intTypePromotion=3
Array
(
    [0] => Array
        (
            [banner_id] => 140
            [banner_name] => KM1 - nhân đôi thời gian
            [banner_picture] => 964_1568020473.jpg
            [banner_picture2] => 839_1568020473.jpg
            [banner_picture3] => 620_1568020473.jpg
            [banner_picture4] => 994_1568779877.jpg
            [banner_picture5] => 
            [banner_type] => 8
            [banner_link] => https://tailieu.vn/nang-cap-tai-khoan-vip.html
            [banner_status] => 1
            [banner_priority] => 0
            [banner_lastmodify] => 2019-09-18 11:11:47
            [banner_startdate] => 2019-09-11 00:00:00
            [banner_enddate] => 2019-09-11 23:59:59
            [banner_isauto_active] => 0
            [banner_timeautoactive] => 
            [user_username] => sonpham
        )

)

Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến (114tr)

Chia sẻ: Trưởng Nguyễn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:118

0
185
lượt xem
82
download

Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến (114tr)

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến với mục tiêu nhằm trang bị cho học viên những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của một số loại cảm biến... Hy vọng tài liệu là nguồn thông tin hữu ích cho quá trình học tập và nghiên cứu của các bạn.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến (114tr)

  1. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến LỜI NÓI ĐẦU Trong   nền   công  nghiệp   sản   xuất   hiện   đại  ngày  nay,   rất   nhiều   nhà   máy  xí   nghiệp đã trang bị  cho mình những dây chuyền sản xuất tự  động hoặc bán tự  động.  Các loại cảm biến đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển tự  động, nó đóng  một vai trò rất quan trọng, không một thiết bị nào có thể thay thế được. Việc trang bị  cho mình một kiến thức về  các loại cảm biến là nhu cầu bức thiết của các kỹ  thuật   viên, kỹ sư ngành điện cũng như các ngành khác. Môn học kỹ  thuật cảm biến là một môn học chuyên môn của học viên ngành  điện công nghiệp. Mô đun này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức về nguyên   lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của một số loại cảm biến...Với các kiến   thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như  đời sống.   Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để  học tiếp các mô đun chuyên   ngành điện như trang bị điện, PLC cơ bản, PLC nâng cao... Mô đun này cũng có thể là   tài liệu tham khảo cho các học viên, cán bộ kỹ thuật của các ngành khác quan tâm đến   lĩnh vực này. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 1
  2. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý như: Nhiệt độ, áp suất, tốc   độ, khoảng cách, lưu lượng... cần được xử  lý cho đo lường và điều khiển. Các bộ  cảm biến thực hiện chức năng này. Bộ  cảm biến còn có tên gọi khác là đầu dò, bộ  nhận biết. Cảm biến là một bộ chuyển đổi kỹ  thuật để  chuyển đổi các đại lượng vật lý   không mang bản chất điện như  nhiệt độ, áp suất, khoảng cách...sang một đại lượng   khác để đo, đếm được. Các đại lượng này phần lớn là tín hiệu điện như điện áp, dòng  điện, điện trở, tần số...Các bộ  cảm biến được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị  cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu. Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần kiểm tra m không có   tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (như  điện tích, điện áp,   dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo   m. Công thức tính :    s = f(m) Trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lượng   đầu vào  hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc đo đạc s cho phép  nhận biết giá trị của m. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 2
