›
›

Bài giảng môn Kỹ thuật đo lường - Phần III: Đo các đại lượng không điện - Nguyễn Thanh Hường

pdf 121 trang haiha333 07/01/2022 3340
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Kỹ thuật đo lường - Phần III: Đo các đại lượng không điện - Nguyễn Thanh Hường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_mon_ky_thuat_do_luong_phan_iii_do_cac_dai_luong_kh.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn Kỹ thuật đo lường - Phần III: Đo các đại lượng không điện - Nguyễn Thanh Hường

  1. Bộ môn Kỹ thuật đo & Tin học Công nghiệp Kỹ thuật Đo lường TS. Nguyễn Thanh Hường 2015
  2. Phần III: Đo các đại lượng không điện
  3. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện X Y Ych 1. S¬ ®å khèi ®o CB B§CH TB§ c¸c ®¹i l­îng CB- C¶m biÕn kh«ng ®iÖn B§CH - BiÕn ®æi chuÈn ho¸ TB§- ThiÕt bÞ ®o ®iÖn § §¹i l­îng kh«ng ®iÖn X ®­îc ®­a qua mét c¶m biÕn à Y. Th«ng th­êng Y lµ mét ®¹i l­îng ®iÖn . § §¹i l­îng ®iÖn cã thÓ lµ U, I, f (c¶m biÕn ph¸t ®iÖn), hoÆc th«ng sè R, L, C (c¶m biÕn th«ng sè). § Y ®­îc ®­a vµo bé chuÈn ho¸ biÕn thµnh Ych t­¬ng thÝch víi thiÕt bÞ ®o TB§. § C¶m biÕn cã rÊt nhiÒu lo¹i vµ cÊu t¹o thay ®æi theo tÝnh chÊt vµ kho¶ng ®o cña X vµo § Kho¶ng ®o cña ®¹i l­îng kh«ng ®iÖn trong c«ng nghiÖp th­êng rÊt Kỹ thuật réng, do ®ã c¶m biÕn rÊt lín vÒ sè l­îng còng nh­ chñng lo¹i. Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  4. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện 2. Ph©n lo¹i theo c¸c ®¹i l­îng ®o: § §o nhiÖt ®é lµ ®¹i l­îng cÇn ®o trong hÇu hÕt c¸c ngµnh c«ng nghiÖp ®Æc biÖt lµ trong ngµnh ho¸ vµ luyÖn kim. § §o di chuyÓn, kÝch th­íc h×nh hoc vµ th«ng sè h×nh häc, kho¶ng c¸ch, nãi chung lµ ®o l­êng trong c«ng nghiÖp c¬ khÝ vµ giao th«ng. § §o lùc, ¸p suÊt, øng suÊt lµ c¸c ®¹i l­îng trong chÕ t¹o c¬ khÝ, søc bÒn cña c¸c kÕt cÊu. § §o c¸c th«ng sè chuyÓn ®éng § Ph©n tÝch nång ®é vËt chÊt lµ mét mÆt rÊt lín vµ rÊt quan träng vµ rÊt phøc t¹p trong c«ng nghiÖp vµ nghiªn cøu khoa häc. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  5. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện Sè l­îng thiÕt bÞ ®o c¸c ®¹i l­îng kh«ng ®iÖn lín h¬n rÊt nhiÒu so víi c¸c thiÕt bÞ ®o c¸c ®¹i l­îng ®iÖn, ®ång thêi yªu cÇu kü thuËt l¹i cao h¬n rÊt nhiÒu vµ ®ßi hái nhiÒu nghiªn cøu vµ ¸p dông nh÷ng thµnh qu¶ míi nhÊt cña khoa häc. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  6. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện 3. Giíi thiÖu chung vÒ c¶m biÕn § PhÇn quan träng nhÊt cña thiết bị ®o kh«ng ®iÖn lµ c¸c c¶m biÕn. § C¶m biÕn lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó biÕn ®æi ®¹i l­îng vËt lý cÇn ®o thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. § NÕu gäi ®¹i l­îng vËt lý cÇn ®o lµ m th× tÝn hiÖu ra c¶m biÕn: s=F(m) hoÆc Δs = S.Δm víi S lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn. § Cã hai lo¹i c¶m biÕn: w C¶m biÕn tÝch cùc : c¶m biÕn ph¸t ®iÖn w C¶m biÕn thô ®éng: c¶m biÕn th«ng sè Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  7. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện a. C¶m biÕn thô ®éng § Lµ c¸c lo¹i c¶m biÕn cã trë kh¸ng thay ®æi theo sù thay ®æi cña ®¹i l­îng vËt lý cÇn ®o. § CÊu t¹o bao gåm mét cuén d©y hoÆc 1 phÇn tö cã thÓ biÕn d¹ng ®­îc theo t¸c dông cña ®¹i l­îng vËt lý cÇn ®o. § Mçi mét vÞ trÝ cña cuén d©y t­¬ng øng víi mét gi¸ trÞ trë kh¸ng nhÊt ®Þnh. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  8. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện b. C¶m biÕn tÝch cùc § Lµ c¶m biÕn cã ®iÖn ¸p hay dßng ®iÖn thay ®æi theo ®¹i l­îng vËt lý cÇn ®o. § Ho¹t ®éng dùa trªn c¸c hiÖu øng vËt lý lµm biÕn ®æi n¨ng l­îng cña ®¹i l­îng vËt lý cÇn ®o thµnh n¨ng l­îng ®iÖn. § Mét sè hiÖu øng hay ®­îc sö dông: w HiÖu øng nhiÖt ®iÖn w HiÖu øng ho¶ ®iÖn w HiÖu øng ¸p ®iÖn w HiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ w HiÖu øng quang ®iÖn w HiÖu øng quang ®iÖn tõ w HiÖu øng quang ¸p Kỹ w HiÖu øng Hall thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  9. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện 1. Hiệu ứng cảm ứng điện từ (do nhà vật lý Anh M.Faraday phát hiện năm 1831): Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện sức điện động tỷ lệ với biến thiên từ thông à tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Được sử dụng để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua đo sức điện động cảm ứng. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  10. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện w HiÖu øng ho¶ ®iÖn: Mét sè tinh thÓ gäi lµ tinh thÓ ho¶ ®iÖn cã tÝnh chÊt ph©n cùc ®iÖn tù ph¸t phô thuéc nhiÖt ®é. Trªn c¸c mÆt ®èi diÖn cña chóng xuÊt hiÖn c¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu phô thuéc vµo ®é ph©n cùc ®iÖn. HiÖu øng ho¶ ®iÖn ®­îc øng dông ®Ó ®o th«ng l­îng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng. Khi tinh thÓ ho¶ ®iÖn hÊp thô ¸nh s¸ng, nhiÖt ®é cña chóng t¨ng lªn lµm thay ®æi ph©n cùc ®iÖn lµm xuÊt hiÖn ®iÖn ¸p trªn hai cùc cña tô ®iÖn phô thuéc vµo quang th«ng Φ Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  11. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện w HiÖu øng ¸p ®iÖn: N¨m 1880 nhµ vËt lý Ph¸p Pierre Curie ph¸t hiÖn hiÖu øng ¸p ®iÖn. Khi t¸c ®éng øng suÊt c¬ lªn bÒ mÆt cña vËt liÖu ¸p ®iÖn (th¹ch anh, muèi Segnet ) lµm vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng vµ xuÊt hiÖn c¸c ®iÖn tÝch b»ng nhau vµ tr¸I dÊu. Th«ng qua viÖc ®o ®iÖn ¸p trªn hai b¶n tô ®iÖn cã thÓ ®o ®­îc c¸c ®¹i l­îng c¬ t¸c dông lªn vËt liÖu ¸p ®iÖn nh­ ¸p suÊt, øng suÊt Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  12. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện w HiÖu øng quang ®iÖn: HiÖu øng quang ®iÖn do A. Einstein ph¸t hiÖn n¨m 1905. HiÖu øng quang ®iÖn cã nhiÒu biÓu hiÖn kh¸c nhau nh­ng cïng chung mét b¶n chÊt: ®ã lµ viÖc gi¶I phãng c¸c h¹t dÉn tù do trong vËt liÖu d­íi t¸c dông cña bøc x¹ ¸nh s¸ng. HiÖu øng nµy ®­îc øng dông ®Ó chÕ t¹o c¸c c¶m biÕn quang. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  13. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện w HiÖu øng quang ®iªn tõ: Do Verdet ph¸t hiÖn n¨m 1863. Khi t¸c ®éng mét tõ tr­êng vu«ng gãc víi bøc x¹ ¸nh s¸ng trong vËt liÖu b¸n dÉn ®­îc chiÕu s¸ng sÏ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ theo ph­¬ng vu«ng gãc víi tõ tr­êng B vµ ph­ ¬ng bøc x¹ ¸nh s¸ng. HiÖu øng nµy ®­îc øng dông trong c¸c bé c¶m biÕn ®o c¸c ®¹i l­îng quang hoÆc biÕn ®æi c¸c th«ng tin chøa ®ùng trong ¸nh s¸ng thµnh tÝn hiÖu ®iÖn Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  14. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  15. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện w HiÖu øng Hall: ®­îc sö dông ®Ó ®o c¸c ®¹i l­îng tõ, ®¹i l­îng ®iÖn hoÆc x¸c ®Þnh vÞ trÝ chuyÓn ®éng w . Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  16. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện c. C¸c lo¹i c¶m biÕn hay ®­îc sö dông trong c«ng nghiÖp vµ d©n dông § C¶m biÕn ®o nhiÖt ®é (37,29%*) § C¶m biÕn ®o vÞ trÝ (27,12%*) § C¶m biÕn ®o di chuyÓn (16,27%*) § C¶m biÕn ®o ¸p suÊt (12,88%*) § C¶m biÕn ®o l­u l­îng (1,36%*) § C¶m biÕn ®o møc (1,2%*) § C¶m biÕn ®o lùc (1,2%*) § C¶m biÕn ®o ®é Èm (0,81%*) Kỹ *: XÕp theo sè l­îng c¸c lo¹i c¶m biÕn b¸n ®­îc t¹i Ph¸p n¨m 2002 thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  17. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện d. C¸c lÜnh vùc øng dông § Xe h¬i : (38%*) § S¶n xuÊt c«ng nghiÖp: (20%*) § §iÖn gia dông : (11%*) § V¨n phßng: (9%*) § Y tÕ: (8%*) § An toµn: (6%*) § M«i tr­êng: (4%*) § N«ng nghiÖp: (4%*) Kỹ *: XÕp theo sè l­îng c¸c lo¹i c¶m biÕn b¸n ®­îc t¹i Ph¸p n¨m 2002 thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  18. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện 4. BiÕn ®æi chuÈn ho¸ Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải. Cần phải phối hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu (thiết bịđo) Chuẩn hoá tín hiệu Y Y X CB B§CH ch TB§ CB- C¶m biÕn B§CH - BiÕn ®æi chuÈn ho¸ Kỹ thuật TB§- ThiÕt bÞ ®o ®iÖn Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  19. Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện C¸c d¹ng biÕn ®æi chuÈn ho¸ th­êng gÆp § Hoµ hîp t¶i gi÷a c¶m biÕn vµ m¹ch ®o § CÊp nguån cho c¶m biÕn thô ®«ng § TuyÕn tÝnh ho¸ ®Æc tÝnh phi tuyÕn cña c¶m biÕn § TuyÕn tÝnh ho¸ tÝn hiÖu ra cña m¹nh ®o (VD cÇu Wheastone) § KhuyÕch ®¹i tÝn hiÖu ra cña c¶m biÕn § Läc nhiÔu t¸c ®éng lªn tÝn hiÖu ra cña c¶m biÕn § KhuyÕch ®¹i ®o l­êng ®Ó triÖt tiªu hoÆc lµm gi¶m c¸c nhiÔu t¸c ®éng (®iÖn ¸p ký sinh vµ dßng ®iÖn rß trªn ®­êng truyÒn) Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  20. Chương 9.Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ
  21. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ § 9.1. Lý luận chung § NhiÖt ®é lµ ®¹i l­îng vËt lý ®­îc øng dông nhiÒu nhÊt v× vËy nã ®­îc ®o vµ nghiªn cøu nhiÒu nhÊt ®èi víi c¸c ®¹i l­îng kh«ng ®iÖn : hoÆc lµ th«ng sè ®­îc ®o trùc tiÕp hoÆc lµ c¸c ®¹i l­îng ¶nh h­ëng ®Õn c¸c qu¸ tr×nh kh¸c cÇn ph¶i ®­îc nghiªn cøu. C¸c c¶m biÕn nhiÖt ®é cã mÆt trong hÇu hÕt c¸c hÖ thèng vµ thiÕt bÞ c«ng nghiÖp vµ d©n dông § ChuÈn nhiÖt ®é ban ®Çu th­ êng ®­îc thùc hiÖn t¹i c¸c ®iÓm lµ giao ®iÓm cña c¸c tr¹ng th¸i r¾n, láng, h¬i nh­ 00C (giao ®iÓm gi÷a tr¹ng th¸i láng vµ r¾n), 1000C (giao ®iÓm gi÷a tr¹ng th¸i láng vµ h¬i), 273,160K (giao Kỹ ®iÓm gi÷a 3 tr¹ng th¸i khÝ, láng, thuật r¾n ) Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  22. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ § NhiÖt ®é ®o ®­îc th«ng qua mét c¶m biÕn chÝnh lµ nhiÖt ®é cña c¶m biÕn do ®ã ph¶i ®¶m b¶o nhiÖt ®é cña c¶m biÕn thÓ hiÖn trung thùc (hay chÝnh x¸c) nhiÖt ®é m«i tr­êng hay cña ®¹i l­îng vËt lý cÇn ®o. § C¸c th«ng sè ¶nh h­ëng tíi phÐp ®o : - VËt liÖu chÕ t¹o c¶m biÕn - Thêi gian ®o - ChuÈn mÉu cña phÐp ®o - Ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n Trong c¸c nhµ m¸y nãi chung c¸c thiÕt bÞ ®o nhiÖt ®é gåm: 0 0 • C¶m biÕn nhiÖt ngÉu ®o nhiÖt ®é tõ 600 C → 1600 C 0 0 • C¶m biÕn nhiÖt ®Þªn trë ®o nhiÖt ®é tõ 0 C → 600 C Kỹ • C¶m biÕn hång ngo¹i thuật 0 Đo • Ho¶ quang kÕ ®o nhiÖt ®é trªn 1600 C lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  23. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ §9.2. NhiÖt kÕ nhiÖt ®Þªn trë § NhiÖt ®iÖn trë lµ ®iÖn trë thay ®æi theo sù thay ®æi nhiÖt ®é cña nã: 0 RT = f(t ), ®o RT cã thÓ suy ra nhiÖt ®é. § Phân loại: w NhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i w NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  24. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 1. NhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i § NhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i cã ®Æc ®iÓm lµ quan hÖ gi÷a ®iÖn trë cña nã vµ nhiÖt ®é hÇu nh­ tuyÕn tÝnh, tÝnh lÆp l¹i cña quan hÖ Êy rÊt cao nªn thiÕt bÞ ®¬n gi¶n § NhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i l¹i ®­îc chia ra lµm nhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i quý (Pt) vµ kim lo¹i kh«ng quÝ. §èi víi nhiÖt ®iÖn trë Pt tÝnh lÆp l¹i rÊt cao sai sè ngÉu nhiªn rÊt thÊp (0.01%), cã thÓ dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é thÊp, sai kh¸c 0.010C § NhiÖt ®iÖn trë ®ång vµ Nikel thuéc lo¹i nhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i kh«ng quÝ, gi¸ thµnh rÎ. TÝnh lÆp l¹i kh«ng cao b»ng nhiÖt ®iÖn trë Pt, th­êng dïng vµo nh÷ng tr­êng hîp rÎ tiÒn, kh«ng yªu cÇu chÝnh x¸c cao nh­ng vÉn ®¸p øng víi nh÷ng yªu cÇu kü thuËt Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  25. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ § NhiÖt ®Þªn trë kim lo¹i ®­îc chÕ t¹o thµnh nh÷ng can, ®­îc gäi lµ nhiÖt kÕ ®iÖn trë, phÇn tö nhiÖt ®iÖn trë ®­îc quÊn b»ngd©y Pt , ®ång vv trªn mét lâi vµ ®Æt trong mét èng thÐp kh«ng gØ nèi víi ®Çu nèi d©y . § §iÖn trë kim lo¹i (RTD) theo nhiÖt ®é 2 3 RT =R0(1+ αt + βt + γt ) w Pt: α = 3.940. 10-3 /0C; β = -5.8 10-7/ 0C2 ; w γ ≈ 0 trong kho¶ng 0-6000C; γ = -4 10-12 /0C3 w Cu: tõ -500C ®Õn 2000C: α = 4.27 10-3/0C w Nếu không yêu cầu độ chính xác cao: có thể bỏ qua β vµ γ Kỹ quan hÖ RT vµ t được coi là tuyÕn tÝnh. thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  26. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Kỹ 0 thuật §iÖn trë chuÈn ho¸ R0=100 Ω t¹i 0 C Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  27. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ § §Ó ®o nh÷ng nhiÖt ®é tõ -500C -6000C ng­êi ta th­êng dïng nhiÖt ®iÖn trë PT-100 (Platin 100Ω ë 00C Cu -100 (®ång 100 Ω ë 00C) Ni-100 (Ni 100 Ω ë 00C) Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  28. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Đầu bịt CÊu t¹o Đầu dây Nút đậy bên trong tấm chặn cuối mối hàn Ống cách nhiệt ống bảo vệ Phần tử điện trở Mối hàn Kỹ thuật Cấu tạo bên ngoài Cấu tạo bên trong Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  29. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  30. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ M¹ch ®o: m¹ch cÇu Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  31. Mạch cầu đo nhiệt điện trở Mạch cầu 3 dây: Phương pháp truyền thống để đo chính xác điện trở, là kết hợp điện trở vào mạch cầu Wheatstone (hình bên) Một điện áp kích thích cầu hoạt động và điện áp ra trên cầu tỷ lệ thuận với điện trở của nhiệt điện trở RTD Một vấn đề xảy ra khi chúng tôi đưa thêm điện trở dây vào thì bất kỳ điện trở nào trong dây dẫn đều có thể làm tăng điện trở trong phần tử cần đo. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  32. Mạch cầu đo nhiệt điện trở Để giảm thiểu các lỗi này, cầu bù ba dây đã được đưa ra à có tác dụng loại bỏ lỗi do điện trở dây miễn là điện trở dẫn RL1 và RL3 được bằng nhau. Tuy nhiên, ảnh hưởng của điện trở dây có thể làm giảm dòng chạy qua đầu đo à có thể được loại bỏ bằng cách kích thích mạch cầu từ một nguồn dòng không đổi thay vì dùng nguồn áp à bất kể điện trở dẫn nào, cùng một dòng luôn luôn chạy qua đầu đo. Với phương pháp này, không sai số nào gây ra do điện trở dây. Ngoại lệ cho điều này là khi cảm biến được sử dụng trong khu vực điện áp cao à được kết nối với mạch cầu thông qua Zener Barrier. Ở đây, bất kỳ sự khác nhau nào Kỹ về trở kháng giữa 2 đầu của Zener đều thuật có thể gây ra lỗi cảm biến. Mặc dù lỗi này Đo nhỏ, nhưng có thể lên tới 0,15 ohm hoặc lường xấp xỉ 0,3 ° C. Nguyễn Thanh Hường - 2015
  33. Mạch cầu đo điện trở Một cách khác để đo các phần tử Pt100 là sử dụng phương pháp dòng điện và điện áp 4 dây (xem hình bên dưới). Ở đây, cảm biến được kích thích bởi một dòng điện không đổi và điện áp trên cảm biến được đo bởi bộ khuếch đại có đầu vào trở kháng cao. Nếu nguồn hiện tại là hoàn hảo và trở kháng đầu vào của mạch đo điện áp là vô hạn, thì không có sai số nào xuất hiện bởi các điện trở dẫn ngay cả khi chúng không phối hợp trở kháng àmạch khắc phục dùng VXL Rc chỉ được sử dụng để hạn chế dòng điện chạy và Rs là điện trở tham chiếu ổn định. Sau khi tính toán điện trở, bộ vi xử lý áp dụng các hiệu chỉnh cần thiết và chuyển điện trở thành số đọc nhiệt độ chính xác. Kỹ Ngoài ra, bộ vi xử lý có thể xác định xem các đầu thuật vào RTD đã bị ngắt kết nối và phát hiện các lỗi Đo lường khác như ngắn mạch RTD. Nguyễn Thanh Hường - 2015
  34. Mạch cầu đo điện trở Mạch cầu điện trở - Ứng dụng cho các loại cảm biến thụ động. - Giá trị điện trở của phần tử cảm biến thường từ 100 Ω đến vài trăm kΩ. Ví dụ như bảng bên dưới. - Thường giá trị điện trở thay đổi do tác động của đại lượng đo là rất nhỏ so với giá trị điện trở ban đầu - Thiết kế sao cho dòng qua điện trở đủ nhỏ để không đốt nóng điện trở gây ra lỗi Kỹ thuật Hoang Si Hong-HUST 13 Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  35. Mạch cầu điện trở Mạch cầu đo điện trở - Để tăng độ nhạy người ta dùng cầu 2 nhánh và 4 nhánh như hình vẽ - Trong đó cầu một nhánh ứng dụng chủ yếu cho cảm biến nhiệt điện trở (RTD) - Cầu 2 hoặc 4 nhánhứng dụng chủ yếu cho strain gages - Nếu nguồn cấp cho cầu VB = 10 V, và điện áp ra toàn thang là 10 mV thì độ nhạy cầu là 1 mV/V. Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 14 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  36. Mạch cầu điện trở Mạch cầu đo điện trở - Hình 4.1.1, dùng một phần tử khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại tín hiệu ra của cầu. Trường hợp này cầu khó cân bằng vì điện trở Rf và dòng lệch của khuyếch đại thuật toán. Ngoài ra độ chính xác khuyếch đại và độ phi tuyến không cao. - Sơ đồ hình 4.1.8 sử dụng khuyếch đại dụng cụ đã cải thiện được các nhược điểm của sơ đồ 4.1.1 Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 15 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  37. Sai số của mạch cầu khi điện trở đường dây Mạch cầu đo điện trở - sai số do thayđiện đổi trở dây - Ví dụ hình 4.1.13, phần tử nhạy strain gage có giá trị điện trở chuẩn ban đầu là 350 Ω đã được nối với một nhánh của mạch cầu bằng cáp đôi dây xoắn bằng đồng có độ dài 100 feet = 3047.6 cm = 30.5 m. Điện trở 1 dây khoảng 1.05 Ω/ feet tại 25ºC hay 10.5 Ω cho 100 feet. Do đó điện trở của cáp xoắn là 21 Ω. Ngoài ra hệ số thay đổi nhiệt độ của đồng là 0.385%/ºC. Chúng ta tính toán giá trị điện áp ra và lổi trôi điểm không khi nhiệt độ tăng thêm 10 ºC. ( cầu điện trở có điện áp cấp 10V) Kỹ thuật Hoang Si Hong-HUST 16 Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  38. Sai số của mạch cầu khi điện trở đường dây Mạch cầu đo điện trở - sai số do thayđiện đổitrở dây - Giả sử sự biến đổi toàn thang của điện trở strain gage là khoảng 1% (3.5 Ω), khi đó điện trở của strain gage là 353.5 Ω, và kết quả là giá trị điện áp ra của cầu là +23.45 mV. Lưu ý trường hợp này bao gồm cả 21 Ω cho điện trở bù (RCOMP) để cầu cân bằng. Nếu không có điện trở bù thì điện áp ra lệch không là 145. 