(NB) Bài giảng Điều khiển cảm biến cung cấp cho người học những kiến thức như: Phân loại cảm biến; Điều khiển cảm biến nhiệt độ; Kết nối, khảo sát cảm biến tiệm cận; Đo vận tốc vòng quay và góc quay; Kết nối, khảo sát cảm biến quang học. Mời các bạn cùng tham khảo!
PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
BÀI 2 : ĐIỀU KHIỂN C ẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
BÀI 3: K ẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN
BÀI 4 : ĐO VẬN TỐC V ÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY
BÀI 5: K ẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC
Mỗi bài viết sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản về các loại cảm biến thông dụng, giúp bạn hiểu rõ và sử dụng chúng một cách thành thạo Nội dung này rất hữu ích cho những ai mới bắt đầu làm quen với các loại cảm biến.
NỘI DUNG CHI TIẾT TẬP BÀI GIẢNG MÔ ĐUN
I Mục tiêu của mô đun:
+ Mô tả được cấu tạo, phân tích nguyên lý, ứng dụng của các loại cảm biến + Vẽ được sơ đồ đấu dây của các loại cảm biến
Khi kết nối dây, chúng ta có thể khảo sát nhiều loại cảm biến khác nhau, bao gồm cảm biến tiệm cận điện, cảm biến điện dung, cảm biến từ, cảm biến thu phát quang và cảm biến nhiệt độ.
+ Lựa chọn được loại cảm biến phù hợp trong điều khiển điện công nghiệp và đời sống
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Hình thành tư duy khoa học phát triển năng lực làm việc cá nhân, theo nhóm + Chủ động lập kế hoạch, dự trù được vật tư, thiết bị
+ Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và tư duy khoa học trong công việc + Rèn luyện tính chính xác và tác phong công nghiệp
II Nội dung của mô đun:
BÀI 1: PHÂN LO ẠI CẢM BIẾN
BÀI 2 : ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
BÀI 3: K ẾT NỐI , K H ẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN
BÀI 4 : ĐO VẬN TỐC V ÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY
BÀI 5: K ẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC
KIẾN THỨC LÝ THUYẾT
Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
Cảm biến, bắt nguồn từ từ "sense" có nghĩa là giác quan, đóng vai trò quan trọng như các giác quan trong cơ thể con người Nhờ vào cảm biến, các mạch điện và hệ thống điện có khả năng thu nhận thông tin từ môi trường bên ngoài Điều này cho phép hệ thống máy móc và điện tử tự động hiển thị thông tin về các đại lượng đang được cảm nhận và điều khiển các quá trình đã được định trước, đồng thời có khả năng điều chỉnh linh hoạt theo môi trường hoạt động.
- Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con người như sau:
Bảng 1.1 So sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con người
5 giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến
Khứu giác Ánh sáng, hình dạng, kích thước, vị trí xa gần, màu sắc Áp suất, nhiệt độ, cơn đau, tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô
Ngọt, mặn, chua cay, béo Âm rầm bổng, sóng âm, âm lượng
Mùi của các chất khí, chất lỏng
Cảm biến thu hình, cảm biến quang
Cảm biến nhiệt trở, cảm biến tiệm cận và cảm biến độ rung động đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và giám sát Ngoài ra, cảm biến cũng được sử dụng để đo lượng đường trong máu, độ cồn, và phát hiện khí ga Các thiết bị như cảm biến sóng siêu âm và mi-cro cũng góp phần nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng công nghệ hiện đại.
Cảm biến là thiết bị điện tử dùng để phát hiện các trạng thái và quá trình vật lý hoặc hóa học trong môi trường khảo sát, chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện Thông tin này sau đó được xử lý để xác định các tham số định tính hoặc định lượng, phục vụ cho nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và nhu cầu dân sinh Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc đo đạc, truyền và xử lý thông tin, cũng như điều khiển các quá trình khác.
Các đại lượng cần đo như nhiệt độ, áp suất thường không có tính chất điện, nhưng chúng tác động lên cảm biến để tạo ra một đại lượng đặc trưng mang tính chất điện như điện tích, điện áp, hoặc dòng điện Những đại lượng này chứa thông tin quan trọng giúp xác định giá trị của đại lượng đo.
- Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = f(m) (1.1) m s
Hình 1.1 Chuyển đổi của bộ cảm biến
Đại lượng đầu ra (s) được gọi là phản ứng của cảm biến, trong khi đại lượng đầu vào (m) là kích thích có nguồn gốc từ đại lượng cần đo Việc đo đạc (s) giúp nhận biết giá trị của (m).
- Độ nhạy của cảm biến: Là đại lượng biểu diễn sự so sánh giữa độ biến thiên đầu ra so với độ biến thiên đầu vào
S = ds/dm (1.2) Trong đó: ds: Biến thiên đại lượng đầu ra dm: Biến thiên đại lượng đầu vào
- Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến
Để đạt được độ chính xác cao trong phép đo, cần thiết kế và sử dụng cảm biến sao cho độ nhạy S của nó ổn định, tức là ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác.
+ Giá trị của đại lượng cần đo và tần số thay đổi của nó
+ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh
- Độ nhạy trong chế độ tĩnh là đại lượng đo không biến thiên tuần hoàn theo thời gian
- Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian
Đường cong chuẩn cảm biến thể hiện mối quan hệ giữa đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến và giá trị đại lượng đo (m) ở đầu vào.
Phạm vi ứng dụng
Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, khí tượng thủy văn, thông tin viễn thông, nông nghiệp, giao thông, vũ trụ, quân sự, và gia dụng Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điều khiển và đo lường.
Trong quá trình sử dụng, cảm biến luôn bị ảnh hưởng bởi các lực cơ học và tác động nhiệt Khi những tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng có thể làm thay đổi đặc tính hoạt động của cảm biến Do đó, người dùng cần nắm rõ các giới hạn và sai số liên quan khi ứng dụng cảm biến.
1.2.1 Vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh định của cảm biến là các điều kiện sử dụng bình thường, với giới hạn được xác định bởi các giá trị ngưỡng của đại lượng đo và các yếu tố liên quan Những giá trị này có thể đạt tới thường xuyên mà không ảnh hưởng đến các đặc trưng làm việc của cảm biến.
1.2.2 Vùng không gây nên hư hỏng
Vùng không gây hư hỏng là khu vực mà các đại lượng đo và các đại lượng vật lý liên quan có thể vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định mà vẫn không gây hại Mặc dù các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi, nhưng những thay đổi này là thuận nghịch, có nghĩa là khi trở lại vùng làm việc danh định, các đặc trưng của cảm biến sẽ khôi phục về giá trị ban đầu.
Vùng không phá hủy là khu vực mà các đại lượng đo lường và các yếu tố vật lý có thể vượt qua ngưỡng mà không gây hư hỏng, nhưng vẫn nằm trong giới hạn an toàn Khi các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi, những thay đổi này là không thể phục hồi hoàn toàn Mặc dù cảm biến vẫn có thể sử dụng, nhưng cần phải tiến hành hiệu chuẩn lại để đảm bảo độ chính xác.
