Chương Phần tử cảm ứng 6.1 Khái niệm chung Trong tất hệ thống tự động điều chỉnh kín số hệ thống tự động điều chỉnh hở có phần tử, mà chức chúng nhận thông tin đo đạc thông tin tạo tín hiệu đưa đến thiết bị có chức điều khiển Các phần tử gọi tập hợp đo Trong hệ thống tự động điều chỉnh, đại lượng cần thiết phải đo đại lượng đặc trưng cho trạng thái trình (nhiệt độ, áp suất, độ nhớt, lưu lượng) đặc trưng cho trạng thái đối tượng, vài hệ thống tự động có phần tử đo tác động nhiễu Trên thực tế tập hợp đo thường có cấu tạo bao gồm hai phần đầu đo (đầu cảm - sensor) cấu biến đổi tín hiệu (transmitter) Nếu tập hợp đo nối với thiết bị điều chỉnh, điều khiển hệ thống tự động hay nói cách khác tín hiệu tập hợp đo đưa vào hệ thống tự động nhằm mục đích tạo tín hiệu điều chỉnh, điều khiển tập hợp đo gọi phần tử cảm biến (phần tử cảm ứng) Nếu phần tử đo nối với thiết bị ghi, báo… tập hợp đo gọi phần tử đo Trên thực tế tập hợp đo nối với hai loại thiết bị nói trên, hai khái niệm phần tử cảm biến khái niệm phần tử đo coi tương đương Sau mục đích phân tích hệ thống tự động nên dùng khái niệm phần tử cảm biến (phần tử cảm ứng) để tập hợp đo 100 Ngày nay, kỹ thuật chế tạo phần tử cảm biến, đặc biệt chế tạo đầu đo, trọng khả độ xác đầu đo có ảnh hưởng lớn tới chất lượng hệ thống Trong kỹ thuật có vô số đại lượng cần đo có nhiều loại đầu cảm (đầu đo) để đo đại lượng khác nhau, đại lượng lại có loại đầu đo khác với dải đo khác nhau, tính chất tín hiệu khác Sau loại đầu cảm thường sử dụng hệ thống tự động Đầu cảm áp suất kiểu hộp xếp, kiểu piston xilanh, kiểu màng, kiểu lò xo Bourdon, tín hiệu lực dịch chuyển khí Đầu cảm áp suất kiểu màng điện trở kiểu màng bán dẫn, tín hiệu kiểu điện Đầu cảm mức chất lỏng kiểu phao, kiểu màng, kiểu thuỷ tĩnh học…, tín hiệu áp suất, lực dịch chuyển khí Đầu cảm mức chất lỏng kiểu điện trở, điện dung, siêu âm…, tín hiệu kiểu điện kiểu xung Đầu cảm mức chất lỏng kiểu ống thông Đầu cảm lưu lượng kiểu ống thắt, tín hiệu độ chênh áp Đầu cảm lưu lượng kiểu điện, điện từ Đầu cảm nhiệt độ kiểu bình nhiệt, tín hiệu áp suất, lực dịch chuyển học Đầu cảm nhiệt độ kiểu điện trở, pin nhiệt điện, quang …, tín hiệu kiểu điện 10 Đầu cảm nhiệt độ kiểu lưỡng kim 11 Đầu cảm vòng quay kiểu ly tâm, khí nén, thuỷ lực 12 Đầu cảm vòng quay kiểu máy phát tốc dòng chiều 13 Đầu cảm mật độ kiểu phao 14 Đầu cảm mật độ kiểu điện dung, kiểu ion, kiểu quang điện… 15 Đầu cảm độ ẩm 16 Đầu cảm lực kiểu lò xo 17 Đầu cảm công suất điện 18 Đầu cảm mô men kiểu Tenxomet 19 Đầu cảm lượng 20 Đầu cảm phát xung kiểu quang điện từ trường Có nhiều đại lượng cần đo khác nhau, đầu cảm có nhiều loại khác nên tín hiệu nhận đầu đầu cảm có nhiều thang giá trị, tính chất dạng lượng khác Đây vấn đề gây nhiều khó khăn trình thiết kế phần tử cảm biến điều