Giáo trình Kĩ thuật đo lường - Chương 4: Các bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp

của thiết bị cĩ thể thay đổi được trong một phạm vi rộng của đại lượng đo.+ Đo được các đại lượng cĩ tốc độ biến đổi khác nhau.+ Cho phép tập trung hĩa 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 cấpY = f(X)Chuyển đổi đo lường sơ cấp (S)XY+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 cĩ thể phụ thuộc vào nhiều đại lượng khác nhau, nhưng nĩ 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 khơng hồn thiện của cấu trúc, cơng nghệ chế tạo khơng tốt- Sai số phụ: sai số gây ra do sự biến động của điều kiện bên ngồi 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 hĩa 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 trở4.2.1. Chuyển đổi điện trở tiếp xúc4.2.2. Chuyển đổi biến trở4.2.3. Chuyển đổi Tenzo4.2.1. Chuyển đổi điện trở tiếp xúc1. Nguyên lý cơ bản: Chuyển đổi đo lường trong đĩ di chuyển cơ học được biến thành sự thành sự đĩng 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). 2L134RCTrong đĩ:Sản phẩmThanh trượt3,4 cặp tiếp điểmChuyển đổi tiếp xúc một giới hạnChuyển đổi nhiều giới hạn:4.2.2. Chuyển đổi biến trở1. Nguyên lý cơ bảnLà một biến trở, trong đo đại lượng khơng 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 gĩc) Hình dáng một số loại biến trở và đặc tính của nĩ2. Các đặc tínhlR,Rx, lx- Quan hệ giữa điện trở đầu ra của chuyển đổi và chiều dài lx cĩ dạng bậc thang.- Ngưỡng nhạy của chuyển đổi theo điện trở:R: điện trở tồn phần của chuyển đổi W: số vịng 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 0C3. Mạch đo của chuyển đổia. Mạch đo di chuyển thẳngIRxUxlR0R0: Tổng trở đầu vào của mạch lấy tín hiệu R: Điện trở của tồn bộ biến trởx: khoảng di chuyển của con chạyI = f(x) là phi tuyếnI khơng biến thiên từ 0 trở đi  mạch này ít được sử dụngb. Mạch đo phân ápUlRxxRvI +UxQuan hệ Ux =f( x ) là tuyến tínhUx biến thiên từ 0 đến U khi Rx biến thiên từ 0 đến R (thường Rv  (10  20)R)c. Mạch cầuUR1R2R3R4Rv , Uv +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 chuyểnACDBd. Ứng dụngChuyển đổi biến trở thường dùng để đo những di chuyển thẳng kích thước từ 2  3 mm hoặc các di chuyển gĩc. Ngồi ra chuyển đổi biến trở cịn dùng để lấy các thơng tin về lực, áp suất, mức chất lỏng 4.2.3. Chuyển đổi tenzo  (điện trở lực căng)1. Nguyên lý và cấu tạoal0123Cấu tạo của chuyển đổi tenzo dây mảnhUR4R3UraR1=RTR2=RT0P1 P2=0PRTR3R4R0UrRT'U4.3. Chuyển đổi điện từ4.3.1. Chuyển đổi điện cảmChuyển đổi điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép cĩ khe hở khơng khí1. Tính năng của chuyển đổi điện cảmĐiện cảm của cuộn dây:w : số vịng dây0 = 4.10-7 : hệ số dẫn từ của khơng khí : chiều dài khe hở khơng khís : tiết diện hiệu dụng của khe hở khơng khí R : là từ trở của khe hở khơng khís0, 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 tuyến2. Mạch đo của chuyển đổiF tác động  L thay đổi  Z thay đổi Modun dịng, áp trong mạch thay đổi ( mạch điều biên) Gĩc lệch pha giữa dịng và áp (mạch điều pha)Trong thực tế, đối với chuyển đổi điện cảm, chủ yếu là sử dụng mạch cầu điều kiện