1.2.4 Sai số và độ chính xác a Sai số
- Là giá trị sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo
(1.3) Trong đó: x: Giá trị thực
x: Sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực b Sai số hệ thống
Sai số hệ thống là loại sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị ổn định hoặc thay đổi chậm theo thời gian Nó tạo ra một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được.
- Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:
+ Do nguyên lý của cảm biến
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng
+ Do đặc tính của bộ cảm biến
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng
+ Do xử lý kết quả đo c Sai số ngẫu nhiên
Sai số ngẫu nhiên là loại sai số có độ lớn và chiều không xác định Mặc dù có thể dự đoán một số nguyên nhân gây ra sai số này, nhưng việc xác định chính xác độ lớn và dấu của nó là điều không thể.
- Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến
1.1.5 Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh của cảm biến là yếu tố quyết định khả năng theo kịp sự thay đổi của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến động Thời gian hồi đáp được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh này.
Độ nhanh được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột cho đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %.
Thời gian hồi đáp được xác định bởi %, phản ánh khoảng thời gian cần thiết để chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo, nhằm đảm bảo giá trị đầu ra đạt được với độ chính xác đã được xác định trước.
- Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định, nếu trong dải đo đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo
Khi cảm biến không tuyến tính, cần sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh trong mạch đo để đảm bảo tín hiệu điện đầu ra tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo đầu vào Quá trình này được gọi là tuyến tính hóa.
ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Đại cương về cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng quan trọng ảnh hưởng đến tính chất vật chất và đóng vai trò thiết yếu trong sản xuất công nghiệp cũng như nhiều lĩnh vực khác Việc đo nhiệt độ là cần thiết trong nghiên cứu khoa học, công nghiệp và đời sống hàng ngày Tuy nhiên, xác định chính xác nhiệt độ không phải là vấn đề đơn giản, vì hầu hết các đại lượng vật lý có thể được xác định trực tiếp thông qua việc so sánh với đại lượng cùng bản chất.
- Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ
- Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của đại lượng cần đo
Hiện nay, thị trường có nhiều loại cảm biến nhiệt độ với đặc điểm khác nhau, phục vụ cho nhiều ứng dụng thực tế Chúng được sử dụng trong hệ thống HVAC, điều khiển môi trường AC, thiết bị y tế, xử lý thực phẩm, hóa chất, hệ thống ô tô, đo nhiệt độ trong bồn đun nước, đun dầu, lò nung, lò sấy và các loại máy móc khác.
2.1.1 Thang đo nhiệt độ a Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852)
- Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K
Trong thang đo nhiệt độ, điểm cân bằng ba trạng thái của nước, nước đá và hơi nước được gán giá trị 273,15 K Thang Celsius, được phát triển bởi Andreas Celsius vào năm 1742, cũng sử dụng điểm này làm mốc tham chiếu.
- Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là o C
- Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:
- Đơn vị nhiệt độ là o F Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là
32 o F và điểm nước sôi là 212 o F
- Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius: °C = 5/9 (F – 32) (2.2) °F = 9/5 (C + 32) (2.3)
Bảng 2.1 Bảng cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau
Cân bằng nước - nước đá - hơi
2.1.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực là Tx, nhưng cảm biến chỉ ghi nhận được nhiệt độ Tc, tức là nhiệt độ của phần tử cảm nhận.
- Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được
Để đo nhiệt độ chính xác, cần đảm bảo sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến Tuy nhiên, do nhiều yếu tố, nhiệt độ cảm biến thường không đạt được nhiệt độ môi trường Tx, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc Độ chính xác của phép đo tỷ lệ thuận với sự chênh lệch này; chênh lệch càng nhỏ, độ chính xác càng cao Do đó, khi thực hiện phép đo, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến sự cân bằng nhiệt.
+ Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường cần đo.Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài
Để nâng cao hiệu quả đo nhiệt độ, cần sử dụng cảm biến với phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp và hệ số dẫn nhiệt cao Điều này giúp tối thiểu hóa tổn thất nhiệt từ cảm biến ra môi trường xung quanh Đồng thời, các tiếp điểm và dây dẫn từ phần tử cảm nhận đến mạch đo bên ngoài cũng nên có hệ số dẫn nhiệt thấp để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo.
Nhiệt điện trở Platin và Nikel
2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
- Nhiệt điện trở là điện trở có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở cũng thay đổi
Trong kim loại, dòng điện hình thành khi các hạt mang điện di chuyển theo một hướng nhất định Sự chuyển động này có thể được kích thích bởi lực cơ học hoặc điện trường, và các điện tích âm, dương sẽ di chuyển theo chiều ngược nhau.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự chuyển động của các hạt, dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở Khi nhiệt độ tăng, điện trở có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào loại vật liệu.
Khi chế tạo nhiệt điện trở, người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt, sau đó đặt vào hộp có vỏ đặc biệt và đưa ra hai đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R) Các nhà sản xuất thường chế tạo nhiệt điện trở có giá trị từ 10(Ω) đến 100(Ω).
- Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như: Đồng, Nikel, Platin
Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ được ưa chuộng nhờ vào tính đơn giản, độ nhạy cao và khả năng ổn định lâu dài Tuy nhiên, nhược điểm của loại điện trở này là kích thước lớn, cồng kềnh và có quán tính nhiệt lớn, điều này hạn chế ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực.
Platin là vật liệu phổ biến trong ngành công nghiệp nhiệt điện trở nhờ khả năng chế tạo với độ tinh khiết lên đến 99,999%, điều này giúp nâng cao độ chính xác của các tính chất điện.
Vật liệu này có tính trơ về mặt hóa học và cấu trúc tinh thể ổn định, đảm bảo tính ổn định cao cho các đặc tính dẫn điện trong suốt quá trình sử dụng.
+ Hệ số nhiệt điện trở ở 0 0 C bằng 3,9.10-3/ 0 C
+ Điện trở ở 100 0 C lớn gấp 1,385 lần so với ở 0 0 C
+ Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200 0 C ÷ 1000 0 C
Có hai tiêu chuẩn cho nhiệt điện trở platin, khác biệt chủ yếu ở mức độ tinh khiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia áp dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983, đã được sửa đổi vào các năm 1986 và 1995 Tuy nhiên, Hoa Kỳ vẫn duy trì tiêu chuẩn riêng của mình.
+ Có độ nhạy nhiệt cao bằng 4,7.10-3/ 0 C
+ Điện trở ở 100 0 C lớn gấp 1,617 lần so với ở 0 0 C
+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định
+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250 0 C
Nhiệt điện trở Nikel là một lựa chọn rẻ hơn so với Platin, với hệ số nhiệt độ gần gấp đôi (6,18.10^-3 °C^-1) Tuy nhiên, dải đo của nó chỉ từ -60 °C đến +250 °C, vì trên 350 °C, hệ số nhiệt điện trở của Nikel trở nên không ổn định Cảm biến nhiệt Nikel thường được sử dụng trong ngành công nghiệp điều hòa nhiệt độ phòng.
2.2.4 Cách nối dây đo nhiệt điện trở
- Hiện các nhà sản xuất đã sản xuất ra nhiệt điện trở 2 dây, 3 dây, 4 dây nên ta có
3 kỹ thuật nối dây đo
Tiêu chuẩn IEC 751–1983 quy định rằng dây nối đến cùng đầu của nhiệt điện trở phải có màu giống nhau, có thể là đỏ hoặc trắng, trong khi dây nối đến hai đầu phải khác màu Điều này đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật hai dây.
Cấu hình dây đơn giản nhất có độ chính xác thấp nhất, do điện trở của dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến ảnh hưởng đến độ chính xác Độ dài của dây nối càng lớn thì ảnh hưởng đến độ chính xác càng nhiều.
Khi nhiệt điện trở và mạch đo được kết nối qua hai dây dẫn, mỗi dây dẫn đều có điện trở riêng, và điện trở này sẽ nối tiếp với nhiệt điện trở Do đó, mạch điện trở sẽ nhận một điện thế cao hơn mức điện thế cần đo, dẫn đến chỉ thị nhiệt kế hiển thị nhiệt độ cao hơn thực tế Nếu khoảng cách giữa các điểm đo quá xa, điện trở của dây dẫn có thể lên đến vài Ohm, gây ra sai số trong phép đo.
Để giảm thiểu sai số trong phép đo do điện trở của dây dẫn, người ta sử dụng biến trở bù kết nối với một trong hai dây đo, điều chỉnh sao cho chỉ thị hiển thị 0°C, nhằm bù đắp cho sai số do điện trở dây gây ra Một phương pháp khác là kỹ thuật ba dây, giúp tăng độ chính xác trong quá trình đo lường.
RTD sử dụng 3 sợi dây nối thay vì 2, trong đó L1 và L3 dẫn dòng đo, còn L2 đóng vai trò như dây chiết áp Lý tưởng, điện trở của dây L1 và L3 nên bằng 0, trong khi trở kháng của R3 tương đương với trở kháng của phần tử cảm biến Rt.
Kỹ thuật nối dây 3 dây tạo ra hai mạch đo, trong đó một mạch được sử dụng làm mạch chuẩn, giúp loại bỏ sai số do điện trở dây và sự thay đổi nhiệt độ Để đảm bảo độ chính xác, cả ba dây cần có cùng trị số kỹ thuật và nhiệt độ Phương pháp 3 dây rất phổ biến trong đo lường.
Loại cấu hình này khắc phục lỗi do trở kháng tại điểm nối, cho phép dòng điện từ nguồn đi qua L1 đến dây L4, trong khi dây L2 và L3 đo áp rơi trên RTD Với nguồn dòng cố định, phép đo trở nên chính xác hơn Mặc dù có giá thành cao hơn so với cấu hình 2 hoặc 3 dây, nhưng nếu yêu cầu độ chính xác cao, loại cấu hình này là lựa chọn tốt nhất, thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm và ít phổ biến trong công nghiệp.
Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic
Cảm biến nhiệt độ làm từ vật liệu silic đang ngày càng trở nên quan trọng trong các hệ thống điện tử Những cảm biến này không chỉ có đặc điểm tuyến tính và độ chính xác cao, mà còn có chi phí thấp và khả năng tích hợp trong một IC cùng với bộ khuếch đại và các yêu cầu xử lý tín hiệu khác.
Hệ thống cảm biến nhiệt đang trở nên nhỏ gọn hơn, phức tạp hơn và hoạt động nhanh hơn Các kỹ thuật truyền thống như cặp nhiệt và nhiệt điện trở, với đặc tuyến không tuyến tính và yêu cầu điều chỉnh để chuyển đổi chính xác từ nhiệt độ sang đại lượng điện, đang dần được thay thế bởi cảm biến Silicon Cảm biến Silicon mang lại lợi ích về kích thước nhỏ gọn của mạch điện tích hợp và tính dễ sử dụng.
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể Silic có hệ số điện trở âm, nhưng khi được kích tạp chất loại N ở nhiệt độ nhất định, hệ số điện trở sẽ chuyển thành dương Nhiệt độ sử dụng của silic dao động từ -50 °C đến 150 °C, và sự thay đổi của điện trở suất silic phụ thuộc vào nồng độ chất pha cũng như nhiệt độ.
Khi nhiệt độ làm việc dưới 120 o C, điện trở suất sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt của điện trở giảm khi nồng độ pha tạp tăng.
Khi nhiệt độ vượt quá 120 o C, điện trở suất sẽ giảm khi nhiệt độ tăng trong dải nhiệt độ làm việc Hệ số nhiệt của điện trở suất không bị ảnh hưởng bởi nồng độ pha tạp.
2.3.2 Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất)
Cảm biến sử dụng vật liệu silic KTY với công nghệ điện trở phân rải mang lại độ chính xác và ổn định lâu dài, là lựa chọn thay thế hiệu quả cho các cảm biến nhiệt độ truyền thống.
Giả sử cảm biến hoạt động ở nhiệt độ bằng một nửa giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại, sau ít nhất 450.000 giờ (khoảng 51 năm) hoặc 1.000 giờ (1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức tại nhiệt độ cực đại, cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như bảng đã chỉ ra.
Bảng 2.2 Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)
TYPE Sai số tiêu biểu
Cảm biến được sản xuất từ công nghệ silic mang lại nhiều lợi ích từ những tiến bộ trong lĩnh vực này, đồng thời cũng tạo ra ảnh hưởng tích cực cho công nghệ "đóng gói", nơi có xu hướng thu nhỏ kích thước.
Cảm biến silic thông thường chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tối đa 150°C Tuy nhiên, với thiết kế vỏ bọc SOD68 và công nghệ kết nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip, KTY 84 có khả năng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 300°C.
Bảng 2.3 Một số sản phẩm tiêu biểu
KTY81-1 −55 tới 150 SOD70 KTY81-2 −55 tới 150 SOD70 KTY82-1 −55 tới 150 SOT23 KTY82-2 −55 tới 150 SOT23
IC cảm biến nhiệt độ
- Nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ
IC cảm biến nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện
Các bán dẫn có đặc tính nhạy cảm với nhiệt độ, cho phép tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (0°C, 0°F, 0K, tùy loại) Qua việc đo tín hiệu điện, chúng ta có thể xác định được nhiệt độ cần đo Dải đo nhiệt độ dao động từ -55°C đến 150°C, với độ chính xác từ 1°C đến 2°C, tùy thuộc vào từng loại cảm biến.
