Môn học: Thí nghiệm điều khiển tự động hóa

Chia sẻ: Nguyen Uyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:124

0
221
lượt xem
88
download

Môn học: Thí nghiệm điều khiển tự động hóa

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

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin vào việc vận hành và điều khiển quá trình sản xuất. Tài liệu tham khảo dành cho giáo viên, sinh viên cao đẳng, đại học chuyên ngành điện, điện tử - Giáo trình, bải giảng của thầy cô trong trường đại học tôn đức thắng.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Môn học: Thí nghiệm điều khiển tự động hóa

  1. TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC TOÂN ÑÖÙC THAÉNG KHOA ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ ----- ----- MOÂN HOÏC THÍ NGHIEÄM ÑIEÀU KHIEÅN TÖÏ ÑOÄNG GIAÛNG VIEÂN: ThS. ÑOÀNG SÆ THIEÂN CHAÂU
  2. CHÖÔNG I: CAÙC ÑAËC TRÖNG CUÛA ÑO LÖÔØNG - Duïng cuï ño löôøng (instrument) laø moät thieát bò bieán ñoåi ñaïi löôïng vaät lyù caàn ño (measurand) thaønh moät ñaïi löôïng thích hôïp töông ñöông coù theå ghi laïi ñöôïc (measurement). Ñaïi löôïng ño thöôøng ñöôïc söû duïng trong moät heä thoáng ñôn vò (units) tieâu chuaån ñeå coù theå so saùnh giöõa duïng cuï ño naøy vôùi duïng cuï ño khaùc. VD: Duïng cuï ño: thöôùc ño chieàu daøi. Ñaïi löôïng caàn ño: chieàu daøi cuûa ñoái töôïng. Ñaïi löôïng ño ñöôïc: soá ño theo ñôn vò chieàu daøi (mm, cm, m…) bieåu dieãn chieàu daøi cuûa ñoái töôïng.
  3. 1. MOÂ HÌNH DUÏNG CUÏ ÑO ÑÔN GIAÛN: Hình 1.1 bieåu dieãn moâ hình thoâng thöôøng cuûa moät duïng cuï ño ñôn giaûn. Noù bao goàm ñaïi löôïng vaät lyù caàn ño vaø ñaïi löôïng ño ñöôïc ñöôïc bieåu dieãn bôûi bieán vaät lyù coù theå quan saùt ñöôïc X. Bieán vaät lyù X khoâng nhaát thieát phaûi laø ñaïi löôïng caàn ño nhöng coù moái lieân heä vôùi ñaïi löôïng caàn ño theo moät moái quan heä naøo ñoù.
  4. Phaàn töû chöùc naêng chuû yeáu cuûa moâ hình duïng cuï ño trong hình 1.1 laø caûm bieán (sensor), noù coù chöùc naêng bieán ñoåi ñaïi löôïng ngoõ vaøo vaät lyù thaønh moät bieán tín hieäu ngoõ ra (signal variable output). Caùc bieán tín hieäu coù tính chaát laø chuùng coù theå ñöôïc thao taùc trong moät heä thoáng truyeàn, nhö moät maïch ñieän hay moät heä thoáng cô khí. Bôûi tính chaát naøy neân bieán tín hieäu coù theå ñöôïc truyeàn tôùi thieát bò ngoõ ra hay thieát bò ghi ôû gaàn hay xa baèng phöông phaùp voâ tuyeán hay höõu tuyeán töø caûm bieán. Trong caùc maïch ñieän, tín hieäu ñieän aùp laø tín hieäu phoå bieán. Trong caùc heä thoáng cô khí, ñoä dòch chuyeån hay löïc laø tín hieäu thöôøng ñöôïc söû duïng phoå bieán.