63 mV. - Nếu giả sử nhiệt độ của cáp dẫn tăng 10 ºC khi đó điện trở của một dây dẫn đơn sẽ tăng lên là +0.404 Ω (10.5 Ω x 0.00385/ºC x 10 ºC). Kết quả tổng cộng trên cáp xoắn sẽ là +0.808 Ω. Giả sử điện trở strain không đổi, khí đó điện áp lệch không ban đầu do điện trở đường dây thay đổi là +5.44 mV. Và kết quả lệch toàn thang khi strain thay đổi là +28.83 mV (điện áp thực là 23.39 mV). Như vậy với sự tăng nhiệt độ thì lỗi điện áp lệch không là +23% toàn thang (FS)(+5.44 mV) và lổi điện áp ra là -0.26% FS (-0.06 mV = 23.39 mV- 23.45 mV). Lưu ý trong trường hợp này không xét đến lổi thay đổi điện trở của strain do nhiệt độ thay đổi) Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 17 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  39. Giảm sai số của mạch cầu khi điện trở đường Mạch cầu đo điện trở - sai số dodây điệ thayn trở đổi dây - Dùng cầu với 3 dây nối như hình 4.1.14 - Trong trường hợp này loại trừ lổi lệch không - Khi nhiệt độ tăng 10 ºC thì lỗi điện áp ra là -0.02mV (0.08%FS). Kỹ thuật Hoang Si Hong-HUST 18 Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  40. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ Ba trường hợp a. ΔR2<<R0 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  41. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ Trong thực tế vm được tuyến tính hoá nhờ sử dụng một khuếch đại đo lường Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  42. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ b. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  43. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ Trong thực tế dùng mạch 3 dây ΔR & ΔRl<< R0 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  44. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ c. Mạch thường được dùng đặc biệt cho cảm biến quang áp để đo áp suất Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  45. Mạch đo và chống sai số Mạch đo và chống sai số Tại sao là nhiệt điện trở 2, 3 và 4 dây ? Bù điện trở dây khi sử dụng nguồn áp • Bù điện trở dây khi sử dụng nguồn dòng Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 38 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  46. Pt100 Sự khác nhau của các cảm biến PT • Sự khác nhau giữa Pt100 (100 Ω, tại 0oC), 500 và Pt1000 ? • The most common type (PT100) has a resistance of 100 ohms at 0 °C and 138.4 ohms at 100 °C. There are also PT1000 sensors that have a resistance of 1000 ohms at 0 °C and 1385 ohms tại 100°C. • Tại sao Platinum được sử dụng chủ yếu để chế tạo RTD: bởi vì nó có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài tại môi trường có nhiệt độ cao. Hơn nữa Pt là sự lựa chọn tốt hơn so với Cu hoặc Ni bởi vì sự trơ về mặt hoá học của nó và có khả năng chống lại sự ôxi hoá . • Mạch đo có thể dùng nguồn dòng, mạch cầu hoặc time 555 Kỹ thuật Hoang Si Hong-HUST 30 Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  47. Mạch đo kiểu Timer 555Mạch đo kiểu timer 555 • Chu kì T của nhịp xung ở ngỏ ra của time tỷ lệ với sự biến đổi R1 (Rx) Kỹ khi nhiệt độ thay đổi thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015 Hoang Si Hong-HUST 39
  48. Mạch đo dùng nguMạchồn dòng đo dùng nguồn dòng Kỹ thuật Đo lường Hoang Si Hong-HUST 40 Nguyễn Thanh Hường - 2015
  49. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ VD: Hãng Siemens ü Nguån dßng 258mA t¹o ra mét sù biÕn thiªn ®iÖn ¸p trªn ®iÖn trë lµ 100mV/1000C. 0 RT = R0 (1+αt); α = 0.385%/ C ü NÕu RT ®­îc cung cÊp b»ng nguån dßng 258mA th× khi nhiÖt ®é biÕn thiªn 1000C: ΔU = ΔRT.I = 0.385 x 258 =100mV ü §iÖn ¸p r¬i trªn RT ®­îc ®­a vµo khuÕch ®¹i bï ®iÖn ¸p ë 00C vµ biÕn ®æi ¸p thµnh dßng (4-20mA) ®Ó ®­a vµo hÖ thèng thu thËp sè ®o. 1- NhiÖt ®iÖn trë 2- Modul vµo 3- Dßng cung cÊp (h»ng) 4- §iÖn ¸p mét chiÒu khuÕch ®¹i Kỹ 5- Modul ra 6- §iÒu chØnh ®iÖn ¸p thuật M¹ch chuÈn ho¸ Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  50. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 2. NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn § NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn ®­îc chÕ t¹o nh­ nh÷ng linh kiÖn ®Þªn tö, v× vËy gi¸ trÞ cña nã ë t¹i mét nhiÖt ®é x¸c ®Þnh kh«ng chÝnh x¸c. § Quan hÖ gi÷a ®Þªn trë vµ nhiÖt ®é kh«ng tuyÕn tÝnh vµ kh«ng ®ång ®Òu gi÷a c¸c nhiÖt ®iÖn trë víi nhau § Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ A vµ B kh«ng æn ®Þnh B 0 B / T α = − α= (-2.5% +-4%)/ C R T = Ae T 2 § HÖ sè nhiÖt ®é nhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn cã gi¸ trÞ ©m, cã ®é lín gÊp 6-10 lÇn nhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i v× thÕ ®­îc dïng trong c¸c m¹ch khèng chÕ nhiÖt ®é, hoÆc ®o nhiÖt ®é trong ph¹m vi nhá. § Do kÝch th­íc nhá cã ®é nh¹y cao theo nhiÖt ®é, nªn nhiÖt ®iÖn Kỹ trë b¸n dÉn còng ®­îc dïng vµo c¸c TB ®o c«ng suÊt cña sãng ®iÖn thuật Đo tõ tÇn sè siªu cao lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  51. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  52. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 0 Quan hÖ gi÷a RT( t) 1.NhiÖt ®iÖn trë ®ång 2. NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  53. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 4. Mạch đo- phương pháp nguồn dòng R2 R2 U R = U Rt = I.Rt R1 R1 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  54. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ §9.3. Ph­¬ng ph¸p cÆp nhiÖt ngÉu 1. Nguyªn lý : Dùa trªn hiÖn t­îng nhiÖt ®iÖn. NÕu hai d©y dÉn kh¸c nhau nèi víi nhau t¹i hai ®iÓm vµ mét trong hai ®iÓm ®ã ®­îc ®èt nãng th× trong m¹ch sÏ xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn g©y bëi søc ®iÖn ®éng gäi lµ søc ®iÖn ®éng nhiÖt ®iÖn ET = KT (t1 – t2) Trong ®ã: KT - hÖ sè hiÖu øng nhiÖt ®iÖn t1 - nhiÖt ®é ®Çu nãng t2 t2 - nhiÖt ®é ®Çu tù do a b Kỹ thuật Đo lường t1 t1 Nguyễn Thanh Hường - 2015
