Bài giảng Kĩ thuật đo lường - Phần 4: Đo lường các đại lượng không điện - Nguyễn Thị Huế

147 trang haiha333 07/01/2022 3440

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kĩ thuật đo lường - Phần 4: Đo lường các đại lượng không điện - Nguyễn Thị Huế", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ki_thuat_do_luong_phan_4_do_luong_cac_dai_luong_kh.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kĩ thuật đo lường - Phần 4: Đo lường các đại lượng không điện - Nguyễn Thị Huế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VI ỆN ĐIỆN KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG Nguy ễn Th ị Hu ế BM: Kĩ thu ật đo và Tin học công nghi ệp
Nội dung môn học Ph ần 1: Cơ sở lý thuy ết kĩ thu ật đo lườ ng Ch ươ ng 1: Khái ni ệm cơ bản về kĩ thu ật đo lường Ch ươ ng 2: Ðơn vị đo, chu ẩn và mẫu Ch ươ ng 3: Đặ c tính cơ bản của dụng cụ đo Ph ần 2: Các ph ần tử ch ức năng của thi ết bị đo Ch ươ ng 4: Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo Ch ươ ng 5: Cơ cấu ch ỉ th ị cơ điện, tự ghi và ch ỉ th ị số Ch ươ ng 6: Mạch đo lường và gia công thông tin đo Ch ươ ng 7: Các chuy ển đố i đo lườ ng sơ cấp Ph ần 3: Đo lườ ng các đạ i lượ ng điện Ch ươ ng 8: Ðo dòng điện Ch ươ ng 9: Đo điện áp Ch ươ ng 10: Ðo công su ất và năng lượng Ch ươ ng 11: Ðo góc lệch pha, kho ảng th ời gian và tần số Ch ươ ng 12: Ðo thông số mạch điện Ch ươ ng 13: Dao độ ng kí Ph ần 4: Đo lườ ng các đạ i lượ ng không điện Ch ươ ng 14: Đo nhi ệt độ Ch ươ ng 15: Đo lực 8/18/2015 Ch ươ ng 16: Đo các đạ i lượNTH-BMng không KT đĐiệ&THCNn khác 2
Tài li ệu tham khảo Sách: Kĩ thu ật đo lườ ng các đại lượ ng điện tập 1,2- Ph ạm Th ượ ng Hàn, Nguy ễn Tr ọng Qu ế . Ðo lườ ng điện và các bộ cảm bi ến: Ng.V.Hoà và Hoàng Si Hồng Bài gi ảng và website: Bài gi ảng kĩ thu ật đo lườ ng và cảm bi ến-Hoàng Sĩ Hồng. Bài gi ảng Cảm bi ến và kỹ thu ật đo: P.T.N.Yến, Ng.T.L.Huong, Lê Q. Huy Bài gi ảng MEMs ITIMS - BKHN Website: sciendirect.com/sensors and actuators A and B 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 3
Các thi ết bị đo các đạ i lượng không điện Qua các th ời kỳ phát tri ển, thi ết bị đo các đạ i lượ ng không điện hi ện đạ i đượ c xây dựng trên cơ sở vi xử lý (micro processor based) và bắt đầ u chuy ển sang giai đoạn xây dựng trên cơ sở vi hệ th ống (micro system based). 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 4
Chương 14: Đo nhi ệt độ Nhi ệt độ là một trong nh ững thông số quan tr ọng nh ất ảnh hưở ng đế n đặ c tính của vật ch ất nên trong các quá trình kỹ thu ật cũng nh ư trong đờ i sống hằng ngày rất hay gặp yêu cầu đo nhi ệt độ . Ngày nay hầu hết các quá trình sản xu ất công nghi ệp, các nhà máy đề u có yêu cầu đo nhi ệt độ . Tùy theo nhi ệt độ đo có th ể dùng các ph ươ ng pháp khác nhau, th ườ ng phân lo ại các ph ươ ng pháp dựa vào dải nhi ệt độ cần đo. Thông th ườ ng nhi ệt độ đo đượ c chia thành ba dải: nhi ệt độ th ấp, nhi ệt độ trung bình và cao. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 5
Chương 14: Đo nhi ệt độ Đơ n vị 5 oC= ⋅( o F − 32) 9 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 6
Chương 14: Đo nhi ệt độ Đo ti ếp xúc Nhi ệt kế giãn nở vì nhi ệt Nhi ệt điện tr ở Cặp nhi ệt ng ẫu (K, E, J, ) Đo không ti ếp xúc Đo bằng ph ươ ng pháp hỏa quang kế Đo bằng hồng ngo ại 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 7
Chương 14: Đo nhi ệt độ Dải đo của một số ph ươ ng pháp 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 8
14.1 Nhi ệt kế gi ản nở Th ể tích và chi ều dài của một vật thay đổ i tùy theo nhi ệt độ và hệ số dãn nở của vật đó. Nhi ệt kế đo nhi ệt độ theo nguyên tắc đó gọi là nhi ệt kế ki ểu dãn nở. Ta có th ể phân nhi ệt kế này thành 2 lo ại chính đó là : Nhi ệt kế dãn nở ch ất rắn (còn gọi là nhi ệt kế cơ khí) Nhi ệt kế dãn nở ch ất lỏng. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 9
Nhi ệt kế gi ản nở chất rắn Th ườ ng co hai lo ại: gốm va kim lo ại, kim lo ại va kim lo ại Nhi ệt kế gốm - kim lo ại (a) (Dilatomet): gồm một thanh gốm (1) đặ t trong ống kim lo ại (2), Nhi ệt kế kim lo ại - kim lo ại (b): gồm hai thanh kim lo ại (1) va (2) co hệ số gian nở nhi ệt khác nhau liên kết với nhau theo chi ều dọc 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 10
Nhi ệt kế gi ản nở chất rắn Một đầ u thanh gốm liên kết với ống kim lo ại, con đầ u A nối với hệ th ống truy ền độ ng tới bộ ph ận ch ỉ th ị.Hệ số gian nở nhi ệt của kim lo ại và của gốm là αk và αg. Do αk > αg, khi nhi ệt độ tăng một lượ ng dt, thanh kim lo ại giãn thêm một lượ ng dl k, thanh gốm giãn thêm dlg với dl k>dl g, làm cho thanh gốm dịch sang ph ải Dịch chuy ển của thanh gốm ph ụ thu ộc dl k - dl g do đo ph ụ thu ộc nhi ệt độ . 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 11
Nhi ệt kế gi ản nở chất lỏng Nguyên lý: tươ ng tự nh ư các lo ại khác nh ưng sử dụng ch ất lỏng làm môi ch ất (nh ư Hg , rượ u ) Cấu tạo: Gồm ống th ủy tinh ho ặc th ạch anh trong đự ng ch ất lỏng nh ư th ủy ngân hay ch ất hữu cơ. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 12
14.2 Nhi ệt điện tr ở Nguyên lý: Điện tr ở của kim lo ại thay đổ i theo sự thay đổ i nhi ệt độ. Nhi ệt điện tr ở kim lo ại = ++α α2 + α 3 + RRTTTo (11 2 3 ) Nhi ệt điện tr ở bán dẫn    = ⋅1 − 1 R Ro ex p B   TTo   T là nhi ệt độ tuy ệt đố i, B là hệ số th ực nghi ệm 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 13
Nhi ệt điện tr ở kim loại Nhi ệt kế nhi ệt điện tr ở th ườ ng dùng trong công nghi ệp, th ườ ng đượ c ch ế tạo bằng Pt, dây đồ ng, dây Ni và có ký hi ệu là: Pt-100, Cu-100, Ni-100 Quan hệ gi ữa điện tr ở và nhi ệt độ cho bởi: = ( + ) Rt R0 1 α.t 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 14
Nhi ệt điện tr ở kim loại Yêu cầu chung Có điện tr ở su ất đủ lớn để điện tr ở ban đầ u R lớn mà kích th ướ c nhi ệt kế vẫn nh ỏ Hệ số nhi ệt điện tr ở của nó không đổ i dấu Có đủ độ bền cơ hóa ở nhi ệt độ làm vi ệc Dễ gia công 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 15
Nhi ệt điện tr ở kim loại Dải đo Platinum: -270°C to C1000°C Copper: -200°C to C260°C Nickel: -200°C to C430°C Tungsten: -270°C to C2700°C 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 16