chỉnh Vì loại điều chỉnh cần loại phần tử cảm biến riêng biệt làm tăng giá thành hệ thống tự động Để loại trừ vấn đề nan giải này, người ta tiêu chuẩn hoá vùng đo đầu cảm, độ lớn tín hiệu đầu cảm dùng thiết bị biến đổi trung gian Thiết bị có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu đầu cảm thành tín hiệu thích hợp (cả thang giá trị tính chất) để đưa đến đầu vào điều chỉnh 101 Tín hiệu vào thiết bị biến đổi trung gian gọi tắt tín hiệu trung gian Tín hiệu từ đầu cảm - vùng thay đổi giá trị phụ thuộc vào cấu trúc đầu cảm Vùng thay đổi giá trị thông thường tín hiệu trung gian liệt kê bảng 6.2.1 Trong số trường hợp, tín hiệu đầu cảm phù hợp với điều chỉnh kể giá trị tính chất ví dụ đầu cảm nhiệt độ, phần tử cảm biến bao gồm đầu cảm nối trực tiếp với điều chỉnh Bảng 6.2 vùng thay đổi giá trị tín hiệu trung gian Đại lượng Ký hiệu Lực Độ dịch chuyển thẳng Suất điện động chiều Điện trở Độ dịch chuyển góc Vận tốc góc Điện áp xoay chiều Tần số dòng xoay chiều Tần số dòng xoay chiều Tần số xung Số lượng xung F S e R ϕ n U U f f N Vùng giá trị Min ÷ 4,9N ÷ 10mn ÷ 2mV ÷ 100Ω ÷ 100 ÷ 100v/phút ÷ 2mV ÷ 2mV ÷ 50Hz ÷ 50xung/giây ÷ 104 Max ÷ 9,8N ÷ 10cm ÷ 100V ÷ 10KΩ ÷ 3500 ÷ 3000v/phút ÷ 10V ÷ 10V ÷ 10KHz ÷ 104 xung/giây ÷ 106 Để tạo tín hiệu tin cậy cho hệ thống, phần tử cảm biến cần phải đảm bảo yêu cầu sau: Giá trị tín hiệu y phần tử cảm biến phụ thuộc vào tín hiệu vào x phải xác, có tính chọn lọc, không chịu tác động nhiễu Hàm truyền phần tử cảm biến phải đồng vùng giá trị rộng không phụ thuộc vào thời gian (vùng ổn định rộng) Độ nhạy (dy/dx) phải cao không phụ thuộc vào tín hiệu vào Dạng tín hiệu y phải phù hợp với thiết bị nối tiếp sau phần tử cảm biến Độ ồn hoạt động phải thấp Tác động ngược lại tín hiệu vào x phải nhỏ Độ trễ trình đo phải nhỏ 6.2 Phân loại phản tử cảm ứng Cơ sở để phân loại phần tử cảm ứng thực tế gặp nhiều dạng khác Nhưng thông thường người ta phân loại phần tử cảm ứng theo thông số đo, thiết bị tự động hệ động lực tàu thủy phần tử cảm ứng phân chia sau: Phần tử cảm ứng vòng quay Phần tử cảm ứng áp suất 102 Phần tử cảm ứng mức đo Phần tử cảm ứng lưu lượng Phần tử cảm ứng nhiệt độ Sau ta nghiên cứu loại phần tử cảm ứng, sở cấu tạo, đặc tính ứng dụng chúng 6.2.1 Phần tử cảm ứng vòng quay Trên thực tế gặp phần tử cảm ứng vòng quay dạng học, thuỷ lực, khí nén điện Nhưng hai loại phần tử cảm ứng tốc độ quay kiểu khí nén điện ứng dụng hệ thống tự động điều chỉnh thông số nhiệt phần tử không đề cập đến xét loại phần tử cảm ứng vòng quay điển hình ứng dụng rộng rãi hệ thống điều chỉnh vòng quay động diesel, tua bin khí Trên hình 6.3 biểu thị sơ đồ nguyên lý phần tử cảm ứng vòng quay kiểu học Vật có khối lượng m quay quanh trục x - x với vận tốc góc ω Khối lượng m giữ vị trí tương ứng với trục quay lò so