  55. Cảm biến cặp nhiệt điện Cặp nhiệt ngẫu Nguyên lý: - Hiệu ứng thomson: với vật liệu đồng nhất A, trên nó có hai điểm phân biệt khác nhau là M và N có nhiệt độ tương ứng là t1 và t2, thì giữa chúng sẻ xuất hiện một suất điện động emn = tích phân (từ t1->t2) của δdt, trong đó δ là hệ số vât liệu thomson cho trước M A N (t1) (t2) - Hiệu ứng Peltier: hai vật liệu Avà B khác nhau tiếp xúc với nhau tại một điểm nào đó thì xuất hiện một suất điện động eAB(t) A t B Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 9 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  56. CảmCảm biếnbiến cặpcặp nhiệtnhiệt đđiệniện Cặp nhiệt ngẫu Nguyên lý: Nguyên lý: Hiệu ứng seebeck: kết hợp hai hiệu ứngứng nóinói trêntrên >> xuấtxuất hiệnhiện suấtsuấtđđiệniệnđộngđộng nhiệt điện eT(t) = tích phân từ t1 đến t2 của (δA – δB) dt + eKM(t)– eJN(t) nhiệt điện eT(t) = tích phân từ t1 đến t2 của (δA – δB) dt + eKM(t)– eJN(t) - Trong đó δA , δB là hệ số vật liệu thomson của hai vật liệu A, B tương ứng. - Trong đó δA , δB là hệ số vật liệu thomson của hai vật liệu A, B tương ứng. t1 < t2 là nhiệt độ tương ứng tại hai đđiểmiểm kháckhác nhaunhau o Nếu giữ nhiệt độ một đầu không đổiđổi bằngbằng khôngkhông độđộ CC ((00oC)C)(nhiệt(nhiệtđộđộđầuđầutựtự do) thì xuất hiện suất điện động rara mộtmột chiềuchiều ởở đầuđầu còncòn lạilại ((đầuđầu làmlàm việc,việc, t nhiệt độ t) tỉ lệ với nhiệt độ : ET (t) = f(t) t1 nhiệt độ t) tỉ lệ với nhiệt độ : ET (t) = f(t) 1 MM KK NN JJ Hoang Si Hong-HUST 10 Kỹ Hoang Si Hong-HUST t 10 thuật t22 Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  57. Cặp nhiệt ngẫu Vật liệu chế tạo Vật liệu chế tạo Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015 Hoang Si Hong-HUST 11
  58. Cặp nhiệt ngẫu Cấu tạo Cấu tạo Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015 Hoang Si Hong-HUST 13
  59. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Vỏ chống nước cho đầu bên trong 2. Cấu tạo Nắp Có nhiều hình dáng khác nhau Khối bên trong đầu va chạm Mối hàn Ống bảo vệ Phần cách ly Kỹ Phần tử thuật cặp nhiệt Đo lường Giao Nguyễn Thanh Hường - 2015 điểm
  60. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Ký hiÖu Ký hiÖu hinh VËt liÖu cÊu thµnh D¹c ®iÓm cÇn l­u t©m C¸c kiÓuthøc cÆp nhiÖt ngÉu B - Patin Rhodium 30- D©y d­¬ng nh­ lµ hîp kim 70%Pt, 30% Rh. Platin.Rhomdium 6 D©y ©m lµ hîp kim 94%Pt, 6% Rh. Lo¹i B bÒn h¬n lo¹i R, giai ®o nhiÖt ®é ®Õn 18000C, con c¸c ®Æc tÝnh kh¸c th× nh­ lo¹i R R - PtRh 13 - Pt D©y d­¬ng lµ lo¹i hîp kim 87% Pt, 13% Rh. D©y ©m lµ Pt nguyªn chÊt. CÆp nµy rÊt chÝnh x¸c, bÒn víi nhiÖt vµ æn ®Þnh. Kh«ng nªn dïng ë nh÷ng m«i tr­êng cã h¬i kim lo¹i S - PtRh10-Pt D©y d­¬ng lµ hîp kim 90% Pt, 10%Rh. D©y ©m lµ Pt nguyªn chÊt. C¸c ®Æc tÝnh kh¸c nh­ lo¹i R K CA Cromel-Alumel D©y d­¬ng lµ hîp kim gåm chñ yÕu lµ Nivµ Cr. D©y ©m lµ hîp kim chñ yÕu lµ Ni. Dïng réng r·i trong C«ng nghiÖp, bÒn víi m«i tr­êng oxy ho¸. Kh«ng ®­îc dïng ë m«i tr­êng cã CO, SO2 hay khÝ S cã H EK ỹ CRC Cromel- Constantan D©y d­¬ng n­ ®èivíi lo¹i K. D©y ©m nh­ lo¹i J. thu ật Cã søc ®Þªn ®éng nhiÖt ®iÖn cao vµ th­êng Đo dïng ë m«i tr­êng acid lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  61. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Đặc tính 3. C¸c kiÓu cÆp nhiÖt ngÉu Kỹ 16 thuậtHoang Si Hong-HUST Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  62. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ 5. Phương pháp đo - Sức điện động cảm biến nhỏ - Ảnh hưởng nhiệt độ đầu tự do à bù sai số nhiệt độ Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  63. Các nguyên nhân gây sai số Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi. Khi khắc độ, đầu tự do được đặt ở môi trường không độ C, nhưng trong thực tế nhiệt độ đầu tự do khác không độ C - Sai số do sự thay đổi điện trở đường dây, cặp nhiệt hoặc chỉ thị - Sai số do đặt không đúng vị trí, hướng hoặc diện tích tiếp xúc quá bé. Thông thường người ta đưa chiều sâu của cặp nhiệt vào môi trường cần đo khoảng từ5-10 lần so với đường kính dây của cặp nhiệt. - Hai dây cặp nhiệt bị ẩm có thể gây ra sai số tới 20% và điện áp ra tăng gấp 10 lần. Nếu dây dẫn không có vỏ bọc chống nhiễu và đặt cảm biến ở trong điện trường của đường dây cao thế (1-5 kV) thì nó sẻ chịu ảnh hưởng của nhiễu điện dung và sai số lên đến vài %. Chạm mát vào nguồn 220 VAC sai số có thể lên đến 10%. - Can nhiệt bị đứt mối hàn cũng gây ra sai số. - Chọn dây bù sai cũng có thể gây sai số - ứng dụng: đo nhiệt độ, đo dòng ở tần số cao, hướng chuyển động, lưu tốc, áp suất nhỏ Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  64. Mạch đo Mạch đo Mạch đo MạchMạch đđoo Mạch bù đầu tự do Kỹ Hoang Si Hong-HUST 18 thuật Hoang Si Hong-HUST 18 Đo lường HoangHoang Si Si Hong Hong HUSTHUST Nguyễn Thanh1818 Hường - 2015