Nhi ệt điện tr ở bán dẫn (NTD) Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim lo ại: mangan (MgO), nickel (NiO), cobalt (Co 2O3), Nguyên lý: Thay đổ i điện tr ở khi nhi ệt độ thay đổ i. Ưu điểm: Bền, rẽ ti ền, dễ ch ế tạo. Khuy ết điểm: Dãy tuy ến tính hẹp. Th ườ ng dùng: Làm các ch ức năng đo nhi ệt độ để bảo bảo vệ, ép vào cu ộn dây độ ng cơ, mạch điện tử. Dải đo: 50 <150 độ C. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 17
Nhi ệt điện tr ở bán dẫn (NTD) β = T RT A. e A hằng số ph ụ thu ộc vào tính ch ất vật lý của bán dẫn, kích th ướ c và hình dáng của điện tr ở β : hằng số ph ụ thu ộc vào tính ch ất vật lý của bán dẫn 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 18
Nhi ệt điện tr ở bán dẫn (NTD) Thermistor đượ c cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này đượ c hòa tr ộn theo tỉ lệ và kh ối lượ ng nh ất đị nh sau đó đượ c nén ch ặt và nung ở nhi ệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổ i khi nhi ệt độ thay đổ i. Có hai lo ại thermistor: Hệ số nhi ệt dươ ng PTC- điện tr ở tăng theo nhi ệt độ ; Hệ số nhi ệt âm NTC – điện tr ở gi ảm theo nhi ệt độ . Th ườ ng dùng nh ất là lo ại NTC. Thermistor ch ỉ tuy ển tính trong kho ảng nhi ệt độ nh ất đị nh 50-150D.C do vậy ng ườ i ta ít dùng để dùng làm cảm bi ến đo nhi ệt 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 19
Mạch đo Mạch dùng ngu ồn dòng IC tao ngu ồn dòng RR =2 = ⋅ 2 UUIRR RT RT RR1 1 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 20
Một số mạch đo dùng nguồn áp 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 21
Một số mạch đo 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 22
Một số mạch đo 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 23
Ảnh hưởng của điện tr ở dây Tại sao là nhi ệt điện tr ở 2, 3 và 4 dây ? Bù điện tr ở dây khi s ử d ụng ngu ồn áp Bù điện tr ở dây khi sử dụng ngu ồn dòng 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 24
Nhi ệt điện tr ở Gi ải thích Pt100, Pt 500, Pt 1000? Tại sao Platin lại đượ c sử dụng ch ủ yếu để ch ế tại RTD? 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 25
Transmitter nhi ệt điện tr ở trong công nghi ệp 1- Nhi ệt điện tr ở 2- Modul vào 3- Dòng cung cấp (hằng) 4-Khu ếch đạ i điện áp một chi ều 5-Modulra 6- Điều ch ỉnh điện áp Sơ đồ nguyên lý của transmitter nhi ệt điện tr ở; (b) Transmitter nhi ệt điện tr ở 7MC2932 của Siemens 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 26
Transmitter nhi ệt điện tr ở Để tránh ảnh hưở ng của điện tr ở đườ ng dây ta ph ải bố trí để có th ể lắp sơ đồ 2 dây, 3 dây, 4 dây. Điện áp nhi ệt điện tr ở đư a qua A/D bi ến thành số. Vi xử lý tính toán ra nhi ệt độ , sau đó qua D/A thành dòng điện ra 4-20 mA ứng với kho ảng đo của nhi ệt độ vào. Vi xử lý còn làm nhi ệm vụ tuy ến tính hóa nhi ệt kế. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 27
Đo nhi ệt độ Sơ đồ của bộ bi ến đổ i thông minh đo nhi ệt độ SITRANS – T của Siemens 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 28
Bài tập Để đo nhi ệt độ của một lò nhi ệt thay đổ i: 00C - 800 0C. Ngu ồn cung cấp tự ch ọn. Lựa ch ọn cảm bi ến thích hợp, thi ết mạch đo, tính toán giá tr ị các linh ki ện cho mạch (gi ả sử điện tr ở dây nối đế n cảm bi ến có giá tr ị không đáng kể)? Hãy ch ọn mạch chu ẩn hóa tín hi ệu và tính toán các giá tr ị điện tr ở để đư a tính hi ệu đo vào ADC có dải điện áp 0- 5V? Với yêu cầu đo đượ c điện tr ở có ng ưỡ ng nh ạy < 0.50C, lựa ch ọn ADC. Bi ểu điễn giá tr ị 700 0C dướ i dạng nh ị phân theo số bit ADC đã ch ọn. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 29
14.3 Cặp nhi ệt điện CÆp nhiÖt ®iÖn + CÊu t¹o: Gåm hai hay thanh kim lo¹i kh¸c nhau ®îc hµn víi nhau t¹i mét ®Çu, ®iÓm hµn Êy gäi lµ ®iÓm c«ng t¸c hai ®Çu cßn l¹i gäi lµ ®Çu tù do. t0 Eθ t0 t0 (®Çu tù do) a) t1 (®iÓm c«ng t¸c) t1 b) CÆp nhiÖt ®iÖn 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 30
Cặp nhi ệt điện Nguyênlý: Hi u ng thom son: với vật li ệu đồ ng nh ất A, trên nó có hai điểm phân bi ệt khác nhau là M và N có nhi ệt độ tươ ng ứng là t1 và t2, thì gi ữa chúng sẽ xu ất hi ện một su ất điện độ ng : t2 = δ EMN ∫ dt t1 Trong đó δ là hệ số vât li ệu thomson cho tr ướ c Hi u ng Peltier : hai vật li ệu A và B khác nhau ti ếp xúc với nhau tại một điểm nào đó thì xu ất hi ện một su ất điện độ ng eAB (t) 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 31
Cặp nhi ệt điện Hi ệu ứng seebeck: kết hợp hai hi ệu ứng nói trên -> xu ất hi ện su ất điện độ ng nhi ệt điện t2 =()()()δ δ + EMN ∫ AB– detet KM 2 – JN t 1 t1 Trong đó : δA,δB là hệ số vật li ệu thomson của hai vật li ệu A, B tươ ng ứng t1<t2 là nhi ệt độ tươ ng ứng tại hai điểm khác nhau. t2 = ()δ δ VìE∫ A– B dt rất nh ỏ nên ta sấp sỉ coi xu ất t1 điện độ ng trên cáp nhi ệt ng ẫu là = + ( ) ( ) EMN eKM t2– e JN t 1 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 32
Cặp nhi ệt điện Nếu gi ữ nhi ệt độ một đầ u không đổ i bằng không đổ i (nhi ệt độ đầ u tự do) thì xu ất hi ện su ất điện độ ng ra một chi ều ở đầ u còn lại (đầ u làm vi ệc, nhi ệt độ t) tỉ lệ với nhi ệt độ : =+( ) += ( ) EMN eKM t2 C f t Ph ươ ng trình bi ến đổ i cặp nhiêt trong tr ườ ng hợp chung có th ể bieur di ễn dướ i dạng = +2 + 3 EMN At Bt Ct EMN là sức điện độ ng đầ u ra t là hi ệu nhi ệt độ đầ u đo và đầ u tự đo (t=t 2-t1) A,B,Clàcáchằng số ph ụ thu ộc cặp nhi ệt 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 33
Vật li ệu chế tạo Tuy nhiên chúng ph ải đả m bảo các yêu cầu sau: Sức điện độ ng đủ lớn (để dễ dàng ch ế tạo dụng cụ đo th ứ cấp). Có đủ độ bền cơ học vµ hoá học ở nhi ệt độ lµm vi ệc. Dễ kéo sợi. Có kh ả năng thay lẫn. Giá thành rẻ. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 34
Vật li ệu chế tạo Hình dướ i bi ểu di ễn quan hệ gi ữa sức điện độ ng và nhi ệt độ của các vật li ệu dùng để ch ế tạo điện cực so với điện cực chu ẩn platin. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 35
0000 2 Các ki u nhi t k nhi t ngu KH KH Vật li ệu cấu thành Đặ c điểm lưu tâm HT B - Platin Rhodium Dây dươ ng nh ư là hợp kim 70%Pt, 30%Rh. Dây âm 30 là hợp kim 94%Pt, 6%Rh. Lo ại B bền hơn lo ại R, gi ải Platin.Rhodium 6 đo nhi ệt độ đế n 1800 C, còn các đặ c tính khác thì nh ư lo ại R. R - PtRh 13-Pt Dây dươ ng là lo ại hợp kim 87%Pt, 13%Rh. Dây âm là Pt nguyên ch ất. Cặp này rất chính xác, bền với nhi ệt và ổn đị nh. Không nên dùng ở nh ững môi tr ườ ng có hơi kim lo ại. S - PtRh 10-Pt Dây dươ ng là hợp kim 90%Pt, 10%Rh. Dây âm là Pt nguyên ch ất. Các đặ c tính khác nh ư lo ại R. K CA Cromel-Alumel Dây dươ ng là hợp kim gồm ch ủ yếu là Ni và Cr. Dây âm là hợp kim ch ủ yếu là Ni. Dùng rộng rãi cho Công nghi ệp, bền với môi tr ườ ng oxy hóa. Không đượ c dùng trong môi tr ườ ng có CO, SO hay khí S có H 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 36