có độ cứng c đầu gần chặt điểm A Khối lượng m dịch chuyển dọc theo trục ZZ vuông góc với x - x phụ thuộc vào giá trị ω Nếu ω = trọng tâm khối lượng m nằm điểm B cách trục x - x khoảng Z o Trong trường hợp lò xo vị trí cân Giả sử tốc độ góc có giá trị ω khối lượng m dịch chuyển đến vị trí D cách trục x - x khoảng là: Z + Zo Nếu không tính đến lực hút khối lượng m ω = const có phương trình cân sau đây: mω2(Z + Zo) = c.Z (1) C: độ cứng lò xo: c = const Có thể tính Z theo phương trình (1) 103 Z= Xo c −1 mω (2) Trên sở phương trình (2) ta xét trường hợp sau: - Nếu c > giá trị tốc độ góc ω tương ứng có ví trí khối lượng m mω Vậy Z = Z(ω) - Nếu c → giá trị mẫu số tiến tới Z > ∞ tốc độ tới hạn có giá trị: mω ωK = c m - Nếu c < mẫu số có giá trị âm Trường hợp tương tự đặt vật nặng m, ω mω (3) = có trọng tâm nằm bên trái trục x - x Trên hình 6.4 biểu thị mối quan hệ Z = f(ω) Đường biểu thị mối quan hệ Z = f(ω) c >1 mω Đường biểu thị mối quan hệ Z = f(ω) c < Nếu biểu thị tuý toán học đường mω nằm trục hoành nhận đường ω = ωk đường tiệm cận Nhưng thực tế giá trị âm độ dịch chuyển Z nên lấy đối xứng đường đồ thị Để xác định vị trí cân vật có khối lượng m (ở điểm D) cần phải xây dựng đồ thị đặc tính lực tác dụng lên khối lượng có ω = const phụ thuộc vào độ dịch chuyển khối lượng trục ZZ Trên hình 6-5a điểm D điểm cân bền vững, trọng tâm vật có khối 104 lượng m lệch phía gây nên lực dư ∆E kéo khối lượng m vị trí cân ban đầu Như  c  > 1 trường hợp ω < ωK   mω  ứng với giá trị tốc độ góc ω có vị trí định khối lượng m ngược lại Dựa nguyên tắc người ta ứng dụng để xây dựng phần tử cảm ứng tốc độ quay học điều chỉnh vòng quay 105 Trong trường hợp ω > ωK từ biểu thức cho thấy Z có giá trị đương trường hợp Z o < Có nghĩa trọng tâm vật ω = nằm phía bên trái trục X - X Trên hình 6-5b rõ điểm D khong phải điểm cân vĩnh viễn Do xây dựng phần tử cảm ứng theo nguyên tắc Phần tử cảm ứng vòng quay thực tế mô tả hình 6.6 Trục phần tử cảm ứng vòng quay học nhận truyền động từ trục máy Cùng quay với trục có văng treo truyền khớp nối chuyển động dọc theo trục Dưới tác đụng lực ly tâm, hai văng chuyển động xa trục quay Trong trọng lực văng G2, trọng lượng khớp nối GK lực kéo lò xo F tác động ngược chiều với lực ly tâm kéo văng gần lại với trục quay Khi tốc độ quay có giá trị định, thiết lập trạng thái cân lực khớp nối giữ vị trí định Trục Z x có hướng dương tương ứng với hướng chuyển dịch khớp trượt phía tăng vận tốc góc Ta xét đặc tính hoạt động phần tử cảm ứng theo trường hợp a Khi phần tử cảm ứng không hoạt động ω = tác động nên văng có lực lò so lực G trọng lực văng Nếu cho khớp trượt dịch chuyển đoạn ∆Z tương ứng có chuyển dịch điểm B khoảng 2∆x (chính độ dịch chuyển lò xo) ∆Z1 độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng văng Công sinh tổng hợp lực trường hợp là: L = GK.