Các bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp

Chương IV Các bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp Các bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp 4.1. Khái niệm chung 4.2. Các bộ chuyển đổi điện trở 4.3. Các chuyển đổi điện từ 4.4. Chuyển đổi tĩnh điện 4.5. Chuyển đổi nhiệt điện 4.1. Khái niệm chung - Chuyển đổi đo lường là 1 thiết bị kĩ thuật nhằm thực hiện một quan hệ đơn trị giữa hai đại lượng vật lý xác định với một độ chính xác nào đó. - Chuyển đổi đo lường: + Chuyển đổi sơ cấp + Chuyển đổi chuẩn hóa Ưu điểm của phương pháp điện để đo các đại lượng không điện: + Độ nhạy của thiết bị có thể thay đổi được trong một phạm vi rộng của đại lượng đo. + Đo được các đại lượng có tốc độ biến đổi khác nhau. + Cho phép tập trung hóa và truyền dữ liệu đi xa. + Liên hợp các thiết bị đo và điều khiển tự động - Các đặc tính của chuyển đổi đo lường sơ cấp Y = f(X) Chuyển đổi đo lường sơ cấp (S) X Y +Phương trình chuyển đổi: Nếu Y = f(X) : tuyến tính  S = const Nếu Y = f(X) : phi tuyến  S ≠ const +Độ nhạy của chuyển đổi: +Đại lượng chủ của chuyển đổi: Đại lượng ra của chuyển đổi có thể phụ thuộc vào nhiều đại lượng khác nhau, nhưng nó chỉ phụ thuộc chủ yếu vào một đại lượng x  x là đại lượng chủ của chuyển đổi. +Sai số: Yêu cầu sai số phải thỏa mãn yêu cầu, giảm sai số càng nhỏ càng tốt. - Sai số cơ bản: sai số gây ra do nguyên lý hoạt động của chuyển đổi, sự không hoàn thiện của cấu trúc, công nghệ chế tạo không tốt… - Sai số phụ: sai số gây ra do sự biến động của điều kiện bên ngoài khác với điều kiện tiêu chuẩn. - Phân loại dựa trên nguyên lý của chuyển đổi sơ cấp: + Chuyển đổi điện trở + Chuyển đổi điện từ + Chuyển đổi tĩnh điện + Chuyển đổi nhiệt điện + Chuyển đổi hóa điện + Chuyển đổi lượng tử …. - Phản tác dụng của chuyển đổi: thể hiện ở tiêu hao năng lượng của đối tượng cần đo, tiêu hao năng lượng này được thể hiện ở điện trở vào của chuyển đổi đo lường - Kích thước, khối lượng của chuyển đổi: thường yêu cầu phải phù hợp với ứng dụng, thường càng nhỏ càng tốt, như vậy mới đưa được đầu đo vào những nơi nhỏ hẹp để nâng cao độ chính xác của phép đo. 4.2. Chuyển đổi điện trở 4.2.1. Chuyển đổi điện trở tiếp xúc 4.2.2. Chuyển đổi biến trở 4.2.3. Chuyển đổi Tenzo 4.2.1. Chuyển đổi điện trở tiếp xúc 1. Nguyên lý cơ bản: Chuyển đổi đo lường trong đó di chuyển cơ học được biến thành sự thành sự đóng mở các tiếp điểm, các tiếp điểm này dùng để điều khiển mạch điện. Đại lượng chủ của chuyển đổi tiếp xúc là di chuyển cơ học (sự chuyển rời). Trong đó: Sản phẩm Thanh trượt 3,4 cặp tiếp điểm Chuyển đổi tiếp xúc một giới hạn Chuyển đổi nhiều giới hạn: 4.2.2. Chuyển đổi biến trở 1. Nguyên lý cơ bản Là một biến trở, trong đo đại lượng không điện cần đo thay đổi làm vị trí của con chạy trên biến trở dẫn đến thay đổi điện trở đầu ra. Đại lượng chủ: sự di chuyển của con chạy ( di chuyển dài hoặc di chuyển góc) Hình dáng một số loại biến trở và đặc tính của nó 2. Các đặc tính - Quan hệ giữa điện trở đầu ra của chuyển đổi và chiều dài lx có dạng bậc thang. - Ngưỡng nhạy của chuyển đổi theo điện trở: R: điện trở toàn phần của chuyển đổi W: số vòng dây - Sai số rời rạc của chuyển đổi : - Ngưỡng nhạy của chuyển đổi theo độ dịch chuyển của con chạy : l: chiều dài của chuyển đổi - Sai số phi tuyến : 0.1  0.3% - Sai số nhiệt độ : 0.1% /10 0C 3. Mạch đo của chuyển đổi a. Mạch đo di chuyển thẳng R0: Tổng trở đầu