0000 2 Các ki u nhi t k nhi t ngu KH KHHT Vật li ệu cấu thành Đặ c điểm lưu tâm E CRC Cromel- Dây dươ ng nh ư lo ại K, dây âm nh ư lo ại J. Có Constantan sức điện độ ng nhi ệt điện cao và th ườ ng dùng ở môi tr ườ ng acid J IC Sắt-Constantan Dây dươ ng là đồ ng. Dây âm là hợp kim ch ủ yếu là hợp Ni và Cu. Nhi ệt ng ẫu này bền ở trong môi tr ườ ng ăn mòn Fe và dùng ở nhi ệt độ trung bình. T CC Đồ ng-Constantan Dây dươ ng là Cu. Dây âm cũng là Cu và Ni. Độ chính xác cao khi làm vi ệc ở dướ i 300 C (-200 C - 1000 C) dùng vả với môi tr ườ ng khí và oxy hóa. W/ Tungsten- Dây dươ ng bằng Tungsten và dây âm 74% W- Tungsten-Rhenium tungsten và 26% rhenium. Phù hợp đo nhi ệt độ 26E 26 cao, tính bền gi ảm với các khí tr ơ trong không khí, không ch ống đượ c oxy hóa, không sử dụng đượ c trong không khí. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 37
Vật li ệu chế tạo Cặp nhi ệt ng ẫu Dải nhi ệt độ làm Sức điện độ ng vi ệc (oC) (mV) Đồ ng/ Constantan Φ = 1,63 mm -270-370 -6,258-19,027 Sắt/ Constantan -210-800 -8,095-45,498 Φ = 3,25 mm Chromel/Alumen -270-1250 -5,354-50,633 Φ = 3,25 mm Chromel/Constantan -270-870 -9,835-66,473 Φ = 3,25 mm Platin-Ro đi (10%) /Platin Φ = 0,51 mm -50-1500 -0,236-15,576 Platin-Ro đi (13%) /Platin Φ = 0,51 mm -50-1500 -0,226-17,445 Platin-Ro đi (30%) /Platin-Ro đi (6%) Φ = 0,51 mm 0-1700 0-12,426 Vonfram-Reni (5%)/Vonfram-Reni (26%) 0-2700 0-38,45 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 38
Cặp nhi ệt điện Nhi ệt ng ẫu (can nhi ệt) ng ườ i ta dùng công th ức sấp xỉ ET = KT (tnóng - ttự do ) = KT tnóng –KT ttự do ET: sức điện độ ng nhi ệt ng ẫu 0 KT: độ nh ạy của cặp nhi ệt (µV/ C) tnóng : nhi ệt độ đầ u nóng (nhi ệt độ cần đo) ttự do : nhi ệt độ đầ u tự do 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 39
Cặp nhi ệt điện Quan hệ gi ữa sức điện độ ng và nhi ệt độ của một số cặp nhi ệt 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 40
Đo nhi ệt độ - hệ số K của một số cặp nhi ệt 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 41
Mạch đo Mạch đo sử dụng mili vôn kế Nếu hai đầ u 2 và 3 bằng nhau thì sức điện độ ng chính là sức điện độ ng của cắp nhi ệt Để đi tr ực ti ếp nhi ệt độ gi ữa hai điểm đo ng ườ i ta dùng sơ đồ vi sai nh ư hình bên 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 42
Mạch đo Để tăng độ nhay phép đo ng ườ i ta có th ể mắc n cắp nhi ệt nối ti ếp E =n.E ab 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 43
Mạch đo Ảnh hưở ng của vôn kế 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 44
Mạch đo Ảnh của dây nối Sử dụng dây bù 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 45
Mạch đo Bù nhi ệt độ đầ u tự do 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 46
Mạch đo Dùng mạch điện tử 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 47
Mạch đo Dùng cầu bù 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 48
Transmitter nhi ệt ngẫu Transmitter nhi ệt ng ẫu làm các nhi ệm vụ sau: Bi ến điện áp thành dòng th ống nh ất 4-20 mA. Bù nhi ệt độ đầ u tự do của các nhi ệt ng ẫu khác nhau Đầ u vào của Transmitter là điện áp. ET = KT .(tnóng - ttự do ) = KT. tnóng -KT. ttự do E − K .t = T T tu do t đo K T ET – sức điện độ ng nhi ệt ng ẫu KT – độ nh ạy của cặp nhi ệt tnóng – nhi ệt độ đầ u nóng (nhi ệt độ cần đo) ttự do – nhi ệt độ đầ u tự do 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 49
Transmitter nhi ệt ngẫu Ta ph ải ch ỉnh KT th ế nào để cho 0 C ứng với 4 mA và nhi ệt độ đị nh mức ứng với 20 mA. Mu ốn th ế ta ph ải khu ếch đạ i và ph ải bố trí để có th ể đị nh hệ số khu ếch đạ i ứng với các KT mong mu ốn. Sơ đồ nguyên lý của transmitter nhi ệt ng ẫu 7MC1932 của 8/18/2015Siemens NTH-BM KT Đ&THCN 50
14.4 Bán dẫn Cấu tạo: Làm từ các lo ại ch ất bán dẫn. Nguyên lý: của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuy ến tính với nhi ệt độ môi tr ườ ng Ưu điểm: Rẽ ti ền, dễ ch ế tạo, độ nh ạy cao, ch ống nhi ễu tốt, mạch xử lý đơ n gi ản. Khuy ết điểm: Không ch ịu nhi ệt độ cao, kém bền. Th ườ ng dùng: Đo nhi ệt độ không khí, dùng trong các thi ết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. Dải đo: -50 <150 D.C. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 51
14.4 Bán dẫn Cảm bi ến nhi ệt Bán Dẫn là nh ững lo ại cảm bi ến đượ c ch ế tạo từ nh ững ch ất bán dẫn. Có các lo ại nh ư Diode, Transistor, IC. Ta dễ dàng bắt gặp các cảm bi ến lo ại này dướ i dạng diode, các lo ại IC nh ư: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhi ệt độ thay đổ i sẽ cho ra điện áp thay đổ i. Chế tạo từ các thành ph ần bán dẫn nên cảm bi ến nhi ệt Bán Dẫn kém bền, không ch ịu nhi ệt độ cao, độ ẩm, va đậ p, hóa ch ất có tính ăn mòn Cảm bi ến bán dẫn mỗi lo ại ch ỉ tuy ến tính trong một gi ới hạn nào đó, ngoài dải này cảm bi ến sẽ mất tác dụng 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 52
Đo không ti ếp xúc Ph ươ ng pháp này sử dụng khi đo nhi ệt độ bề mặt của vật ở xa, cao, khó ti ếp cận, trong môi tr ườ ng kh ắc nghi ệt (đườ ng ống trên cao, nhi ệt độ khu vực quá nóng và nguy hi ểm đế n tinh mạng. Đo bằng hồng ngo ại Hỏa quang kế 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 53
14.5 Đo bằng hồng ngoại Nhi ệt kế hồng ng ọai (IRT) cơ bản gồm có 4 thành ph ần: Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom năng lượ ng phát ra từ bia (target) Cảm bi ến hỏa nhi ệt kế (Pysoelectric sensor) có tác dụng chuy ển đổ i năng lượ ng sang tín hi ệu điện Bộ điều ch ỉnh độ nh ạy (reference sensor) để ph ối hợp phép đo của thi ết bị hồng ng ọai với ch ỉ số bức xạ của vật th ể đượ c đo. Một mạch cảm bi ến bù nhi ệt (heater equalizer) để đả m bảo sự thay đổ i nhi ệt độ phía bên trong thi ết bị 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 54
14.5 Đo bằng hồng ngoại Cảm bi ến hồng ng ọai là một cảm bi ến hỏa điện (pyroelectric sensor) theo sau là bộ chuy ển đổ i dòng sang áp 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 55