∆Z + G2 ∆Z1 + 2F ∆x (4) 106 không đề cập đến trọng lượng truyền nhỏ so với trọng lượng khớp trượt văn Công nhận theo công thức thay công lực quy đổi E quãng đường ∆Z tác dụng vào khớp trượt phần tử cảm ứng hướng xuống Đại lượng lực tìm từ đẳng thức công: E∆Z = G k ∆Z + G ∆Z1 + F.2∆ x ∆Z (5) Từ rút ra: E = G K + G2 ∆Z 2∆x + F ∆Z ∆Z Lực quy đổi E tác động nên khớp nối gọi lực phục hồi Tỷ số (6) 2∆x ∆Z1 xác định cách ∆Z ∆Z dựng số vị trí chi tiết phần tử cảm ứng vị trí cực đại cực tiểu khớp nối xác định đồ thị độ chuyển dịch điểm đặt lực Biểu thức (6) rõ lực phục hồi E phụ thuộc vào vị trí khớp nối lực ban đầu lò xo (Sức căng ban đầu lò xo Fo) Trên hình - 7a biểu thị mối quan hệ lực phục hồi E độ dịch chuyển khớp trượt Z giá trị khác sức căng ban đầu lò xo điều chỉnh (đ/c) vòng quay động diesel cao tốc tua bin có phần tử cảm ứng không lớn lắm, trọng lượng văng, khớp nối, truyền vv nhỏ Vì lực phục hồi tính theo phương trình 107 E = F 2∆x ∆Z Trong trường hợp lò xo khớp nối trục với (nằm trục lò xo trực tiếp tác dụng lên khớp trượt) Khi ∆Z = ∆X E = F Nếu biết sức căng ban đầu lò xo E xác định E = Fo + c Z Như thay đổi sức căng ban đầu lò xo E thay đổi theo Như độ hiệu chỉnh thay đổi lực phục hồi E gọi độ hiệu chỉnh phần tử cảm ứng ký hiệu ψ Cho nên lực E phụ thuộc vào hai yếu tố: E = F(Z, ψ) Điều thể rõ đặc tính - 7a Lực trì (lực giữ) phần tử cảm ứng làm việc, khớp trượt lực phục hồi tác động mà lực thứ hai lực giữ - ký hiệu C Lực xác định từ điều kiện cân công thực lực ly tâm FLT chi tiết quay lực giữ hướng theo trục chuyển động khớp nối n ∑F i =1 iLT ∆x i = ω A.∆Z (9) từ rút ra: n A = ∑ FLTi i =1 n ∆xi ∆x = mi ∆xi i = A( Z ) ∑ ∆Z ω ∆Z Trong đó: mi: khối lượng chi tiết quay thứ i ∆Xi: khoảng cách từ trọng tâm chi tiết quay thứ i đến trục quay Như lực giữ C xác định: C = ω2A(z) > C = C(ω.Z) Lực giữ (lực trì) hàm số hai biến số Z ω Trên hình - biểu thị đặc tính lực C phụ thuộc vào độ dịch chuyển Z giá trị ω khác Trong trình làm việc phần tử cảm ứng Khớp nối nằm vị trí cân đáp ứng điều kiện: E(Z, ψ) = C(ω, z) Như giá trị tốc độ góc cho trước ω khớp nối có vị trí cân định điểm Z điểm cắt lực phục hồi lực trì thể hình - Vì lực phục hồi E = E(ψ; Z) thay đổi dốc phụ thuộc vào độ cứng lò xo có đường E 1, E2 (trên hình - 8) có hai trường hợp cân khớp trượt Nếu độ nghiêng đặc tính phục hồi E (Z, ψ) lớn độ nghiêng đặc tính lực giữ C (Z, ω) đường đường chuyển dịch khớp trượt vị trí ban đầu - phần tử có tính bền vững, phần tử cảm ứng dạng sử dụng thực tế Nếu độ nghiêng đặc tính E(Z, ψ) nhỏ đặc tính C(Z, ω) (đường hình - 8) cân phần tử cảm ứng điểm Z không bền vững khớp nối chuyển dịch phía sinh lực căng làm cho vị trí khớp trượt dịch chuyển xa điểm cân Phần 108 tử cảm ứng loại phần tử cảm