  5. Baûng 1.1 trình baøy caùc bieán vaät lyù vaø caùc bieán tín hieäu thöôøng gaëp. Tín hieäu ngoõ ra töø caûm bieán coù theå ñöôïc hieån thò, ñöôïc ghi laïi hay ñöôïc truyeàn tôùi moät thieát bò hay heä thoáng thöù caáp khaùc. Trong moät duïng cuï ño cô baûn, bieán tín hieäu thöôïng ñöôïc hieån thò, ghi laïi maø con ngöôøi coù theå quan saùt ñöôïc. Ngoõ ra ñöôïc quan saùt goïi laø M. Coù nhieàu kieåu thieát bò hieån thò, töø caùc caân troïng löôïng ñôn giaûn ñeán caùc thieát bò hieån thò phöùc taïp treân maùy tính. Tín hieäu cuõng coù theå söû duïng tröïc tieáp bôûi moät soá heä thoáng lôùn hôn maø duïng cuï ño laø moät phaàn töû trong heä thoáng ñoù. Ví duï: tín hieäu ngoõ ra cuûa caûm bieán laø tín hieäu ngoõ vaøo cuûa moät heä thoáng ñieàu khieån voøng kín (closed loop control system).
  6. Neáu tín hieäu ngoõ ra töø caûm bieán nhoû (doøng, aùp…), caàn phaûi khueách ñaïi tín hieäu nhö trong hình 1.2. Tín hieäu ngoõ ra sau khi ñaõ khueách ñaïi ñöôïc ñöa tôùi caùc thieát bò hieån thò hay thieát bò ghi tuøy thuoäc vaøo töøng öùng duïng cuï theå. Trong nhieàu tröôøng hôïp, tín hieäu naøy phaûi ñöôïc bieán ñoåi thaønh tín hieäu soá ñeå coù theå giao tieáp vôùi maùy tính hay caùc heä thoáng vi ñieàu khieån khaùc. Neáu tín hieäu ngoõ ra cuûa caûm bieán laø tín hieäu analog, caàn thöïc hieän bieán ñoåi thaønh tín hieäu soá söû duïng boä bieán ñoåi ADC nhö trong hình 1.2.
  7. II. CAÛM BIEÁN THUÏ ÑOÄNG (PASSIVE) VAØ CAÛM BIEÁN TÍCH CÖÏC (ACTIVE) - Caûm bieán (sensor) thoâng thöôøng laø caùc boä chuyeån ñoåi (transducers), trong ñoù noù laø caùc thieát bò chuyeån ñoåi töø moät daïng naêng löôïng ngoõ vaøo thaønh moät daïng naêng löôïng ngoõ ra khaùc. Caûm bieán coù theå ñöôïc chia thaønh 2 loaïi: caûm bieán thuï ñoäng vaø caûm bieán tích cöïc phuï thuoäc vaøo caùch chuùng töông taùc vôùi moâi tröôøng hoaït ñoäng cuûa chuùng. - Caûm bieán thuï ñoäng (passive sensors): khoâng caàn cung caáp theâm naêng löôïng trong quaù trình ño nhöng coù theå loaïi boû naêng löôïng trong hoaït ñoäng cuûa chuùng. VD: Thermocouple: bieán ñoåi nhieät ñoä thaønh ñieän aùp. Trong tröôøng hôïp naøy, gradient nhieät ñoä ñöôïc bieán ñoåi thaønh ñieän aùp nhieät ñieän, chính laø ngoõ ra cuûa caûm bieán naøy. Moät VD khaùc laø pressure gage, aùp suaát löïc taùc ñoäng vaøo heä thoáng cô khí gaây neân ñoä dòch chuyeån, ñaây chính laø tín hieäu ngoõ ra cuûa caûm bieán. - Caûm bieán tích cöïc (Active sensors): caàn cung caáp theâm naêng löôïng trong quaù trình ño. VD: trong moät heä thoáng Radar hay sieâu aâm, khoaûng caùch tôùi moät soá ñoái töôïng ñöôïc ño baèng caùch göûi ñi moät soùng radio hay soùng sieâu aâm vaø thu soùng phaûn xaï veà töø ñoái töôïng, töø ñoù ño khoaûng caùch töø ñoái töôïng tôùi caûm bieán.