14.5 Đo bằng hồng ngoại Công ngh ệ hồng ngo ại dùng các bướ c sóng từ 0.7µm - 14µm, các bướ c sóng lớn hơn thì năng lượ ng quá th ấp, cảm bi ến hồng ngo ại không th ể nh ận ra đượ c Bất kể một vật nào có nhi ệt độ trên -273 oC đề u phát ra bức xạ điện tử, theo đị nh lu ật Flanck ε = h.f = h.1/T = h.1/(c. λ) . Với: ε = Mức năng lượ ng, h = hằng số Flanck, f = tần số, c = vận tốc ánh sáng, λ = bướ c Cảm bi ến hồng ngo ại sẽ đo mức năng lượ ng của vật, từ đó sẽ tính toán ra nhi ệt độ . Mỗi cảm bi ến hồng ngo ại ch ỉ nh ạy với một kho ảng bướ c sóng nh ất đị nh. Khi ch ọn đúng lo ại cảm bi ến phù hợp vừa cho kết qu ả đo chính xác hơn cũng nh ư ti ết ki ệm chi phí. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 56
14.6 Hỏa quang kế Nguyên lý Qúa trình trao đổ i nhi ệt gi ữa các vật có th ể di ễn ra dướ i hình th ức bức xạ nhi ệt, không cần các vật đó tr ực ti ếp ti ếp xúc với nhau. Bức xạ nhi ệt chính là sự truy ền nội năng của vật bức xạ đi bằng sóng điện từ Bất kỳ một vật nào sau khi nh ận nhi ệt thì cũng có một ph ần nhi ệt năng chuy ển đổ i thành năng lượ ng bức xạ, số lượ ng đượ c chuy ển đổ i đó có quan hệ với nhi ệt độ Vậy từ năng lượ ng bức xạ ng ườ i ta sẽ bi ết đượ c nhi ệt độ của vật Dụng cụ dựa vào tác dụng bức xạ nhi ệt để đo nhi ệt độ của vật gọi là hỏa kế bức xạ, chúng th ườ ng đượ c dùng để đo nhi ệt độ trên 600 0C. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 57
14.6 Hỏa quang kế Nguyên lý Một vật bức xạ một lượ ng nhi ệt là Q (W) => mật độ bức xạ toàn ph ần E (là năng lượ ng bức xạ qua một đơ n vị di ện tích) =dQ 2 = = dQλ E()W / mQQ ; ∑ λ⇒ E λ dF dF Eλ - mật độ ph ổ - bằng số năng lượ ng bức xạ trong một đơ n vị th ời gian với một đơ n vị di ện tích của vật và xảy ra trên một đơ n vị độ dài sóng. dE 3 Cườ ng độ bức xạ đơ n sắc : Eλ = ()W / m dλ Dựa vào năng lượ ng do một vật hấp th ụ ng ườ i ta có th ể bi ết đượ c nhi ệt độ của vật bức xạ nếu bi ết đượ c các quan hệ gi ữa chúng. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 58
14.6 Hỏa quang kế Nh ững đị nh lu ật cơ sở về bức xạ nhi ệt Đị nh lu ật Planck: Đố i với vật đen tuy ệt đố i thì quan hệ Eoλ và T bằng công − th ức : C C= 0.37015 W. m 2 E = 1 ; 1 0λ C −2 5 2 λ  C=1.438 m . K λ ⋅e T − 1  1   Đị nh lu ật Stefan-Boltzman : Cườ ng độ bức xạ toàn ph ần của vật đen tuy ệt đố i liên hệ với nhi ệt độ của nó bằng bi ểu th ức ∞ T 4 =λ = = ()2 4 E00∫ Eλ d C 0; C 0 5.67 W / m . K 0 100 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 59
14.6 Hỏa quang kế Nh ững đị nh lu ật cơ sở về bức xạ nhi ệt Đị nh lu ật chuy ển đị nh của Wiên Khi vật nhi ệt độ T có cườ ng độ bức xạ lớn nh ất thì sóng λmax sẽ quan hệ với nhi ệt độ theo bi ểu th ức : λ ⋅ = −3 0 m T2.898.10( m . K ) 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 60
14.6 Hỏa quang kế Trong công nghi ệp khi nhi ệt độ đo cao (trên 1600 C) ta dùng hỏa quang kế.Hỏa quang kế chia làm 3 lo ại là: Hỏa quang kế bức xạ. T= f( E ) = ( ) Hỏa quang kế quang học. T f E 0λ Hỏa quang kế màu sắc. E λ  = 0 1 T f   E λ 0 2  8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 61
Hỏa kế quang học Ho ả kế quang điện ch ế tạo dựa trên đị nh lu ật Pl ăng Nguyên tắc đo nhi ệt độ bằng ho ả kế quang học là so sánh cườ ng độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bướ c sóng nh ất đị nh và theo cùng một hướ ng. Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhi ệt độ của chúng bằng nhau Sự ph ụ thu ộc gi ữa I và λ không đơ n tr ị, do đó ng ườ i ta th ườ ng cố đị nh bướ c sóng ở 0,65 µm. Sự ph ụ thu ộc c ủa cườ ng độ ánh sáng vào bướ c sóng và nhi ệt độ 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 62
Hỏa kế quang học Sơ đồ cấu tạo 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 63
Hỏa kế quang học Khi đo, hướ ng ho ả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhi ệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ng ăn (4), (6), kính lọc ánh sánh đỏ (7) tới th ị kính (8) và mắt. Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều ch ỉnh bi ến tr ở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo. 1λ 1 = ln ελ TCdo 2 Công th ức hi ệu ch ỉnh: Tđo = Tđọ c + ∆T Giá tr ị của ∆T cho theo đồ th ị. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 64
Hỏa kế quang học Nguyên lý làm vi ệc của hỏa kế quang học Bóng đèn sợi đố t vonfram sau khi đã đượ c già hóa trong kho ảng 100 gi ờ với nhi ệt độ 2000 oC, sự phát sáng của đèn ổn đị nh nếu sử dụng ở nhi ệt độ 400 ÷ 1500 oC. Cườ ng độ sáng có th ể đượ c điều ch ỉnh bằng cách thay đổ i dòng đố t bằng điều ch ỉnh bi ến tr ở 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 65
Hỏa quang kế bức xạ Nguyên lý của hỏa quang kế bức xạ Một vật tuy ệt đố i đen khi đố t nóng lên bức xạ, năng lượ ng bức xạ là 4 EBX =σ T .T EBX - năng lượ ng bức xạ σT - hệ số phát xạ tuy ệt đố i Hỏa quang kế bức xạ gồm một bộ cặp nhi ệt kích th ướ c nh ỏ gồm 10 cặp nhi ệt bố trí nối ti ếp nhau thành hình rẻ qu ạt. Ánh sáng hồng ngo ại bức xạ, đượ c th ấu kính ho ặc gươ ng lõm tập trung vào đúng đầ u này của bộ bi ến đổ i. Năng lượ ng ấy làm nóng cặp nhi ệt và phát ra sức điện độ ng nhi ệt điện = = 4 EKEKT TBX . T . σT .T 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 66
Hỏa quang kế bức xạ Cấu tạo của bộ thu hỏa quang kế bức xạ Thông th ườ ng có hai lo ại: ho ả kế bức xạ có ống kính hội tụ, ho ả kế bức xạ có kính ph ản xạ. 1) Ngu ồn bức xạ 2) Th ấu kính hội tụ 3) Gươ ng ph ản xạ 4) Bộ phân thu năng lượ ng 5) Dụng cụ đo th ứ cấp 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 67
Hỏa quang kế bức xạ Bộ ph ận thu năng lượ ng có th ể là một vi nhi ệt kế điện tr ở ho ặc là một tổ hợp cặp nhi ệt, chúng ph ải tho ả mãn các yêu cầu: + Có th ể làm vi ệc bình th ườ ng trong kho ảng nhi ệt độ 100 - 150 oC. + Ph ải có quán tính nhi ệt đủ nh ỏ và ổn đị nh sau 3 - 5 giây. + Kích th ướ c đủ nh ỏ để tập trung năng lượ ng bức xạ vào đo. Các cặp nhi ệt (1) th ườ ng dùng cặp crômen/côben mắc nối ti ếp với nhau. Các vệt đen (2) ph ủ bằng bột platin 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 68