ứng vòng quay có tính không bền vững không sử dụng thực tế Tính ổn định phần tử cảm ứng đặc trưng số bền vững Fođ: Fod = ∆E − ∆C ∆Z Trường hợp số gia ∆Z nhỏ viết ∆E = δE δC ∆Z ; ∆C = ∆Z δZ δZ Như tất lực tác dụng lên khớp trượt phần tử cảm ứng thay lực ngược chiều E C Trạng thái cân khớp trượt tồn lực C E Eo(Z, ψ) = Co(ω, Z) (12) Phương trình (12) gọi phương trình cân tuyến tính Từ phương trình ta thấy lực E lực C phụ thuộc vào Z ψ, ω từ ta tìm phụ thuộc Z ω, đồng thời dựng đường cong gọi đặc tính tuyến tính phần tử cảm ứng tốc độ quay Song dạng liên kết Z = Z(ω) gặp dạng cụ thể, ta dùng cách phân tích đồ thị: dựng E = f(Z) C = f(Z) giá trị ω sau tổng hợp đồ thị lấy điểm Z i tương ứng với ωi dựng đặc tính tuyến tính - biểu thị phụ thuộc đại lượng đại lượng vào Hiệu giá trị chế độ ổn định giá trị chế độ định mức gọi sai số tuyến tính (sai số tĩnh) ∆Z = Z - Zo Tỷ số sai số tĩnh giá trị Zo (định mức) gọi sai số tuyến tính tương đối ∆Z Z − Z o = Zo Zo Chiều rộng vùng thay đổi ω gọi độ không đồng phần tử cảm ứng (δ) 109 Khi cho diện tích thiết diện f không đổi, đo lưu lượng cách đo độ chênh áp trước sau thiết bị có ống hẹp hình 6.21a b Phần tử cảm ứng lưu lượng xây dựng theo nguyên lý gọi phần tử cảm ứng lưu lượng kiểu độ chênh áp thay đổi Khi cho độ chênh áp không thay đổi (P - P2 = const) đo diện tích thiết diện ống dẫn xác định lưu lượng dòng chảy hình 6.21b Phần tử cảm ứng loại gọi phần tử cảm ứng lưu lượng với độ chênh áp không đổi Trên hình 6.21c thể phần tử đo lưu lượng ống dẫn có thiết diện không dổi, người ta thường goi ống pito Nguyên lý xây dựng phần tử cảm ứng loại dựa vào sử dụng động chất lỏng Bề mặt vào ống thứ đặt vuông góc với hướng dòng chảy, bề mặt ống thứ đặt song song với dòng chảy Đặt dòng chảy ống thứ giảm, dẫn đến tăng áp suất động tĩnh v2 P1 = PT + Pd = PT + ρ (4) Trong ống áp suất áp suất tĩnh P2 = PT Hiệu P1 - P2 tác dụng lên bề mặt màng làm dịch chuyển màng đưa tín hiệu P1 − P2 = v2 ρ từ rút ra: v = (5) (P1 − P2 ) ρ (6) Loại phần tử gọi phần tử cảm ứng tốc độ - cột áp Trong thực tế hệ thống tự động hệ động lực tàu thuỷ: ống Piti Venturi loại Rotamét sử dụng rộng rãi 123 b Xác định lực phuch hồi E; lực giữ C đặc tính làm việc phần cảm ứng Lực phục hồi phần tử cảm ứng lưu lượng có độ chênh áp thay đổi loại tốc độ - cột áp lưu lượng công chất không đổi phụ thuộc vào lực đàn hồi lò xo khối lượng chi tiết chuyển động Nếu bỏ qua khối lượng chi tiết chuyển động lực phục hồi xác định sau: E = Fo + bZ > E = E (Z, ψ) (8) Trong đó: b: độ cứng lò xo Fo: sức căng ban đầu lò xo Còn lực phục hồi phần tử cảm ứng lưu lượng có độ chênh áp không đổi xác định trọng lượng phao truyền Vậy: E = G = const Không phụ thuộc độ dịch chuyển phao Đặc tính lực phục hồi thể 6.22 Lực giữ (lực trì C) phần tử cảm ứng có độ chênh áp thay đổi tính lực tác dụng lên màng độ chênh áp ∆P = P1 - P2 Để tiện cho việc tính toán giả sử diện tích thiết diện màng cảm ứng mặt vậy: C = (P1 - P2).Sci (10) Sci: diện tích có ích màng hộp xếp Trong trường hợp phần tử cảm ứng xây dựng theo nguyên lý độ chênh áp không đổi xác định biểu thức  µ c2 ρ Q2 C =  S ci f   µ c2 ρ Q2  = S ci 2 f  Trong đó: µc hệ số lưu lượng công chất qua thiết diện hẹp ρ: tỷ trọng công chất 124 Đối với phần tử cảm ứng có độ chênh lệch áp thay đổi f = const lực giữ C không phụ thuộc vào độ dịch chuyển truyền mà phụ vào lưu lượng C = C(Q) Còn phần tử cảm ứng có độ chênh áp không đổi f ≠ const C = C (Q, Z) đặc tính lực giữ phụ thuộc vào độ dịch chuyển Z thể hình 2.23 Đường đặc tính lực giữ phần tử cảm ứng lưu lượng có độ chênh áp thay đổi đường (2) đặc tính lực giữ phần tử cảm ứng có độ chênh áp không đổi Đối với phần tử cảm ứng kiểu cột áp thì: C= ρ Q2 S ci 2 f f: diện tích ống đo lưu lượng Cách xác định đặc tính Z = Z(Q) giống phần tử áp suất, mức đo cụ thể: C = C(Q); E = E(Z, ψ) 125 Hệ số không đồng δ= Q max − Q (Q max − Q ) Nếu kể đến ma sát chất lỏng, khí, chi tiết chuyển động, độ rò rỉ chất lỏng (khí) qua phần làm kín tồn vùng không cảm ứng (vùng không chạy) Hệ số vùng không chạy là: ε= Q'−Q' ' (Q'+ Q' ' ) Chỉ số bền vững phần tử cảm ứng lưu lượng xác định công thức: Fod = δE δC − δZ δZ Đối với phần tử cảm ứng lưu lượng kiểu độ chênh áp thay đổi Fod = δE δC − = b−0 > δZ δZ Đối với phần tử cảm ứng kiểu độ chênh áp không đổi: Fod = δE δC − δZ δZ µ c2 ρ Q2 S ci đặt f = a.Z mà C = f a Hệ số độ mở phao Z: độ dịch chuyển phao µ c2 ρ Q2 Do vậy: C = S ci 2 a Z δC µ c2 ρ Q2 = S ci δZ 2a 126 Cuối cùng: Fod = µ c2 ρ Q2 S ci > 2a Đối với phần tử cảm ứng kiểu ống tốc độ - cột áp δE δC = b; =0 δZ δZ nên Fod = δE δC − =b>0 δZ δZ Bằng phương pháp phân tích toán học xác định đặc tính phần tử cảm ứng lưu lượng độ chênh áp không đổi sau: trạng thái cân tĩnh Eo = Co Có thể viết: Fo = b.Z = từ đó: Z = µ c2 ρ Q2 S ci 2 f µ c2 ρ F Q S ci − o b 2bf Còn phần tử cảm ứng kiểu lưu lượng kiểu tốc độ - cột áp Z= ρ.S ci Fo Q − b 2f b 6.2.5 Phần tử cảm ứng nhiệt độ a Nguyên lý xây dựng kết cấu phần tử cảm ứng nhiệt độ Trên thực tế thường gặp phần tử cảm ứng nhiệt độ hoạt động dựa nguyên lý sau: Dựa vào tính chất dãn nở nhiệt chất khí, lỏng, chất rắn Dựa vào mối quan hệ nhiệt độ chất khí áp suất bão hoà chứa hệ thống kín Dựa nguyên lý nhiệt điện trở Trên hình 6.25 biểu thị số hạng kết cấu phần tử cảm ứng nhiệt độ dựa nguyên tắc Trên hình 6.25 phần tử cảm ứng nhiệt độ bimêtan (lưỡng kim) có cấu tạo từ hai kim loại có hệ số dãn nở khác nhiệt độ thay đổi, hai kim loại có hệ số dãn nở khác nhau, nên chúng 127 bị dãn nở làm kim báo định dịch chuyển Trên hình 6.25e cho thấy phần tử cảm ứng nhiệt độ xây dựng theo