  8. III. CHUAÅN HOÙA CAÛM BIEÁN (CALIBRATION) Moái quan heä giöõa ngoõ vaøo vaät lyù vôùi ngoõ ra cuûa caûm bieán ñöôïc xem nhö chuaån cuûa caûm bieán. Thoâng thöôøng, moät caûm bieán ñöôïc ñònh chuaån baèng caùch cung caáp moät tín hieäu ngoõ vaøo ñaõ bieát vaø ño tín hieäu ngoõ ra. Döõ lieäu ño ñöôïc vaø ñaëc tuyeán chuaån cuûa caûm bieán ñöôïc veõ treân cuøng moät ñoà thò nhö hình sau:
  9. Trong VD naøy, caûm bieán coù moät ñaùp öùng gaàn nhö tuyeán tính ñoái vôùi caùc ngoõ vaøo coù giaù trò nhoû hôn X0. Ñoä nhaïy (Sensitivity) cuûa thieát bò ñöôïc xaùc ñònh bôûi ñoä doác (slope) cuûa ñöôøng ñaëc tuyeán. Trong VD treân, vôùi caùc giaù trò ngoõ vaøo lôùn hôn X0, ñoä doác cuûa ñöôøng ñaëc tuyeán trôû neân nhoû hôn cho ñeán khi noù ñaït moät giôùi haïn cuûa ngoõ ra. Tröôøng hôïp naøy ñöôïc goïi laø baõo hoøa (saturation), vaø luùc naøy caûm bieán khoâng theå söû duïng ñeå bieán ñoåi nhöõng giaù trò lôùn hôn giaù trò baõo hoøa cuûa noù. Trong moät soá tröôøng hôïp, caûm bieán khoâng ñaùp öùng vôùi caùc giaù trò ngoõ vaøo raát nhoû. Hieäu cuûa giaù trò ngoõ vaøo lôùn nhaát vaø giaù trò ngoõ vaøo nhoû nhaát maø caûm bieán laøm vieäc hieäu quaû ñöôïc goïi laø taàm ñoäng (dynamic range) cuûa caûm bieán.
  10. IV. HIEÄU CHÆNH VAØ GIAO THOA NGOÕ VAØO Trong moät soá tröôøng hôïp, ngoõ ra cuûa caûm bieán seõ bò aûnh höôûng do caùc tín hieäu ngoõ vaøo khoâng phaûi laø ñoái töôïng caàn ño. Trong hình 1.4, X laø tín hieäu ngoõ caàn ño, Y laø tín hieäu ngoõ vaøo giao thoa (interfering input) vaø Z laø ngoõ vaøo hieäu chænh (modifying input). Ngoõ vaøo Y seõ laøm aûnh höôûng, gaây ra sai soá ôû ngoõ ra do caûm bieán ñaùp öùng vôùi caû tín hieäu ngoõ vaøo X vaø Y. ngoõ vaøo hieäu chænh Z laøm thay ñoåi hoaït ñoäng cuûa caûm bieán hay heä thoáng ño, do ñoù hieäu chænh moái quan heä giöõa ngoõ vaøo vaø ngoõ ra vaø ñònh chuaån hoaït ñoäng cuûa thieát bò.
  11. Hình 1.5 minh hoïa aûnh höôûng cuûa ngoõ vaøo hieäu chænh vôùi caùc giaù trò khaùc nhau. Do ñoù, caàn choïn löïa ngoõ vaøo Z phuø hôïp nhaèm trieät tieâu aûnh höôûng cuûa ngoõ vaøo giao thoa ôû ngoõ vaøo, chuaån hoùa hoaït ñoäng cuûa thieát bò.
  12. V. ÑOÄ CHÍNH XAÙC VAØ SAI SOÁ: Ñoä chính xaùc cuûa thieát bò ñöôïc ñònh nghóa laø söï khaùc bieät giöõa giaù trò ñuùng cuûa ñaïi löôïng caàn ño vaø giaù trò ño ñöôïc cuûa ñaïi löôïng ñoù bôûi duïng cuï ño. Ñoái vôùi baát kyø duïng cuï ño naøo cuõng coù sai soá gaây ra do sai soá heä thoáng (systematic error) hay sai soá ngaãu nhieân (random error).