Hỏa quang kế bức xạ Khi đo nhi ệt độ bằng ho ả kế bức xạ sai số th ườ ng không vượ t quá 27 oC, trong điều ki ện: Vật đo ph ải có độ den xấp xỉ bằng 1. Tỉ lệ gi ữa đườ ng kính vật bức xạ và kho ảng cách đo (D/L) không nh ỏ hơn 1/16. Trong th ực tế độ đen của vật đo e <1, khi đó 1 TT=4 ⋅ doε doc Thông th ườ ng xác đị nh theo công th ức sau: = + ∆ Tdo T doc T 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 69
Hỏa quang kế bức xạ Trong các hỏa quang kế, tr ướ c kia ng ườ i ta ph ải bố trí hệ th ống máy ng ắm để cho ảnh th ật của đố i tượ ng trùng với tiêu điểm của bộ thu Hi ện nay cũng có nh ững photo điốt hồng ngo ại thay th ế cho bộ thu của hỏa quang nói trên Ngày nay ng ườ i ta đặ t một điốt lazer phát ra một chùm tia hẹp song song với tr ục của hỏa quang kế. Vòng tròn sáng của bộ phát lazer chính và vùng ta đo nhi ệt độ Hỏa quang kế bức xạ 566, 568 của Fluke 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 70
Hỏa quang kế màu sắc Bướ c sóng của ánh sáng phát ra càng gi ảm khi nhi ệt độ càng tăng (ở nhi ệt độ th ấp đố i tượ ng phát ra ánh sáng đỏ , nhi ệt độ cao phát ra ánh xanh đế n tím). So sánh cườ ng độ ánh sáng xanh và đỏ ta có th ể suy ra nhi ệt độ của đố i tượ ng. Ta lần lượ t cho ánh sáng xanh và đỏ của chùm sáng phát ra bởi đố i tượ ng (thông qua hai bộ lọc xanh và đỏ ). Cườ ng độ ánh sáng xanh và đỏ đượ c chia cho nhau và tỷ số gi ữa hai cườ ng độ ấy cho phép suy ra nhi ệt độ 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 71
Hỏa quang kế màu sắc A Đố i tượ ng đo nhi ệt độ 1 Vật kính 2 Đĩ a lọc xanh đỏ 3 Mô tơ đồ ng bộ 4 Tế bào quang điện 5 Khu ếch đạ i 6 Tự độ ng ch ỉnh hệ số khu ếch đạ i 7 Lọc 8 Khóa đổ i nối 9 Logomet chia dòng quang học đỏ , xanh 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 72
Chương 15: Đo Lực Trong đờ i sống 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 73
Chương 15: Đo Lực Vai trò đo lực 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 74
Chương 15: Đo Lực Lực là một đạ i lượ ng vật lý quan tr ọng Lực đượ c xác đị nh từ đị nh lu ật cơ bản của độ ng học F=m.a. Trong đó m là kh ối lượ ng (kg) ch ịu tác độ ng của lưc F gây nên bởi gia tốc a (ms -1). Tr ọng lực P chính của vật chính là lực tác dụng lên vật đó trong tr ọng tr ườ ng trái đấ t: P=m.g.Trong đó g chính là gia tốc tr ọng tr ườ ng (g=9.8) ph ụ thu ộc vào độ cao. Khi đo tr ọng lượ ng của một vật th ực ch ất là ta xác đị nh kh ối lượ ng của vât đó. Ng ượ c lại, sử dụng kh ối lượ ng đã bi ết tr ướ c trong môi tr ườ ng có gia tốc g thì ta sẽ thu đượ c một lực xác đị nh 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 75
Chương 15: Đo Lực Trong cảm bi ến đo lực th ườ ng có một vật trung gian ch ịu tác độ ng của lực cần đo và bị bi ến dạng, bi ến dạng này là nguyên nhân của lực đố i kháng: trong gi ới hạn đàn hồi bi ến dạng tỉ lên với lực đố i kháng (đị nh lu ật hooke). 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 76
Chương 15: Đo Lực Bi ến dạng và lực cần gây nên bi ến dạng có th ể đo tr ực ti ếp bằng đầ u đo bi ến dạng ho ặc đo gián ti ếp nếu một trong các tính ch ất điện của vật li ệu làm vật trung gian ph ụ thu ộc vào bi ến dạng (ví dụ nh ư vật li ệu áp điện và vật li ệu từ gi ảo). Để đo lực, ng ườ i ta có th ể dùng các ph ươ ng pháp chuy ển đổ i khác nhau nên mỗi lo ại sẽ có cấu tạo khác nhau và mạch đo khác nhau. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 77
Chương 15: Đo Lực Để đo lực, ng ườ i ta có th ể dùng các ph ươ ng pháp chuy ển đổ i khác nhau nên mỗi lo ại sẽ có cấu tạo khác nhau và mạch đo khác nhau. Sau đây là một số lo ại cảm bi ến lực mà ta th ươ ng gặp. Cảm bi ến lực lo ại áp điện. Cảm bi ến từ gi ảo. Cảm bi ến từ đàn hồi. Cảm bi ến chuy ển đổ i Tenzo. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 78
Chương 15: Đo Lực Trong công nghi ệp, để đo tr ọng lượ ng ng ườ i ta sử dụng rất nhi ều lo ại cân nh ư cân tr ọng tải, cân băng tải. Cân đượ c chia làm 3 bộ ph ận: Bộ ph ận cơ khí tạo thành cân nh ư kết cấu dầm, sàn, công son, kết cấu bộ ph ận đàn hồi trên băng tải v.v Tế bào cân hay tế bào mang tải (loadcell). Hệ th ống đo lườ ng và gia công số li ệu. Ở đây, chúng ta không xét đế n ph ần kết cấu cơ khí của cân mà ch ỉ xét tới loadcell và hệ th ống đo lườ ng và gia công số li ệu 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 79
Chương 15: Đo Lực Loadcell đ c cu to t 3 b ph n chính: 4 điện tr ở Tenzo : Đượ c ch ế tạo từ các vật li ệu đặ c bi ệt chúng đượ c cắt chính xác theo hình lướ i. Tất cả các điện tr ở Tenzo đề u có các thông số gi ống nhau Một lõi thép đặ c bi ệt: Lõi thép có cấu tạo hình ống đượ c ch ế tạo đặ c bi ệt đả m bảo đặ c tính co giãn, đàn hồi tuy ến tính và độ mỏi rất nh ỏ. Vỏ bao bên ngoài: ở hai đầ u ống thép gắn các vỏ ph ần tĩnh và ph ần độ ng, vỏ có th ể đượ c ch ế tạo bằng hợp kim có độ ch ịu nhi ệt và ch ịu mài mòn cao. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 80
Chương 15: Đo Lực Điện tr ở lực căng (Strain gauge - tenzo) Strain gauge là thành ph ần cấu tạo chính của loadcell , nó bao gồm một sợi dây kim lo ại mảnh đặ t trên một tấm cách điện đàn hồi. Để tăng chi ều dài của dây điện tr ở strain gauge, ng ườ i ta đặ t chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ bi ến dạng khi bị lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thi ết bị cảm bi ến sử dụng strain gauge. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 81
Chương 15: Đo Lực Điện tr ở thay đổ i tỷ lệ với lực tác độ ng Yêu cầu của vật li ệu ch ế tạo tenzo là hệ số nh ạy cảm lớn.Các vật li ệu th ườ ng dùng làm tenzo là constantan (60%Cu+40%Ni),niken 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 82
Chương 15: Đo Lực Hầu hết các nhà sản xu ất strain gauge cung cấp nhi ều lo ại strain gauge khác nhau để phù hợp với các sản ph ẩm Loadcell khác nhau, các ứng dụng trong nghiên cứu và công nghi ệp dự án khác nhau 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 83
Chương 15: Đo Lực Cấu tạo tế bào tải (loadceel) Về nguyên tắc 1 Loadcell sẽ bao gồm 4 ph ần tử tenzo mắc thành 1 mạch cầu 4 nhánh. Mỗi ph ần tử tenzo là 1 điện tr ở lực căng (Rx=R0+∆R), trong đó R0 là điện tr ở ban đầ u của tenzo khi ch ưa có tác độ ng của vật nặng, ∆R là lượ ng điện tr ở thay đổ i khi có vật nặng làm loadcell bi ến đổ i. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 84
Chương 15: Đo Lực Tế bào tải (loadcell) 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 85