nguyên lý nhiệt điện Phần tử có cấu tạo từ hai dẫn kim loại khác mà hai đầu mút chúng hàn lại tạo thành điểm đo Khi muốn đo nhiệt độ môi trường đó, người ta việc đặt điểm đo vào môi trường điểm đặt vào môi trường nhiệt độ không thay đổi Khi có khác nhiệt độ điểm xuất dòng nhiệt điện đưa theo dây dẫn Trong hệ thống tự động hệ thống động lực tàu thuỷ hay gặp loại phần tử cảm ứng nhiệt độ mô tả hình 6-25a,b,c,e Loại phần tử cảm ứng kiểu a,b chia thành loại khác Phần tử cảm ứng kiểu bình nhiệt chứa đầy chất lỏng có nhiệt độ sôi cao Loại chất lỏng ứng dụng phụ thuộc vào nhiệt độ đo ví dụ: Axeton, thuỷ ngân vv Phần tử cảm ứng kiểu bình nhiệt chứa đầy chất khí, khí sử dụng Nitơ, ắcgông để đảm bảo độ tuyến tính phần tử, khí nạp vào bình áp suất định từ ÷ 2kg/cm2 ứng dụng loại bị giới hạn tính giữ nhiệt vật liệu chế tạo ống nhiệt độ bốc công suất Phần tử cảm ứng kiểu bình nhiệt nạp đầy chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp có tạo ống, chất lỏng ứng dụng là: frêôn, cồn, vv ứng dụng loại bị giới hạn nhiệt độ tới hạn, nhiệt độ đông đặc chất lỏng Dưới bảng chất lỏng thường dùng Nhiệt độ to ÷ 40 ÷ 50 10 ÷ 60 20 ÷ 80 40 ÷ 110 Chất sử dụng sonfua anhidric Metycamin CH3CH2 Dimetycamin Etylcrome Brom Nhiệt độ to 60 ÷ 120 110 ÷ 170 130 ÷ 210 400 ÷ 500 Chất sử dụng Axeton Benzon Octan C8H18 Thuỷ ngân Hg b Xác định lực phục hồi E, lực giữ C đặc tính làm việc Lực phục hồi E phần tử cảm ứng kiểu bình nhiệt xác định theo công thức E = (FLxo) = Fo + b.∆Z > E = E(Z, ψ) (1) Trong đó: b: độ cứng màng ∆Z: độ dịch chuyển màng Fo: sức căng ban đầu màng - nạp chất lỏng chất khí áp suất định Nhưng thực tế chất lỏng chất không chịu nén, nên nạp áp suất lớn 1at, nên trường hợp Fo = Còn chất khí, điều chỉnh F o trình khai thác (Fo = const) nên E phụ thuộc vào độ dịch chuyển ∆Z Vậy E = E(∆Z) Lực trì C (lực giữ) sinh có thay đổi nhiệt độ, thay đổi áp suất chất lỏng chất khí C = ∆P Sci (2) ∆P: thay đổi đổi áp suất công chất ống đo Như biết áp suất công chất phụ thuộc vào thể tích riêng nhiệt độ: P = P(v, T) 128 δP δP ∆v + ∆T δv δT ∆P = (3) Thể tích riêng thay đổi nhiệt độ thay đổi đạt giá trị ổn định xác định theo công thức; ∆v = ∆Z.S ci Go (4) Go: trọng lượng chất lỏng ống đo, vậy: δP S ci δP ∆Z + ∆T δv G o δT ∆P = (5) Thay biểu thức (5) vào (2) ta có:  δP S  δP C =  ci ∆Z + ∆T .S ct δT  δv Go  (6) Qua cho thấy lực giữ C phần tử cảm ứng bình nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ độ dịch chuyển màng Đại lượng δP δP δP có ý nghĩa vật lý định tính toán Nếu tính từ giá trị δv δT δT áp suất ban đầu nhiệt độ 00C Thì đại lượng hệ số thay đổi áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ δP = γ T Po δT − (7) δv =β δP v o (8) G δP =− o δv vo β β: hệ số áp suất thay đổi theo thể tích Vo thể tích ống đo nhiệt Thay giá