  13. + Caùc nguoàn sai soá heä thoáng: Coù raát nhieàu caùc yeáu toá coù theå gaây ra sai soá heä thoáng. Moät trong caùc nguyeân nhaân gaây ra laø laøm thay ñoåi ñaùp öùng ngoõ vaøo – ngoõ ra cuûa caûm bieán. Caùc ngoõ vaøo hieäu chænh vaø caùc ngoõ vaøo giao thoa cuõng coù theå gaây ra sai soá cho caûm bieán. VD: Neáu nhieät ñoä laø moät ngoõ vaøo hieäu chænh, söû duïng caûm bieán ôû moät nhieät ñoä khaùc vôùi nhieät ñoä chuaån hoùa cuõng coù theå gaây ra sai soá heä thoáng. Trong moät soá tröôøng hôïp, neáu sai soá heä thoáng ñaõ bieát, coù theå khöû noù baèng caùch söû duïng phöông phaùp buø (compensation methods). Coù caùc yeáu toá khaùc cuõng coù theå laøm thay ñoåi ñaùp öùng cuûa caûm bieán gaây ra sai soá heä thoáng. Trong moät soá caûm bieán, tuoåi thoï cuûa linh kieän cuõng coù theå laøm thay ñoåi ñaùp öùng cuûa noù. Do ñoù, ñeå traùnh sai soá heä thoáng, caûm bieán phaûi ñöôïc ñònh chuaån theo chu kyø. + Caùc nguoàn gaây sai soá ngaãu nhieân: Sai soá ngaãu nhieân coù theå ñöôïc xem laø nhieãu. Neáu trong moät quaù trình ño löôøng vôùi giaù trò sai soá ngaãu nhieân ñuùng ñöôïc laëp laïi moät soá lôùn laàn, phaân boá ñoù ñöôïc goïi laø phaân boá Gaussian
  14. CHÖÔNG II ÑO LÖÔØNG NHIEÄT ÑỘ I. CAÛM BIEÁN NHIEÄT ÑIEÄN TRÔÛ * Giôùi thieäu: Moät phöông phaùp phoå bieán ñeå ño löôøng nhieät ñoä laø söû duïng Boä phaùt hieän nhieät ñieän trôû (RTD: Resistive Temparature Detector). Ñaây laø moät loaïi duïng cuï ño nhieät ñieän cung caáp ñoä chính xaùc cao: Caùc RTD coâng nghieäp ñôn giaûn ñöôïc söû duïng trong moät quaù trình cheá taïo coù ñoä chính xaùc ±0.10C, trong khi caùc caûm bieán nhieät ñieän trôû Platin tieâu chuaån coù ñoä chính xaùc laø ±0.00010C. Ñieän trôû cuûa caùc kim loaïi duøng ñeå cheá taïo caûm bieán thay ñoåi theo moät quy luaät ñaõ bieát tröôùc, phuï thuoäc vaøo vieäc taêng hay giaûm cuûa nhieät ñoä. Khi nhieät ñoä taêng, ñieän trôû cuûa kim loaïi taêng. Khi nhieät ñoä giaûm, ñieän trôû cuûa kim loaïi giaûm. Caùc RTD söû duïng caùc tính chaát naøy laøm cô sôû ñeå thöïc hieän ño löôøng nhieät ñoä.
  15. Phaàn quan troïng nhaát cuûa RTD laø moät cuoän daây coù ñöôøng kính nhoû, coù tính ñoàng nhaát cao, thöôøng ñöôïc cheá taïo töø platin, ñoàng hay niken. - Trong soá caùc vaät lieäu duøng ñeå cheá taïo cuoän daây cho RTD, platin laø vaät lieäu toát nhaát do tính oån ñònh laâu daøi cuûa noù theo thôøi gian ôû nhieät ñoä cao, khaû naêng choáng oxi hoùa, vaø taàm nhieät ñoä laøm vieäc raát lôùn. - Trong duïng cuï ño söû duïng RTD, coù 1 doøng ñieän khoâng ñoåi chaïy qua RTD, khi nhieät ñoä thay ñoåi seõ laøm thay ñoåi ñieän trôû cuûa RTD, do ñoù seõ laøm thay ñoåi ñieän aùp ño ñöôïc treân RTD. Sau ñoù ñieän aùp ñöôïc bieán ñoåi trôû laïi thaønh giaù trò nhieät ñoä baèng caùch tính toaùn döïa vaøo moái quan heä cuûa chuùng.