vào của mạch lấy tín hiệu R: Điện trở của toàn bộ biến trở x: khoảng di chuyển của con chạy I = f(x) là phi tuyến I không biến thiên từ 0 trở đi  mạch này ít được sử dụng b. Mạch đo phân áp Quan hệ Ux =f( x ) là tuyến tính Ux biến thiên từ 0 đến U khi Rx biến thiên từ 0 đến R (thường Rv  (10  20)R) c. Mạch cầu Thiết kế sao cho khi chuyển đổi chưa làm việc thì cầu cân bằng. Khi chuyển đổi làm việc thì R1 biến thiên một lượng là R. Điện áp Uv là: lượng biến thiên điện trở tương đối khi biến trở di chuyển A C D B d. Ứng dụng Chuyển đổi biến trở thường dùng để đo những di chuyển thẳng kích thước từ 2  3 mm hoặc các di chuyển góc. Ngoài ra chuyển đổi biến trở còn dùng để lấy các thông tin về lực, áp suất, mức chất lỏng … 4.2.3. Chuyển đổi tenzo  (điện trở lực căng) 1. Nguyên lý và cấu tạo 4.3. Chuyển đổi điện từ 4.3.1. Chuyển đổi điện cảm Chuyển đổi điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí 1. Tính năng của chuyển đổi điện cảm Điện cảm của cuộn dây: w : số vòng dây 0 = 4.10-7 : hệ số dẫn từ của không khí  : chiều dài khe hở không khí s : tiết diện hiệu dụng của khe hở không khí R : là từ trở của khe hở không khí s0, 0 :giá trị ban đầu của s và  khi chuyển đổi chưa làm việc + Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi ( = 0 =const) + Độ nhạy của chuyển đổi khi  thay đổi (s = s0 =const) L = f() phi tuyến 2. Mạch đo của chuyển đổi F tác động  L thay đổi  Z thay đổi  Modun dòng, áp trong mạch thay đổi ( mạch điều biên)  Góc lệch pha giữa dòng và áp (mạch điều pha) Trong thực tế, đối với chuyển đổi điện cảm, chủ yếu là sử dụng mạch cầu điều kiện biên Mạch cầu vi sai dùng chuyển đổi điện cảm Z1, Z2 : trở kháng của chuyển đổi vi sai. Zb : trở kháng phối hợp với Z1 và Z2 Z0 trở kháng của dụng cụ đo U nguồn cung cấp + Khi trục đo nằm ở vị trí cân bằng d1 = d2 = d0, Z1 = Z2 = Z Cầu cân bằng và Ura = 0 + Khi trục đo lệch khỏi vị trí cân bằng d1, d2 biến thiên ngược nhau Dd Z1 = Z+DZ Z2 = Z-DZ Cầu mất cân bằng và Ura = f(DZ) Ura = f(F) 3. Sai số và ứng dụng - Sai số của chuyển đổi điện cảm chủ yếu phụ thuộc vào mức độ ổn định của nguồn nuôi trong mạch đo. Ngoài ra, chuyển đổi điện cảm chịu ảnh hưởng của t0, tần số nguồn. - Dùng để đo lực, đo di chuyển từ vài micromet đến vài chục cm. 4.3.2. Chuyển đổi hỗ cảm Chuyển đổi hỗ cảm là một chuyển đổi đại lượng đo thành trị số hỗ cảm tạo thành sđđ hỗ cảm. 1. Tính năng của chuyển đổi hỗ cảm Giả thiết dòng điện đi vào cuộn dây W1 Từ thông tức thời sinh ra trong mạch từ: Sức điện động tức thời sinh ra trên cuộn dây W2: Trị hiệu dụng của e: + Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi ( = 0 =const) + Độ nhạy của chuyển đổi khi  thay đổi (s = s0 =const) 2. Mạch đo của chuyển đổi Mạch đo giống như mạch đo của chuyển đổi điện cảm. Ví dụ: mạch cầu chuyển đổi vi sai 6 nhánh 3. Sai số và ứng dụng - Sai số gây ra do sự không ổn định của nguồn nuôi trên 2 phương diện biên độ và tần số. - Ứng dụng để đo di chuyển, chiều dài, áp suất, đo lực 4.3.3. Chuyển đổi cảm ứng Sinh viên tự học 4.4. Các bộ chuyển đổi tĩnh điện 4.4.1. Chuyển đổi điện dung 1. Nguyên lý làm việc Chuyển đổi điện dung làm việc dựa trên nguyên tắc tương hỗ giữa 2 bản cực, tạo thành 1 tụ điện. Điện dung của 1 tụ điện được tạo thành từ 2 bản cực có diện tích s, đặt cách nhau 1 khoảng d trong môi trường chất điện môi có hằng số điện môi e 2. Tính năng của chuyển đổi điện dung Dung kháng của tụ điện: + Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi + Độ nhạy của chuyển đổi khi  thay đổi + Độ nhạy của chuyển đổi khi e thay đổi 3. Ứng dụng - Chuyển đổi điện dung có tiết diện thay đổi dùng để đo di chuyển lớn và các di chuyển góc - Chuyển đổi điện dung có  thay đổi đo các đại lượng động như tốc độ, lực. - Chuyển đổi điện dung có e thay đổi đo độ ẩm ( trong bảo quản thực phẩm, chất hóa học…) 4.4.2. Chuyển đổi áp điện 1. Nguyên lý làm việc Dựa trên nguyên lý hiệu ứng áp điện: - Hiệu ứng áp điện thuận: Vật liệu áp điện khi chịu tác dụng của lực cơ học biến thiên thì trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điện tích biến mất - Hiệu ứng áp điện ngược: Là sự thay đổi kích thước hình học của chất áp điện khi đặt nó trong từ trường. 3. Ứng dụng - Thường đo các đại lượng biến thiên nhanh. - Ưu điểm: kích thước nhỏ gọn, làm việc tin cậy - Sai số thường do sự thay đổi thông số mạch. 4.5. Chuyển đổi nhiệt điện 1. Khái niệm chung - Chuyển đổi nhiệt điện việc dựa trên quan hệ của quá trình nhiệt với các yếu tố như nhiệt dẫn của môi trường, diện tích trao đổi nhiệt, tốc độ di chuyển của môi trường… - Quán tính nhiệt lớn, quá trình quá độ kéo dài - Cần hiệu chỉnh để giảm sai số - Việc đo lường, điều khiển nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong điều khiển quá trình. Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Có bốn phương pháp đo nhiệt độ dựa trên các đặc điểm vật lý sau: - Sự giãn nở của các vật liệu theo nhiệt độ - Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ - Sự thay đổi nhiệt độ ở điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau - Sự thay đổi năng lượng phát ra theo nhiệt độ - Thang đo nhiệt độ: Nguyên lý làm việc là biến nhiệt độ thành sức điện động. Vật liệu chế tạo đòi hỏi có tính chất: quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện và nhiệt độ là đơn trị, ổn định, bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ cao, dẫn nhiệt tốt. 2. Chuyển đổi nhiệt ngẫu * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor +Phương trình chuyển đổi của nhiệt ngẫu có thể viết gần đúng như sau: Et =At + Bt2 + Ct3 Trong đó: Et là sức điện động nhiệt điện, t hiệu nhiệt độ giữa các đầu nóng và lạnh, A, B, C các hằng số tuỳ thuộc vào vật liệu làm cực Độ nhạy của chuyển đổi nhiệt ngẫu : Sai số chủ yếu gây ra do sự không ổn định nhiệt độ đầu tự do (trong phòng thí nghiệm đầu tự do đặt trong nước đá đang tan, trong công nghiệp dùng các mạch ổn nhiệt). Để khắc phục người ta dùng nhiều phương pháp như sau: * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor +Hiệu chỉnh hệ số K trên từng đoạn của đường cong đặc tính Et = f(t) Biểu diễn quan hệ Et =f(t) với nhiệt độ đầu tự do t0 = 00C, giả sử đầu công tác ở nhiệt độ tx, đầu tự do ở nhiệt độ t0’ > t0. Lúc đó sức điện động nhiệt điện sẽ nhỏ hơn khi nhiệt độ đầu tự do bằng t0 =00C vì thế số chỉ của dụng cụ đo E’x sẽ nhỏ hơn một lượng E gây ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ 00C của đầu tự do * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor E =ET(t1, t0) – ET(t0, t0’) Theo hình vẽ ta có: (tx – tx’) = (t0’ – t0) Trong đó K =tg/tg’ là hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ đầu tự do. Nếu đặc tuyến của nhiệt ngẫu là tuyến tính thì K =1. K là hàm số của nhiệt độ t và do đó ở mỗi đoạn đường cong là khác nhau. +Dùng thiết bị hiệu chỉnh tự động nhiệt độ đầu tự do Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, điện