  3. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Hình 1.1: Sự biến đổi của đại lượng cần kiểm tra m và phản ứng s theo thời gian. 2 Các đặc tính tĩnh và động của cảm biến. 2.1 Độ nhạy a) Định nghĩa Độ  nhạy S xung quanh một giá trị  không đổi mi  của đại lượng cần kiểm tra   được xác định bởi tỷ số biến thiên Δs của đại lượng ở đầu ra và biến thiên Δm tương   ứng của đại lượng kiểm tra ở đầu vào:  s S m m mi Thông thường cảm biến được sản xuất có những độ  nhạy S tương  ứng với   những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Điều này cho phép lựa chọn được   cảm biến thích hợp để sao cho mạch kiểm tra thoả mãn các điều kiện đặt ra.  Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các   đại lượng liên quan, ví dụ:  ­ Ω/OC đối với nhiệt điện trở. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 3
  4. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến ­  V/ OC đối với cặp nhiệt. Đối với các cảm biến khác nhau cùng dựa trên một nguyên lý vật lý, trị  số của  độ nhạy S có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước hay kiểu lắp ráp. Vấn đề quan trọng là khi thiết kế và chế tạo cảm biến làm sao để khi sử dụng   cảm biến độ nhạy S của chúng không đổi, nghĩa là S ít phụ  thuộc nhất và các yếu tố  sau: ­ Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay đổi của nó (dải  thông) ­ Thời gian sử dụng (độ già hoá). ­ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng cần đo) của   môi trường xung quanh. Đây chính là những căn cứ để so sánh và lựa chọn cảm biến. b) Độ nhạy trong chế độ tĩnh. Chuẩn cảm biến  ở  chế độ  tĩnh là dựng lại các giá trị  si của đại lượng điện  ở  đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi m i của đại lượng đo khi đại lượng này đạt  giá trị  làm việc danh định (ứng với giá trị  cực đại tức thời). Đặc trưng tĩnh của cảm  biến chính là dạng chuyển đổi đồ thị của việc chuẩn đó và điểm làm việc Q i của cảm  biến chính là đặc trưng tĩnh tương ứng với các giá trị si, mi. Độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc tuyến tĩnh ở điểm làm việc.   Nếu đặc tuyến tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc   vào điểm làm việc.  Với đặc tuyến tĩnh (đường cong chuẩn) của cảm biến thể  hiện mối quan hệ  giữa đối tượng tác động m và đại lượng đầu ra là tuyến tính thì độ  nhạy của cảm   biến phụ thuộc vào độ dốc của đặc trưng tĩnh đó. Nếu độ dốc của nó càng lớn thì độ  nhạy càng tăng, tức là với một sự  biến thiên  m rất nhỏ  cũng cho ta một đại lượng  đầu ra  s tương đối lớn. Được mô tả trên hình vẽ sau. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 4
  5. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến s §Æ c trung tÜnh2 s2 §Æ c trung tÜnh1 s1 m m Hình 1.2: Sự phụ thuộc của độ nhạy S vào độ dốc của đặc trưng tĩnh. Rõ ràng chúng ta thấy  s1 nhỏ hơn  s2 như vậy độ nhạy của cảm biến có đặc  truyến với độ dốc lớn tức là biến thiên đầu vào nhỏ và cho ta 1 sự thay đổi lớn ở đầu  ra.  c) Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng kiểm tra là hàm tuần   hoàn của thời gian. Trong điều kiện như  vậy, đại lượng đầu ra s ở  chế  độ  làm việc   danh định cũng là hàm tuần hoàn theo thời gian giống như đại lượng kiểm tra. Giả sử đại lượng kiểm tra có dạng: m(t) = m0 + m1cosωt Trong đó: ­ m0 là giá trị không đổi ­ m1 là biên độ  ­  f = ω/2π là tần số biến thiên của đại lượng kiểm tra. Vậy ở đầu ra của cảm biến ta thu được đại lượng s có dạng: s(t) = s0 + s1cos(ωt + φ) Trong đó:  Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 5
