Bài giảng đo lường và tự động hóa - Bùi Thúc Minh

1BÀI GIẢNG ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GV: Ths. Bùi Thúc Minh Email: buithucminh@gmail.com Sđt: 0989 712961 Bộ môn: Điện công nghiệp ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KHAI THÁC TS NHA TRANG 2011 2 Mục tiêu • Các phương pháp đo các thông số vật lý dựa trên các nguyên tắc tự động điều khiển. • Một số thiết bị đo lường cảm biến sử dụng trong các hệ thống sản xuất. 2NỘI DUNG Chương 1. Cơ sở lý thuyết về đo lường, tự động hoá Chương 2. Các dụng cụ đo nhiệt độ Chương 3. Đo áp suất, lưu lượng Chương 4. Đo một số thông số khác 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Hòa, Đo lường điện và cảm biến đo lường, NXBGD 2005 [2] Hoàng Công Minh, Cảm biến công nghiệp, NXB Xây dựng 2007 [3] O. Gassmann, H. Meixner, Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH Verlag GmbH 2001 [4] Jon S. Wilson, Sensor Technology Handbook, the United States of America 2006 [5] Internet 35 ĐÁNH GIÁ • Thời gian lên lớp: 30 tiết • Kiểm tra, tiểu luận: 40% • Thi kết thúc môn: 60% (không dùng tài liệu) • Thời gian: 60 phút (từ 3-4 câu) 6 TIỂU LUẬN 1. Cảm biến nhiệt độ và ứng dụng 2. Cảm biến lực 3. Thiết bị đo áp suất 4. Thiết bị đo lưu lượng 5. Thiết bị đo vị trí và dịch chuyển 6. Đo khối lượng và trọng lượng 7. Cảm biến sinh học 8. Cảm biến độ ẩm 9. Cảm biến tiệm cận 47 8 Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự động hoá Counting dropping 59 Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự động hoá liquid level measuring 10 Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự động hoá Measure box dimension 611 Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự động hoá Full case packing inspaction 12 Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự động hoá 1.1.Mở đầu • Đo lường: là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. • Kết quả đo được biểu diễn: 0 0 .XAX X XA  713 Simple instrument model 14 815 Các thuật ngữ cơ bản • Thiết bị đo: là thiết bị cung cấp cho chúng ta kết quả của đại lượng cần đo. Thiết bị đo được chia làm nhiều loại. Đại lượng đo: dựa vào tính chất cơ bản của đại lượng đo mà ta phân ra 2 loại: - Đại lượng không điện - Đại lượng điện 16 • Đơn vị đo: là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế qui định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ • Chuẩn trong đo lường: gồm 4 cấp – Chuẩn quốc tế – Chuẩn quốc gia – Chuẩn khu vực – Chuẩn phòng thí nghiệm 917 • Các phương pháp đo: – Phương pháp đo trực tiếp : là phương pháp đo mà lượng cần đo được so sánh trực tiếp với mẫu đo (đơn vị đo cùng loại). – Phương pháp đo gián tiếp: là phương pháp đo trong đó lượng cần đo sẽ được tính ra từ kết quả đo các đại lượng khác có liên quan. 18 Sai số trong đo lường: • Nguyên nhân: – Nguyên nhân chủ quan: là do lỗi lầm của người sử dụng thiết bị đo và phụ thuộc vào việc đọc sai kết quả, hoặc ghi sai, hoặc sử dụng sai không đúng qui trình hoạt động. – Sai số khách quan: sai số không phụ thuộc vào người đo. (Thiết bị đo không đo được trị số chính xác vì những lý do sau: • Không nắm vững những thông số đo và điều kiện thiết kế. • Thiết kế nhiều khuyết điểm. • Thiết bị đo không ổn định sự hoạt động. • Bảo trì thiết bị đo kém. • Do người vận hành thiết bị đo không đúng. • Do những giới hạn của thiết kế. 10 19 Một số khái niệm về cảm biến Khái niệm • Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần đo. 20 • Đại lượng đầu vào (hay kích thích) (m): Tác động của đại lượng cần đo (có tính chất điện hoặc không) • Đại lượng đầu ra (hay đáp ứng) (s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính chất điện). • Đáp ứng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m) Thông qua đo (s) → xác định giá trị (m). 