Bài giảng Tự động hoá thiết bị điện-Thiết bị lập trình

2.1 Phạm vi cảm nhận hoặc khoảng cách cảm nhận. 2.2 Sai số. ) Sai số do mắt trễ ) Sai số về độ phân giải ) Sai số do tuyến tính hoá 2. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 2.1. Phạm vi cảm nhận ) Là giới hạn cảm nhận của cảm biến đối với đại l−ợng vật lý cần đo. ) Ví dụ: )Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo. Do đó trong khoảng giới hạn nhiệt độ trên vμ d−ới, mối quan hệ nμy cần phải tuyến tính. Vùng tuyến tính đó đ−ợc gọi lμ phạm vi cảm nhận. )Đối với cảm biến tiệm cận lμ khoảng giới hạn trên vμ d−ới mμ cảm biến có thể phát hiện ra đối t−ợng, lμm cho đầu ra chuyển tín hiệu một cách chắc chắn. Thiết bị lập trình 3 t U Cao Thấp Đặc tính ra của một điện trở nhiệt (RTD) Đối t−ợng Cảm biến Sn: Khoảng cách cảm nhận của cảm biến tiệm cận ? Sai số do mắt trễ tín hiệu ) Sự khác biệt lớn nhất giữa giá trị đầu ra đo đ−ợc với giá trị đầu ra lý thuyết khi tín hiệu đầu vμo tăng hoặc giảm. 2.2. Sai số t V Mắt trễ của điện trở nhiệt (RTD) Dải nhiệt độ ứng với điện áp V1 Dải điện áp ứng với t1 t1 Thiết bị lập trình 4 ? Sai số do độ phân giải )Độ phân giải: Lμ sự thay đổi lớn nhất của đại l−ợng vật lý cần đo mμ không gây ra sự thay đổi về tín hiệu đầu ra của cảm biến. Độ phân giải của điện trở nhiệt (RTD) với đầu ra số t Độ phân giải +/- 0.25oC ? Sai số do tuyến tính hoá ) Với một sensor lí t−ởng thì tín hiệu đầu vμo luôn tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu đầu ra. Nh−ng trên thực tế để có tín hiệu đo tuyến tính, ng−ời ta luôn phải tiến hμnh tuyến tính hoá. Điều nμy sẽ tạo ra sai số của tín hiệu p V Tuyến tính hoá trong cảm biến áp suất caothấp thấp cao dải đo đ−ờng cong thực tế đ−ờng cong lí t−ởng sai số lớn nhất Thiết bị lập trình 5 3. Nguyên lý lμm việc của một số cảm biến 3.1 Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF). ) Công tắc giới hạn hμnh trình. ) Cảm biến tiệm cận. 3.2 Các cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi (transducer) 3.3 Một số cảm biến ví trí ?Công tắc giới hạn hành trình. ) Các kí hiệu điện ) Nguyên lý lμm việc ) Kiểu tác động tức thời ) Kiểu tác động có trễ ) Bố trí tiếp điểm ) Các kí hiệu điện Tiếp điểm th−ờng hở (NO) Khi mở Khi đóng Tiếp điểm th−ờng kín (NC) Khi đóng Khi mở 3.1. Các cảm biến đóng cắt dạng ON - off Thiết bị lập trình 6 ĐT ) Nguyên lí làm việc Hμnh trình nhả Độ sai lệch giữa hai vị trí Vị trí nhả Quãng đ−ờng chuyển độngVị trí đóng Quãng đ−ờng dự trữ phần chấp hμnh phần đầu phần thân ) Kiểu tác động tức thời Tiếp điểm th−ờng đóng Tiếp điểm th−ờng hở Trục động Tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm động Lò xo phản hồi Lò xo chốt Đặc điểm ) Khi phần chấp hμnh bị tác động, lò xo chốt sẽ trữ năng l−ợng, đến vị trí đóng lò xo chốt giải phóng năng l−ợng Thiết bị lập trình 7 ) Kiểu tác động có trễ Đặc điểm ) Tiếp điểm NO đóng tr−ớc, tiếp điểm NC bị ngắt sau Đóng tr−ớc khi ngắt Ngắt tr−ớc khi đóng Đặc điểm ) Tiếp điểm NC bị ngắt tr−ớc, tiếp điểm NO đóng sau Đặc điểm chung ) Tạo ra một khoảng thời gian trễ đủ nhỏ giữa hai loại tiếp điểm Trục động Tiếp điểm động Lò xo phản hồi Tiếp điểm tĩnh ) Bố trí tiếp điểm (SPDT) (DPDT) Thiết bị lập trình 8 ? Cảm biến tiệm cận. )Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity) )Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity) )Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity) )Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity) ) Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity) & Lμ loại cảm biến sử dụng tr−ờng điện-từ để phát hiện đối t−ợng bằng kim loại. & Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC Phân loại: & Theo chức năng đ−ợc chia ra lμm hai loại: PNP (sourcing) vμ NPN (sinking) )Nguyên lí hoạt động: Tr−ờng điện từ Cuộn dây tạo từ tr−ờng Bộ dao động Bộ điều chỉnh điện áp Đầu ra tải Thiết bị lập trình 9 &Nối dây cho loại PNP (sourcing): Tải PNP transistor &Nối dây cho loại NPN (sinking): NPN transistor Tải Thiết bị lập trình 10 Tải Tải Tải Loại 2 dây PNP Loại 3 dây PNP Loại 4 dây PNP Cấu hình cảm biến loại transistor PNP 2 dây song song 3 dây 2 dây nối tiếp 3 dây Thiết bị lập trình 11 & Theo khoảng cách đ−ợc chia ra lμm hai loại: có bảo vệ (shielded) vμ không bảo vệ (unshielded) Bề mặt sensor Có bảo vệ Không bảo vệ Nhận xét: ) Khoảng cách cảm nhận từ 0.6 - 20 (mm) ) Tiệm cận điện cảm phụ thuộc vμo một số yếu tố sau của đối t−ợng: & Hình dáng đối t−ợng & Độ dầy của đối t−ợng & Vật liệu của đối t−ợng ) Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity) & Lμ loại cảm biến sử dụng tr−ờng tĩnh điện để phát hiện đối t−ợng bằng kim loại vμ phi kim loại. & Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC Phân loại: & Theo chức năng đ−ợc chia ra lμm hai loại: PNP (sourcing) vμ NPN (sinking) & Tất cả cảm biến điện dung của siemens đều có bảo vệ (shielded) Bề mặt sensor Đối t−ợng Thiết bị lập trình 12 )Nguyên lí hoạt động: Nhận xét: ) Khoảng cách cảm nhận từ 5 - 20 (mm) ) Có khả năng phát hiện mức chất lỏng xuyên qua thùng trong suốt (Chất lỏng phải có hằng số điện môi cao hơn vỏ thùng) ) Môi tr−ờng lμm việc phải khô, bởi vì khi có chất lỏng trên bề mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác động nhầm. Thiết bị lập trình 13 Hằng số điện môi của một số vật liệu ) Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity) & Lμ loại cảm biến sử dụng bộ thu phát tín hiệu siêu âm, tần số cao. a/ Nguyên lí lμm việc b/ Đặc điểm c/ Các chế độ hoạt động d/ ảnh h−ởng của môi tr−ờng Thiết bị lập trình 14 Nguyên lí lμm việc Vùng mù: & Vùng này tồn tại ngay phía tr−ớc cảm biến, tuỳ theo loại cảm biến mà vùng mù này có khoảng cách chừng 6 - 80 cm. Nếu đối t−ợng đ−ợc đặt trong vùng này sẽ khiến cho trạng thái đầu ra không ổn định. Đặc điểm Thiết bị lập trình 15 Các cảm biến đặt song song: & Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận đ−ợc đặt song song với nhau. Đối t−ợng đặt vuông góc với nguồn âm. Vậy khoảng cách giữa các cảm biến đ−ợc xác định thông qua khoảng cách cảm nhận. & Ví dụ nếu khoảng cách cảm nhận là 6 cm, thì khoảng cách giữa các cảm biến là 15 cm. Khoảng cách X (cm) cảm nhận (cm) 6-30 > 15 20-130 > 60 40-300 > 150 60-600 > 250 80-1000 > 350 Nhiễu giao nhau giữa các cảm biến & Nhiễu xảy ra khi các cảm biến đ−ợc đặt gần nhau, chùm phản xạ của cảm biến này lại tác động đến cảm biến khác & Trong tr−ờng hợp này khoảng cách X cần đ−ợc xác định thông qua thử nghiệm. Thiết bị lập trình 16 Khoảng cách tối thiểu cho hai cảm biến đặt đối nhau & Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận đ−ợc đặt đối diện nhau. Khoảng cách X đ−ợc xác định sao cho 2 cảm biến không gây nhiễu cho nhau. Khoảng cách X (cm) cảm nhận (cm) 6-30 > 120 20-130 > 400 40-300 > 1200 60-600 > 2500 80-1000 > 4000 Góc nghiêng: & Góc nghiêng giữa đối t−ợng với ph−ơng truyền sóng phải đ−ợc cân nhắc khi lắp đặt. Nếu góc nghiêng quá lớn sóng phản xạ có thể không đến đ−ợc cảm biến. Thiết bị lập trình 17 Đối với chất lỏng vμ vật liệu d−ới dạng hạt: & Đối với chất lỏng (ví dụ n−ớc) giới hạn góc nghiêng ở 3o & Đối với vật liệu d−ới dạng hạt thì góc nghiêng có thể lớn tới 45o. Loại bỏ đối t−ợng nhiễu: & Một đối t−ợng nhiễu bất kì có thể nằm trong phạm vi cảm nhận của cảm biến. Điều này sẽ gây ra tác động nhầm của cảm biến. Để loại bỏ đối t−ợng nhiễu ng−ời ta dùng một loại vật liệu có khả năng hấp thụ âm, chỉ để lại một khe hở khiến cho nguồn âm không thể tới đối t−ợng nhiễu đ−ợc. Đối t−ợng nhiễu Khe hở Vật liệu hấp thụ âm Thiết bị lập trình 18 Các chế độ hoạt động: & Khuếch tán & Phản xạ & Xuyên suốt Khuếch tán: & Đây là chế độ làm việc phổ biến của cảm biến siêu âm. Khi đối t−ợng bị phát hiện trong phạm vi cảm nhận thì cảm biến sẽ chuyển trạng thái đầu ra, chế độ này hoạt động nh− một cảm biến tiệm cận. Phạm vi cảm nhận Phản xạ: & Trong chế độ này có dùng thêm một bộ phản xạ đ−ợc đặt trong vùng làm việc. Bộ phản xạ đ−ợc điều chỉnh sao cho các sóng âm sau khi đập vào bộ phản xạ sẽ quay trở về cảm biến. Khi đối t−ợng cần phát hiện cản trở sóng phản xạ thì cảm biến sẽ tác động. & Bộ phản xạ th−ờng đ−ợc dùng khi đối t−ợng có hình dạng đặc biệt, hoặc hấp thụ âm thanh. Thiết bị lập trình 19 Đối t−ợng có hình dạng đặc biệt Đối t−ợng hấp thụ âm Xuyên suốt: & Trong chế độ này ng−ời ta sử dụng hai bộ thu phát riêng biệt, khi chùm âm bị gián đoạn bởi đối t−ợng thì đầu ra cảm biến sẽ thay đổi trạng thái. Bộ phát Bộ thu Thiết bị lập trình 20 ảnh h−ởng của môi tr−ờng: Nhiệt độ: Nhiệt độ cao gây ảnh h−ởng tới chế độ lμm việc của cảm biến, thông th−ờng đối với cảm biến siêu âm đều có bù nhiệt độ áp suất: Khi áp suất thay đổi ±5% so với áp suất mặt n−ớc biển, thì tốc độ âm thay đổi khoảng ±0,6%. Khi cảm biến đặt cao hơn mực n−ớc biển 3 km thì tốc độ âm giảm 3,6%. Cần điều chỉnh khoảng cách cảm biến cho hợp lí. Chân không: Trong môi tr−ờng nμy thì cảm biến không hoạt động đ−ợc. Độ ẩm: Khi độ ẩm tăng thì tốc độ âm tăng Tốc độ gió: < 50km/h, cảm biến không bị ảnh h−ởng; 50- 100km/h, cảm biến lμm việc không chắc chắn; > 100km/h, cảm biến không lμm việc đ−ợc Thời tiết: M−a nhỏ vμ tuyết nhỏ không ảnh h−ởng tới hoạt động của cảm biến. Tuy nhiên bề mặt của bộ chuyển đổi nên đ−ợc giữ khô ráo. Lớp s−ơng mù: Nói chung lμ không có ảnh h−ởng gì tới cảm biến, tuy nhiên không nên để chúng đọng trên bề mặt bộ chuyển đổi. Bụi: Môi tr−ờng bụi lμm giảm phạm vi cảm nhận của cảm biến xuống 25-33% Thiết bị lập trình 21 Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity) Lμ loại cảm biến sử dụng chùm tia sáng đ−ợc điều biến. Cấu tạo cảm biến gồm một thiết bị phát vμ một thiết bị thu Đặc điểm: 1/ Chùm tia sáng đ−ợc điều biến 2/ Hệ số khuếch đại ánh sáng 3/ Kí hiệu Công nghệ tiệm cận quang học 1/ Xuyên suốt 2/ Xuyến suốt tích cực 3/ Phản xạ 4/ Phản xạ tích cực 5/ Lọc phân cực với các đối t−ợng phản quang 6/ Khuếch tán Các chế độ lμm việc 1/ Chế độ tối 2/ Chế độ sáng Chùm tia sáng đ−ợc điều biến: Mục đích làm tăng khoảng cách cảm nhận và giảm ảnh h−ởng của ánh sáng môi tr−ờng. ánh sáng điều biến là một chùm xung có tần số từ 5kHz đến 30 kHz. Nguồn sáng dùng trong các cảm biến loại này có phổ sáng từ ánh sáng xanh nhìn đ−ợc tới ánh sáng hồng ngoại không nhìn đ−ợc. Tiêu biểu là nguồn sáng từ LED. Thiết bị lập trình 22 Hệ số khuyếch đại ánh sáng: Hệ số khuyếch đại ánh sáng là l−ợng ánh sáng phát ra v−ợt quá l−ợng yêu cầu của thiết bị thu. Trong môi tr−ờng sạch thì hệ số này bằng hoặc lớn hơn 1 là đủ l−ợng yêu cầu của thiết bị thu. Môi tr−ờng càng ô nhiễm thì hệ số này càng cao, do một phần ánh sáng phát ra sẽ bị môi tr−ờng này hấp thụ. Tuy nhiên hệ số càng cao thì khoảng cách cảm nhận thực tế càng giảm. Hệ số khuyếch đại Khoảng cách cảm nhận Thiết bị lập trình 23 Kí hiệu: Khuếch tán Khuếch tán dùng tấm chắn Phản xạ Xuyên suốt Khuếch tán đầu ra t−ơng tự Cảm biến dùng sợi quang Cảm biến mầu Cảm biến vạch mầu Cảm biến khe hẹp Xuyên suốt: & Công nghệ nμy sử dụng phần phát vμ phần thu riêng biệt, hai phần nμy đ−ợc bố trí sao cho phần thu có thể nhận đ−ợc tối đa chùm xung ánh sáng từ phần phát & Nếu vì lí do gì đó mμ chùm tia sáng không tới đ−ợc phần thu, thì đầu ra của phần thu sẽ thay đổi trạng thái. & Thích hợp đối với những vật chắn sáng vμ phản quang & Phạm vi cảm nhận lên tới 90 m (300 feet) Thiết bị lập trình 24 Xuyên suốt tích cực: & Đối t−ợng đ−ợc phát hiện khi cắt chùm tia tích cực. & Chùm tia tích cực có độ rộng bằng đ−ờng kính thấu kính phát và thấu kính thu & Kích th−ớc nhỏ nhất của đối t−ợng bằng với độ rộng chùm tia Phát Thu Phát Đối t−ợng Phát Thu Chùm tia tích cực Thu Chùm tia tích ực Phản xạ: & Công nghệ này gắn phần phát với phần thu trên cùng một bộ. Khi ánh sáng phát ra từ phần phát gặp mặt phản xạ sẽ quay trở lại phần thu. & Nếu có bất kì đối t−ợng nào chắn ngang đ−ờng truyền sáng thì đầu ra của cảm biến sẽ chuyển trạng thái & Phạm vi cảm nhận tối đa cỡ 10 m (35 feet) Phát Thu Đối t−ợng Thiết bị lập trình 25 Phản xạ tích cực: & Chùm sáng tích cực phát ra từ thấu kính phát có độ rộng phù hợp với bề mặt phản xạ. & Kích th−ớc tối thiểu của đối t−ợng bằng với bề mặt phản xạ & Mặt phản xạ: Mặt phản xạ t−ơng ứng với từng kiểu cảm biến phản xạ, có thể hình tròn, hình vuông hoặc dải băng. Khoảng cách cảm nhận tuỳ thuộc vào việc sử dụng bề mặt phản xạ . Phát chùm tia tích cực Mặt phản xạ Lọc phân cực đối với đối t−ợng phản quang: & Đối với cảm biến phản xạ việc phát hiện đối t−ợng phản quang là không thể, do cảm biến không phân biệt đ−ợc chùm sáng phản hồi từ đối t−ợng hay từ bề mặt phản xạ. & Để có thể phát hiện đ−ợc ng−ời ta dùng thêm bộ lọc phân cực đặt phía tr−ớc thấu kính phát và thu Chùm sáng ch−a phân cực Thấu kính Lọc phân cực Chùm sáng phân cực Mặt phản xạ Chùm sáng phân cực Thiết bị lập trình 26 Cảm biến khuếch tán & Công nghệ này cũng gắn phần phát và thu trên cùng một bộ. Chùm sáng phát ra đập vào đối t−ợng và bị khuếch tán d−ới các góc khác nhau, nếu phần thu nhận đ−ợc đủ ánh sáng thì đầu ra cảm biến thay đổi trạng thái & Để nâng cao hiệu quả ng−ời ta dùng công nghệ tấm chắn trong cảm biến khuếch tán. Khoảng cách càng lớn thì góc phản xạ ánh sáng càng hẹp. Bằng cách sử dụng tấm chắn PSD ng−ời ta có thể thu đ−ợc ánh sáng từ các góc độ khác nhau. & PSD: Position Senser Detector Thiết bị lập trình 27 Chế độ lμm việc tối: & Khi cảm biến quang làm việc ở chế độ này, thì đầu ra sẽ chuyển trạng thái khi ánh sáng không tới đ−ợc thiết bị thu. Phát Thu Thu Phát Đối t−ợng Chế độ lμm việc sáng & Khi cảm biến quang làm việc ở chế độ này, thì đầu ra sẽ chuyển trạng thái khi ánh sáng tới đ−ợc thiết bị thu. Phát Thu Thu Phát Đối t−ợng Thiết bị lập trình 28 3.2. một số cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi ? Các ph−ơng pháp chuyển đổi ? Chuyển đổi nhiệt (cảm biến nhiệt độ) ? Chuyển đổi lực (cảm biến lực) ? Chuyển đổi l−u l−ợng (cảm biến l−u l−ợng) ? Chuyển đổi vị trí (Cảm biến vị trí) ? Chuyển đổi tốc độ (Cảm biến tốc độ) Thiết bị lập trình 29 ?Các ph−ơng pháp chuyển đổi. ) Kĩ thuật mạch cầu cân bằng ) Kĩ thuật LVDT (Linear Variable Differential Transformer) ) Kĩ thuật mạch cầu cân bằng. ) Mạch cầu dùng các phần tử điện trở, tuỳ theo cách cấu hình cho cầu cân bằng mμ ta có hai kiểu đo theo dòng hoặc theo áp. ) ở điều kiện bình th−ờng (cầu cân bằng) thì điện áp Uoutput = 0, hoặc không có dòng điện qua cầu (Icầu = 0). ) Cầu điện áp: Lμ mạch cầu có điện áp Uoutput tỉ lệ vớisự thay đổi trở kháng trong mạch cầu. Trên hình bên thì D lμ thiết bị thu thập RD lμ nội trở của nó. Với cầu này thì trị số RD phải rất lớn. Ví dụ nh− trở kháng đầu vào của module PLC. Xét ví dụ hình bên, khi R4 thay đổi làm cầu mất cân bằng. Tỉ lệ của trở kháng trong mạch nh− sau: 4 3 2 1 R R R R = Thiết bị lập trình 30 ) Cầu dòng điện: Nhằm tạo ra sự thay đổi về dòng điện ở đầu ra của cầu cân bằng, giữa 2 điểm A vμ B. Thiết bị thu thập D có nội trở rất thấp. Ví dụ nh− những module PLC khuếch đại dòng có trở kháng vμo thấp. ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + Δ= B43 1 3 DB42 1 2 4 D RR R R1RRR R R1 RUI . Ph−ơng trình dòng ID Trong đó: R4B là trở kháng của R4 khi cầu cân bằng ΔR4: Độ chênh lệch lớn nhất của điện trở nhiệt RD: Trở kháng đầu vào của module thu thập Ví dụ: Mạch cầu dùng điện trở nhiệt có trở kháng 10k. Dùng module khuyếch đại có trở kháng đầu vào 300 Ω, để đo những thay đổi nhỏ về dòng cân bằng. Xác định trị số dòng khi trở kháng của điện trở nhiệt thay đổi 10% Thiết bị lập trình 31 ) Kĩ thuật LVDT (Linear Variable Differential Transformer). LVDT lμ một cơ cấu cơ - điện tạo ra điện áp tỉ lệ với vị trí của lõi biến áp (BA) trong lòng cuộn dây. Vỏ thép không gỉ Vμnh chống nhiễu điện-từ vμ tĩnh điện Cuộn dây Lớp epoxy Lõi Hỗn hợp chống ẩm, ổn định nhiệt ) Nguyên lý lμm việc: Điện áp AC đ−a vào cuộn sơ cấp, tạo ra điện áp cảm ứng trên 2 đầu cuộn thứ cấp. Khi lõi chuyển động làm cho điện áp đầu ra thứ cấp thay đổi. Cuộn thứ cấp cuốn theo 2 chiều ng−ợc nhau, nên điện áp sẽ thay đổi cực tính khi lõi dịch chuyển. Điện áp vμo Điện áp ra Sơ cấp Thứ cấp Thứ cấp Lõi Thiết bị lập trình 32 Điện áp ra Vị trí lõi (%) so với vị trí 0 Vùng tuyến tính Vùng phi tuyến Vùng phi tuyến Vị trí 0% Vị trí 100%Vị trí 100% H−ớng chuyển động Thứ cấp Sơ cấp Điện áp ra ) Hiện nay các máy biến áp LVDT th−ờng kết hợp thêm với các mạch chỉnh l−u để tạo ra điện áp DC Thiết bị lập trình 33 ?Chuyển đổi nhiệt độ (Cảm biến nhiệt). ) Cảm biến nhiệt dùng để đo vμ giám sát sự thay đổi nhiệt độ. Trên thực tế có hai loại chuyển đổi sau: Đo sự thay đổi điện trở nội Đo sự chênh lệch điện áp ) Đầu ra của cảm biến nhiệt có thể d−ới dạng tín hiệu dòng hoặc áp tỉ lệ với nhiệt độ cần đo ) Kiểu 1 th−ờng lμ RTD hoặc Thermistor ) kiểu 2 th−ờng lμ cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt) RTD (Resistance Temperature Detector) (Nhiệt điện trở kim loại) ) RTD đ−ợc chế tạo từ các dây dẫn nhậy cảm với nhiệt độ (phần tử điện trở), vật liệu phổ biến nhất lμ platium, nickel, đồng, nickel-sắt. Chúng đ−ợc đặt trong ống bảo vệ Đối với RTD thì trở kháng tăng tuyến tính với nhiệt độ cần đo, do vậy RTD có hệ số nhiệt d−ơng ) Để đo nhiệt độ, RTD đ−ợc mắc theo kĩ thuật cầu điện trở. Phần tử điện trở Tấm cách điện Vỏ bảo vệ Thiết bị lập trình 34 Cách mắc gây sai số Cách mắc bù sai số. Với điều kiện RL1 = RL2 ) Đối với module RTD của PLC, thì đã có mạch bù sai số, do vậy ta có thể mắc trực tiếp RTD vμo module. ) Trong tr−ờng hợp dùng module t−ơng tự, thì ta cần thiết kế thêm cầu cân bằng, kết hợp với khuếch đại tín hiệu. ) Thermistor (Nhiệt điện trở bán dẫn) ) Thermistor đ−ợc lμm từ các vật liệu bán dẫn, sự thay đổi điện trở của vật liệu tỉ lệ với nhiệt độ trong dải đo. ) Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm, do vậy Thermistor có hệ số nhiệt âm. Mặc dù vậy, cũng có một số thermistor có hệ số nhiệt d−ơng. Thiết bị lập trình 35 ) Từ đ−ờng đặc tính trên, thì thermistor cho ta độ phân giải cao hơn so với RTD. Rất thích hợp với những ứng dụng có dải nhiệt độ hẹp. So sánh 2 loại trên: ) RTD: −u điểm: Tuyến tính trong dải nhiệt độ rộng Đo đ−ợc nhiệt độ cao, dải đo lớn ổn định tốt hơn ở nhiệt độ cao nh−ợc điểm: Độ nhậy kém Giá thμnh cao Bị ảnh h−ởng do rung động, do điện trở tiếp xúc Thiết bị lập trình 36 ) Thermistor: −u điểm: Đáp ứng nhanh Đo đ−ợc nhiệt độ ở dải đo hẹp với độ chính xác cao Không bị ảnh h−ởng của điện trở dây nối Có khả năng chống rung Giá thμnh thấp nh−ợc điểm: ) Khả năng tuyến tính thấp ở dải đo lớn ) Phạm vi đo nhiệt độ hẹp ) Cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt) ) Đ−ợc cấu tạo từ một cặp kim loại, lμm từ vật liệu khác nhau. 2 đầu nối với nhau vμ đặt ở 2 vùng nhiệt độ, sự chênh lệch nhiệt độ tạo ra sức điện động trên 2 đầu cặp nhiệt ngẫu. Kim loại A Kim loại B Nóng Lạnh T1: là nhiệt độ cần đo T2: là nhiệt độ mẫu e Kim loại B Kim loại A Nóng Lạnh Đến PLC Thiết bị lập trình 37 ) Nhiệt độ mẫu chuẩn (lạnh) lμ 0oC, do vậy trong datasheet của cặp nhiệt ngẫu, điện áp đầu ra dựa trên nhiệt độ mẫu 0oC. ) Tuy nhiên trong công nghiệp việc tạo ra 0oC lμ rất bất tiện, cho nên cần phải tiến hμnh bù nhiệt độ mẫu Xét ví dụ: Dùng cặp nhiệt ngẫu loại E, có tín hiệu điện áp đầu ra lμ 16,42 mV, nhiệt độ T2 lμ 46oF, tìm nhiệt độ cần đo T1 (nhiệt độ đúng) Constantan Crôm Nóng Lạnh e ) Do nhiệt độ T2 không phải nhiệt độ mẫu, nên ta tiến hμnh bù, để bù đ−ợc ta cần dựa vμo đặc tính ra của cặp nhiệt ngẫu (xem hình). ) Ta đ−ợc X = 0,458 mV, do đó nếu ở 0oC hay 32oF thì điện áp đầu ra sẽ lμ: 16,42 + 0,458 = = 16,878 mV ) Từ giá trị tìm đ−ợc ta lại nội suy vμ đ−ợc 474,71oF Thiết bị lập trình 38 ) Một số cảm biến trên thực tế ) Loại thermistor: LM35 ) Loại RTD: Pt - 100 có điện trở ở 00C lμ 100Ω , Pt - 300 có điện trở ở 00C lμ 300Ω, Pt - 500 có điện trở ở 00C lμ 500Ω, Pt - 1000 có điện trở ở 00C lμ 1000Ω, những loại có điện trở lớn có độ nhạy cao hơn. )Cặp nhiệt ngẫu: ?Chuyển đổi lực (Cảm biến lực). ) Cảm biến lực vμ áp suất dùng để đo lực trên một đơn vị diện tích ) Có 3 loại chuyển đổi lực phổ biến lμ: Đo sức căng Dùng ống Bourdon Dùng load cell Đo sức căng (cảm biến áp trở) ) Lμ kiểu chuyển đổi cơ khí dùng để đo biến dạng, sức căng của một vật cứng khi có lực tác động. ) Kiểu chuyển đổi nμy dựa vμo sự thay đổi về trở kháng trong dây quấn khi bị lực tác động. Dây quấn có thể lμm từ kim loại (đồng, sắt, platium) hoặc từ chất bán dẫn (silic, german) Thiết bị lập trình 39 ) Kiểu chuyển đổi nμy có hai hình thức lμ Dán (mμng mỏng) vμ Tự do ) Dán: lμ hình thức gắn trực tiếp bộ chuyển đổi lên bề mặt cần đo (a). ) Tự do: lμ hình thức không gắn trực tiếp bộ chuyển đổi lên bề mặt cần đo (b). Lực tác độngDây quấn Vị trí đỡ Dây quấn Lực tác động ) Đo sức căng dùng kĩ thuật mạch cầu cân bằng, tuy nhiên nhiệt độ lại lμm ảnh h−ởng đến trở kháng, do đó cần thiết kế thêm mạch bù ) Chỉ có dây quấn (R4) có chiều t−ơng ứng với lực tác động , lúc đó chỉ trở kháng R4 mới bị thay đổi. ) Nhiệt độ đ−ợc bù thông qua R3. Dây quấn chính Dây quấn phụ Lực Thiết bị lập trình 40 )Dùng ống Bourdon ) Lμ kiểu chuyển đổi cơ khí (dùng kĩ thuật LVDT) biến áp lực thμnh dịch chuyển theo vị trí. Vị trí dịch chuyển tỉ lệ với áp lực đặt vμo. Tín hiệu vμo Tín hiệu ra ống Bourdon Lõi Đầu gá ống áp lực Lò xo )Dùng Load Cell ) Lμ cảm biến đo trọng l−ợng vμ lực dựa trên nguyên lý chuyển đổi đo sức căng kiểu dán. Lμ loại cảm biến dùng chủ yếu trong cân nặng. ?Chuyển đổi l−u l−ợng (Cảm biến l−u l−ợng). ) Cảm biến l−u l−ợng dùng để đo l−u l−ợng của một vật liệu bất kì, d−ới dạng rắn, lỏng, khí ) Đo l−u l−ợng rắn ) Th−ờng dùng chủ yếu lμ bộ chuyển đổi Load Cell, để đo trọng l−ợng của sản phẩm. Thiết bị lập trình 41 ) Ví dụ: Bμi toán cần giữ ổn định l−u l−ợng của vật liệu trên băng tải. L vPQ .= Trọng l−ợng (P) Chiều dμi (L) Load Cell Tốc độ (v) Van Phễu ) Đo l−u l−ợng lỏng ) Tiến hμnh đo 1 trong 2 yếu tố Độ chênh áp suất Chuyển động của chất lỏng. ) Đo yếu tố thứ nhất ng−ời ta có thể dùng ống Venturi hoặc tấm orifice ) Đo yếu tố thứ hai ng−ời ta dùng đồng hồ đo l−u l−ợng dùng turbine. ống Venturi vμ tấm orifice: đều dựa vμo nguyên lí Bernoulli, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ vμ độ chênh áp suất giữa 2 điểm đo. ống venturi vμ tấm orifice thích hợp với đo áp suất thấp Thiết bị lập trình 42 Vμo Ra Khe hẹp ống côn áp suất Tốc độ Pkv Δ= v: tốc độ môi chất ΔP = P1 - P2 k: Hằng số Bernoulli PK PkA AvQ Δ= Δ= = . .. . A: Tiết diện mặt cắt ngang của ống ống Venturi áp suất Tấm Orifice Vỏ ống Lỗ Orifice Tấm Orifice Tấm orifice Thiết bị lập trình 43 Đồng hồ đo l−u l−ợng dùng turbine: dựa vμo nguyên lí cảm ứng điện từ. Về cấu tạo, đồng hồ gồm một rôto gắn với nhiều cánh, một stato để tạo ra tín hiệu điện. Khi roto quay d−ới tác động của luồng chất lỏng, sẽ tạo ra từ tr−ờng cảm ứng trong đồng hồ. Từ tr−ờng nμy đ−ợc tạo thμnh những tín hiệu điện áp nhỏ (cỡ 10-20mV). Bộ chuyển đổi điện có thể tạo tín hiệu t−ơng tự hoặc tín hiệu số (xung) tỉ lệ với l−u l−ợng môi chất qua ống Xung ra Bộ chuyển đổi điện ) Lμ loại cảm biến phát hiện vị trí hiện tại của đối t−ợng trong hμnh trình. ) Cảm biến vị trí trục quay: Bao gồm nhiều tiếp điểm đ−ợc sắp xếp theo một quy luật nào đó. ) Cảm biến vị trí dùng photo-điốt: Bao gồm một dãy phát và một dãy thu. Tuy vào vị trí của đối t−ợng mà các điôt t−ơng ứng sẽ tắt Phát ?Chuyển đổi vị trí (Cảm biến vị trí). Thiết bị lập trình 44 ) Cảm biến vị trí dùng bộ phân áp (potentiometer): Sử dụng một bộ phân áp, tuỳ vào điện áp đầu ra mà cho ta vị trí của đối t−ợng cần phát hiện. Điện trở Nguồn DC Đầu tr−ợt Đầu tr−ợt Nguồn DC Điện trở ) Cảm biến vị trí dùng kĩ thuật LVDT: Sử dụng một biến áp LVDT, tuỳ vào vị trí dịch chuyển của đối t−ợng mà cho ta điện áp t−ơng ứng ở đầu ra của biếp áp. ) Cảm biến vị trí dùng encoder quang: Là loại cảm biến chuyển dấu hiệu vị trí theo góc, theo đ−ờng thẳng thành tín hiệu nhị phân t−ơng đ−ơng. Đối với loại cảm biến này th−ờng đ−ợc chia ra làm hai loại: Mã hoá liên tục Mã hoá tuyệt đối Mã hoá liên tục: Bao gồm một nguồn phát quang, một hoặc hai đĩa mã hoá, ba cảm biến quang, và một bộ điều khiển. Trên đĩa mã hoá đ−ợc bố trí các khe hẹp, để nguồn sáng có thể lọt qua Thiết bị lập trình 45 ) Đĩa mã hoá cho encoder trên có thể xác định h−ớng quay của đĩa nhờ vào sự lệch pha 900 của hai chuỗi xung do hai cảm biến A và B tạo ra. A B C A B Ng−ợc Thuận Mã hoá tuyệt đối: Bao gồm một đĩa quay làm từ vật liệu trong suốt. Trên đĩa đ−ợc chia thành các vùng có góc bằng nhau, số l−ợng tuỳ thuộc vào độ phân giải và số l−ợng các vòng cung đồng tâm. Một vòng cung sẽ trong suốt trong một số vùng, các vùng còn lại sẽ bị che khuất 010110 111 011 001 000 101 100 Đĩa mã hoá 8 vòng cung Thiết bị lập trình 46 ) Hình trên ta thấy đĩa mã hoá có 3 vòng cung, tạo thành 8 vùng (23 = 8) với độ phân giải 360/8 = 45o (trên thực tế th−ờng từ 8 → 12 vòng cung). Mỗi vòng cung có một cảm biến quang. Tuỳ vào từng thời điểm mà ta sẽ có một chuỗi các bít t−ơng ứng với vị trí hiện tại của đĩa. ) Ví dụ: Nếu chuỗi bít là 010 thì vị trí t−ơng ứng sẽ là 4h30' đến 6h00'. ) Nh− vậy các chuỗi bít phải đ−ợc mã theo chu kì một vòng tròn, ở 2 vùng liền kề chỉ đ−ợc khác nhau 1 bít. ) Độ phân giải bị giới hạn bởi số l−ợng vòng cung trên đĩa. Ví dụ nếu đĩa có 8 vòng cung thì độ phân giải sẽ là 28 = 256 vùng, hay 360/256 = 1,4o ?Chuyển đổi tốc độ (Cảm biến tốc độ). ?Dùng để xác định tốc độ quay hiện thời của đối t−ợng. ) Cảm biến tốc độ quay tự cảm: Dựa trên sự thay đổi từ thông qua cuộn dây cố định a) b) Thiết bị lập trình 47 ) Cảm biến tốc độ bằng máy phát tốc: Thực chất lμ một máy phát điện một chiều, kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Có đặc điểm điện áp phát ra tỉ lệ với số vòng quay rôto.