  6. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến ­ s0 là đại lượng không đổi tương ứng với m0 xác định điểm Q0 trên đường cong  chuẩn ở chế độ tĩnh.   ­ s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng kiểm  tra m1 gây nên. ­ φ là độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra của cảm biến. Độ nhạy trong trường hợp này được xác định như sau:  s1 S m1 Q0 Ngoài ra trong chế  độ  động độ  nhạy của cảm biến còn phụ  thuộc vào tần số  của đại lượng đo m và ta có  S(f) xác định đặc tính tần số của cảm biến. 2.2 Điều kiện có tuyến tính Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải   đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo.  Nếu như cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo   các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hoá, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ  lệ  với sự thay đổi của đại lượng đo. Trong   chế   độ   tĩnh,   độ   tuyến   tính   thể   hiện  bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính  chừng nào các thay đổi của đại lượng kiểm tra còn ở trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở  chế  độ  tĩnh S(0) vào đại lượng đo m, đồng thời các thông số  quyết định (như  tần số  riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ) cũng không phụ thuộc vào đại lượng   đo. 2.3 Độ nhanh và thời gian hồi đáp Độ  nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra   có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo không. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 6
  7. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến ­ Độ  nhanh là khoảng thời gian mà từ  khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến   khi biến thiên của đại lượng đầu ra s của cảm biến chỉ còn khác giá trị cuối cùng của   nó một lượng được quy định bằng ε%.  ­ Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử  dụng để  xác định giá trị  của độ   nhanh. Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp càng nhỏ. Thời gian hồi đáp  đặc trưng cho tốc độ thay đổi của quá trình quá độ và là hàm của các thông số xác định  chế độ này.  m m0 0 t s s0 0 ,9 0,1 0 to t+ s t1 t -s t Hình 1.3: Các khoảng thời gian khác nhau đặc trưng cho quá trình quá độ Kết luận:  Khi đánh giá lựa chọn một cảm biến hay phải so sánh chúng với nhau ta cần   phải chú ý những đặc tính cơ bản sau đây: Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 7
  8. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến ­ Phải xét đến khả  năng có thể  thay thế các cảm biến. Tức là khi chế  tạo một  loại cảm biến ta phải tính đến khả năng chế tạo nhiều cảm biến với các đặc tính như  nhau đã cho trước. Như thế mới có thể thay thế khi bị hư hỏng mà không mắc phải sai   số. ­ Cảm biến phải có đặc tính đơn trị, nghĩa là với đường cong hồi phục của cảm  biến ứng với giá trị m  ta chỉ nhận được một giá trị s mà thôi. ­ Đặc tuyến của cảm biến phải ổn định, nghĩa là không được thay đổi theo thời  gian. ­ Tín hiệu ra của cảm biến yêu cầu phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ  đo, hệ thống đo và hệ thống điều khiển. ­ Đặc tính quan trọng của cảm biến là sai số: + Sai số  cơ  bản của cảm biếnlà sai số  gây ra do nguyên tắc của cảm   biến, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo. + Sai số phụ: là sai số gây ra do sự  biến động của điều kiện bên ngoài  khác với điều kiện tiêu chuẩn. ­ Độ  nhạy của cảm biến cũng là một tiêu chuẩn quan trọng. Nó có tác dụng  quyết định cấu trúc của mạch đo để  đảm bảo cho phép đ có thể bắt nhạy với những  biến động nhỏ của đại lượng đo. ­ Đặc tính động của cảm biến: Khi cho tín hiệu đo vào cảm biến thường xuất   hiện quá trình quá độ. Quá trình này có thể  nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào dạng cảm  biến. Đặc tính này được gọi là độ tác động nhanh. Nếu độ tác động nhanh chậm tức là   phả ứng của tín hiệu ra của cảm biến trễ so với sự thay đổi của tín hiệu vào. ­ Sự tác động ngược lại của cảm biến lên đại lượng đo làm thay đổi nó và tiếp   đến là gây ra sự thay đổi của tín hiệu ở đầu ra của cảm biến. ­ Về  kích thước của cảm biến mong muốn là phải nhỏ  có như  vậy mới đưa  được vào những nơi hẹp, nâng cao độ chính xác của phép đo. 3. Phạm vi ứng dụng: Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 8