  65. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ Bù nhiệt độ đầu tự do Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  66. Chương V. Cảm biến đo nhiệt độ M¹ch bï nhiÖt ®é ®Çu tù do RT ®­îc thùc hiÖn b»ng 1 R1 m¹ch cÇu 4 nh¸nh cã mét Eb nhiÖt ®iÖn trë, ho¹t ®éng cña nã nh­ sau: tại 00C 4 R nh¸nh cña cÇu c©n b»ng R4 3 à®iÖn ¸p ë ®­êng chÐo t1 cÇu ΔU=0, khi nhiÖt ®é ë mV trªn ®Çu hép nèi d©y tøc lµ t1 nhiÖt ®é ®Çu tù do thay ®æi ET ΔU≠0 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  67. Chương 1. Thiết bị đo và đánh giá thiết bị đo §iÖn ¸p ra trªn ®­êng chÐo cÇu ®­îc tÝnh: RT R1 E E ΔR b Ura = b ⋅ T 4 RT R4 R3 RT phô thuéc nhiÖt ®é t ΔRT o 2 → = f(T ) = α ⋅ t2 mV RT t E 1 ET Ura = b ⋅αT = Kt ∈ E 4 2 2 b ET = kTt1 – kTt2 + Ura ChØnh Eb ®Ó K = kT → ET = kTt1 – kTt2 +kTt2 = kTt1 Kỹ thuật ET = kTt1 Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  68. Mạch đo Mạch đo vi sai Mạch đo Hoang Si Hong-HUST 19 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015 Hoang Si Hong-HUST 19
  69. Mạch đo vi sai Mạch đo Kỹ thuật Đo lường Hoang Si Hong-HUST 20 Nguyễn Thanh Hường - 2015
  70. Bù nhiệt độ bằng dây bù Bù nhiệt độ đầu tự do Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015 Hoang Si Hong-HUST 21
  71. Bù nhiệt độ đầu tự do Bù bằng cầu bù Bù nhiệt độ đầu tự do Hoang Si Hong-HUST 22 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015 Hoang Si Hong-HUST 22
  72. Ảnh hưởng cẢnhủa đ ihệưởngn trở mcủaạch đ iệnđo trở mạch đo Kỹ thuật Đo lường Hoang Si Hong-HUST 23 Nguyễn Thanh Hường - 2015
  73. Ảnh hưởng của điện trở mạch đo Ảnh hưởng của điện trở mạch đo Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 24 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  74. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Bé cÆp nhiÖt ngÉu cña SIEMENS IA vµ UH - TÝn hiÖu ra mét chiÒu vµ nguån cung cÊp. 1- CÆp nhiÖt ngÉu 4- nguån dßng h»ng 2- §Çu vµo cña m¹ch cÇu 6- Modul ra 3- §Çu l¹nh cña cÆp nhiÖt 7- ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p Kỹ thuật 5- §iÖn ¸p mét chiÒu khuÕch ®¹i Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  75. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ §9.4. Ho¶ quang kÕ § §o nhiÖt ®é kh«ng tiÕp xóc d¶i nhiÖt ®é cao > 16000C § MËt ®é phæ n¨ng l­îng ph¸t x¹ theo b­íc sãng cña vËt ®en lý t­ ëng khi bÞ ®èt nãng −5 1 Eλ = C1λ eC2 / λT −1 λ - b­íc sãng; T - nhiÖt ®é tuyÖt ®èi ; C1= 37,03 .10-17 Jm2/sc ; C2= 1,432. 10-2 m0C § 3 ph­¬ng ph¸p: w Ho¶ quang kÕ bøc x¹ Kỹ w Ho¶ quang kÕ c­êng ®é s¸ng thuật w Ho¶ quang kÕ mÇu s¾c Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  76. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 1. Ho¶ quang kÕ bøc x¹ a) b) a) CÊu t¹o cña ho¶ quang- kÕ bøc x¹ b) CÆp nhiÖt h×nh rÎ qu ¹t cromel- copel 1. Th©n dông cô 2 VÝt chØnh vËt kÝnh 3 VËt kÝnh 4 R·nh ®Æt cÆp nhiÖt thu 5 Th©n cÆp nhiÖt 6 Toa nhiÖt ®Çu tù do 7 ®Çu ra cña bé thu 8 Gi¸ ®ì vËt kÝnh 9 vËt kÝnh Kỹ 10 läc ¸nh s¸ng 11 ®Çu d©y c¸p ra 12 èng dÉn c¸p ra thuật 13 Tai ®Ó g¸ thiÕt bÞ 14 chØnh tiªu ®iÓm Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  77. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ −5 1 Eλ = C1λ eC2 / λT −1 Lấy tích phân theo λ có năng lượng toàn phần của vật đen đốt nóng trong đơn vị thời gian: σ = 4,96.10−2 J / m20C4 4 ET=KTσT KT<1 Năng lượng này được toả ra thành sóng điện từ (ánh sáng). Sóng điện từ này được tập trung vào những cảm biến thu năng lượng kiểu nhiệt ngẫu hay nhiệt điện trở. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  78. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Cấu tạo hoả quang kế có một ống ngắm gồm vật kính 3 để tập trung ánh sáng vào một bộ thu bằng pin nhiệt điện bố trí hình rẻ quạt Bộ pin này được bố trí ở tiêu cự của vật kính. Thị kính 9 dùng để ngắm và điều chỉnh cho tiêu cự vật kính ở chính ngay tâm của bộ pin Đầu mối hàn nóng được đặt ở tâm bộ pin, đầu lạnh nối với đĩa toả nhiệt Tuỳ theo năng lượng bức xạ ET mà năng lượng tập trung ở tiêu cự cao hay thấp sinh ra sức điện động eT của cặp nhiệt điện Đo eT suy ra được ET và nhiệt độ của đối tượng Kỹ 0 thuật Dải đo: 700 – 2500 C Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  79. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 2. §o nhiÖt ®é b»ng ph­¬ng ph¸p quang häc: hång ngo¹i IR § N¨ng l­îng bøc x¹: 4 w ET=KT.Ebx=KTσT w Dïng ®ièt hång ngo¹i ®Ó thu n¨ng l­îng nµy § ĐÆt mét ®ièt lazer ph¸t ra mét chïm tia hÑp song song víi víi trôc cña ho¶ quang kÕ. Vßng trßn s¸ng cña Lazer chØnh vµo vïng ®o nhiÖt ®é Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  80. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ Ví dụ: Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  81. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 3. Ho¶ quang kÕ màu s¾c Đặc tính phổ của vật đốt nóng (nhiệt độ thấp đối tượng phát ra ánh sáng đỏ, nhiệt độ cao phát ra ánh sáng xanh đến tím) A- đối tượng đo nhiệt độ; 1- vật kính; 2- đĩa lọc xanh đỏ; 3 - môtơ đồng bộ; 4- tế bào quang a) điện; 5- khuếch b) đại; 6- Tự động chỉnh hệ số a) ®Æc tÝnh phæ cñ vËt ®èt nãng b) s¬ ®å khèi cña ho¶ quang kÕ mµu s¾c khuếch đại; 7- lọc; 8- khoá đổi nối; 9- logomet Kỹ chia đỏ xanh thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  82. Chương IX. Phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ 4. Ho¶ quang kÕ c­êng ®é s¸ng 1. §Ìn sîi ®èt 1 2 2. VËt kÝnh, chØnh vËt kÝnh 3. èng tr­ît vµ vËt kÝnh 4. ChiÕt ¸p chØnh dßng ®iÖn ®èt ®Ìn 5 4 3 5. ThÊu kÝnh a) NhiÖt ®é d©y ®Ìn b»ng nhiÖt ®é ®èi t­îng a) b) c) b) NhiÖt ®é d©y ®Ìn cao h¬n nhiÖt ®é ®èi t­îng c) NhiÖt ®é d©y ®Ìn thÊp h¬n nhiÖt Kỹ ®é ®èi t­îng thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  83. IC LM35 hoặc LM335 Một số IC đo nhiệt độ Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 45 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  84. Một số IC đo nhiệt độ AD590 (Tham khảo: bai giang N.N. Tan và Ng.V.Ky) AD 590 Kỹ thuật Đo Hoang Si Hong-HUST 46 lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  85. Cảm biến đo lực – Phần tử lực căng qPh ần tử lực căng là một thiết bị đo cơ điện qM ột phần tử lực căng là một cảm biến lực dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành một tín hiệu điện qPh ần tử lực căng có thể dùng để đo lực, áp suất hoặc mô men qPh ần tử lực căng có thể đo lực với khoảng đo rộng, từ 25 g đến khoảng 1000 tấn Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201585