  16. - Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán sai soá cuûa caûm bieán: ñoàng chaát, bieán daïng, ñoä caêng cuûa daây quaán. - Vôùi moãi RTD coù caáu taïo töø caùc kim loaïi khaùc nhau, noù coù ñoä nhaïy, ñoä chính xaùc vaø taàm nhieät ñoä khaùc nhau. Ñoä nhaïy cuûa RTD ñöôïc ñònh nghóa laø ñoä thay ñoåi ñieän trôû cuûa caûm bieán treân ñoä thay ñoåi cuûa nhieät ñoä. Vôùi moät soá kim loaïi thoâng duïng duøng ñeå cheá taïo RTD ñoä nhaïy cuûa noù bieán ñoåi theo quy luaät sau:
  17. Ñoä chính xaùc cuûa RTD lôùn hôn raát nhieàu so vôùi caûm bieán nhieät Thermocouple trong phaïm vi nhieät ñoä laøm vieäc bình thöôøng cuûa RTD (-188.440C ñeán 648.880C). RTD cuõng coù ñoä oån ñònh vaø ñoä chính xaùc laëp cao, do ñoù noù thöôøng ñöôïc öùng duïng trong caùc lónh vöïc caàn ñoä chính xaùc cao vaø duøng ñeå ñònh chuaån cho caùc thieát bò khaùc.
  18. Heä soá nhieät ñieän trôû: - Vôùi moãi kim loaïi duøng ñeå cheá taïo RTD coù ñoä thay ñoåi cuûa ñieän trôû theo nhieät ñoä khaùc nhau. Heä soá nhieät ñieän trôû ñöôïc ñònh nghóa nhö sau: R100 − R0 α= 100 0 CxR0 R100: Ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû 100 độ C. R0: Ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû 0 độ C. - Vôùi heä soá nhieät caøng lôùn thì ñoä thay ñoåi cuûa ñieän trôû theo nhieät ñoä caøng lôùn. Trong caùc vaät lieäu thöôøng duøng ñeå cheá taïo RTD, nikel coù heä soá nhieät ñieän trôû cao nhaát, Ñoàng (copper) coù heä soá nhieät nhoû nhaát.
  19. Caáu taïo RTD: - Caûm bieán nhieät ñieän trôû Platin tieâu chuaån (SPRT: Standard Platinium Resister Thermometer) laø loaïi RTD coù ñoä chính xaùc cao nhaát, chuùng raát deã vôõ, moûng manh vaø ñöôïc söû duïng chuû yeáu trong phoøng thí nghieäm. Do noù moûng manh, ñieän trôû bò dao ñoäng neân noù khoâng ñuû ñoä beàn ñeå söû duïng trong moâi tröôøng coâng nghieäp. SPRT coù ñoä chính xaùc laëp cao, ñoä troâi thaáp nhöng giaù thaønh noù raát cao do vaät lieäu cheá taïo vaø coâng ngheä cheá taïo kyõ thuaät cao. Trong SPRT, daây Platin ñöôïc söû duïng coù ñöôøng kính lôùn, coù ñoä ñoàng chaát cao. Caùc ñaàu daây beân trong ñöôïc cheá taïo töø hoãn hôïp Platin, Thaïch Anh vaø Silic. SPRT ñöôïc söû duïng treân taàm nhieät ñoä raát roäng, töø -2000C ñeán hôn 10000C. Vôùi caùc SPRT coù nhieät ñoä cao nhaát khoaûng 6600C, R0 khoaûng 25.5Ω. Vôùi caùc SPRT coù taàm nhieät ñoä cao hôn, R0 khoaûng 2.5Ω hoaëc 0.25Ω. SPRT coù theå coù ñoä chính xaùc ±0.00010C neáu ñöôïc söû duïng hôïp lyù. - Vôùi loaïi Caûm bieán nhieät ñieän trôû Platin tieâu chuaån thöù caáp (Secondary SPRT), chuùng cuõng thöôøng ñöôïc söû duïng trong caùc phoøng thí nghieäm. Caáu taïo cuûa chuùng cuõng gioáng nhö SPRT, tuy nhieân vaät lieäu duøng ñeå cheá taïo reû hôn, voû kim loaïi vaø keát hôïp vôùi söù caùch ñieän. Caùc ñaàu daây beân trong thöôøng söû duïng hôïp kim nickel.

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản