Giáo trình mô đun Kỹ thuật cảm biến - Nghề: Điện công nghiệp, điện dân dụng, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
CỤC HẢNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN
NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP, ĐIỆN DÂN
DỤNG, CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-TCDN ngày .....tháng..... năm... của..........
năm 201
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI GIỚI THIỆU
Kỹ thuật cảm biến là mô đun nghiên cứu và thực hành các phương pháp đo,
các dụng cụ đo các đại lượng không điện như: Đường kính, độ sâu, vận tốc…
Giáo trꢀnh mô đun kỹ thuật cảm biến được biên soạn dựa trên các giáo
trình và tài liệu tham khảo đã có, và giáo trꢀnh này được dùng để giảng dạy và làm
tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành điện công nghiệp, điện dân dụng,
công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Cao đẳng Hàng Hải I. Nội
dung của giáo trꢀnh được trꢀnh bày trong 5 bài như sau:
Bài 1: Đại cương về đo lường các đại lượng không điện
Bài 2: Cảm biến nhiệt độ
Bài 3: Cảm biến mức
Bài 4: Đo vận tốc vòng quay và góc quay
Bài 5: Cảm biến quang điện
Giáo trꢀnh chắc chắn sẽ còn khiếm khuyết; rất mong các thầy cô giáo quan
tâm đóng góp để giáo trꢀnh ngày càng hoàn thiện hơn, đáp ứng được mục tiêu đào
tạo của Mô đun nói riêng và ngành điện tàu thủy cũng như các chuyên ngành kỹ
thuật nói chung.
Hải Phòng, ngày 09 tháng 10 năm 2017
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Đặng Thị Thu Huyền
3
MỤC LỤC
TT
1
Nội dung
Trang
3
Lời giới thiệu
Mục lục
2
4
3
Danh mục bảng, biểu, hình ảnh
Nội dung
5
4
7
Bài 1. Đại cương về đo lường các đại lượng không điện
Bài 2. Cảm biến nhiệt độ
7
12
22
29
38
46
Bài 3. Cảm biến mức
Bài 4. Đo vận tốc vòng quay và góc quay
Bài 5. Cảm biến quang điện
Tài liệu tham khảo
5
4
Danh mục hình vẽ
TT
1
Tên hình vẽ
Trang
15
Hình 2.1. Đặc tính nhiệt a) và đặc tính vôn-ampe của nhiệt điện trở
kim loại b).
2
Hình 2.2. Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vôn_ampe (b) của nhiệt
16
điện trở bán dẫn
3
4
5
6
7
8
9
Hình 2.3. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu
17
17
18
19
20
23
23
Hình 2.4. Một số dạng khác nhau của cặp nhiệt điên
Hình 2.5. Cảm biến nhiệt PT100
Hình 2. 6. Cấu tạo cảm biến nhiệt
Hình 2.7. Modul thí nghiệm cảm biến nhiệt độ
Hình 3.1. Đo mức bằng phương pháp thủy tĩnh kiểu phao
Hình 3.2. Đo mức bằng phương pháp đo chênh áp
a- Sử dụng áp kế; b- Phương pháp vi sai
10 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo mức bằng cảm biến điện
24
dung
1-điện cực; 2-vỏ thùng; MC-mạch cầu; CL-chỉnh lưu
11 Hình 3.4. Cảm biến siêu âm SRF05
25
27
30
31
33
34
36
36
36
37
41
12 Hình 3.5. Thí nghiệm cảm biến mức và điều khiển mức
13 Hình 4.1. Đặc tính ra của máy phát tốc
14 Hình 4.2. Cấu tạo máy phát tốc 1 chiều
15 Hình 4.3. Cấu tạo máy phát tốc xoay chiều
16 Hình 4.4. Cấu tạo tốc kế từ trở
17 Hình 4.5. Cấu tạo tốc độ kế quang
18 Hình 4.6. Động cơ Encoder 448
19 Hình 4.7. Mạch khuếch đại tốc độ kế quang
20 Hình 4.8. Modul thí nghiệm cảm biến tốc độ
21 Hình 5.1. Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lượng của điện
tử
22 Hình 5.2. Vùng phổ làm việc của các vật liệu
42
5
23 Hình 5.3. Đặc tính quang điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ
24 Hình 5.4. Phôtôtranzito
42
43
44
44
46
25 Hình 5.5. Cảm biến quang điện LDR
26 Hình 5.6. Cấu tạo Quang trở
27 Hình 5.7. Modul thí nghiệm cảm biến quang điện
6
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN
Tên mô đun: Kỹ thuật cảm biến
Mã mô đun: MĐ.6510305.12; MĐ.6520227.13; MĐ.6520226.14
Thời gian của mô đun: 60 giờ. (Lý thuyết: 20 tiết; Thực hành: 36 tiết; Kiểm tra: 4
tiết).
Vị trí, ý nghĩa và vai trò của mô đun:
- Vị trí mô đun: Mô đun được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học
chung, các môn học/ mô đun: An toàn lao động; Mạch điện; Vật liệu điện; Vẽ kỹ
thuật; Vẽ điện; Kỹ thuật điện tử cơ bản; Khí cụ điện hạ thế.
- Tính chất của mô đun: Là mô đun chuyên môn nghề.
- Ý nghĩa, vai trò của mô đun: Mô đun hình thành kỹ năng đo các đại lượng
không điện phục vụ việc đấu mắc, kiểm tra sửa chữa các thiết bị và hệ thống điện.
Mục tiêu của mô đun:
- Kiến thức:
Mô tả được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đo thông dụng: từ
điện, điện từ, điện động, cảm ứng
Phân tích được các phương pháp kết nối mạch điện
- Về kỹ năng:
Bảo quản tốt các loại dụng cụ đo theo các qui định kỹ thuật
Thiết kế được mạch cảm biến dơn giản
Thực hành lắp ráp một số mạch điều khiển thiết bị cảm biến đúng yêu cầu
Sử dụng các dụng cụ đo để đo các đại lượng không điện: đường kính dây
dẫn, tốc độ, độ sâu.
- Năng lực tự chủ: Có tính tỉ mỉ, tuân thủ các nguyên tắc an toàn điện khi sử
dụng các dụng cụ đo lường.
Nội dung của mô đun:
7
BÀI 1: KHꢀI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN
MĐ.6510305.12.01; MĐ.6520227.13.01; MĐ.6520226.14.01
Giới thiệu:
Trong các hệ thống điện nói chung hay điện dân dụng nói riêng, thì việc đo và
chỉ báo các thông số của mạch điện là vô cùng quan trong. Nó giúp cho người thợ
điện có thể biết được tình trạng của các thông số trong hệ thống hiện tại đang ở
trạng thái bình thường hay sự cố. Việc đo và chỉ báo đó được thực hiện nhờ các
loại đồng hồ đo khác nhau. Nhưng nếu xét về mặt nguyên lý thì hầu hết các loại
đồng hồ đo đó đều được chế tạo từ một số loại cơ cấu đo cơ bản như: Cơ cấu đo
điện từ, cơ cấu đo từ điện, cơ cấu đo điện động, cơ cấu đo cảm ứng. Việc hiểu,
nắm bắt được các lợi cơ cấu đo cơ bản và một số các khái niệm ban đầu về đo
lường điện là tiền đề tối cần thiết sẽ giúp tiếp thu tốt các bài sau.
Mục tiêu:
- Giải thích được nguyên lý cấu tạo và làm việc của các cơ cấu đo thông dụng:
từ điện, điện từ, điện động, điện động, cảm ứng.
- Phân biệt được dụng cụ đo kiểu trực tiếp, so sánh, đo đại lượng điện, đại
lượng không điện
- Trình bày được các dạng sai số, các thành phần cấu tạo cơ bản của dụng cụ
đo.
- Đọc đúng các ký hiệu trên mặt dụng cụ.
Nội dung chính:
1. Khái quát chung về các bộ cảm biến
Đối tượng đo lường ngoài các đại lượng điện còn có các đại lượng vật lý
không điện như nhiệt độ, áp suất…. Là các đại lượng cần đo x. Sau khi tiến hành
các quá trình thực nghiệm bằng cách sử dụng các phương tiện điện tử để xử lý tín
hiệu, ở đầu ra ta được một đại lượng tương ứng. Sự biến đổi của đại lượng này
chứa tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết x, việc đo lường đại lượng x thực
hiện được là nhờ sử dụng các cảm biến (sensor).
Định nghĩa cảm biến : Cảm biến là một thiết bị dùng để biến đổi từ đại
lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác mang bản chất điện với một độ chính
xác nhất định. Quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào là quan hệ hàm đơn trị.
8
Trong đó : X là đại lượng không điện cần đo.
Y là đại lượng ra (đại lượng điện), là một hàm của đại lượng cần đo.
Y = f(x)
Việc đo lường y sẽ cho phép nhận biết giá trị của x; y = f(x) là dạng lý
thuyết của định luật vật lýbiểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số
biểu diễn sự phụ thuộc của nóvào cấu tạo (kích thước và hình dạng), vật liệu chế
tạo cảm biến, đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi).
Vị trí của cảm biến trong thiết bị đo lường chính là phần chuyển đổi sơ cấp. lĩnh
vực ứng dụng : Cảm biến được sử dụng ở hầu hết các mặt của sản xuất cũng như
đời sống xã hội.
Nguyên tắc : Cảm biến thường dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một
dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện.
Trong các hệ thống đo lường-điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng
bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen....Các biến trạng thái
này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các
quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên các biến trạng thái
của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này và được định nghĩa theo
nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Để hiểu
rõ về cảm biến ta cần nắm vững một số khái niệm và định nghĩa sau.
1. Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trực tiếp của đại
lượng đo. Phần tử nhạy không có đặc tính riêng. Sai số được han chế bởi sai số của
thiết bị mà nó tham gia.
2. Chuyển đổi đo lường: Là một khâu của thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín
hiệu ra. Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lường là biến đổi và truyền đạt năng lượng.
3. Cảm biến đo lường(phần tử tự động): Là phương tiện (thiết bị) đo thực hiện biến
đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho biến đổi tiếp theo hoặc truyền
đạt gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu giữ số liệu. Cảm biến có đặc tính đo lường
học, thực hiện ở dạng độc lập, có độ chính xác cao theo mô hình mạch điện, cảm
biến được coi như một mạng hai cửa: cửa vào là biến trạng thái cần đo x, cứa ra là
đáp ứng y
Phương trình được mô tả dưới dạng hàm số: y = f(x)
2. Phân loại cảm biến
- Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tượng
Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
9
Hiện tượng vật lý
Nhiệt điện , quang điện , quang từ , điện từ,
quang đàn hồi , từ điện , nhiệt từ,…
Hóa học
Sinh học
Biến đổi hoá học , Biến đổi điện hoá , Phân tích
phổ,…
Biến đổi sinh hoá , Biến đổi vật lý , Hiệu
ứng trên cơ thể sống,…
- Theo dạng kích thích
Kích thích
Các đặc tính của kích thích.
-Biên pha, phân cực-Phổ-Tốc độ truyền
sóng…
Âm thanh
Điện
Từ
-Điện tích, dòng điện-Điện thế, điện áp-Điện
trường-Điện dẫn, hằng số điện môi…
-Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường-Độ
từ thẩm…
Cơ
-Vị trí-Lực, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ứng suất,
độ cứng-Mômen -Khối lượng, tỉ trọng-
Độ nhớt…
Quang
Nhiệt
-Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ…
-Nhiệt độ-Thông lượng-Tỷ nhiệt…
-Kiểu-Năng lượng-Cường độ…
Bức xạ
- Theo tính năng
+ Độ nhạy
+ Khả năng quá tải
+ Tốc độ đáp ứng
+ Độ ổn định
+ Độ chính xác
+ Độ phân giải
+ Độ tuyến tính
+ Tuổi thọ
+ Công suất tiêu thụ
+ Dải tần
+ Điều kiện môi trường
+ Kích thước,trọng lượng
+ Độ trễ
- Theo phạm vi sử dụng
+ Công nghiệp
+ Nông nghiệp
10
+ Nghiên cứu khoa học
+ Môi trường, khí tượng
+ Dân dụng
+ Giao thông vận tải...
+ Thông tin, viễn thông
- Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế
+ Cảm biến tích cực (có nguồn) : Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng
+ Cảm biến thụ động (không có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chúng
cần có thêm nguồn năng lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, còn loại cực
tính thì không cần. Được đặc trưng bằng các thông số: R, L, C...tuyến tính hoặc
phi tuyến.
3. Các tham số cơ bản
Phần lớn các tham số cơ bản của cảm biến được xác định dựa trên đặc tính
điều khiển của phần tử. Vì vậy các phần tử có các dạng đặc tính khác nhau sẽ được
đặc trưng bằng những tham số khác nhau. Ở đây chúng ta có thể dựa theo hai dạng
đặc tính điều khiển để khảo sát tham số của chúng:
Các phần tử có đặc tính điều khiển liên tục (các cảm biến, phần tử nhạy cảm,
khuếch đại) được đặc trưng bằng các tham số như: hệ số biến đổi (hệ số truyền),
giá trị giới hạn của đại lượng vào và ra, hệ số truyền công suất, trị số trở kháng vào
và ra của phần tử.
Đặc tính điều khiển liên tục Y = f (X) của phần tử đi qua gốc toạ độ đều có
thể được biểu diễn dưới dạng Y = KbX; ở đây Kb là hệ số biến thiên được gọi là hệ
số truyền.
Hệ số truyền của một PTTĐ : là Kb.
Y
Kb
(1.1)
X
Người ta còn dùng hệ số truyền vi phân của phần tử, nó là giới hạn của tỉ số
giữa số gia đại lượng ra và đại lượng vào.
ΔΥ dY
K lim
Δx 0
(1.2)
ΔΧ dX
11
BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
MĐ.6510305.12.02; MĐ.6520227.13.02; MĐ.6520226.14.02
Giới thiệu
Cảm biến nhiệt độ được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật,
vì cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến tính chất của vật chất, nhiệt độ có
thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó, ví dụ như áp suất, thể
tích chất khí ... v.v.
Cảm biến nhiệt độ rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh
vực nghiên cứu khoa .Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình
thường cũng như đặc biệt.
Mục tiêu
- Trình bày được cấu tạo, đặc tính của các loại cảm biến theo nội dung
đã học
- Thực hiện được các mạch cảm biến theo đúng yêu cầu kỹ thuật
- Rèn luyện tính tỷ mỷ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
Nội dung chính
1. Đại cương cảm biến nhiệt độ
1.1. Cơ sở vật lý
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được sử dụng rộng rãi không những đo nhiệt độ
mà còn đo các đại lượng không điện khác như: tốc độ lưu chất, xác định nồng độ
và thành phần của chất khí…..
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên quá trình nhiệt (đốt
nóng, làm lạnh và trao đổi nhiệt) mà đại lượng cần đo là nhiệt độ.
Khi nhiệt độ thay đổi làm thay đổi tính chất vật lý của vật thể, các tính chất đó
được sử dụng để thiết kế chế tạo các cảm biến nhiệt độ.
Quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và khối lượng đối với chất khí được mô tả
bằng phương trình Va_dec_val:
a
1
p
V b1 R.
(2.1)
V
Trong đó: V - Khối lượng; R- hệ số tỷ lệ
p - Áp suất;
- nhiệt độ
12
a1, b1 - hằng số phụ thuộc vào tính chất của vật chất, không phụ
thuộc vào trạng thái và điều kiện mà các chất đi qua.
Trong thực tế khi đo nhiệt độ thường xảy ra với áp suất nhỏ và được mô tả
bằng phương trình Bertlo:
a
(2.2)
p.V R. p b
2
R.
Trong đó: a, b, R - thông số đặc trưng cho chất đo nhiệt độ (khí, lỏng, rắn….)
1.2. Cơ sở tính toán
Phương trình cơ bản của cảm biến nhiệt độ là phương trình cân bằng nhiệt
Qv = Qt + Qc
(2.3)
Trong đó:
Qv: nhiệt lượng đưa vào cảm biến
Qt: nhiệt lượng tỏa ra môi trường
Qc: nhiệt lượng được duy trì ở cảm biến
Trong trường hợp chung sự suy giảm nhiệt độ giữa các phần của hệ thống và môi
trường là do sự trao đổi nhiệt. Sự trao đổi nhiệt có thể thực hiện do nhiệt dẫn, đối
lưu và bức xạ nhiệt.
Nhiệt lượng toàn phần được biểu diễn bởi công thức:
qt = qn + qk + qb
(2.4)
qn : nhiệt lượng do nhiệt dẫn
qk : nhiệt lượng do đối lưu
qb :nhiệt lượng do bức xạ
1.3. Thang nhiệt độ
Đơn vị nhiệt độ được phân thành ba thang đo (bảng 2.1):
Bảng 2.1
Tên thang đo
Ký
hiệu
Đơn vị
Quan hệ
1
Nhiệt độ bách
phân(celsius)
T
T
0C
Nhiệt độ tuyệt đối
0K
T = t + 273,15
(Kenvin)
13
0F
9
Nhiệt độ Fahrenheit
F
f t 32 1,8t 32
5
2. Cảm biến nhiệt điện trở
2.1. Khái niệm chung và phân loại
Nhiệt điện trở là điện trở có hệ số nhiệt điện trở lớn
R = f(t0)
(2.5)
Ưu điểm cơ bản của nhiệt điện trở là đơn giản độ nhạy cao, ổn định dài hạn.
Tuỳ thuộc tác dụng nhiệt dòng điện cung cấp chảy qua, người ta phân thành nhiệt
điện trở bị đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng.
Với nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chảy qua rất nhỏ không làm
tăng nhiệt độ của cảm biến do vậy nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường xung quanh.
Cảm biến được dùng đo nhiệt độ môi trường.
Trong cảm biến nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện qua cảm biến có trị số lớn
làm cho nhiệt độ của bản thân lớn hơn nhiệt độ môi trường xung quanh. Sự trao đổi
nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước hình học, trạng thái bề mặt, hình
dáng, tính chất vật lý của cảm biến và môi trường xung quanh.
Ngoài cách phân loại trên, cảm biến nhiệt điện trở còn được phân loại theo
cấu trúc của vật lý như nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn .
2.2. Nhiệt điện trở kim loại.
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì việc chế tạo nó thích hợp hơn cả là sử dụng
các kim loại nguyên chất như: platin, đồng, niken. Để tăng độ nhạy cảm nên sử
dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt. Tuy nhiên tùy thuộc
vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta có thể sử dụng nhiệt điện trở loại này hay
khác. Cụ thể: nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn bằng đồng thường làm việc trong
khoảng nhiệt độ từ -500 1500C với hệ số nhiệt điện trở = 4,27.10-3 ; Nhiệt điện
trở từ dây dẫn platin mảnh làm việc trong khoảng nhiệt độ -1900 6500C với =
1
3,968.10-3
; Nhưng khi làm việc ngắn hạn, cũng như khi đặt điện trở nhiệt
0
C
trong chân không hoặc khí trung tính thì nhiệt độ làm việc lớn nhất của nó có thể
còn cao hơn.
Cấu trúc của nhiệt điện trở kim loại bao gồm: dây dẫn mảnh kép đôi quấn trên
khung cách điện tạo thành phần tử nhạy cảm, nó được đặt trong chiếc vỏ đặc biệt
có các cực đưa ra. Giá trị điện trở nhiệt được chế tạo từ 10100.
14
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ có dạng
sau:
R() = R0(1+. +.2+.3+...)
Trong đó : R0 -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ ban đầu 00C.
R -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ .
-nhiệt độ [0C]
(2.6)
R
U
10
®ång
5
platin
I
0
20
40 60 K
0
a)
b)
Hình 2.1. Đặc tính nhiệt a) và đặc tính vôn-ampe
của nhiệt điện trở kim loại b).
1
,, -các hệ số nhiệt điện trở = const.
0
C
2.3. Nhiệt điện trở bán dẫn.
Nhiệt điện trở được chế tạo từ vật liệu bán dẫn được gọi là termistor; Chúng
được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển.
Termistor được chế tạo từ hợp kim của đồng - măng gan hoặc cô ban - măng gan
dưới dạng thỏi, đĩa tròn hoặc hình cầu. Loại này hoàn toàn trái ngược với nhiệt
điện trở kim loại: khi nhiệt độ tăng thì điện trở của nó lại giảm theo quy luật:
2 2
α θ
R() = R0.e- = R0(1- +
)
(2.7)
2
Trong đó hệ số nhiệt điện trở của termistor thường có giá trị
1
= (0,03 0,06).
0
C
Điện trở suất của termistor được tính theo công thức:
15
= A.eB/
(2.8)
Trong đó: A -hằng số phụ thuộc kích thước của termistor
B -hằng số phụ thuộc tạp chất trong chất bán dẫn
Cũng như điện trở nhiệt kim loại, termistor cũng có hai đặc tính: Đặc tính
nhiệt là quan hệ giữa điện trở của termistor với nhiệt độ (hình 6.2a) và đặc tính vôn
- ampe là quan hệ giữa điện áp đặt trên termistor với dòng điện chạy qua nó ứng
với nhiệt độ nào đó 0 (hình 6.2.b). Chúng ta thấy rằng đặc tính vôn - ampe của
termistor có giá trị cực đại của U ứng với I1 nào đó, là do khi tăng dòng lớn hơn I1
thì nó sẽ nung nóng termistor và làm cho giá trị điện trở của nó giảm xuống.
U
R []
03 > 02 > 01
1200
1000
01
800
600
02
b)
a)
Hình 2.2. Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vôn_ampe (b)
Của nhiệt điện trở bán dẫn
3. Cặp nhiệt ngẫu
3.1. Nguyên lý hoạt động
16
C
2
t0
2
t0
3
t0
A
B
A
B
t
1
1
Hình 2.3. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu
Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là một mạch gồm hai thanh dẫn điện A và B.Khác
nhau về bản chất vật lý. Chỗ nối giữa hai thanh kim loại này được hàn với nhau.
Nếu nhiệt độ các mối hàn t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có một dòng
điện chạy qua. Chiều của dòng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tuơng ứng
của mối hàn, nghĩa là t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để hở
một đầu thì giữa hai cực xuất hiện một sức điện động (sđđ) nhiệt. Như vậy bằng
cách đo sđđ ta có thể tìm được nhiệt độ t của đối tượng đo với t0 = const.
3.2. Vật liệu chế tạo cặp nhiệt
Vật liệu chế tạo cặp nhiệt cần có sức điện động nhiệt điện lớn, giữ được độ
bền khi bị đốt nóng ở nhiệt độ cao, điện dẫn lớn, hệ số nhiệt độ nhỏ, có tính chất
nhiệt độ ổn định. Khi chế tạo cặp nhiệt cần tránh gây nên sai số do sức điện động
nhiệt ký sinh do dây gấp khúc, mối hàn có kích thước lớn…
Dây cặp nhiệt được đặt trong ống sứ cách điện, bên ngoài là một lớp vỏ bọc
kín, vỏ thường làm bằng thép như hình 2.4
1 2
3
Hình 2.4. một số dạng khác nhau của cặp nhiệt điên
3.3. Các nguyên nhân gây sai số
1. Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi
17
Bình thường cặp nhiệt được khắc độ ở nhiệt độ chuẩn 00C. Khi sử dụng, đầu
tự do đặt ở môi trường bên ngoài khác với nhiệt độ chuẩn, do vậy gây nên sai số
quá trình đo.
2. Sai số do điện trở dây nối thay đổi
Đường dây nối cặp nhiệt từ vị trí đo đén thiết bị đo thường ở khoảng cách 5
10m. Các dây nối có điện trở Rd, dòng điện qua mạch điện:
E0
I
(2.9)
RND Rd Rv
trong đó: E0 - sức điện động; Rv - điện trở của thiết bị đo (mV); RND - điện trở cặp
nhiệt; Rd - điện trở dây nối
Điện áp rơi trên thiết bị đo: Uv = E0 – I(RND + Rd )
Ta thấy (RND + Rd ) không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Thông thường: (RND +
Rd ) được quy chuẩn 5 10. Để đạt được độ chính xác cao trong quá trình đo Rv
cần lớn hơn 40 50 lần điện trở (RND + Rd ).
Ngoài các sai số trên càn có các sai số do đặt vị trí không đúng, diện tích tiếp
xúc quá nhỏ.v.v...
4. Thực hành với bộ thí nghiệm cảm biến nhiệt độ
Bước 1: Chuẩn bị các thiết bị
- Cảm biến nhiệt PT100
Hꢀnh 2.5: Cảm biến nhiệt PT100
- Kiểm tra các thông số kĩ thuật
+ Dải đo nhiệt độ : -200◦C - 450◦C
+ Tại 0◦C giá trị điện trở của cảm biến là 100Ω ,tăng 1◦C điện trở cảm biến
tăng 0,39Ω.Chi tiết bảng giá trị điện trở tương ứng nhiệt độ dưới đây:
18
+ Cấu tạo :
- Thiết bị phụ trợ
+ Mạch vi điều khiển đo,hiển thị và điều khiển nhiệt độ
+ Lò nhiệt độ và quạt chip làm mát
+ Lcd 20x4 hiển thị nhiệt độ và các giá trị Kp,Ki,Kd
+ Keypad để cài đặt nhiệt độ và thông số giá trị Kp,Ki,Kd
- Modul thí nghiệm
Bước 2: Cấp nguồn cho mạch điều khiển : +5v +5v, Gnd Gnd
Bước 3: Cấp nguồn cho mạch động lực : +220v +220v, Gnd Gnd
Bước 4: Kết nối với lò nhiệt ngoài : 2 dây màu vàng PT100
2 dây đầu cắm màu đen dài bằng nhau Tải
2 dây còn lại Quạt
Nguyên lý hoạt động
Đầu đo nhiệt PT100 được để trong không gian lò nhiệt sẽ cho ta giá trị điện trở
19
tương ứng với nhiệt độ.Vi điều khiển có nhiệm vụ đọc giá trị đó chuyển đổi ADC
tương ứng và hiển thị lên LCD.
Điều khiển lò nhiệt theo luật điều khiển PID và điều chế độ rộng xung PWM
sẽ cho ta giá trị nhiệt độ theo nhiệt độ đặt.
Đặt nhiệt độ và giá trị Kp,Ki,Kd bằng keypad
Setting : cài đặt
“-” : giảm giá trị
“+”
: tăng giá trị
<< : xuống dòng điều khiển LCD
>> : lên xuống dòng điều khiển LCD
Ok : lựa chọn thông số cài đặt và kết thúc quá trình cài đặt
RST : reset mặc định về giá trị ban đầu
Hình 2.7. Modul thí nghiệm cảm biến nhiệt độ
Bước 5: Kiểm tra đọc kết quả
Khi ta cấp nguồn nhiệt độ trong lò sẽ tăng dần và dần ổn định xấp xỉ nhiệt độ đặt.
Nhiệt độ nhanh lên nhanh hay chậm là do 3 thông số Kp,Ki,Kd.Khi ta cài đặt giá
trị nhiệt độ mới mà vẫn giữ cho nhiệt độ ổn định xấp xỉ nhiệt độ đặt.
=> Thí nghiệm thành công
20
Tải về để xem bản đầy đủ
46 trang
26/03/2022
6501
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình mô đun Kỹ thuật cảm biến - Nghề: Điện công nghiệp, điện dân dụng, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_mo_dun_ky_thuat_cam_bien_nghe_dien_cong_nghiep_di.pdf