11 21 Phân loại cảm biến 22 Hoặc phân theo những đặc trưng sau 12 23 Phân loại cảm biến • Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau đây: – Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích. – Phân loại theo dạng kích thích – Phân loại theo phạm vi sử dụng – Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế 24 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích - Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý. - Hiệu ứng trên cơ thể sống Sinh Học - Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ.. Hoá học - Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ - Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện - Nhiệt từ.... Vật lý Chuyển đổi và đáp ứng kích thíchHiện tượng 13 25 Phân loại theo dạng kích thích -Kiểu; -Năng lượng; -Cường độBức xạ -Nhiệt độ; -Thông lượng; -Nhiệt dung, tỉ nhiệtNhiệt -Vị trí; -lực ,áp suất; -Gia tốc, vận tốc -Ứng suất, độ cứng; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng -Vân tốc chất lưu, độ nhớt Cơ -Biên, pha, phâ cực,phổ; -Tốc độ truyền -Hệ số phát xạ, khúc xạ; -Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ Quang -Từ trường; -Từ thông, cường độ điện trường; -Độ từ thẩm Từ -Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp -Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môi Điện -Biên pha, phân cực; -Phổ; -Tốc độ truyền sóngÂm thanh 26 Theo tính năng của bộ cảm biến • Độ trễ • Khả năng quá tải • Tốc độ đáp ứng • Độ ổn định • Tuổi thọ • Điều kiện lựa chọn • Kích thước, trọng lượng • Độ nhạy • Độ chính xác • Độ phân giải • Độ chọn lọc • Độ chính xác • Độ tuyến tính • Công suất tiêu thụ • Dải tần 14 27 Phân loại theo phạm vi sử dụng • Khả năng quá tải • Tốc độ đáp ứng • Độ ổn định • Tuổi thọ • Điều kiện lựa chọn • Kích thước, trọng lượng • Công nghiệp • Nghiên cứu khoa học • Môi trường, khí tượng • Thông tin, viễn thông • Nông nghiệp • Dân dụng • Vũ trụ • Quân sự 28 Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế • Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng (NPN, PNP) • Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số R, L, C, Mtuyến tính hoặc phi tuyến • Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong được biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện (S) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. 15 29 Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện 30 Thông số đặc trưng của chuyển đổi 1. Phương trình chuyển đổi 16 31 32 2. Độ nhạy 17 33 34 18 35 36 4. Độ tuyến tính 19 37 38 Đường cong chuẩn a) Khái niệm đường cong chuẩn: đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đáp ứng (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. • Biểu diễn: + Bằng biểu thức đại số. + Bằng đồ thị. 20 39 Đường cong chuẩn • Biểu diễn bằng biểu thức đại số s= F(m) Ví dụ cảm biến tuyến tính: s= a.m +b Trong đó: a, b là các hằng số. 40 Đường cong chuẩn Biểu diễn bằng đồ thị s mi si m a) Dạng chung 0 s m b) Dạng tuyến tính 0 21 41 Đường cong chuẩn b) Chuẩn cảm biến: phép đo xác lập mối quan hệ giữa giá trị (s) đo được của đại lượng đầu ra của CB và giá trị (m) của đại lượng cần đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). 42 Đường cong chuẩn b) Phương pháp chuẩn: • Chuẩn đơn giản: áp dụng khi cảm biến chỉ chịu tác động của một đại lượng đo duy nhất. • Chuẩn nhiều lần: áp dụng khi cảm biến có phần tử trễ, kết quả đo theo hai chiều tăng giảm của đại lượng đo khác nhau. 22 43 Đường cong chuẩn • Chuẩn đơn giản: đo các giá trị của đại lượng đầu ra (si) ứng với một loạt các giá trị xác định không đổi của đại lượng đầu vào (mi).  Chuẩn trực tiếp: giá trị của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.  Chuẩn gián tiếp: kết hợp CB cần chuẩn với một CB so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn (trong cùng điều kiện làm việc). 44 Đường cong chuẩn • Chuẩn nhiều lần: đo các giá trị (si) của đại lượng đầu ra ứng với một loạt các giá trị (mi) của đại lượng đầu vào theo hai chiều tăng và giảm của đại lượng cần đo. s si mmi si’ mmi si Chuẩn đơn giản Chuẩn nhiều lần 23 45 Giới hạn sử dụng cảm biến • Vùng làm việc danh định: là vùng làm việc bình thường của cảm biến • Vùng không gây hư hỏng: là khi các giá trị của đại lượng đo và các đại lượng ảnh hưởng khác vượt quá ngưỡng của vùng danh định nhưng vẫn còn trong phạm vi không gây hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi. • Vùng không gây phá huỷ: khi các đại lượng cần đo và các đại lượng vật lí liên quan vượt giá trị ngưỡng không gây hư hỏng thì chúng sẽ rơi vào vùng không phá huỷ 46 Các bước để lựa chọn cảm biến 24 47 Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá 1.4. Một số đặc tính của sự điều chỉnh 1.4.1.Điều chỉnh hai vị trí ON-OFF 1.4.2.Điều chỉnh nhẩy cấp 1.4.3.Điều chỉnh liên tục 48 Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá 1.4.1.Điều chỉnh hai vị trí ON-OFF Các cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF a. Công tắc giới hạn hành trình - Các ký hiệu điện - Kiểu tác động tức thời - Kiểu tác động có trễ - Bố trí tiếp điểm 25 49 Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá Các ký hiệu điện Tiếp điểm thường mở (NO) Tiếp điểm thường đóng (NC) 50 Kiểu tác động tức thời 26 51 Kiểu tác động có trễ 52 Bố trí tiếp điểm 27 53 Các cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF b. Cảm biến tiệm cận - Tiệm cận điện cảm - Tiệm cận điện dung - Tiệm cận siêu âm - Tiệm cận quang học 54 Câu hỏi chương 1 1. Một số thuật ngữ về đo lường? 2. Cảm biến? Phân loại cảm biến? 3. Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện. 4. Mạch đo 5. Một số ứng dụng cảm biến thường gặp? 6. Cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF? 7. Cảm biến tiệm cận. 28 55 Hệ SI – Chuẩn đơn vị chiều dài: mét (m). – Chuẩn đơn vị khối lượng : Kilogam (Kg). – Chuẩn đơn vị thời gian : giây (s) – Chuẩn đơn vị dòng điện : Ampe (A). – Chuẩn đơn vị nhiệt độ : Kelvin (K). – Chuẩn cường độ ánh sáng : Candela (Cd). – Đơn vị số lượng vật chất : mol. 56 Các mạch khuếch đại trong đo lường • Do các tín hiệu điện ở ngõ ra của các cảm biến thường rất nhỏ, để tăng giá trị của các tín hiệu này ta dùng các mạch khuếch đại 29 57 Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại đảo với biến trở chỉnh offset 58 Mạch khuếch đại không đảo 30 59 Mạch khuếch đại vi sai 60 Mạch cầu Wheastone • Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu. 31 61 62 Cảm biến quang trong công nghiệp • Cấu tạo Đầu phát Đầu thu Cấu tạo cảm biến quang dạng thu phát riêng 32 63 Cấu tạo cảm biến quang dạng thu phát chung 64 • Cảm biến gồm: phần phát và phần thu – Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu. – Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọi vào trasistor. Transistor quang thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra. 33 65 Một số hình dạng cảm biến quang trong công nghiệp • Hãng Omron Dạng thu phát chung không cần gương phản 66 Dạng thu phát riêng Dạng thu phát chung có gương phản xạ 34 67 Cấu trúc mạch ra của cảm biến Mach ra kiểu transistor NPN cưc thu để hở 68 Mạch ra kiểu transistor PNP cực thu để hở 35 69 Ứng dụng của cảm biến quang • Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vị trí định trước như: – Phát hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm. – Phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy. – Phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng gói sản phẩm – Dùng đo tốc độ động cơ 70 Một số ứng dụng cảm biến quang 1. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài Hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài 36 71 Một số ứng dụng cảm biến quang 2. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong hệ thống đóng gói sản phẩm. 72 Một số ứng dụng cảm biến quang 3. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện hộp sữa bằng giấy trên băng tải trong hệ thống sản xuất sữa hộp giấy 37 73 Một số ứng dụng cảm biến quang 4. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện thực phẩm trên băng tải trong hệ thống sản xuất thực phẩm 74 Một số ứng dụng cảm biến quang 5. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai trên băng tải và đếm số chai trong hệ thống sản xuất nước uống 38 75 Cảm biến tiệm cận 76 Cảm biến tiệm cận • Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện Cảm • Cảm Biến tiệm Cận Dạng Điện Dung • Cảm biến tiệm cận siêu âm • Cảm biến tiệm cận quang học 39 77 Câu hỏi 1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến tiệm cận điện cảm? 2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến tiệm cận điện dung? 3. Ứng dụng của cảm biến tiệm cận. 4. Sự giống và khác nhau giữa cảm biến tiệm cận điện cảm và điện dung? 78 Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện Cảm – Là cảm biến dùng trường điện - từ để phát hiện đối tượng bằng kim loại. – Điện áp làm việc DC, AC hoặc AC/DC • Phân loại: – Theo chức năng chia làm 2 loại: NPN và PNP – Theo khoảng cách chia làm 2 loại: có bảo vệ và không bảo vệ 40 79 Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện Cảm • Cấu tạo: Cảm biến lân cận dạng điện cảm có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính Cấu tạo của cảm biến lân cận điện cảm 80 • Đầu phát hiện gồm 1 cuộn dây quấn trên lõi sắt từ có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên trong không gian phía trước. – Cấu tạo và cách bố trí cuộn dây và lõi sắt của đầu phát hiện như hình Cấu tạo của đầu phát hiện 41 81 • Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio. • Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động. • Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến. 82 Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện cảm • Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tượng) bằng kim loại tới gần cảm biến (vào vùng từ trường biến thiên của cảm biến), • Từ trường biến thiên do mạch dao động gây ra tập trung ở lõi sắt sẽ gây nên một dòng điện xoáy trên bề mặt của đối tượng. • Dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động. • Khi biên độ của tín hiệu dao động nhỏ hơn một ngưỡng định trước, mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra để đặt trạng thái ngõ ra lên ON 42 83 • Khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu ở mạch dao động có biên độ lớn hơn ngưỡng, mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái ngõ ra là OFF 84 • Chia theo khoảng cách: 43 85 • Nhận xét: 86 Một số dạng cảm biến lân cận điện cảm trong công nghiệp • Hãng Omron Cảm biến lân cận điện cảm dạng tròn 44 87 Cảm biến lân cận điện cảm dạng vuông 88 Mạch ra dạng NPN cực thu để hở 45 89 Mạch ra dạng PNP cực thu để hở 90 Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung – Là cảm biến sử dụng trường tĩnh điện để phát hiện đối tượng bằng kim loại và phi kim loại. – Điện áp làm việc là DC, AC hoặc AC/DC • Phân loại: – Theo chức năng được chia làm 2 loại: PNP và NPN – Tất cả cảm biến tiệm cận điện dung của Siemen đều có bảo vệ 46 91 Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung • Cấu tạo: Đầu phát hiện trong cảm biến lân cận điện dung là một bản cực của tụ điện 92 Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện dung • Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm điện dung của tụ điện (được tạo bởi một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại chính là đối tượng) C bị thay đổi. • Khi điện dung của tụ điện bị thay đổi thì mạch dao động sẽ tạo ra tín hiệu dao động. • Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON. • Khi đối tượng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động sẽ nhỏ, mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái OFF. 47 93 94 • Nhận xét: – Khoảng cách cảm nhận từ 5 – 20mm – 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 trường làm việc phải khô (khi chất lỏng trên bề mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác động nhầm) 48 95 • Một số dạng của cảm biến lân cận điện dung của hãng OMRON 96 Cấu Trúc Mạch Ra Của Cảm Biến Lân Cận Mạch ra dạng NPN cực thu để hở 49 97 Mạch ra dạng PNP cực thu để hở 98 Ứng Dụng Của Cảm Biến Lân Cận điện cảm • Cảm biến lân cận điện cảm được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại tại một vị trí xác định trước (vị trí đặt cảm biến) như: – Phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, – Phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không (Nắp của chai nước ngọt làm bằng kim loai) – Xác định vị trí hai đầu mút của mũi khoan, – Phát hiện trạng thái đóng hay mở van, – Đo tốc độ quay của động cơ, phát hiện trạng thái đóng- mở của các xi lanh 50 99 • Cảm biến lân cận điện dung được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại hoặc phi kim loại tại một vị trí xác định trước (vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện thủy tinh, nhựa, chất lỏng. 100 1. Dùng cảm biến lân cận điện cảm đo tốc độ động cơ 51 101 2. Dùng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy trong dây chuyền sản xuất sửa hộp 102 Dùng cảm biến điện dung để xác định mức của chất lỏng