biênMạch cầu vi sai dùng chuyển đổi điện cảmZ1, Z2 : trở kháng của chuyển đổi vi sai.Zb : trở kháng phối hợp với Z1 và Z2Z0 trở kháng của dụng cụ đo U nguồn cung cấp+ Khi trục đo nằm ở vị trí cân bằngd1 = d2 = d0, Z1 = Z2 = ZCầu cân bằng và Ura = 0+ Khi trục đo lệch khỏi vị trí cân bằngd1, d2 biến thiên ngược nhau DdZ1 = Z+DZZ2 = Z-DZCầu 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 nuơi trong mạch đo. Ngồi 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 cảmChuyển 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 cảmGiả thiết dịng điện đi vào cuộn dây W1Từ thơng 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 đổiMạch đo giống như mạch đo của chuyển đổi điện cảm.Ví dụ: mạch cầu chuyển đổi vi sai 6 nhánh3. Sai số và ứng dụng- Sai số gây ra do sự khơng ổn định của nguồn nuơi trên 2 phương diện biên độ và tần số.- Ứng dụng để đo di chuyển, chiều dài, áp suất, đo lực4.3.3. Chuyển đổi cảm ứngSinh viên tự học4.4. Các bộ chuyển đổi tĩnh điện4.4.1. Chuyển đổi điện dung1. Nguyên lý làm việcChuyển 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 cĩ diện tích s, đặt cách nhau 1 khoảng d trong mơi trường chất điện mơi cĩ hằng số điện mơi e2. Tính năng của chuyển đổi điện dungDung 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 cĩ tiết diện thay đổi dùng để đo di chuyển lớn và các di chuyển gĩc- Chuyển đổi điện dung cĩ  thay đổi đo các đại lượng động như tốc độ, lực.- Chuyển đổi điện dung cĩ e thay đổi đo độ ẩm ( trong bảo quản thực phẩm, chất hĩa học)4.4.2. Chuyển đổi áp điện1. Nguyên lý làm việcDựa 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 nĩ 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 nĩ 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 thơng số mạch.4.5. Chuyển đổi nhiệt điện1. Khái niệm chung- Chuyển đổi nhiệt điện việc dựa trên quan hệ của quá trình nhiệt với các yếu tố như nhiệt dẫn của mơi trường, diện tích trao đổi nhiệt, tốc độ di chuyển của mơi 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 đĩng vai trị quyết định đến nhiều tính chất của vật chất.Cĩ 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:Nhiệt độKelvin (K)Celsius (0C)T (0C)=T(K)-273,15Fahrenheit (0F)T (0F)=1,8T(0C)+32Điểm 0 tuyệt đối0-273,15-459,67Hịa hợp nước – nước đá273,15032Cân bằng nước – nước đá – hơi nước273,160,0132,018Nước sơi373,15100212Nguyên lý làm việc là biến nhiệt độ thành sức điện động. Vật liệu chế tạo địi hỏi cĩ tính chất: quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện và nhiệt độ là đơn trị, ổn định, bền cơ học và hố học ở nhiệt độ cao, dẫn nhiệt tốt.2. Chuyển đổi nhiệt ngẫu9/8/202154Bài Giảng Kỹ thuật Sensor+Phương trình chuyển đổi của nhiệt ngẫu cĩ thể viết gần đúng như sau:Et =At + Bt2 + Ct3Trong đĩ: Et là sức điện động nhiệt điện, t hiệu nhiệt độ giữa các đầu nĩng và lạnh, A, B, C các hằng số tuỳ thuộc vào vật liệu làm cựcĐộ nhạy của chuyển đổi nhiệt ngẫu : Sai số chủ yếu gây ra do sự khơng ổn định nhiệt độ đầu tự do (trong phịng thí nghiệm đầu tự do đặt trong nước đá đang tan, trong cơng nghiệp dùng các mạch ổn nhiệt). Để khắc phục người ta dùng nhiều phương pháp như sau:9/8/202156Bài 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 cơng tác ở nhiệt độ tx, đầu tự do ở nhiệt độ t0’ > t0. Lúc đĩ 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E'EETExEx’0t0 = 00Ct0 ‘tx ‘Hình 3.33 Hiệu chỉnh hệ số K 9/8/202158Bài Giảng Kỹ thuật SensorE =ET(t1, t0) – ET(t0, t0’)Theo hình vẽ ta cĩ:(tx – tx’) = (t0’ – t0)Trong đĩ 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 đĩ ở mỗi đoạn đường cong là khác nhau. CỈp nhiƯtR1R2R3R4R9RBEBABmVHình 3.34 Mạch hiệu chỉnh nhiệt độ đầu tự do+Dùng thiết bị hiệu chỉnh tự động nhiệt độ đầu tự doKhi nhiệt độ mơi 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 mơi trường cĩ nhiệt độ khác 00 C.9/8/202160Bài Giảng Kỹ thuật SensorLà vật dẫn hay bán dẫn cĩ hệ số nhiệt độ lớn và được trao đổi nhiệt với mơi trường xung quanh. Vì điện trở của nĩ phụ thuộc vào nhiệt độ nên phụ thuộc vào cách trao đổi nhiệt giữa dẫn và mơi trường. Dựa vào quan hệ này người ta chế tạo thiết bị đo các đại lượng khơng điện khác nhau như nhiệt độ, vận tốc, lưu tốc, nồng độ v.v. Nhiệt điện trở thường làm bằng dây mảnh cĩ đường kính từ 0.02  0.06mm, dài 5  20mm. Yêu cầu đối với vật liệu làm nhiệt điện trở là cĩ hệ số nhiệt độ lớn và ổn định. Điện trở xuất lớnCĩ các loại nhiệt điện trở sau:3.1. Nhiệt điện trở kim loại:Kim loại thường dùng là đồng, platin, niken+Nhiệt điện trở đồng3. Nhiệt điện trở9/8/202161Bài Giảng Kỹ thuật SensorPhương trình chuyển đổi của nhiệt điện trở đồng trong dải từ –50  1800C được xem là tuyến tính: Rt = R0(1+t)Trong đĩ: R0 là điện trở của nhiệt điện trở tại 00 C,  là hệ số nhiệt điện trở  = 4,3.10-3 /0CTrong trường hợp R0 chưa biết ta dùng biểu thức sau:R2 = Trong đĩ 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 PlatinNhiệt điện trở Platin cho phép nung đến 12000C mà khơngbị oxy hố, tuy nhiên qua hệ Rt =f(t) là phi tuyến9/8/202162Bài 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 NikenNhiệt điện trở Niken thường dùng để đo nhiệt độ  3000C, trong trường hợp này nĩ cĩ đặc tính giống như nhiệt điện trở đồng  = 5.10-3 /0C2. Nhiệt điện trở bán dẫn:Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo bằng tạp chất của một vài ơxít 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: 9/8/202163Bài Giảng Kỹ thuật SensorRTRTRT(1)(2)Hình 3..35 Quan hệ giữa nhiệt độ T và điện trở của nhiệt điện trở bán dẫnR0 là điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối T0 = 00K là hệ số phụ thuộc vào loại bán dẫnHình 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 cơng thức  =-T/T0 9/8/202164Bài Giảng Kỹ thuật SensorQuan hệ giữa điện trở và nhiệt độ bán dẫnRt =Aeβ/T Trong đĩ: 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 đốiHệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thường khá lớn và cĩ giá trị âm = (-2.5  4).102/0C9/8/202165Bài Giảng Kỹ thuật Sensor3.3. sai số và ứng dụngNgồi ra dịng điện chạy qua nhiệt điện trở cung gây nĩng và làm cho điện trở tăng gây ra sai số. Mặt khác nhiệt điện trở được bọc ngồi 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 khơng 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.