽ được cấp một nguồn dòng hằng số Iconst = 1 mA và đo điện áp Ua rơi trên cảm biến (được khuếch đại bằng bộ khuếch đại đo) Nếu biết trước được hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại đo thì sẽ xác định được giá trị điện trở thực của NTC

Bước 1 Kết nối mạch đo theo sơ đồ

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối đo nhiệt độ với NTC

Trước khi cấp nguồn cho mạch (bật công tắc nguồn trên panel SO4203-2A), sinh viên kiểm tra việc kết nối đảm bảo an toàn của mạch điện Đặc biệt kiểm tra điểm kết nối nguồn từ chân S (Supply) tới chân điểm đặt nhiệt độ (Setpoint)

Bước 2: Lựa chọn và thiết lập thông số thiết bị đo

- Chọn bộ nguồn DC trong mục “thiết bị” trên menu chức năng

- Cài đặt các thông số như sau:

Thông số cài đặt cho nguồn DC

- Mở Vôn kế A và cài đặt các thông số như sau:

Thông số cài đặt volt kế A

Hình 2.10 Vôn kế A