Chương 15: Đo Lực Điện tr ở lực căng (tenzo) Đặ c tr ưng cơ bản của chuy ển đổ i tenzo là hệ số nh ạy cảm tươ ng đố i K. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 86
Chương 15: Đo Lực Tế bào tải (loadcell) Tế bào tải là một kết cấu đàn hồi bằng thép ch ất lượ ng cao, đả m bảo gi ải bi ến dạng đàn hồi rộng Bi ến dạng đượ c tính: F ε = 1 SE F: lực tác độ ng lên loadcell; S: ti ết di ện ph ần tử đàn hồi; E: modul đàn hồi thép làm loadcell. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 87
Chương 15: Đo Lực Cảm bi ến điện tr ở lực căng đượ c nuôi cấy trên ph ần tử đàn hồi. Nó gồm 4 điện tr ở, 2 điện tr ở dọc là điện tr ở tác dụng, 2 điện tr ở ngang là điện tr ở bù nhi ệt độ , 4 điện tr ở này đượ c nối thành cầu hai nhánh ho ạt độ ng UU∆R ∆U = CC = CC k ε 2 R 2 1 UCC : điện áp cung cấp cho cầu; ∆R R : bi ến thiên điện tr ở do bi ến dạng của ph ần tử đàn hồi; ε 1 : bi ến dạng tính theo công th ức trên; k: độ nh ạy của cảm bi ến điện tr ở lực căng. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 88
Chương 15: Đo Lực Khi ch ế tạo xong, nhà ch ế tạo cho ta độ nh ạy của loadcell là: ∆U kε = 1 (mV ) V UCC 2 Nh ư vậy, nếu độ nh ạy loadcell là 2mV/V thì khi cung cấp điện áp 12V, điện áp đị nh mức ở đườ ng chéo cầu là: 12 x 2 = 24mV. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 89
Chương 15: Đo Lực LOADCELL ĐƯỢCSẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO ? Gia công thân Loadcell với một hình dạng ph ức tạp để tối ưu các vị trí bi ến dạng để dán các điện tr ở strain gauge Ki ểm soát độ nhám bề mặt các vị trí dán strain gauge trên thân loadcell thông qua đánh bóng bề mặt Mục đích là tăng cườ ng độ kết dính của strain gauge với thân loadcell. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 90
Chương 15: Đo Lực LOADCELL ĐƯỢCSẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO ? Nhúng keo và dán các tấm strain gauge lên thân loadcell 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 91
Chương 15: Đo Lực LOADCELL ĐƯỢCSẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO ? Tăng cường sự kết dính gi ữa tầm strain gauge và thân loadcell:Một khuôn ép đượ c sử dụng để tạo áp lực gi ữa các strain gauge với thân Loadcell. Khuôn đượ c đặ t trong một nhi ệt độ cao để tăng cườ ng tác dụng kết dính của lớp keo dính. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 92
Chương 15: Đo Lực LOADCELL ĐƯỢCSẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO ? Hi ệu ch ỉnh tải tr ọng các vị trí khác nhau của loadcell: Loadcell đượ c gắn vào một khung bàn cân. Thân Loadcell mài gi ũa, điều ch ỉnh cho đế n khi số hi ển th ị là gi ống nhau khi có cùng 1 tải tr ọng đặ t lên bất kì góc bàn cân nào. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 93
Chương 15: Đo Lực LOADCELL ĐƯỢCSẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO ? Ki ểm tra tín hi ệu loadcell theo nhi ệt độ thay đổ i: Loadcell đượ c đặ t trong một bu ồng kín và nhi ệt độ xung quanh đượ c điều ch ỉnh trong 1 ph ạm vi nh ất đị nh, điện áp tín hi ệu ngõ ra của loadcell đượ c đo ở nhi ệt độ th ấp và nhi ệt độ cao Nếu kết qu ả tín hi ệu ngõ ra của loadcell không đạ t yêu cầu kĩ thu ật, một điện tr ở bù tr ừ nhi ệt độ sẽ đượ c tích hợp vào mạch cầu straingauge. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 94
Chương 15: Đo Lực LOADCELL ĐƯỢCSẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO ? Ph ủ silicon bảo vệ: Bề mặt dán các strangauge và mạch điện tr ở của loadcell sẽ đượ c ph ủ một lớp silicon đặ c bi ệt bảo vệ straingauge, mạch điện tr ở và hệ th ống dây điện từ kh ỏi tác độ ng của độ ẩm môi tr ườ ng. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 95
Chương 15: Đo Lực Tùy theo cấu tạo loadcell và vị trí cần kh ảo sat ta có th ể đặ t tenzo cho hợp lí theo đúng nguyên tắc và có th ể bù đượ c nhi ệt độ và đạ t sai số nh ỏ. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 96
Chương 15: Đo Lực Loadcell bao gồm các lo ại cơ bản 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 97
Chương 15: Đo Lực Các hình dạng loadcell 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 98
Chương 15: Đo Lực Cách lặp đặ t loadcell cân 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 99
Chương 15: Đo Lực Cách lặp đặ t loadcell cân 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 100
Chương 15: Đo Lực Mạch đo Vậy điện áp ra (Ura) sẽ tỷ lệ với lực tác độ ng (tr ọng lượ ng) lên loadcell, đư a Ura khu ếch đạ i rồi đư a vào ADC và đư a vào VXL -> Hi ển th ị kết qu ả 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 101
Chương 15: Đo Lực Với 1 cân điện tử bạn có th ể sử dụng 4 loadcell đặ t ở 4 góc của bàn cân, 4 tín hi ệu này đượ c đư a vào một bộ cộng điện áp tr ướ c khi đư a vào ADC 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 102
Chương 15: Đo Lực Cảm bi ến đo tr ọng lượ ng có độ nh ạy cầu là 2 mV/V. Tr ọng lượ ng của vật là 0-20 tấn, ng ườ i ta dùng 4 cảm bi ến. bi ết điện áp cung cấp là 10V. Vẽ sơ đồ mạch mắc cảm bi ến Tính đị ên áp ra khi có một kh ối lượ ng 8 tấn Hãy ch ọn mạch chu ẩn hóa tín hi ệu và tính toán các giá tr ị điện tr ở để đư a tính hi ệu đo vào ADC có dải điện áp 0-3.3V? Với yêu cầu đo đượ c điện tr ở có ng ưỡ ng nh ạy < 0,005 tấn, lựa ch ọn ADC. Bi ểu điễn giá tr ị 15 tấn dướ i dạng nh ị phân theo số bit ADC đã ch ọn. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 103
Chương 15: Đo Lực Cân tải độ ng 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 104
Chương 15: Đo Lực Cân băng tải 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 105
Chương 15: Đo Lực Hình bên là một hệ th ống cân bằng đị nh lượ ng, trong đó tổng tích lu ỷ vật li ệu của băng cân sau th ời gian t là: M (kg) = k.v.m.t Trong đó k là một hệ số tỷ lệ, v là vận tốc băng cân đượ c xác đị nh từ cảm bi ến đo tốc độ encoder, m kh ối lượ ng tức th ời từ cảm bi ến đo kh ối lượ ng loadcell, t là th ời gian ho ạt độ ng. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 106
Chương 15: Đo Lực Cân tải độ ng 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 107
Chương 16: ĐO MỨC Mục đích vi ệc đo và phát hi ện mức ch ất lưu là xác đị nh mức độ ho ặc kh ối lượ ng ch ất lưu trong bình ch ứa. Có hai dạng đo: đo liên tục và xác đị nh theo ng ưỡ ng. Khi đo liên tục biên độ ho ặc tần số của tín hi ệu đo cho bi ết th ể tích ch ất lưu còn lại trong bình ch ứa. Khi xác đị nh theo ng ưỡ ng, cảm bi ến đư a ra tín hi ệu dạng nh ị phân cho bi ết thông tin về tình tr ạng hi ện tại mức ng ưỡ ng có đạ t hay không. Có ba ph ươ ng pháp hay dùng trong kỹ thu ật đo và phát hi ện mức ch ất lưu: - Ph ươ ng pháp thu ỷ tĩnh dùng bi ến đổ i điện. - Ph ươ ng pháp điện dựa trên tính ch ất điện của ch ất lưu. - Ph ươ ng pháp bức xạ dựa trên sự tươ ng tác gi ữa bức xạ và ch ất lưu. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 108
Chương 16: ĐO MỨC Đo on/off báo mức CẢM BI ẾN BÁO MỨC KI ỂU PHAO DÂY FA/FB SERIES Nguyên lý ho ạt độ ng: FAC, FAP, FAR là d ạng công t ắc báo mức ki ểu ti ếp điểm phao t ừ s ử d ụng micro switch. Ti ếp điểm này s ẽ c ấp tín hi ệu đầ u ra ON/OFF khi phao n ổi lên 1 góc l ớn h ơn 28 độ . FAS là lo ại phao t ừ dùng ti ếp điểm th ủy ngân, khi ch ất l ỏng cao lên t ới v ị trí c ủa phao, góc c ủa phao s ẽ thay đổ i và ti ếp điểm s ẽ chuy ển tr ạng thái ON OFF khi góc thay đổ i l ớn h ơn 10 độ . Tính n ăng: Cấu t ạo b ền ch ắc, đạ t c ấp b ảo v ệ IP68 Tùy ch ọn dây theo yêu c ầu Cấu t ạo đơ n gi ản, d ễ b ảo trì, d ễ s ửa ch ữa
Chương 16: ĐO MỨC Đo on/off báo mức ki ểu dao độ ng 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 111
Chương 16: ĐO MỨC Ph ương pháp thu ỷ tĩnh dùng bi ến đổ i điện. Đo mức bằng áp su ất Áp su ất dướ i đáy của một cột nướ c đượ c tính: P = ρ.h.g ° P: áp su ất ở đáy cột nướ c; ° ρ: tr ọng lượ ng riêng của ch ất lỏng; ° h: chi ều cao cột nướ c hay mức nướ c 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 112
Chương 16: ĐO MỨC Ph ương pháp thu ỷ tĩnh dùng bi ến đổ i điện. Ph ương pháp phao nổi Mức nướ c tác độ ng lên phao nổi làm thay đổ i vị trí của phao, phao nổi làm quay một puli và góc quay của puli đượ c tính bởi công th ức sau h h α = x 2 π (radian) = x x 2πRR Đo góc quay bằng một encoder ta có th ể suy ra mức nướ c h x 2πRN N=x n h = x 2πR x n 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 113
Chương 16: ĐO MỨC Ph ương pháp thu ỷ tĩnh dùng bi ến đổ i điện. Ph ương pháp th ả dây, đế m xung Cũng nh ư ph ươ ng pháp phao nổi, ng ườ i ta không mắc puli với phao mà ta th ả một qu ả nặng và đế m xung. Qu ả nặng đượ c treo lên một dây quán quanh một puli. Khi qu ả nặng rơi xu ống puli quay và góc quay bi ến thành số xung: 2π α = N α α = (radian) x x 0 0 n N h= H − h = x 2.π R x ch muc n 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 114
Chương 16: ĐO MỨC Ph ương pháp điện dựa trên tính ch ất điện của ch ất lưu. Ph ương pháp điện dung đo mức Đố i với ch ất lỏng cách điện nh ư dầu v.v ng ườ i ta sử dụng hằng số điện môi khác nhau gi ữa không khí và dầu để đo mức. Khi không có dầu, nướ c, εS C = d Khi có mức hx ε h b ε b( h - h ) C = dx + 0 x x d d 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 115
Chương 16: ĐO MỨC Ph ương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác gi ữa bức xạ và ch ất lưu. Ph ương pháp siêu âm đo mức Ở trên đỉ nh xilô đặ t một ngu ồn phát siêu âm mạnh. Ngu ồn phát phát ra lu ồng siêu âm theo chi ều xu ống đáy xilô. Khi lu ồng siêu âm gặp mặt ch ất lỏng (ho ặc hạt), nó ph ản xạ lên và đế n đầ u thu. Th ời gian từ lúc phát đế n lúc thu: 2h T = x x C Ph ươ ng pháp siêu âm đo mức hm = H – hx 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 116
Chương 16: ĐO MỨC 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 117
Chương 16: ĐO MỨC (Cảm ứng ki ểu điện tr ở)
Chương 17: Đo áp suất Áp su ất là đạ i lượ ng có giá tr ị bằng lực tác dụng vuông góc lên một đơ n vị di ện tích thành bình dF Trong đó: p= dF: lực tác dụng [N]. dS dS: di ện tích thành bình ch ịu lực tác dụng [m2] Đố i với các ch ất lỏng, khí ho ặc hơi (gọi chung là ch ất lưu), áp su ất là một thông số quan tr ọng xác đị nh tr ạng thái nhi ệt độ ng học của chúng. Trong hệ đơ n vị qu ốc tế (SI), đơ n vị áp su ất là Pascal: 1 Pascal là áp su ất tạo bởi một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồ ng đề u trên một di ện tích 1m2 theo hướ ng pháp tuy ến 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 119
Chương 17: Đo áp suất Trong hệ đơ n vị qu ốc tế (SI) đơ n vị áp su ất là pascal (Pa) Bảng dướ i đây trình bày các đơ n vị đo áp su ất và hệ số chuy ển đổ i gi ữa chúng 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 120
Chương 17: Đo áp suất Trong tr ườ ng hợp ch ất lưu không chuy ển độ ng, áp su ất ch ất lưu là áp su ất tĩnh (pt) Trong đó: p0: áp su ất khí quy ển = + ρ ρ: kh ối lượ ng riêng của ch ất lưu. p p0 gh g: gia tốc tr ọng tr ườ ng h: kho ảng cách từ điểm kh ảo sát đế n mặt thoáng ti ếp xúc với khí quy ển Trong tr ườ ng hợp ch ất lưu chuy ển độ ng, áp su ất ch ất lưu gồm hai thành ph ần, gồm su ất tĩnh (pt) và áp su ất độ ng (p ): d = + v2 p pt p d p = ρ d 2 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 121
Chương 17: Đo áp suất Ph ng pháp đo áp su t Ph thu c vào dng áp su t. Đố i với áp su ất tĩnh có th ể ti ến hành đo bằng các ph ươ ng pháp sau: Đo tr ực ti ếp ch ất lưu thông qua một lỗ đượ c khoan trên thành bình. áp su ất cần đo đượ c cân bằng với áp su ất th ủy tĩnh do cột ch ất lỏng. Đo gián ti ếp thông qua đo bi ến dạng của thành bình dướ i tác độ ng của áp su ất. Ngườ i ta gắn lên thành bình các cảm bi ến đo ứng su ất để đo bi ến dạng của thành bình. Bi ến dạng này là hàm của áp su ất. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 122
Chương 17: Đo áp suất Ph ương pháp đo áp su ất Ph ươ ng pháp đo áp su ất độ ng dựa trên nguyên tắc chung là đo hiêu áp su ất tổng và áp su ất tĩnh Khi dòng ch ảy va đậ p vuông góc với một mặt ph ẳng, áp su ất tác dụng lên mặt ph ẳng là áp su ất tổng Có th ể đô áp su ất độ ng bằng cách đặ t áp su ất tổng lên mặt tr ướ c và áp su ất tĩnh lên mặt sau của một màng đo 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 123
Chương 17: Đo áp suất Phân lo ại các cảm bi ến đo áp su ất nh ư sau 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 124
Chương 17: Đo áp suất Áp kế lò xo ống (Bourdon) Cu to và nguyên lý Đượ c cấu tạo gồm: Ống Bourdon, thanh nối điều ch ỉnh đượ c và thanh răng. Ống Bourdon có ti ết di ện ngang dẹt, tròn hay elip . Khi áp su ất tăng ống Bourdon có chi ều hướ ng du ỗi ra và cu ộn lại khi áp su ất gi ảm. Gi ới hạn đo của áp kế lò xo ống trong kho ảng từ 0,6-600 Kg/cm2. Ống Bourdon có nh ượ c điểm là ch ịu ảnh hưở ng của nhi ệt độ , thi ết bị ch ỉ ho ạt độ ng tốt ở nhi ệt độ <40oC. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 125
