Ch 5: Cơ cấu cảm biến
• Những thiết bị mà cung cấp thông tin cho bộ điều khiển về những gì đang thực sự xảy ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer).
• Hầu hết các cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất …) thành tín hiệu điện.
5-1 C.B. Pham
Giới thiệu
5-2 C.B. Pham
1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
• Biến trở (potentiometer)
5-3 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Thí dụ: một biến trở được cấp nguồn 10 Vdc, và được đặt ở vị trí 82o. Dãy tối đa của biến trở là 350o. Xác định giá trị điện áp ra của biến trở.
Giải
5-4 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Độ phân giải
Nếu biến trở có dạng dây quấn với N vòng, thì độ phân giải của biến trở là buớc điện áp giữa 2 vòng liền kề và được xác định là:
5-5 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Sai số: Sai số phụ tải (loading error) xảy ra khi con trượt của biến trở được nối với tải có trở kháng lớn không đáng kể so với giá trị của biến trở.
với
5-6 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Thí dụ: một biến trở 10 k có cấu tạo 1000 vòng. Xác định độ phân giải của biến trở và sai số phụ tải khi điện trở tải là 10 k và con trượt nằm ở vị trí điểm giữa của biến trở.
Giải
5-7 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
• Biến thế vi sai tuyến tính - LVDT
LVDT (Linear Variable Differential Transformer) là bộ cảm biến vị trí có độ phân giải lớn dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Ngõ ra của LVDT có dạng điện áp xoay chiều – biên độ của nó tỉ lệ tuyến tính với lượng dịch chuyển. Thành phần chính: cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp, và lõi từ.
5-8 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Với tín hiệu ra là điện áp xoay chiều:
• Biên độ của nó phụ thuộc vào lượng dịch chuyển (so với vị trí điểm giữa)
• Góc pha của nó phụ thuộc vào chiều dịch chuyển – dịch chuyển sang phải tạo ra góc pha 0o, dịch chuyển sang trái tạo ra góc pha 180o.
5-9 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
5-10 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
• Bộ mã hóa quang học (optical encoder)
Bộ mã hóa quang học là bộ cảm biến vị trí góc có tín hiệu ra ở dạng số. Thành phần chính: nguồn sáng, đĩa vạch, và tế bào quang học.
Dạng tín hiệu của tế bào quang
Bộ mã hóa được phân thành 2 loại: tương đối (incremental encoder) và tuyệt đối (absolute encoder).
5-11 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Bộ mã hóa tuyệt đối Bộ mã hóa tuyệt đối có tín hiệu ra là một con số nhị phân - xác định vị trí của đĩa vạch một cách duy nhất.
với N là số rãnh trên đĩa vạch (cũng là số bit của con số nhị phân)
5-12 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Giải:
Thí dụ: một bộ mã hóa tuyệt đối được sử dụng để xác định vị trí góc của một trục xoay với yêu cầu độ phân giải ít nhất là 1o. Xác định số bit cần thiết để đáp ứng yêu cầu này.
Vấn đề đối với bảng mã nhị phân tự nhiên là có nhiều bit thay đổi trạng thái đồng thời.
5-13 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Đối với bảng mã Gray, chỉ có 1 bit thay đổi trạng thái khi chuyển từ một giá trị đến giá trị kế tiếp.
Decimal
Binary code
Gray code
0
0 0 0
0 0 0
1
0 0 1
0 0 1
2
0 1 0
0 1 1
3
0 1 1
0 1 0
4
1 0 0
1 1 0
5
1 0 1
1 1 1
6
1 1 0
1 0 1
7
1 1 1
1 0 0
Đĩa vạch dùng bảng mã Gray
5-14 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Bộ mã hóa tương đối
Cấu tạo: một vòng rãnh, với các vạch được phân bố đều nhau.
Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 360 vạch. Bắt đầu ở vị trí tham chiếu (home), bộ tế bào quang học đếm được 100 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW), 30 vạch ngược chiều kim đồng hồ (CCW), rồi 45 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW). Xác định vị trí hiện tại của đĩa vạch.
Giải: mỗi vạch tương ứng với 1o. Do đó vị trí hiện tại là: 100o (CW) - 30o (CCW) + 45o (CW) = 115o (CW).