  86. Phân loại và ứng dụng q Kiểu cơ khí n Kiểu thuỷ lực n Kiểu khí nén q Kiểu điện n Kiểu điện trở (cảm biến điện trở lực căng – strain gauge) n Kiểu điện dung n Kiểu điện cảm (Linear Variable Differential Transformer) q Trong các loại cảm biến lực căng, loại dùng phổ Kỹ thuật biến nhất là strain gauge Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201586
  87. Kiểu cơ khí q Cảm biến kiểu thuỷ lực là các thiết bị cân bằng lực dùng để đo trọng lượng khi áp suất bên trong phần chất lỏng điền đầy một buồng chứa. Nó rất lý tưởng để sử dụng trong các khu vực độc hại vì không cần có các thành phần điện. q Buồng chưa được đổ đầy một loại dầu có áp suất đã biết. Lực được đặt vào phần trên của buồng chứa và dùng cảm biến áo suất và hiển thị trên một thang quay áp suất gọi là ống Bourdon. q Độ lệch lớn nhất của phần tử cảm biến là 0,05 mm, thường được dùng để đo lực có cường độ từ 500N đến 200kN q Có thể ứng dụng để đo cả lực nén và lực kéo với sai số không vượt quá 0,25% q Thiết bị cần được hiệu chuẩn theo nhiệt độ vì cảm biến rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201587
  88. Kiểu cơ khí q Cảm biến kiểu khí nén cũng hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng lực. Thiết bị này sẽ dùng một buồng giảm chấn nhằm tạo được độ chính xác tốt hơn sơ với kiểu thuỷ lực. q Ứng dụng cảm biến dùng để đo các khối lượng tương đối nhỏ trong công nghiệp nơi mà độ sạch và an toàn được ưu tiên. q Buồng khí nén được đóng bởi một cái nắp. Áp suất khí sẽ được tăng lên cho đến khi nó làm cái nắp căng lên (áp suất bên trong = áp lực của nắp) q Nếu áp suất được tăng hơn nữa thì sẽ làm bung nắp và quá trình sẽ tiếp tục đến khi thanh bảo vệ đạt độ căng tối đa. Lúc này, phần mạch đo được kích hoạt để xử lý tín hiệu hiển thị ra màn hình. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201588
  89. Kiểu điện Strain Gauge – cảm biến điện trở lực căng n Strain gauge là một thiết bị dùng để đo lực căng của vật thể và chuyển đổi lực đó thành tín hiệu điện n Do tải áp vào vật thể, lực căngg sẽ làm thay đổi điện trở theo mối quan hệ tỉ lệ n Độ chính xác cảm biến lên đến 0,03% Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201589
  90. Kiểu điện n Nguyên lý hoạt động n Dựa trên công thức tính điện trở R = ρ x L / A trong đó R: điện trở của vật thể ρ: điện trở suất L: chiều dài A: tiết diện n Từ công thức trên, chúng ta suy ra điện trở tỉ lệ thuận với chiều dài Kỹ thuật R ∞ L Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201590
  91. Kiểu điện Thuật ngữ đầu tiên: dưới sức, dây thay đổi kích thước, và do đó điện trở thay đổi (đối với kim loại) Thuật ngữ thứ hai: thay đổi điện trở suất do sự thay đổi mạng tinh thể của vật liệu bị biến dạng (đối với chất bán dẫn) Material Resistivity Conductor 10-8 to 10-6 Semiconductor 1 to 104 Insulator 106 to 1018 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201591
  92. Kiểu điện Hệ số sức căng (Gauge Factor – GF) • Nếu sức căng thay đổi 1 lượng ΔL/L thì điện trở sẽ tăng 1 lượng ΔR/R • Hệ số này được định nghĩa là: Fg= (ΔR/R)/(ΔL/L) • Độ đo sức căng = (ΔR/R)/Hệ số sức căng Material Gauge factor Conventional foil gauge 1.5 to 3.5 Constantan strain gauge 1.9 to 2.1 Ni-Cr or Pt-Ir Up to 3.5 Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201592
  93. Kiểu điện Điện trở lực căng n Nếu lực căng là lực kéo à Điện trở tăng n Nếu lực căng là lực nén à Điện trở giảm Cảm biến dạng lá kim loại Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201593
  94. Kiểu điện Mạch đo: Cầu Wheatstone u Cầu Wheatstone hay còn gọi là cầu điện trở được Charles Wheatstone phát triển, dùng để đo giá trị của một điện trở chưa biết. Nó có ý nghĩa quan trọng trong các thiết bị đo lường như Vôn kế, Ampe kế, các loại cảm biến. u Ngày nay, mặc dù đồng hồ vạn năng cho phép đo điện trở thuận tiện và đơn giản nhưng cầu Wheatstone vẫn được sử dụng để đo điện trở có giá trị rất thấp (cỡ mili Ohm). u Ngoài ra, cầu Wheatstone có thể được dùng như một mạch ghép nối giữa cảm biến (sensor) và mạch khuếch đại thuật toán. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201594
  95. Kiểu điện Mạch đo: Cầu Wheatstone Mạch cầu Wheatstone gồm 2 cặp điện trở mắc nối tiếp được ghép song song với nhau. Một điện áp cung cấp cho mạch cầu tại đầu vào AB, điện áp ra CD. Khi mạch cầu cân bằng thì điện áp ra ở 2 đầu CD bằng 0. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201595
  96. Kiểu điện Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201596
  97. Kiểu điện Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 201597
  98. Kiểu điện Ví dụ: Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  99. Kiểu điện Ví dụ: Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  100. Kiểu điện Mạch đo Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015100
  101. Kiểu điện Mạch đo • Lực tác động gây ra sự thay đổi điện trở nhỏ trong cảm biến điện trở lực căng đo bằng sự thay đổi trong điện áp đầu ra qua nhánh mạch cầu • Điện áp đầu ra từ mạch cầu có giá trị chỉ khoảng vài mV và yêu cầu cần phải có bộ khuếch đại đo lường Kỹ thuật • Mạch này có độ nhiễu thấp Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015101
  102. Kiểu điện Các loại điện trở lực căng Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015102
  103. Kiểu điện Các thông số của các bộ điện trở lực căng Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015103
  104. Kiểu cơ khí Các thông số của các bộ điện trở lực căng loại cơ khí Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015104
  105. Kiểu điện Điện trở kiểu LVDT Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015105