2.4.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor a Cảm biến nhiệt LM35
LM35 là cảm biến nhiệt độ giá rẻ, được sử dụng phổ biến để đo nhiệt độ theo °C với độ chính xác cao hơn so với thermistor cùng mức giá Cảm biến này cung cấp điện áp đầu ra cao hơn so với các cặp nhiệt điện và không cần khuếch đại điện áp đầu ra Đặc biệt, điện áp đầu ra của LM35 tỷ lệ thuận với nhiệt độ Celsius, với hệ số tỷ lệ là 0.01V/°C.
Cảm biến LM35 có độ chính xác ±0,4 °C ở nhiệt độ phòng và ±0,8 °C trong khoảng từ 0 °C đến +100 °C Đặc biệt, LM35 chỉ tiêu thụ 60 microamps từ nguồn cung cấp, cho phép nó hoạt động với khả năng tự sưởi ấm thấp.
- Điện áp hoạt động: Vc= 4V tới 30V
- Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10mV/ 0 C
- Thang đo: -55 0 C đến 150 0 C với LM 35/35A; -40 0 C đến 110 0 C với LM 35C/35CA; 0 0 C đến 100 0 C với LM 35D
- Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 0 C (trong môi trường không khí)
- Mức độ không tuyến tính chỉ 1/4 0 C
LM35 là cảm biến nhiệt độ chuyên dụng, lý tưởng cho việc đo nhiệt độ trong các môi trường đặc biệt và kiểm tra nhiệt độ pin Nó cung cấp thông tin chính xác về nhiệt độ của các linh kiện điện tử khác, giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Hình 2.4 Hình dạng thực tế LM35 b Cảm biến nhiệt LM 34
- LM34 là một loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường được sử dụng để đo nhiệt độ
- LM34 có cấu trúc tương tự LM 35
- Điện áp hoạt động: 5 tới 20 VDC
- LM 34 có ngõ ra 10mV/ 0 F
- Mức độ không tuyến tính chỉ 0,4 0 F
- Trở kháng ngõ ra LM34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay điều khiển mạch điện dễ dàng
LM34 là một cảm biến nhiệt độ chuyên dụng, được sử dụng để đo nhiệt độ trong các môi trường đặc biệt và kiểm tra nhiệt độ của pin Nó cũng cung cấp thông tin chính xác về nhiệt độ của các linh kiện điện tử khác.
Hình 2.5 Hình dạng thực tế LM34
2.4.2 Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices
Cảm biến nhiệt AD590 của Analog Devices được thiết kế với tổng trở ngõ ra cao (10 MΩ), giúp đo nhiệt độ chính xác Vi mạch này được sản xuất để cung cấp điện áp ra tương ứng với nhiệt độ Kelvin Để tránh hiện tượng tự gia nhiệt, điện áp hoạt động nên được giữ ở mức thấp, đồng thời khi điện áp thay đổi, dòng điện chỉ thay đổi rất ít, đảm bảo độ ổn định trong quá trình đo.
- Dải điện áp cung cấp điện từ 3 đến 30VDC
- Công suất đầu ra 223 mu đến 423 mu
- Dũng điện ra tỉ lệ 1àA / 0 K
Khi điện trở mẫu R được kết nối trong mạch, điện áp ở hai đầu của R sẽ là điện áp đầu ra, đảm bảo điện áp của AD590 không nhỏ hơn 3V Khoảng cách truyền tín hiệu đầu ra của AD590 có thể lên tới hơn 1km Với trở kháng cao lên đến 20 m, không cần phải chọn công tắc hay lo ngại về trở kháng bổ sung từ bộ ghép kênh CMOS Thiết bị này lý tưởng cho việc đo nhiệt độ đa điểm và đo nhiệt độ từ xa.
Hình 2.6 Hình dạng thực tế AD590
Nhiệt điện trở NTC
NTC (Hệ số nhiệt điện trở âm) là loại nhiệt điện trở bán dẫn có khả năng đo nhiệt độ trong một khoảng nhiệt độ nhất định, hoạt động tương tự như cảm biến đo nhiệt độ.
NTC được tạo thành từ hỗn hợp đa tinh thể của các bột oxit kim loại như mangan, nickel và cobalt, được trộn theo tỷ lệ và khối lượng cụ thể Sau đó, hỗn hợp này được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao từ 1000°C đến 1400°C Đặc biệt, mức độ dẫn điện của NTC sẽ thay đổi theo sự biến động của nhiệt độ.
Để đảm bảo các NTC có những đặc trưng kỹ thuật ổn định trong thời gian dài, cần áp dụng các phương pháp xử lý đặc biệt sau khi chế tạo.
2.5.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt NTC
- Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng) NTC giảm từ 3 đến 5, 5 % /1 0 C
- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo
- Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp
- NTC có nhiều ứng dụnglàm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử…và chia làm 2 loại: đo lường và làm bộ trễ
Trong đo lường và tác động bù, cần tránh hiện tượng tự sinh nhiệt do dòng NTC lớn, vì vậy NTC hoạt động chủ yếu trong vùng tuyến tính Trong vùng này, điện trở của NTC được xác định bởi nhiệt độ môi trường Phạm vi sử dụng chính của NTC trong lĩnh vực này bao gồm đo nhiệt độ, kiểm tra và điều khiển.
NTC cũng được dùng để bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở cho các mạch điện tử dùng bán dẫn
NTC là loại điện trở có tính chất trễ, với khả năng giảm điện trở khi dòng điện qua nó tăng cao do quá trình tự tỏa nhiệt Khi tải lớn, điện trở NTC giảm mạnh, tạo ra tác dụng trễ nhằm triệt tiêu dòng đỉnh tim của các bóng điện tử trong mạch có tính dung kháng.
Nhiệt điện trở PTC
PTC (Hệ số nhiệt điện trở dương) là một loại cảm biến nhiệt điện trở có khả năng hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định, tương tự như cảm biến đo nhiệt độ.
Vật liệu chế tạo PTC bao gồm barium carbonate kết hợp với một số oxit kim loại khác, được ép và nung để tạo ra Các tính chất điện khác nhau của PTC có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ các hợp chất nguyên liệu và áp dụng các phương pháp gia nhiệt đa dạng.
Sau khi gia nhiệt, các mối nối được hình thành và trong quá trình sản xuất, các dây nối dẫn ra ngoài được thêm vào Nhiệt điện trở PTC thường được phủ bên ngoài bằng một lớp vécni nhằm bảo vệ khỏi tác động của môi trường không khí.
2.6.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt PTC
- Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng)
- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo
- Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp
Nhiệt điện trở PTC được sử dụng trong cầu đo của mạch so sánh, hoạt động ở nhiệt độ bình thường với điện áp ngõ ra thấp Khi nhiệt độ tăng vượt ngưỡng, PTC sẽ bị nung nóng, dẫn đến điện áp ngõ ra tăng lên mức thấp.
PTC được sử dụng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ bằng cách đo trực tiếp Cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn stato, và tín hiệu từ cảm biến này sẽ được xử lý thông qua một thiết bị điều khiển.
Ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ
2.7.1 Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ LM35 2.7.2 Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của nhiệt điện trở NTC, PTC 2.7.3 Cài đặt một số bộ cảm biến nhiệt độ a Hướng dẫn sử dụng cho một số bộ cảm biến nhiệt độ
+ Chỉ được dùng trong nhà
+ Độ cao so với mặt nước biển Max 2000m
- Hãy lắp đặt công tắc nguồn hoặc mạch ngắt điện trong quy trình để ngắt nguồn cấp
- Công tắc hoặc mạch ngắt điện phải được lắp đặt gần người sử dụng
- Không sử dụng sản phẩm này như đồng hồ Vôn hoặc đồng hồ Ampe, đây là bộ điều khiển nhiệt độ
Khi mở rộng dây từ bộ điều khiển đến can nhiệt, cần phải sử dụng dây bù nhiệt để tránh hiện tượng lệch nhiệt độ tại các điểm kết nối.
Khi sử dụng cảm biến RTD, cần phải sử dụng tất cả ba dây Nếu muốn kéo dài dây, hãy đảm bảo rằng cả ba dây đều có kích thước và loại giống nhau Sự khác biệt về điện trở giữa các dây có thể gây ra sai lệch trong nhiệt độ đo được.
Khi sử dụng dây nguồn và dây tín hiệu gần nhau, cần thiết phải sử dụng dây chống nhiễu cho dây nguồn, đồng thời dây tín hiệu vào cũng phải được bọc lại để đảm bảo hiệu suất và chất lượng tín hiệu.
- Tránh xa các thiết bị có tần số cao (Máy hàn tần số cao & máy khâu, bộ điều khiển điện dung SCR loại lớn) b Cảm biến nhiệt TZN 4S
* Giới thiệu bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S
TZN: Điều khiển nhiệt độ PID
S: W48× H48mm (Loại có đế kết nối)
Nguồn cung cấp 100-240VAC 50/60Hz
Công suất tiêu thụ 5VA
Cách thức hiển thị Hiển thị bằng LED 7 thanh (Giá trị xử lý (PV): màu đỏ, giá trị cài đặt (SV): màu xanh
Kích thước chữ PV: W7.8×H11mm
Can nhiệt K (CA), J(IC), R(PR), E(CR), T(CC), S(PR),
N(NN), W(TT)
RTD Pt100Ω, JIS Pt100Ω, loại 3 dây
Analog 1-5VDC, 0-10VDC, 4-29mADC Ngõ ra Relay 250VAC 3A 1c
Loại điều khiển Điều khiển ON/OFF, P, PI, PD, PIDF, PIDS Hiển thị chính xác F.S ±0.3% hoặc 3 o C
Thời gian lấy mẫu 0.5 giây
Cài đặt cạnh xung Cạnh lên, cạnh xuống 1~99 phút
* Định dạng mặt trước và các phím chức năng
1: PV: Hiển thị giá trị xử lý (màu đỏ)
2: SV: Hiển thị giá trị cài đặt (màu xanh)
3: Chỉ thị họat động của SV2
4: AT: chỉ thị hoạt động tự động
5: Phím AT: chỉ thị chế độ tự động
7: EV1: Chỉ thị ngõ ra Event1
8: OUT: Chỉ thị ngõ ra chính
* Sơ đồ kết nối c Giới thiệu bộ điều khiển nhiệt độ TC 4S
Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TC/TC sở hữu chức năng tự điều chỉnh PID kép, cho phép điều khiển PID với tốc độ cao để nhanh chóng đạt được giá trị mong muốn, đồng thời cũng có khả năng điều khiển PID với tốc độ chậm nhằm giảm thiểu độ vọt dốc, mặc dù tính đáp ứng có thể hơi chậm.
Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TC/TC được sử dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh nhiệt độ cho các ứng dụng như lò nhiệt, máy đúc nhựa, ngành công nghiệp giấy, gỗ, hóa chất, linh kiện điện tử và chế biến thực phẩm.
TC: Điều khiển nhiệt độ PID
S: W48× H48mm (Loại có đế kết nối)
Hiển thị Hiển thị Led 7 đoạn (màu đỏ), hiển thị khác (màu xanh lá, vàng, đỏ) Nguồn cấp 100-240VAC 50/60Hz ±10%
RTD: DPt100Ω, Cu 50Ω (điện trở dây cho phép max 5Ω trên một dây)
Can nhiệt: K(CA), J(IC), L(IC)
- Bán dẫn: 12VDC ±2V Max 20mA Ngõ ra phụ
-Ngõ ra rơ le AL1: 250VAC 1A 1a Chu kỳ lấy mẫu 100ms
Phương pháp ON/OFF và P, PI, PD, PID
Hoạt động cảnh báo Cảnh báo đứt, hỏng cảm biến Cảnh báo đứt vòng lặp (LBA) Ngõ ra lái SSR Điều chỉnh tự động Hiệu chỉnh ngõ vào
Bộ lọc số ngõ vào Lựa chọn phương thức điều khiển Độ trễ Lựa chọn đơn vị nhiệt độ Reset bằng tay
Chức năng Gia nhiệt/Làm mát
MV ngõ ra điều khiển khi đường dây cảm biến ngõ vào bị đứt Phím ngõ vào số
Giới hạn cao/thấp SV Cài đặt khóa
Cách thức kết nối ngõ ra Truyền thông RS485 (Truyền dữ liệu PV/SV transmission, cài đặt SV) Kiểu đấu nối Cầu đấu, đế 11 chân
Kiểu lắp đặt Lắp trên cánh tủ, bắt vít trên tủ điện
Phụ kiện Gá lắp cánh tủ, đế (mua rời)
Tiêu chuẩn CE, UL, RoHS
* Định dạng mặt trước và các phím chức năng
1: SV: Hiển thị giá trị cài đặt LED 4 số
4: OUT: Chỉ thị ngõ ra chính
7: Ngõ ra rơ le AL1, AL2: 250VAC 1A
28 d Giới thiệu bộ điều khiển nhiệt độ TZN4M-14R
TZN: Điều khiển nhiệt độ PID tốc độ kép
M: H72×W72mm (Loại có đế kết nối)
Hiển thị Hiển thị Led 7 đoạn, giá trị thực PV: màu đỏ, giá trị đặt SV: màu xanh Nguồn cấp 100-240VAC±10%50/60Hz
RTD: DPt100Ω, JPt100Ω, 3 dây (điện trở dây cho phép lớn nhất 5Ω trên một dây)
Can nhiệt: K(CA), J(IC), R(PR), E(CR), T(CC), S(PR), N(NN), W(TT) (điện trở dây cho phép lớn nhất 100Ω)
Analog: 1-5VDC, 0-10VDC, DC4-20mA
- Rơ le: 250VAC 3A 1c Ngõ ra phụ
- Sự kiện 1: 250VAC 1A 1a Chu kỳ lấy mẫu 0.5s
Phương pháp điều khiển ON/OFF, P, PI, PD, PIDF, PIDS
Tính năng Điều chỉnh tự động Cảnh báo đứt, hỏng cảm biến Cảnh báo đứt vòng lặp Báo lỗi
Reset bằng tay Cài đặt dấu thập phân Điều khiển gianhiệt, làm lạnh Chức năng SV2
Chức năng ramp Truyền thông -
Kiểu đấu nối Cầu đấu
Kiểu lắp đặt Lắp trên cánh tủ,
Phụ kiện Gá lắp cánh tủ
* Định dạng mặt trước và các phím chức năng
1: PV: Hiển thị giá trị xử lý (màu đỏ)
2: SV: Hiển thị giá trị cài đặt (màu xanh)
3: Chỉ thị họat động của SV2
4: AT: chỉ thị hoạt động tự động
5: Phím AT: chỉ thị chế độ tự động
7: EV1: Chỉ thị ngõ ra Event1
8: EV2: Chỉ thị ngõ ra Event2
9: OUT: Chỉ thị ngõ ra chính
CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Trong thực tế sử dụng các loại thang đo nhiệt độ nào ? Giải thích ý nghĩa các thang đo nhiệt độ ?