5-15 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 180 vạch được dùng để đo lượng di động của một thanh răng thông qua cơ cấu thanh răng – bánh răng. Bánh răng có đường kính trung bình d = 5.91 cm. Xác định độ phân giải (lượng dịch chuyển / xung) và lượng dịch chuyển đo được khi tổng số xung nhận được là N = 700.
Giải:
Bộ mã hóa tương đối cần có 3 bộ (nguồn sáng – tế bào quang học) để xác định vị trí tuyệt đối của đĩa vạch.
5-16 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Với tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A (V1) và pha B (V2) : • Số vòng quay là số xung đếm được trên một pha. • Chiều quay được xác định từ sự lệch pha giữa pha A và pha B.
5-17 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Thí dụ: một hệ thống cảm biến (như hình trên) sử dụng đĩa có 250 vạch. Giá trị hiện tại của bộ đếm là 00100110. Xác định giá trị góc của trục được đo.
Giải: ta có
5-18 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Mạch giải mã
5-19 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Độ phân giải của bộ mã hóa có thể tăng 2 lần, 4 lần
Giao tiếp bộ mã hóa với máy tính
5-20 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
• Cảm biến tiếp cận (proximity sensor)
Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến ON/OFF dùng để nhận biết sự hiện diện của đối tượng.
• Cảm biến tiếp xúc • Cảm biến không tiếp xúc
Cảm biến tiếp cận điện cảm: cảm nhận những đối tượng kim loại Cảm biến tiếp cận điện dung: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim Cảm biến điện quang: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim
• Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall
5-21 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Công tắc hành trình (limit switch)
– Thiết bị cơ có sự mài mòn tuổi thọ làm việc ngắn.
– Cần tạo ra một lực để tác động lên công tắc hành trình
5-22 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor)
Dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim loại. Thành phần chính: cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, và công tắc bán dẫn.
Nguyên lý hoạt động: mạch dao động tạo ra một vùng từ trường ở phía trước cảm biến. Khi có đối tượng bằng kim loại bước vào vùng từ trường, biên độ vùng từ trường suy giảm do sự thất thoát năng lượng (chuyển sang đối tượng). Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc.
5-23 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Phạm vi cảm biến là khoảng cách tính từ bề mặt cảm biến mà đối tượng chuẩn được nhận biết trong phạm vi đó. Phạm vi cảm biến và độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của đối tượng cảm biến. Xét mẫu thí nghiệm (đối tượng cảm biến) là một tấm thép hình vuông dày 1 (mm), có các cạnh bằng đường kính của bề mặt cơ cấu cảm biến, đặc điểm điển hình của loại cảm biến này như sau:
Sensing range (mm) Diameter (mm) Length (mm) Switching speed (Hz)
1 8 40 5000
2 12 40 1000
5 18 40 400
10 30 50 200
tượng kim loại không sắt
Đối với những đối (nonferrous, e.g. aluminum, brass, copper, and stainless steel), phạm vi cảm biến sẽ ngắn hơn.
20 47 60 40
5-24 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor)
Dùng để cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điện của đối tượng. Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim loại cũng như phi kim, e.g. gỗ, giấy, nước, nhựa …). Thành phần chính: mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, 1 bản cực nội, và công tắc bán dẫn.
5-25 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Nguyên lý hoạt động: khi có đối tượng xuất hiện phía trước cảm biến, thì đối tượng đóng vai trò như một bản cực ngoại của tụ điện. Bản cực ngoại này kết hợp với bản cực nội hình thành nên một tụ điện và khi đó hiện tượng tích điện trên hai bản cực của tụ điện xảy ra. Điều này tạo nên một dòng điện thay đổi chạy qua bản cực nội. Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc.
Những vật liệu nào có hằng số điện môi từ 1.2 trở lên đều có thể nhận biết bởi loại cảm biến này. Phạm vi cảm biến: < 70 (mm).
• với hằng số điện môi càng lớn, đối tượng càng dễ được nhận biết.
• với hằng số điện môi càng lớn, khoảng cách nhận biết càng xa.
• vật liệu có hằng số điện môi lớn cũng có thể nhận biết được khi chứa trong thùng làm bằng vật liệu có hằng số điện môi thấp hơn.