Chương 17: Đo áp suất Áp kế lò xo ống (Bourdon) Các dạng áp kế lò xo ống Dướ i tác dụng của áp su ất dư trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dướ i tác dụng của áp su ất th ấp nó sẽ co lại. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 126
Chương 17: Đo áp suất Áp kế lò xo ống (Bourdon) 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 127
Chương 17: Đo áp suất Áp kế hộp xếp Xiphông Áp kế xếp hộp đượ c ch ế tạo từ kim lo ại đồ ng, hợp kim Monell, BeCu, , độ nh ạy của thi ết bị đo tỉ lệ thu ận với kích th ướ c của nó. Dải đo nằm trong kho ảng 0-5mmHg . Sai số 1% /Kết qu ả đo. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 128
Chương 17: Đo áp suất Áp kế hộp xếp Xiphông Lực chi ều tr ục tác dụng lên đáy xác đị nh theo công th ức Rng ,Rtr - bán kính ngoài và bán kính trong của xi phông. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 129
Chương 17: Đo áp suất Áp kế ch ất lỏng ng ch U Áp su ất vi sai gi ữa P1 và P2 đượ c xác đị nh thông qua vi ệc xác đị nh chi ều cao 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 130
Chương 17: Đo áp suất Áp kế ch ất lỏng Áp k vi sai ki u chuông 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 131
Chương 17: Đo áp suất Áp kế ch ất lỏng Ki u phao Khi mức ch ất lỏng trong bình lớn thay đổ i (h1 thay đổ i), phao của áp kế dịch chuy ển và qua cơ cấu liên kết lµm quay kim ch ỉ th ị trên đồ ng hồ đo. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 132
Chương 17: Đo áp suất Cm bi n đin dung Màng kim lo ại ho ặc silicon đượ c sử dụng làm ph ần tử cảm ứng áp su ất và tạo thành một bản cực của tụ điện. Điện cực còn lại là cố đị nh, tạo thành bởi một lớp hợp kim trên một nền sứ hay thu ỷ tinh 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 133
Chương 17: Đo áp suất Cm bi n đin dung Áp su ất tác độ ng vào màng, làm thay đổ i kho ảng cách gi ữa 2 bản cực, qua đó làm thay đổ i điện dung của tụ. Ph ươ ng pháp đo này khá ph ổ bi ến, dải đo 10 -3 – 10 7 Pa 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 134
Chương 17: Đo áp suất Áp tr ở Nguyên lý làm vi ệc của cảm bi ến lo ại này dựa trên sự bi ến dạng của cấu trúc màng (khi có áp su ất tác độ ng đế n) đượ c chuy ển thành tín hi ệu điện nh ờ cấy trên đó các ph ần tử áp điện tr ở. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 135
Chương 17: Đo áp suất Màng sử dụng trong cảm bi ến là màng rất nh ạy với tác độ ng của áp su ất. Bốn điện tr ở đượ c đặ t tại 4 trung di ểm của các cạnh màng, 2 cặp điện tr ở song song với màng và 2 cặp điện tr ở vuông góc với màng (để khi màng bị bi ến đổ i thì 2 cặp điện tr ở này có chi ều bi ến dạng trái ng ượ c nhau). Bốn điện tr ở trên đượ c ghép lại tạo thành cầu Wheatsone . 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 136
Chương 17: Đo áp suất Áp tr ở Khi lớp màng bị bi ến dạng uốn cong, các áp điện tr ở sẽ thay đổ i giá tr ị. Độ nh ạy và tầm đo của cảm bi ến ph ụ thu ộc rất nhi ều vào màng và kích th ướ c, cấu trúc, vị trí các áp điện tr ở trên màng pR ε = 0.49 Ed 2 ε : bi ến d ạng ở tâm màng đàn h ồi p : áp su ất tác d ụng lên màng R : bán kính màng E : modul đàn h ồi c ủa màng 8/18/2015 d : chi ều dày màng (hìnhNTH-BM 8.1.2) KT Đ&THCN 137
Chương 17: Đo áp suất Áp tr ở Bi ến dạng này làm bi ến đổ i điện tr ở lực căng bán dẫn ∆R =k ε R ∆R/R : bi ến thiên t ươ ng đố i c ủa điện tr ở k : độ nh ạy c ủa c ảm bi ến ( k = 50 – 100 đố i v ới Si) ε : bi ến d ạng c ủa màng ∆R/R nằm trong mạch cầu 2 nhánh ho ạt độ ng, gây nên bi ến thiên điện áp ở cầu: ∆ UUCCR CC ∆U ∆=U = k ε ⇒ = Kp 2 R 2 UCC 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 138
Chương 17: Đo áp suất Áp tr ở Hình ảnh th ực tế của cảm bi ến 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 139
Chương 17: Đo áp suất 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 140
Chương 17: Đo áp suất Lo ại áp điện Cảm bi ến áp su ất điện áp có nguyên tắc ho ạt độ ng dựa trên hi ện tượ ng thay đổ i hay xu ất hi ện phân cực điện khi một số ch ất điện môi bị bi ến dạng dướ i tác dụng của lực. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 141
Chương 17: Đo áp suất Lo ại áp điện Áp su ất (p) gây nên lực F tác độ ng lên các bản áp điện, làm xu ất hi ện trên hai mặt của bản áp điện mộtđiện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng: 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 142
Chương 17: Đo áp suất Lo ại áp điện Đố i với ph ần tử áp điện dạng ống, điện tích trên các bản cực xác đị nh theo công th ức: 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 143
Chương 17: Đo áp suất Sơ đồ thi ết bị đo áp su ất trong công nghi ệp pe : Áp su ất, bi ến đầ u vào 5 : Khu ếch đạ i đo l ườ ng IA, : Tín hi ệu vào và ngu ồn 6 : Chuy ển đổ i áp t ần UH cung c ấp 1 : Ống d ẫn k ết n ối 7 : Vi điều khi ển 2 : Màng ch ắn 8 : Chuy ển đổ i s ố - tươ ng t ự 3 : Ch ất l ỏng để truy ền áp su ất 4 : Cảm bi ến điện tr ở l ực căng màng Silic 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 144
Chương 17: Đo áp suất Sơ đồ thi ết bị đo áp su ất trong công nghi ệp 1 : Ống d ẫn k ết n ối 5 : Nắp plastic b ảo v ệ các phím đầ u vào 2 : Nhãn điểm đo 6 : Nắp v ặn ren có m ặt kính quan sát 3 : Nhãn máy 7 : Hi ển th ị số 4 : Đườ ng vào v ới vành đai cáp 8 : Vít ch ặn 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 145
Chương 17: Đo áp suất 1. Để đo nhi ệt độ của một lò nhi ệt thay đổ i: 00C - 1200 0C. a) Lựa ch ọn cảm bi ến thích hợp, thi ết mạch đo, tính toán giá tr ị các linh ki ện cho mạch (gi ả sử điện tr ở dây nối đế n cảm bi ến có giá tr ị không đáng kể)? b) Hãy ch ọn mạch chu ẩn hóa tín hi ệu và tính toán các giá tr ị điện tr ở để đư a tính hi ệu đo vào ADC có dải điện áp 0-5V? c) Với yêu cầu đo đượ c điện tr ở có ng ưỡ ng nh ạy < 0.50C, lựa ch ọn ADC. Bi ểu điễn giá tr ị 800 0C dướ i dạng nh ị phân theo số bit ADC đã ch ọn. 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 146
Chương 17: Đo áp suất 2. Một cảm bi ến tươ ng tự (4-20mA) đo áp su ất. Đo áp su ất của vật là 0-10 7Pa. Tính dòng điện ra của cảm bi ến khi áp xu ấ 4.10 6Pa 8/18/2015 NTH-BM KT Đ&THCN 147