Câu hỏi 2: Giải thích ý nghĩa nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo ?
Câu hỏi 3: Nêu đặc tính và tiêu chuẩn của nhiệt điện trở Platin ?
Kỹ thuật nối dây cho nhiệt điện trở bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có kỹ thuật 4 dây, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của điện trở dây dẫn Đầu dò nhiệt RTD (Resistance Temperature Detector) có cấu tạo gồm một dây dẫn bằng kim loại, thường là platinum, được sử dụng để đo nhiệt độ RTD được phân loại theo độ chính xác và dải nhiệt độ, và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học nhờ vào tính ổn định và độ chính xác cao.
Câu hỏi 6: Trình bày đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng
Cảm biến nhiệt LM 35 là một thiết bị đo nhiệt độ chính xác với cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng, nổi bật với khả năng cung cấp tín hiệu điện tương ứng với nhiệt độ Đặc điểm của LM 35 bao gồm dải nhiệt độ hoạt động rộng, độ chính xác cao và khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt Nhiệt điện trở NTC, hay còn gọi là nhiệt trở âm, có cấu tạo gồm vật liệu bán dẫn, cho phép đo nhiệt độ thông qua sự thay đổi điện trở khi nhiệt độ biến đổi Ký hiệu của NTC thường được thể hiện bằng các thông số kỹ thuật cụ thể, và đặc tính nổi bật của nó là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, giúp ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đo lường và điều khiển.
Câu hỏi 9: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, đặc tính nhiệt điện trở PTC ?
Câu hỏi 10: Giải thích định dạng mặt trước và các phím chức năng bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S ?
Câu hỏi 11: Trình bày các bước cài đặt bộ điều khiển nhiệt độ TZN 4S?
Câu hỏi 12: Trình bày các bước cài đặt bộ điều khiển nhiệt độ TC 4S?
Câu hỏi 13: Trình bày các bước cài đặt bộ điều khiển nhiệt độ TZM4S?
KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN
Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)
Cảm biến tiệm cận là công nghệ sử dụng cảm biến điện tử không tiếp xúc để phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của một vật thể.
- Phát hiện vật không cần tiếp xúc
- Tốc độ đáp ứng cao
- Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt ở nhiều nơi
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
* Các thuật ngữ thường sử dụng
Vật chuẩn là một đối tượng được xác định khi hình dạng, vật liệu và kích thước của nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu từ nhà sản xuất, nhằm tối ưu hóa các đặc tính kỹ thuật của cảm biến.
- Tần số đáp ứng: Số lần tác động lặp lại khi vật cảm biến đi vào vùng hoạt động của cảm biến
- Khoảng cách phát hiện: Khoảng cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến có thể phát hiện được
Hình 3.1 Khoảng cách phát hiện
- Khoảng cách cài đặt: Khoảng cách để cảm biến có thể nhận biết vật một cách ổn định (thường bằng 70 – 80% khoảng cách phát hiện)
Hình 3.2 Khoảng cách cài đặt
+ t1: Thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu
+ t2: Thời gian từ lúc đối tượng chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu
Hình 3.3 Thời gian đáp ứng
3.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)
- Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau
- Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại
Hình 3.4 Cảm biến tiệm cận điện cảm a Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính
+ Cuộn dây và lõi ferit
+ Mạch đầu ra b Nguyên lý hoạt động
Cảm biến tiệm cận điện cảm hoạt động bằng cách tạo ra một vùng điện trường, khi có vật kim loại tiến vào, dòng điện xoáy sẽ xuất hiện trong vật thể đó Dòng điện xoáy này gây tiêu hao năng lượng do điện trở của kim loại, ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động Khi tín hiệu đạt đến một mức nhất định, mạch phát hiện sẽ nhận diện sự thay đổi và kích hoạt mạch lên mức ON Khi đối tượng rời khỏi vùng điện trường, dao động sẽ trở lại bình thường, và cảm biến sẽ quay về trạng thái ban đầu.
Cảm biến tiệm cận điện cảm có dải đo phát hiện khoảng cách từ 0 đến 50 mm, tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm.
Cảm biến tiệm cận điện cảm được chia thành hai loại chính: loại được bảo vệ và loại không được bảo vệ Trong đó, loại không được bảo vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn so với loại được bảo vệ.
Cảm biến tiệm cận điện cảm loại được bảo vệ có thiết kế với vòng kim loại bao quanh, giúp hạn chế vùng điện từ trường ở bên ngoài Vị trí lắp đặt cảm biến nên được đặt ngang bằng với bề mặt làm việc để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không được bảo vệ không có vòng kim loại bao quanh và không thể lắp đặt ngang bằng bề mặt làm việc bằng kim loại Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần có một vùng xung quanh cảm biến không chứa kim loại.
Hình 3.5 Hình dạng 2 loại cảm biến d Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm
- Kích thước của vật cảm biến: Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của cảm biến sẽ giảm
Bề dày của vật cảm biến rất quan trọng, đặc biệt đối với các cảm biến kim loại có từ tính như sắt, niken, và SUS Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, bề dày của vật chuẩn cần phải lớn hơn hoặc bằng 1mm Nếu bề dày của vật cảm biến mỏng hơn, khoảng cách phát hiện sẽ bị giảm đi đáng kể.
Khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc vào loại vật liệu mà cảm biến được làm từ Các vật liệu từ tính hoặc kim loại chứa sắt sẽ cho phép cảm biến phát hiện ở khoảng cách xa hơn so với các vật liệu không từ tính hoặc không chứa sắt.
- Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến: Nếu vật cảm biến được mạ khoảng cách phát hiện cũng sẽ bị ảnh hưởng
- Nhiệt độ môi trường e Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm
- Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm, bụi bặm
Bộ cảm biến không có bộ phận chuyển động, loại bỏ hoàn toàn "khu vực mù" khi có thể phát hiện đối tượng ở gần mà không bị bỏ sót Hơn nữa, thiết bị này không gây nhiễu cho các sóng điện từ và sóng siêu âm, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và chính xác.
- Không phụ thuộc vào màu sắc, ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật khác
- Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc, tốc độ đáp ứng nhanh
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi
- Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại
- Bị chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh
- Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác
47 f Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm
(xác định vị trí của van) + Công nghiệp đóng gói
+ Phát hiện việc đóng nắp nhôm các chai bia
+ Xác định vị trí thang máy
+ Phát hiện các lá kim loại trên giấy bọc socola sau khi đóng gói
Hình 3.6 Các ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm
3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) a Giới thiệu chung
Cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến tiệm cận điện cảm có kích thước và hình dáng tương tự nhau, nhưng chúng hoạt động dựa trên nguyên lý khác nhau Cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường, trong khi cảm biến tiệm cận điện cảm tạo ra vùng điện từ trường, đây là điểm khác biệt chính giữa hai loại cảm biến này.
- Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện đối tượng có chất liệu kim loại cũng như không phải kim loại
Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận điện dung b Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính
+ Bộ phận cảm biến (các bản cực hay điện cực cách điện)
+ Mạch đầu ra c Nguyên lý hoạt động
Tụ điện bao gồm hai bản cực và một chất điện môi nằm giữa chúng Khoảng cách giữa hai bản cực quyết định khả năng tích trữ điện tích, với điện dung là đại lượng phản ánh khả năng này của tụ điện.
Cảm biến tiệm cận loại điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung khi có vật thể xuất hiện trong vùng điện trường Sự thay đổi này quyết định trạng thái "On" hoặc "Off" của tín hiệu đầu ra.
- Một bản cực là thành phần của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại
Cảm biến tiệm cận có dải đo phát hiện nhỏ, thường từ 0 đến 50mm, tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm Một trong những loại cảm biến này là cảm biến tiệm cận điện dung, được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động của chúng.
- Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: Được bảo vệ và không được bảo vệ
Cảm biến tiệm cận điện dung loại được bảo vệ có thiết kế với vòng kim loại bao quanh, giúp tập trung vùng điện trường về phía trước và cho phép lắp đặt ngang bằng với bề mặt làm việc.
ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY
Một số phương pháp cơ bản
Trong ngành công nghiệp, việc đo tốc độ quay của máy là rất quan trọng, vì độ an toàn và hiệu suất làm việc của máy phụ thuộc vào chỉ số này Đối với chuyển động thẳng, tốc độ dài thường được chuyển đổi để đo tốc độ quay Do đó, cảm biến đo vận tốc góc giữ vai trò thiết yếu trong việc xác định vận tốc trong các ứng dụng công nghiệp.
Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp tín hiệu đo dưới dạng tần số Thông thường, trên trục quay sẽ có một hoặc nhiều dấu, và một cảm biến được lắp đặt ở phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này.
- Tần số đo được tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k: f = n.k (4.1)
- Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau:
+ Sử dụng tốc độ kế dòng một chiều, tốc độ kế dòng xoay chiều
+ Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ
+ Sử dụng máy đo góc tuyệt đối
4.1.1 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog a Tốc độ kế dòng một chiều (máy phát tốc)
- Thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo được cấu tạo gồm các phần chính
Hình 4.1 Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều
- Stator: Là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng
Rotor là một trục sắt nhiều lớp, có bề mặt ngoài được xẻ rãnh song song với trục quay Các rãnh này chứa dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, được nối với nhau từng đôi bằng dây phụ Dây phụ này có lõi thép phần ứng, trên đó cũng được xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Cổ góp là một hình trụ có các lá đồng cách điện được gắn trên bề mặt, mỗi lá kết nối với một dây chính của roto Hai chổi quét được thiết kế để luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau, đảm bảo hoạt động hiệu quả trong quá trình vận hành.
Điện áp trên cực máy phát tỷ lệ thuận với tốc độ quay của nó Máy phát tốc độ được kết nối cùng trục với phanh hãm điện từ và động cơ, vì vậy tốc độ quay của máy phát chính là tốc độ quay của động cơ Tốc độ này cũng tỷ lệ với điện áp của máy phát tốc độ.
- Dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ
- Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay
: Vân tốc góc của rotor n: Là tổng số dây chính trên rotor Φ0: Là từ thông xuất phát từ cực nam châm b Tốc độ kế dòng xoay chiều
Tốc độ kế dòng xoay chiều mang lại lợi ích vượt trội nhờ không sử dụng cổ góp điện và chổi than, dẫn đến tuổi thọ cao hơn Hệ thống này cũng loại bỏ sự biến động điện áp trên chổi than, đảm bảo hiệu suất ổn định.
- Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu
- Cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộthực chất đây là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ
Hình 4.2 Cấu tạo của một máy phát đồng bộ (a: 1 pha, b: 3 pha)
- Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ Rotor là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ
Stator là phần chứa các cuộn dây được sắp xếp đều trên bề mặt bên trong, có thể là một pha hoặc ba pha Đây là bộ phận cung cấp sức điện động cảm ứng hình sin, với biên độ tỷ lệ thuận với tốc độ quay của rotor, được mô tả bằng công thức e = E0 sinΩt.
K1 và K2: Là các thông số đặc trưng cho máy phát
Điện áp đầu ra được chuyển đổi thành điện áp một chiều thông qua quá trình chỉnh lưu, không phụ thuộc vào chiều quay của dòng điện Tuy nhiên, hiệu suất lọc sẽ giảm khi tần số hoạt động thấp.
Tốc độ quay có thể được xác định thông qua việc đo tần số của sức điện động, một phương pháp quan trọng khi khoảng cách đo lớn Tín hiệu từ máy phát đồng bộ có khả năng truyền xa mà không bị ảnh hưởng bởi sự suy giảm tín hiệu, đảm bảo độ chính xác của phép đo tần số.
* Máy phát không đồng bộ
- Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ đồng bộ hai pha
Hình 4.3.Cấu tạo của một máy phát
Rotor là một đĩa kim loại mỏng, hình trụ và dị từ, được quay đồng tốc với trục đo vận tốc Khối lượng và quán tính của rotor rất nhỏ, giúp tối ưu hóa hiệu suất đo lường.
- Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây
+ Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi e
Cuộn dây thứ hai, được gọi là cuộn dây đo, tạo ra sức điện động giữa hai đầu có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo Cụ thể, sức điện động được biểu diễn bằng công thức e m = E m cos( e t + Φ) = kV e cos( e t + Φ), trong đó e m là sức điện động và Em = kVe.
e: Tần số góc k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy Φ: độ lệch pha
Khi đo Em sẽ xác định được
4.1.2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử a Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa
Đĩa mã hóa là thiết bị phát hiện chuyển động và vị trí của vật thể thông qua cảm biến quang Nó tạo ra chuỗi xung giúp xác định sự chuyển động, vị trí và hướng di chuyển của vật.
Hình 4.4 Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa
Nguồn sáng được lắp đặt để ánh sáng liên tục chiếu qua đĩa thủy tinh, với bộ phận thu nhận ánh sáng ở mặt đối diện để nhận tín hiệu Đĩa được kết nối với trục động cơ, đảm bảo khi trục quay, đĩa cũng quay theo Khi đĩa quay sao cho lỗ, nguồn sáng và bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng, tín hiệu xung vuông sẽ được sinh ra.
- Nhược điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay b Đĩa mã hóa tương đối
Đĩa mã hóa với một bộ xung không thể phát hiện chiều quay, vì vậy hầu hết các đĩa mã hóa được trang bị bộ xung thứ hai lệch pha 90 độ so với bộ xung đầu tiên Điều này cho phép xác định chính xác mỗi thời điểm mà đĩa mã hóa quay một vòng.
Hình 4.5 Sơ đồ thu phát đĩa mã hóa tương đối
Khi xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ; ngược lại, nếu xung B xảy ra trước xung A, trục sẽ quay theo chiều ngược lại Đồng thời, xung Z xác định rằng trục đã hoàn thành một vòng quay.
Hình 4.6 Dạng sóng ra của mã hóa 2 bộ xung
Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
- Từ công thức cơ bản
- Ta có thể giữa R và có sự liên hệ gần đúng
Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng chạm
4.2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor
- Cấu trúc cảm biến KM110BH/21
Hình 4.9 Cấu trúc cảm biến KM110BH/21
- Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng: KMB110BH/2130 và KMB110BH/2190 có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau
KMB110BH/2130 được thiết kế với thang đo nhỏ hơn, giúp tăng cường độ khuếch đại, với phạm vi đo từ -15° đến +15° Tín hiệu đầu ra của thiết bị này rất tuyến tính, với độ phi tuyến chỉ khoảng 1%.
Cảm biến KMB110BH/2190 có khả năng đo nhiệt độ từ -45°C đến +45°C với tín hiệu ra dạng sóng sin Cả hai loại cảm biến đều cung cấp tín hiệu ra dạng Analog Bên cạnh đó, còn có các thiết kế mới là KM110BH/23 và KM110BH/24.
Bảng 4.1 Thông số của 1 số loại cảm biến
Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 Điện áp ra
20 mA Đặc Tuyến Hình Hình Tuyến Tuyến Hình
67 tuyến ngõ ra tính sin sin tính tính sin Điện áp hoạt động
- Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390
Hình 4.10 Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390
- Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190
Hình 4.11 Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190
Cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ -35°C đến +35°C, cung cấp tín hiệu ngõ ra dạng dòng điện từ 4 đến 20 mA Người dùng có thể sử dụng một điện trở để chuyển đổi tín hiệu này sang dạng điện áp.
Hình 4.12 Tín hiệu ra của
Hình 4.13 Sơ đồ khối của loại cảm biến KM110BH/2270
4.2.3 Các loại cảm biến KMA10 và KMA20
Cảm biến KMA10 và KMA20 là thiết bị đo góc không tiếp xúc, được thiết kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả trong những môi trường khắc nghiệt Chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa và công nghiệp.
- Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic
- KMA10 cho tín hiệu ra dưới dạng dòng điện (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270)
KMA20 cung cấp tín hiệu đầu ra dưới dạng điện áp, với các phiên bản KMA20/30, KMA20/70 và KMA20/90 được phát triển từ các loại KM110BH/2430, KM110BH/2470 và KMA20/2390 tương ứng Trong đó, tín hiệu của KMA20/30 có tính chất tuyến tính, trong khi tín hiệu của KMA20/70 mang hình dạng sóng sin.
Bảng 4.2 Thông số của 1 số loại cảm biến
Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị
Thang đo 70 30 70 90 Độ Điện áp ra - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V
Dòng điện ra 4 tới 20 - - - mA Đặc tuyến Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính
69 ngõ ra Điện áp hoạt động 8,5 5 5 5 V
Nhiệt độ hoạt động -40 tới +100 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0 C Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ
4.2.4 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)
- Là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặc tốc độ dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ
- Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của Resolver a Cấu tạo
* Phần động : Gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2 – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 4.16.a)
Phần tĩnh của máy đo bao gồm hai dây quấn thứ cấp, cuộn sin và cuộn cos, được bố trí lệch nhau 90 độ Từ hai dây quấn này, ta thu được hai tín hiệu điều biên V.sin ɷt.sin Ɵ và V.sin ɷt.cos Ɵ, chứa thông tin về vị trí tuyệt đối của rotor máy đo, tương ứng với vị trí tuyệt đối của rotor động cơ cần đo.
- Lấy đạo hàm góc quay ta có tốc độ quay của động cơ
- Độ phân giải của máy đo phụ thuộc khả năng phân giải của bộ chuyển đổi A/D mắc trong mạch đo
- Nhược điểm: Hệ truyền động không đồng nhất do phải tải thêm phần động của cảm biến Ứng dụng phương pháp không có cảm biến (Hình 4.14.b)
Đường bao tín hiệu ra cung cấp thông tin về vị trí tuyệt đối (góc Ɵ) của rotor trong máy đo, phản ánh vị trí chính xác của rotor động cơ (Hình 4.14.c).
Hình 4.14 (a_ Cấu tạo, b- Sơ đồ nguyên lý, c- Hai kênh tín hiệu ra)
Hình 4.15 Sơ đồ dây quấn
+ S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin 90 O = V.sin ɷt.sin Ɵ
+ Ɵ: Góc lệch tuyệt đối của rotor động cơ
- Khi bộ đo góc tuyệt đối được sử dụng như một cảm biến vị trí, thì một cuộn dây của rotor được nối tắt
Điện áp cuộn rotor được biểu diễn dưới dạng E = Vsin ɷt, trong khi điện áp ở hai cuộn stator cũng có dạng sóng sin với biên độ thay đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí rotor Nguyên tắc hoạt động này cho thấy sự tương tác giữa rotor và stator trong hệ thống điện.
- Người ta đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor của Resolver khi rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp
- Vị trí 0: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin
- Rời khỏi vị trí 0 đến vị trí 90: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cả 2 cuộn sin và cosin
- Đến vị trí 90: Không còn điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin chỉ còn điện áp xuất hiện trên cuộn sin
- Tương tự xét cho các góc lớn hơn