Material Wood (dry) Gasoline Sugar Water
Dielectric constant 2.2 3 80 2 6
5-26 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Cảm biến điện quang (photoelectric sensor)
Loại cảm biến này dùng một chùm sáng để phát hiện sự hiện diện của đối tượng mà làm cản trở hoặc phản xạ chùm sáng. Thành phần chính: nguồn sáng (bộ phát) và tế bào quang cảm (bộ thu).
5-27 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Phần lớn các cảm biến loại này sử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn sáng. LED có thể được thiết kế để phát ra các ánh sáng khác nhau.
5-28 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Bốn loại tế bào quang cảm thường được sử dụng là: photo-resistor, photo-diode, photo- transistor, và photovoltaic cell (photocell).
5-29 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Bộ phát và bộ thu có thể được thiết kế thành hai khối tách biệt hoặc cùng chung trong một khối tùy thuộc vào kiểu cảm biến.
Kiểu truyền trực tiếp (Opposed sensing mode)
Kiểu truyền khuếch tán (Proximity sensing mode)
Kiểu truyền phản xạ (Retro-reflective sensing mode)
5-30 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall (1879, E.H. Hall)
Hiệu ứng Hall xảy ra khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một tấm bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn đang có dòng điện I chạy qua, các hạt mang điện tích bị dồn về một phía của tấm bản dẫn đến sự chênh lệch về điện thế giữa hai bên của tấm bản và hình thành nên một điện áp hiệu ứng Hall, UH.
với K là hằng số (phụ thuộc vào vật liệu); I là dòng điện chạy qua tấm bản; B là cường độ từ trường; và D là bề dày của tấm bản.
5-31 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
5-32 C.B. Pham
Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển
5-33 C.B. Pham
2. Đo vận tốc
• Bộ phát tốc một chiều (DC tachometer)
Máy phát tốc một chiều thực chất là máy phát điện một chiều – tạo ra một tín hiệu điện áp DC tỉ lệ với vận tốc góc của trục quay.
- Phần stator: nam châm vĩnh cữu
- Phần rotor (phần ứng): những cuộn dây lắp trên một lõi trụ kim loại.
-Phần ứng quay tự do trong môi trường từ trường (do nam châm của phần stator tao ra).
- Hai đầu của cuôn dây nối vào hai nữa của cổ góp. Điện áp giữa 2 nữa của cổ góp được đưa ra ngoài thông qua hai chổi than.
5-34 C.B. Pham
Đo vận tốc
• Bộ phát tốc quang học (optical tachometer)
Đối với phương pháp này, thì công việc chính là xác định số xung nhận được (từ tế bào quang cảm) trong một đơn vị thời gian khi trục xoay.
5-35 C.B. Pham
Đo vận tốc
Tương tự đối với phương pháp kiểu cảm ứng.
5-36 C.B. Pham
Đo vận tốc
Xác định khoảng thời gian khi nhận được 1 xung từ cơ cấu cảm biến
5-37 C.B. Pham
3. Đo gia tốc
- Khung gia tốc kế được gắn vào vật thể cần đo gia tốc.
- Bên trong gia tốc kế, khối M được đỡ bởi hai thanh lò xo lá và được giảm chấn bởi khối dầu nhớt xung quanh nó.
5-38 C.B. Pham
Đo gia tốc
Một hệ thống bậc 2 được đặc trưng bởi hai thông số:
• Tần số cộng hưởng
Với K: hằng số lò xo (N/m)
M: khối lượng (kg)
b: hằng số giảm chấn (N.s/m)
• Tỉ số giảm chấn
Xét trường hợp khung đi lên với gia tốc hằng số, khối M sẽ làm lệch hai thanh lò xo lá xuống phía duới (duới tác động của lực quán tính). Hai thanh lò xo lá tạo ra một phản lực ngược chiều với lực quan tính. Khi hai lực này cân bằng, khối M sẽ nằm lệch ở vị trí không đổi.
Lưu ý: Tần số cộng hưởng của gia tốc kế phải lớn hơn đáng kể tần số của tín hiệu gia tốc cần đo.
5-39 C.B. Pham
4. Đo lực
- Lực là một đại lượng vật lý được tạo ra nhằm làm thay đổi vận tốc hay hình dáng của một vật thể.
- Hai lực (cùng tác dụng lên vật) có độ lớn bằng nhau và đối nhau là hai lực cân bằng.
- Hai phương pháp để tạo ra sự cân bằng lực:
phương pháp cân bằng không (null balance method)
phương pháp dịch chuyển (displacement method).
5-40 C.B. Pham
Đo lực
• Cảm biến lực biến dạng (strain gauge force sensor)
- Với loại cảm biến này, lực cần đo tác động vào phần tử đàn hồi. Lượng biến dạng của phần tử này được chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực được đo.
- Để đo lượng biến dạng, tấm điện trở (strain gauge) thường được sử dụng. Thông thường gồm có 2 loại:
• loại kết dính: đo biến dạng ở một vị trí cụ thể trên bề mặt biến dạng của phần tử đàn hồi
• loại không kết dính: đo lượng di động nhỏ
- Tấm điện trở kết dính (bonded-wire strain gage) có thể đo lực từ vài kg đến vài tấn.
5-41 C.B. Pham
Đo lực
Hê số cảm biến của tấm điện trở:
Với R: điện trở của tấm điện trở ()
L: chiều dài của tấm điện trở (m)
R: khoảng điện trở thay đổi ()
L: khoảng chiều dài thay đổi (m)
Hê số cảm biến G được cung cấp bởi nhà chế tạo ra tấm điện trở. Thông thường:
G = 2 4; L = 0.5 4 (cm); R = 50 5000 ()
Với vật liệu đàn hồi, tỉ số giữa ứng suất (S) và lượng biến dạng (= LL) là một hằng số và được gọi là mô-đun đàn hồi.
Ứng suất của phần tử đàn hồi được xác định bằng lực (f) trên đơn vị diện tích (A)
5-42 C.B. Pham
Đo lực
Khoảng điện trở thay đổi của tấm điện trở thường rất bé. Vì thế mạch cầu Wheatstone thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu (điện áp) ở ngõ ra. Với mạch cầu Wheatstone, yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự thay đổi giá trị điện trở (của tấm điện trở tích cực) cũng có thể được triệt tiêu bằng cách dùng thêm một tấm điện trở bù (compensation gauge) đặt gần và theo hướng vuông góc với tấm điện trở tích cực.
5-43 C.B. Pham
Đo lực
Phân tích mạch cầu ở hình trên, ta có:
Giả sử xét 4 điện trở của mạch cầu đều có giá trị R khi mạch cầu cân bằng. Khi có sự biến dạng, RG = R + R.
5-44 C.B. Pham
Đo lực
Thí dụ: Một tấm điện trở được dùng để đo lực kéo trên một khối trụ bằng thép có diện tích mặt cắt ngang A = 13 cm2. Tấm điện trở có giá trị danh nghĩa là 120 và hệ số biến dạng G = 2. Mạch cầu được cấp nguồn Vs = 10 V. Khi không có lực kéo, mạch cầu cân bằng, do đó Vout = 0 V. Khi có lực kéo, mạch cầu có giá trị Vout = 0.0005 V. Xác định lực tác dụng lên khối trụ này. Cho biết thép có E = 2.07 107 (N/cm2)
Giải:
5-45 C.B. Pham
Đo lực
• Cảm biến lực khí ép (pneumatic force transmitter)
- Loại cảm biến này làm việc dựa trên phương pháp cân bằng không. Lực cần đo được cân bằng với một phản lực tạo nên bởi áp suất tác động nên bề mặt tấm màng đàn hồi. Lượng áp suất tỉ lệ với lực cần đo và do đó giá trị áp suất đo được phản ánh giá trị lực cần đo.
5-46 C.B. Pham
Đo lực
Giả sử xét trường hợp khi lực tác dụng tăng đối với hình trên, làm chốt di chuyển lên và do đó làm giảm tiết diện chảy qua hở. Điều này sẽ làm tăng áp suất bên trong buồng phía trên màng đàn hồi và làm phục hồi trạng thái cân bằng của tấm màng đàn hồi. Bằng cách đo áp suất p trong buồng, lực cần đo f được xác định như sau:
Với f: giá trị lực cần đo
p: áp suất đo được trong buồng
A: diện tích hiệu dụng của tấm màng đàn hồi
Thành phần (p - 3) có nghĩa rằng giá trị áp suất trong buồng là p = 3 (psi) tương ứng với giá trị lực f = 0. Ở trường hợp này, màng vẫn được duy trì ở trạng thái cân bằng dưới tác dụng của lực lò xo.
Lưu ý: phạm vi lực có thể đo được bị giới hạn bởi giá trị áp suất nguồn cung cấp.
5-47 C.B. Pham
5. Đo nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ có tín hiệu ở ngõ ra tỉ lệ với tín hiệu nhiệt độ cần đo. Phần lớn các cảm biến có hệ số nhiệt dương – tín hiệu ra của cảm biến tăng khi giá trị nhiệt độ tăng.
5-48 C.B. Pham
Đo nhiệt độ
Cảm biến nhiệt lưỡng kim (bimetallic temperature sensor)
Phần tử lưỡng kim hai mảnh kim loại khác nhau kết thành dạng tấm, cuộn, hoặc xoắn ốc. Hệ số nở nhiệt của hai mảnh kim loại khác nhau, để khi dưới sự ảnh hưởng của nhiệt độ, hình dáng của chúng thay đổi so với ban đầu. Cảm biến loại này thường dùng trong hệ thống điều khiển ON/OFF.
5-49 C.B. Pham
Đo nhiệt độ
Cảm biến nhiệt điện trở (RTD – resistance temperature detector)
Cảm biến nhiệt điện trở làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ thay đổi. Điện trở của hầu hết kim loại đều tăng khi nhiệt độ tăng
Phần tử cảm biến là cuộn dây điện trở - thí dụ như bạch kim - quấn xung quanh một lõi bằng gốm (ceramic) và đặt ở cuối ống bảo vệ. RTD rất đa dạng với những giá trị điện trở khác nhau (giá trị điện trở thông thường là 100 ở nhiệt độ 0 0C)
Dây bạch kim có hệ số nhiệt là: 0.0039 /0C cho mỗi đơn vị điện trở. Nếu điện trở của RTD là 100 , thì toàn bộ cuôn dây sẽ tăng thêm 0.39 khi nhiệt độ tăng thêm 1 0C.
5-50 C.B. Pham
Đo nhiệt độ
RTD có ưu điểm là chính xác và ổn định nhưng nhược điểm của nó độ nhạy thấp, đáp ứng tương đối chậm khi nhiệt độ thay đổi, và đắt tiền.
Thí dụ: một RTD bạch kim 100 được sử dụng trong hệ thống. Giá trị điện trở đọc được là 110 . Xác định nhiệt độ hiện tại.
Giải:
• Giá trị điện trở thay đổi: 110 – 100 = 10
• RTD bạch kim 100 hệ số nhiệt là: 0.39 /0C
Giá trị nhiệt độ thay đổi: 10 / 0.39 = 25.6 0C
RTD bạch kim có giá trị 100 là ở nhiệt độ 0 0C. Do đó giá trị nhiệt độ hiện tại: 25.6 0C
5-51 C.B. Pham
Đo nhiệt độ
Cảm biến cặp nhiệt điện (thermocouple)
Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được nối chung ở hai đầu. Một đầu được coi là điểm lạnh (điểm tham chiếu) và một đầu được coi là điểm nóng (điểm đo). Khi hai đầu có nhiệt độ khác nhau, một điện áp (được gọi là thế điện động) được hình thành trong mạch do hai dây kim loại tạo nên - điện thế hiệu ứng Seebeck. Điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối.
Hệ số nhiệt là: 35 V/0F
5-52 C.B. Pham
Đo nhiệt độ
5-53 C.B. Pham
Đo nhiệt độ
IC cảm biến nhiệt
Loại cảm biến này là những thiết bị bán dẫn có độ chính xác cao với ngõ ra là tín hiệu điện áp tỷ lệ tuyến tính với giá trị nhiệt độ. Thí dụ: họ LM35 có thể đo được nhiệt độ trong phạm vi (-55 0C +155 0C) với tín hiệu ra là: vout = 0.01T (V)
Thí dụ: Thiết kế mạch cảm biến nhiệt dùng LM35 với đặc tính như sau:
• Phạm vi nhiệt độ đo: (5 100 0C)
• Điện áp nguồn cấp LM35: 5 V
• Điện áp ngõ ra: vout = 0.1 V/ 0C
5-54 C.B. Pham
6. Đo lưu lượng
Lưu lượng kế hiệu áp
Loại cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc là một tiết lưu đặt trong dòng chảy tạo nên một sự sụt áp tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc dòng chảy.