  9. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Các bộ cảm biến được sử  dụng nhiều trong các lĩnh vực: Công nghiệp, nghiên  cứu khoa học, môi trường, khí tượng, thông tin viễn thông, nông nghiệp, dân dụng,  giao thông vận tải... Theo khảo sát ta có các số  liệu về  tình hình sử  dụng cảm biến  như sau: Các lĩnh vực ứng dụng: Xe hơi 38% Sản   xuất   công  20% nghiệp Điện gia dụng 11% Văn phòng 9% Y tế 8% An toàn 6% Nông nghiệp 4% Môi trường 4% Các loại cảm biến hay được sử dụng trong công nghiệp và dân dụng: Cảm biến đo nhiệt độ 37,29% Cảm biến đo vị trí 27,12% Cảm   biến   đo   di  16,27% chuyển Cảm biến đo áp suất 12,88% Cảm   biến   đo   lưu  1,36% lượng Cảm biến đo mức 1,2% Cảm biến đo lực 1,2% Cảm biến đo độ ẩm 0,81% 4. Phân loại các bộ cảm biến ­ Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng về kích thích  Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng về  kích thích Hiện tượng vật lý ­ Nhiệt điện ­ Quang điện Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 9
  10. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến ­ Quang từ ­ Điện từ ­ Quang đμn hồi ­ Từ điện ­ Nhiệt từ... Hoá học ­ Biến đổi hoá học ­ Biến đổi điện hoá ­ Phân tích phổ ... Sinh học ­ Biến đổi sinh hoá ­ Biến đổi vật lý ­ Hiệu ứng trên cơ thể sống ... Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 10
  11. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Hình 1.4: Phân loại cảm biến theo đại lượng vật lý tác động ­  Phân loại theo dạng kích thích  Kích thích Các đặc tính của kích thích Âm thanh ­ Biên pha, phân cực Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 11
  12. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến ­ Phổ ­ Tốc độ truyền sóng ... Điện ­ Điện tích, dòng điện ­ Điện thế, điện áp ­ Điện trường (biên, pha, phân cực,  phổ) ­ Điện dẫn, hằng số điện môi ... Từ ­   Từ   trường   (biên,   pha,   phân   cực,  phổ) ­ Từ thông, cường độ từ trường ­ Độ từ thẩm ... Quang ­ Biên, pha, phân cực, phổ ­ Tốc độ truyền ­ Hệ số phát xạ, khúc xạ ­ Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ ... Cơ ­ Vị trí ­ Lực, áp suất ­ Gia tốc, vận tốc ­ ứng suất, độ cứng ­ Mô men ­ Khối lượng, tỉ trọng ­ Vận tốc chất lưu, độ nhớt ... Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 12
  13. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Nhiệt ­ Nhiệt độ ­ Thông lượng ­ Nhiệt dung, tỉ nhiệt ... Bức xạ ­ Kiểu ­ Năng lượng ­ Cường độ ... ­ Theo tính năng của bộ cảm biến  ­ Độ nhạy ­ Khả năng quá tải ­ Độ chính xác ­ Tốc độ đáp ứng ­ Độ phân giải ­ Độ ổn định ­ Độ chọn lọc ­ Tuổi thọ ­ Độ tuyến tính ­ Điều kiện môi trường ­ Công suất tiêu thụ ­ Kích thước, trọng lượng ­ Dải tần ­ Độ trễ ­ Phân loại theo phạm vi sử dụng  ­ Công nghiệp ­ Dân dụng ­ Nghiên cứu khoa học ­ Giao thông ­ Môi trường, khí tượng ­ Vũ trụ ­ Thông tin, viễn thông ­ Quân sự ­ Nông nghiệp ­ Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế: + Cảm biến tích cực có đầu ra lμ nguồn áp hoặc nguồn dòng. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 13
  14. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến + Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M .... tuyến tính hoặc phi tuyến. BÀI 1.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong các đại lượng được quan  tâm nhiều nhất vì nhiệt độ  đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất.   Nhiệt độ có thể  làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó. Thí dụ  như  áp suất, thể tích của chất khí…vv. Bởi vậy trong công nghiệp cũng như đời sống hàng   ngày phải đo nhiệt độ. Dụng cụ đo nhiệt độ  đơn giản nhất là nhiệt kế  sử dụng hiện   tượng giãn nở  nhiệt.  