trở(đồng, niken) thay đổi, cầu mất cân bằng và trên đường chéo của cầu xuất hiện một điện áp U. Điện áp này bù cho lượng E bị giảm khi môi trường có nhiệt độ khác 00 C. * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor Là vật dẫn hay bán dẫn có hệ số nhiệt độ lớn và được trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Vì điện trở của nó phụ thuộc vào nhiệt độ nên phụ thuộc vào cách trao đổi nhiệt giữa dẫn và môi trường. Dựa vào quan hệ này người ta chế tạo thiết bị đo các đại lượng không điện khác nhau như nhiệt độ, vận tốc, lưu tốc, nồng độ v.v. Nhiệt điện trở thường làm bằng dây mảnh có đường kính từ 0.02  0.06mm, dài 5  20mm. Yêu cầu đối với vật liệu làm nhiệt điện trở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn định. Điện trở xuất lớn Có các loại nhiệt điện trở sau: 3.1. Nhiệt điện trở kim loại: Kim loại thường dùng là đồng, platin, niken +Nhiệt điện trở đồng 3. Nhiệt điện trở * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor Phương trình chuyển đổi của nhiệt điện trở đồng trong dải từ –50  1800C được xem là tuyến tính: Rt = R0(1+t) Trong đó: R0 là điện trở của nhiệt điện trở tại 00 C,  là hệ số nhiệt điện trở  = 4,3.10-3 /0C Trong trường hợp R0 chưa biết ta dùng biểu thức sau: R2 = Trong đó R1 và R2 là giá trị điện trở tại các nhiệt độ t1 và t2,  =1/ là hằng số, với đồng thì  = 234. + Nhiệt điện trở Platin Nhiệt điện trở Platin cho phép nung đến 12000C mà khôngbị oxy hoá, tuy nhiên qua hệ Rt =f(t) là phi tuyến * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor +Khi nhiệt độ từ 0  6600C thì Rt =R0 (1+At +Bt2) +Trong khoảng từ -180  00C thì Rt = (1+At +Bt +C(t-100)3) A, B, C là các hằng số tra trong sổ tay kỹ thuật +Khoảng nhiệt độ t 6600C thì quan hệ Rt =f(t) được lập thành bảng. +Nhiệt điện trở Niken Nhiệt điện trở Niken thường dùng để đo nhiệt độ  3000C, trong trường hợp này nó có đặc tính giống như nhiệt điện trở đồng  = 5.10-3 /0C 2. Nhiệt điện trở bán dẫn: Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo bằng tạp chất của một vài ôxít kim loại ép và thiêu kết ở nhiệt độ cao. Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối gần đúng như sau: * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor R0 là điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối T0 = 00K  là hệ số phụ thuộc vào loại bán dẫn Hình vẽ bên là đường cong RT =f(T) của nhiệt điện trở bán dẫn và nhiệt điện trở kim loại vẽ trên cùng hệ trục toạ độ để so sánh. (1) là của kim loại, (2) là của chất bán dẫn. Hệ số nhiệt độ của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức  =-T/T0 * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ bán dẫn Rt =Aeβ/T Trong đó: A là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích thước và hình dạng của nhiệt điện trở, B là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, T là nhiệt độ tuyệt đối Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thường khá lớn và có giá trị âm  = (-2.5  4).102/0C * * Bài Giảng Kỹ thuật Sensor 3.3. sai số và ứng dụng Ngoài ra dòng điện chạy qua nhiệt điện trở cung gây nóng và làm cho điện trở tăng gây ra sai số. Mặt khác nhiệt điện trở được bọc ngoài bằng một vỏ thép nên bị tổn hao nhiệt và gây ra sai số. Ứng dụng của chuyển đổi nhiệt điện dùng để đo nhiệt độ, đo các đại lượng không điện như đo di chuyển, đo áp xuất và dùng để phân tích thành phần nồng độ của một số hợp chất và chất khí.