Với : khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3)
A: tiết diện chảy (m2) : hệ số chảy (phu thuộc vào dạng tiết lưu) g: gia tốc trọng trường
5-55 C.B. Pham
Đo lưu lượng
A venturi flow sensor
A pitot tube
5-56 C.B. Pham
Đo lưu lượng
Lưu lượng kế turbin
Loại cảm biến này tạo nên một tín hiệu số, tỉ lệ với lưu lượng dòng chảy
5-57 C.B. Pham
Đo lưu lượng
Lưu lượng kế từ trường
Loại cảm biến này làm việc dựa trên nguyên tắc một điện áp được cảm ứng trong một dây dẫn di động trong vùng từ trường
Do tính chất dẫn điện của lưu chất, sự chuyển động của dòng chảy giống như sự chuyển động của thanh dẫn. Dưới ảnh hưởng của vùng từ trường, một điện áp cảm ứng xuất hiện giữa hai điện cực đặt 2 bên của thành ống .
5-58 C.B. Pham
7. Đo áp suất
Áp suất được xác định bởi lực do chất lỏng hoặc chất khí tạo nên trên một đơn vị bề mặt.
Cảm biến áp suất điện trở
Loại cảm biến này hoạt động dựa trên đặc tính của tấm điện trở - giá trị điện trở của nó thay đổi dưới tác dụng của sức căng. Tấm điện trở trong loại cảm biến này là loại không kết dính.
5-59 C.B. Pham
Đo áp suất
Cảm biến áp suất đàn hồi
Trong các loại cảm biến này, phần tử đàn hồi (sơ cấp) bị biến dạng dưới tác động của áp suất. Sau đó, phần tử thứ cấp biến đổi lượng biến dạng thành đại lượng điện.
Bourdon tube
Bellows
Diaphragm
5-60 C.B. Pham
8. Đo mức
Đo mực nước hoặc trọng lượng vật liệu trong bồn chứa là những vấn đề thường gặp trong quá trình công nghiệp.
• Phương pháp đo trực tiếp: theo dõi bề mặt chất lỏng – dùng cơ cấu phao nối liền với các bộ phận hiển thị. Phương pháp này đơn giản và tin cậy, nhưng nó không tạo nên tín hiệu điều khiển dễ dàng.
• Phương pháp đo gián tiếp: đo một biến khác mà có liên quan đến mực nước – đo áp suất tĩnh ở điểm nào đó trong vùng thể tích. Phương pháp này dựa trên cơ sở áp suất tĩnh tỉ lệ thuận với khối lượng riêng và chiều cao của khối chất lỏng phía trên điểm đo.
Các loại cảm biến đo mức cũng được phân thành hai loại.
• Rời rạc: chỉ cảm nhận mực nước ở một giá trị nhất định nào đó
• Liên tục: cho ra một tín hiệu tương tự tỉ lệ với mực chất lỏng
5-61 C.B. Pham
Đo mức
Cảm biến mức rời rạc
5-62 C.B. Pham
Đo mức
Cảm biến mức liên tục
5-63 C.B. Pham
Đo mức
Cảm biến mức liên tục
5-64 C.B. Pham
Đo mức
Thí dụ: Một hệ thống đo mức được sử dụng theo nguyên lý như hình bên dưới.
Xác định phạm vi lực tác dụng lên cánh tay đòn. Cho biết:
5-65 C.B. Pham
Đo mức
• Khối lượng phao, M = 2 kg
• Diện tích mặt cắt ngang của phao, A = 20 cm2
• Chiều dài của phao, L = 2.5 m
• Lưu chất sử dụng: kerosene (= 800 kg/m3)
Giải:
Lực tác dụng lên cánh tay đòn nhỏ nhất khi h = L
Lực tác dụng lên cánh tay đòn lớn nhất khi h = 0
5-66 C.B. Pham
Oral presentation
• Báo cáo 10’ (2 SV) / 15’ (3 SV) • Trình bày slide PPT • Tất cả thành viên phải báo cáo • 2 thành phần: sự cộng tác trong nhóm + báo cáo
• 9/5: 5 nhóm 5, 10, 2, 9 • 11/5: 4 nhóm 8, 11, 1, 6, 7
5-67 C.B. Pham