  106. Kiểu điện Loại điện trở kiểu bẻ cong tia sáng Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015106
  107. Kiểu điện Kiểu điện trở chia tia sáng Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015107
  108. Kiểu điện Mạch đo Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015108
  109. Kiểu điện Mạch giao diện n Cầu Wheatstone là một mạch điện phù hợp với việc đo điện trở nhỏ, chính vì thế nó được sử dụng để đo điện trở trong cảm biến điện trở lực căng n Cầu được sắp đặt bằng cách kết hợp 4 điện trở trên 4 nhánh n Ban đầu R1=R2=R3=R4, điện áp đầu ra: e=0 n Khi 1 nhánh của mạch cầu được thay bằng cảm biến điện trở lực căng Khi lực tác động thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi, vì thế điện áp đầu ra có thể được tính theo điện trở lực căng như sau: Từ công thức trên, lực căng được xác định theo công thức sau: Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015109
  110. Kiểu điện Mạch giao diện n Mạch cầu 4 nhánh n Để tăng độ nhạy của cảm biến, tất cả 4 điện trở được thay bằng các cảm biến điện trở lực căng. n Khi đó, mỗi điện trở đều thay đổi một lượng thành R1 + ΔR1, R2 + ΔR2, R3 + ΔR3 and R4 + ΔR4, và điện áp đầu ra, e, là Trong đó K là hệ số điện trở GF Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015110
  111. Kiểu điện Mạch giao diện u Cầu 2 dây u Để tăng độ nhạy cầu, 2 cảm biến điện trở lực căng được nối với cầu kiểu nối này được gọi là nửa cầu và điện áp và lực căng đầu ra được tính: khi cảm biến lực căng được nối với các nhánh cạnh nhau Và được tính: khi cảm biến lực căng được nối với các nhánh đối nhau. Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015111
  112. Kiểu điện Mạch giao diện n Trong thực tế, do khoảng cách giữa cảm biến và mạch đo rất lớn nên dây nối sẽ đóng góp một điện trở đáng kể cho điện trở tương đương của mạch. n Để minh hoạ do hiệu ứng gây ra do điện trở dây, 2 điện trở Rwire1 và Rwire2 sẽ được bổ sung vào trong mạch (Hình bên trái) n Chính vì thế, cần phải có mạch bù để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở dây (Hình bên phải) Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015112
  113. Kiểu điện Mạch giao diện n Điện trở dây u Điện trở cảm biến lực căng (Rgauge) không chỉ là bao gồm điện trở đo: « Các điện trở dây Rwire1 và Rwire2, mắc nối tiếp với Rgauge, cũng đóng góp vào điện trở của nhánh thấp của nhánh cảm biến và do đó có ảnh hưởng đến số chỉ của Vôn kế. « Sơ đồ này sẽ hướng đến loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng điện trở dây và tối thiểu hoá sự bổ sung của dây thứ ba, kết nối với nhánh bên phải của Vôn kế còn nhánh bên trái sẽ nối với đầu ra của cảm biến Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015113
  114. Kiểu điện Mạch giao diện n Dây nối và dây điện trở cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ n Mạch cầu 3 dây (tính đến ảnh hưởng của điện trở dây) Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015114
  115. Kiểu điện Ví dụ mạch đo cầu Wheatstone q Một điện áp 9V (Ei) được đặt vào cầu Wheatstone để đo giá trị của cảm biến điện trở thay đổi được, R1. Cầu cân bằng khi R1 = R2 = R3 = R4 = 118Ω. Điện trở R1 thay đổi làm cho điện áp đầu ra thay đổi 1 lượng 0,041V. Hãy tính lượng điện trở R1 thay đổi (tính theo đơn vị Ω, độ chính xác 2 chữ số sau dấu phẩy) Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015115
  116. Kiểu điện Ví dụ mạch đo cầu Wheatstone Độ nhạy cầu Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015116
  117. Kiểu điện VD1: Một cảm biến điện trở lực căng có 2 nhánh điện trở được nối với cầu Wheatstone từ xa với nguồn cấp 10V (như trên Figure 1). Cả 2 điện trở đều có hệ số lực căng (Gauge Factor = GF = 2,2) và điện trở là 120Ω. Hai điện trở không đổi cũng có điện trở là 120Ω. Phần tử điện trở lực căng được kết nối theo 2 cặp với chiều dài dây nối là 40m, điện trở dây nối là 0,025Ω/m. Giả sử nhiệt độ không thay đổi, hãy tính đầu ra của mạch cầu: a) Tính điện áp đầu ra cầu (theo mV) nếu chưa có lực căng nào đặt vào b) Nếu cảm biến lực căng chịu một lực nén như hình dưới đây. Cảm biến theo chiều ngang R1 chịu độ nén ngang 8,8 µstrain. Giả sử tỷ số Poisson cho phần tử cảm biến ν = 0,22. Tính điện áp đầu ra (bằng mV). Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015117
  118. Kiểu điện R V R' V R R' − R R' VD1: a)V = 1 S − 3 S = 1 4 2 3 V out R + R R' + R' R + R R' + R' S 1 2 3 4 ( 1 2 )( 3 4 ) R = R = R = R =120Ω 1 2 3 4 R' = R' = R + 2 × 40 × 0, 025 =122Ω 3 4 3 ⇒ V = 0V out b) Tỷ số Poisson = - độ thay đổi theo chiều ngang ngang/độ thay đổi theo chiều dọc = -Δngang/Δdọc (do hướng thay đổi ngang ngược chiều so với sự thay đổi chiều dọc) = ΔR1/ΔR2 = 0,22 è tuy nhiên ở đây cũng không cần dùng đến thông số này. Điện áp đầu ra có thể tính theo công thức: Vout/VS = (GF x ε)/2 trong đó: GF = Gauge Factor = 2,2; ε = 8.8µstrain Kỹ -6 -6 thuật Vout = (2,2 x 8,8 x 10 ) x VS = 193.6 x 10 V = 0,2 mV Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015
  119. Kiểu điện Tín hiệu đầu ra thường được khuếch đại bằng khuếch đại đo lường VD một sơ đồ mạch của cảm biến lực căng: nThông số cơ bản: Độ lệch toàn thang 45 kg à Vout max= 45 x 0.6 = 27 mV nĐộ nhạy: 2,25 mV/V ; Điện áp kích thích: 9V hoặc 12V nĐ iện trở đầu vào 409 Ω, Điện trở đầu ra 350 Ω Mass equation Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015119
  120. Kiểu điện Tính toán hệ số khuếch đại (Av = G) của bộ khuếch đại đo lường như trên Figure 2 theo công thức tính hệ số khuếch đại từ tài liệu của IC khuếch đại INA125 (trên Figure 3) và tính giá trị Rg từ hình này Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015120
  121. Câu hỏi cho chương này - Nguyên lý? - Ứng dụng? - Bù sai số? - Tính toán thiết kế mạch đo? Kỹ thuật Đo lường Nguyễn Thanh Hường - 2015