Để  chế  tạo các bộ  cảm biến nhiệt độ  người ta sử  dụng nhiều  nguyên lý cảm biến khác nhau như:  Phương pháp quang dựa trên sự  phân bố  phổ  bức xạ  nhiệt do dao động nhiệt   ( hiệu ứng Doppler).  Phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí ( với áp   suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.  Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của các điện trở vào nhiệt độ. Để đo được trị số chính xác của nhiệt độ là vấn đề không đơn giản. Nhiệt độ  là  đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào nhiệt độ.  Trước khi đo nhiệt độ ta cần đề cập đến thang đo nhiệt độ. 1.1 Đại cương 1.1.1 Thang đo nhiệt độ. Việc xác định thang nhiệt độ xuất phát từ các định luật nhiệt động học. Thang đo nhiệt độ tuyệt đối được xác định dựa trên tính chất của khí lý tưởng. Định  luật Carnot nêu rõ: Hiệu suất   η  của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa  2 nguồn có nhiệt độ t1 và t2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào t1 và t2: F(θ1) η F(θ2 ) Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại, việc lựa chọn   hàm F sẽ  quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(q) = T chúng ta sẽ  xác định T như  là   nhiệt độ  nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ  nhiệt thuận nghịch sẽ  được viết như sau: Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 14
  15. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến T1 η 1 T2 Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.  Thang Kelvin Năm   1664   Robert   Hook   thiết   lập   điểm   không   là   điểm   động   của   nước  cất.Thomson (Kelvin) nhà vật lý Anh, năm 1852 xác định thang nhiệt độ. Thang Kelvin   đơn vị  là 0K, người ta gán cho nhiệt độ  của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước –  nước đá – hơi một trị số bằng 273,15 0K.  Thang Celsius Năm 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điển đưa ra thang nhiệt độ  bách  phân. Trong thang này đơn vị  đo nhiệt độ  là 0C, một độ  Celsius bằng một độ  Kelvin.  Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức: T(0C) = T(0K) – 273,15  Thang Fahrenheit Năm 1706 Fahrenheit nhà vật lý Hà Lan đưa ra thang nhiệt độ có điểm nước đá tan  là 320 và sôi ở 2120. Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius  và Fahrenheit được cho theo biểu thức:  5 T(0C) T(0F) 32 9 9 0 T(0F) T( C) 32 5 Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của một số thang đo nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ Kelvin (0K) Celsius (0C) Fahrenheit (0F) Điểm 0 tuyệt đối 0 ­273,15 ­459,67 Hỗn hợp nước – nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước – nước đá –  273,16 0,01 32,018 hơi nước Nước sôi 373,15 100 212 1.1.2 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo.  Nhiệt độ đo được Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 15
  16. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Nhiệt độ  đo được nhờ  một điện trở  hay một cặp nhiệt, chính bằng nhiệt độ  của  cảm biến và kí hiệu là TC. Nó phụ  thuộc vào nhiệt độ  môi trường TX và vào sự  trao  đổi nhiệt độ trong đó. Nhiệm vụ của người thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu   số TX – TC xuống nhỏ nhất. Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa TX và TC: ­ Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo. ­ Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài.  Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn Thông thường cảm biến được trang bị  một lớp vỏ bọc bên ngoài. Để  đo nhiệt độ  của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ  bề  mặt của vật người ta khoan một lỗ  nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L. Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong   chất rắn. Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện: ­ Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần đường kính của nó   (L≥ 10r). ­ Giảm trở  kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách  giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan  phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt. 1.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 1.2.1Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Sự chuyển động của các hạt mang điện tích theo một hướng hình thành một dòng   điện trong kim loại. Sự  chuyển động này có thể  do một lực cơ học hay điện trường   gây ên và điện tích có thể  là âm hay dương dịch chuyển với chiều ngược nhau. Độ  dẫn điện của kim loại ròng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ  hay điện trở  của kim loại có hệ  số nhiệt độ dương. Trong hình 1.1 ta có các đặc tuyến điện trở  của các kim loại theo   nhiệt độ. Như  thế  điện trở  kim loại có hệ  số  nhiệt điện trở  dương PTC (Positive   Temperature Coefficient): điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Để hiệu ứng này có  thể  sử  dụng được trong việc đo nhiệt độ, hệ  số  nhiệt độ  cần phải lớn.Điều đó có  nghĩa là có sự  thay đổi điện trở  khá lớn đối với nhiệt độ. Ngoài ra các tính chất của   kim loại không được thay đổi nhiều sau một thời gian dài. Hệ số nhiệt độ không phụ  thuộc vào nhiệt độ, áp suất và không bị ảnh hưởng bởi các hóa chất. Giữa nhiệt độ và   điện trở thường không có sự tuyến tính, nó được diễn tả bởi một đa thức bậc cao: R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C.t3 +…) ­ R0: điện trở được xác định ở một nhiệt độ nhất định. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 16
  17. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến ­ t2, t3: các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu của phép đo. ­ A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt  độ và điện trở một cách rõ ràng. Thông thường đặc tính của nhiệt điện trở  được thể  hiện bởi chỉ  một hệ  số  a  (alpha), nó thay thế  cho hệ  số  nhiệt độ  trung bình trong thang đo (ví dụ  từ  00C đến  1000C.) Alpha = (R100 ­ R0) / 100. R0 (°C­1) 1.2.2 Nhiệt điện trở Platin Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Có 2  tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh   khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử  dụng tiêu chuẩn quốc tế  DIN IEC751­ 1983 (được sửa đổi lần thứ  nhất vào năm 1986, lần thứ  2 vào năm 1995), USA vẫn  tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng.  Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar ­ Van Dusen:  R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C[t ­ 1000C].t3) R0 là trị số điện trở định mức ở 00C. Alpha R0 Standard  Hệ sô  Đất nước Ohms/Ohm/°C  Ohms  Úc,   Áo,   Bỉ,   Brazil,  200°C   <   t   <   0°C Bulgaria,   Canada,   Cộng  A   =   3.90830x10­3 hòa Czech, Đan mạch, Ai  B   =   ­5.77500x10­7 IEC751  Cập,   Phần   Lan,   Pháp,  0.00385055  100  C = ­4.18301x10­12  (Pt100)  Đức,   Israel,   Ý,   Nhật,   Ba  0°C   <   t   <   850°C Lan,   Rumania,   Nam   phi,  A &B như trên, riêng Thổ   Nhĩ   Kì,   Nga,   Anh,  C = 0.0  USA A=   3.97869x10­3 SAMA 0.0039200  98.129  B   =   ­5.86863x10­7 USA RC­4  C = ­4.16696x10­12  R0 của nhiệt điện trở  Pt 100 là 100W, của Pt 500 là 500W, của Pt 1000 là 1000W.  Các loại Pt 500, Pt 1000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn: điện trở  Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 17
  18. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ. ngoài ra còn có loại Pt 10 có độ nhạy kém dùng để  đo nhiệt độ trên 6000C. Tiêu chuẩn IEC751 chỉ  định nghĩa 2 “đẳng cấp” dung sai A, B. Trên thực tế  xuất hiện thêm loại C và D (xem bảng phía dưới). Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng  cho các loại nhiệt điện trở khác. Đẳng cấp dung sai  Dung sai (°C)   A  t =± (0.15 + 0.002.| t |)  B  t = ± (0.30 + 0.005. | t |)  C  t =± (0.40 + 0.009. | t |)   D  t = ± (0.60 + 0.0018. | t |)  Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở  có pha tạp. Do đó  khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của   nó ít hơn so với các platin ròng. Nhờ thế có sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp   hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở platin thường dùng có đường  kính 30µm (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100µm).  1.2.3Nhiệt điện trở nickel Nhiệt điện trở nickel so với platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp   hai lần (6,18.10­3  0C­1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ ­600C đến +2500C, vì trên 3500C nickel  có sự thay đổi về pha. Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công nghiệp điều hòa   nhiệt độ phòng. R(t) = R0 (1 + A.t +B.t2 +D.t4 +F.t6) A = 5.485x10­3  B = 6.650x10­6 D = 2.805x10­11 F = ­2.000x10­17. Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao ta sử dụng phương trình sau: R(t) = R0 (1 + a.t) a = alpha= 0.00672 0C­1 Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ: t = (Rt / R0 ­ 1) / a = (Rt / R0 ­ 1) / 0.00672 1.2.4  Cách nối dây đo Nhiệt điện trở  thay đổi điện trở  theo nhiệt độ. Với một dòng điện không thay   đổi qua nhiệt điện trở, ta có điện thế đo được U = R.I. Để cảm biến không bị nóng lên   qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ  khoảng 1mA. Với Pt 100  ở  0C ta có điện thế  Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 18
  19. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến khoảng 0,1V. Điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 4 kỹ thuật nối  dây đo. Hình 1.3 Cách nối dây nhiệt điện trở Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở  phải có màu   giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu.  Kỹ thuật hai dây Hình 1.4 Giữa nhiệt điện trở  và mạch điện tử  được nối bởi hai dây. Bất cứ  dây dẫn điện  nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với nhiệt điện trở. Với hai điện trở  của  hai dây đo, mạch điện trở  sẽ nhận được một điện thế  cao hơn điện thế  cần đo. Kết   quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo. Nếu khoảng cách quá xa, điện trở  dây đo có thể lên đến vài Ohm Ví dụ với dây đồng: Diện tích mặt cắt dây đo: 0,5mm2 Điện trở suất: 0,0017Wmm2m­1 Chiều dài: 100m R = 6,8 W, với 6,8W tương  ứng cho nhiệt điện trở  Pt 100 một thay đổi nhiệt độ  là  170C. Để tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ  điện   trở  của dây đo bằng một mạch điện như  sau: Một biến trở  bù trừ  được nối vào một   Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 19
  20. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến trong hai dây đo và nhiệt điện trở  được thay thế  bằng một điện trở  100W. Mạch điện   tử được thiết kế với điện trở  dự  phòng của dây đo là 10 W. Ta chỉnh biến trở sao cho  có chỉ thị 00C: Biến trở và điện trở của dây đo là 10 W.  Kỹ thuật 3 dây:  Hình 1.5 Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm (h1.5). Với cách nối dây này ta có hai  mạch đo được hình thành, một trong hai mạch được dùng làm mạch chuẩn. Với kỹ  thuật 3 dây, sai số cho phép đo do điện trở  dây đo và sự  thay đổi của nó do nhiệt độ  không còn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị  số  kỹ  thuật và có cùng một nhiệt   độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến.  Kỹ thuật 4 dây. Hình 1.6 Với kỹ  thuật 4 dây người ta đạt kết quả  đo tốt nhất. Hai dây được dùng để  cho   một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện   thế trên nhiệt điện trở. Trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện  trở dây đo, điện trở dây đo đó coi như không đáng kể. Điện thế đo được không bị  ảnh  hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt.  Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

AMBIENT
Đồng bộ tài khoản