trị δP δP vào (6) ta có: δT δv C = γ T Po S ci ∆T − S ci2 ∆Z Vo β (9) Như C = C(Z, T) Cũng phần tử cảm ứng nghiên cứu trên, hệ số bền vững phần tử cảm ứng nhiệt độ xác định theo công thức Fod = δE δC − δZ δZ S2 δC δE = − ci = b δZ v o β δZ S ci2 >0 Vậy Fod = b + v o β 129 Do độ số bền vững dương, nên rõ ràng phần tử cảm ứng loại ứng dụng có hiệu thực tế Để xác định đặc tính tĩnh phần tử cảm ứng kiểu bình nhiệt phải dựa vào điều kiện cân lực giữ C lực phục hồi E E(Z,ψ) = C(Z, T) Đặc tính tĩnh Z = Z(T) Trên hình 6-26 thể đặc tính Hệ số không đồng δ δ= Tmax − Tmin (Tmax + Tmin ) Hệ số vùng không nhạy ε: ε= T'−T' ' (T' '+T ' ) 6.3 Phần tử khuếch đại phần tử ổn định 6.3.1 Cấu tạo phân loại khuếch đại Trong hệ thống tự động làm việc gián tiếp, thường gặp phần tử có nhiệm vụ làm tăng lượng cho tín hiệu khỏi phần tử cảm ứng Đó độ khuếch đại Phần tử khuếch đại làm tăng công suất phần tử cảm ứng nguồn lượng bên Nguồn lượng bên thường sử dụng lượng công chất hệ thống tự động, cụ thể công chất đối tượng lượng công chất đối tượng tạo nên Ví dụ hệ thống tự động điều chỉnh tua bin hơi, lượng dùng cho khuếch địa Kết cấu khuếch đại hai phần: - Phần thiết bị điều khiển - Phần sinh lực (khuếch đại lượng) 130 Thiết bị điều khiển nhận tín hiệu từ phần tử cảm ứng sau sinh tín hiệu U để điều khiển làm việc phần khuếch đại lượng phần sinh lực nhận lượng từ bên khuếch địa tín hiệu khỏi phần tử cảm ứng tạo thành tín hiệu y đưa đến phần tử thực số trường hợp tác động trực tiếp lên đối tượng để thực mục đích điều chỉnh Thông số đặc trưng khuếch đại hệ số khuếch đại ký hiệu K kđ Đó tỷ số công suất tín hiệu với công suất tín hiệu vào: K kd = Ny Nx Trong đó: Ny: công suất tín hiệu Nx: công suất tín hiệu vào Trong trường hợp Kkđ > Trong thực tế yêu cầu mục đích điều chỉnh, điều kiện làm việc ta gặp nhiều dạng loại khuếch đại khác Trong lĩnh vực hệ thống tự động điều chỉnh thiết bị lượng, khuếch đại ứng dụng mang đặc tính động trợ động Vậy ta phân loại khuếch đại theo dấu hiệu sau: Theo dạng ứng dụng lượng phân loại: - Bộ khuếch đại thuỷ lực - Bộ khuếch đại khí nén - Bộ khuếch đại điện - Bộ khuếch đại hỗn hợp: điện - thuỷ lực, thuỷ - khí (tín hiệu điện thường sử dụng làm tín hiệu điều khiển tín hiệu thuỷ lực khí nén làm khuếch đại lượng) Theo ứng dụng thiết bị điều khiển phân loại - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển tiết lưu - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển van trượt - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển kiểu dòng chảy - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển kiểu van điện từ Phân loại theo đặc tính tĩnh: Biểu thị mối quan hệ tín hiệu vào tín hiệu - Bộ khuếch đaị có tính tuyến tính 131 - Bộ khuếch đại phi tuyến - Bộ khuếch đại kiểu rơle Các đặc tính mô tả hình 6.28 Trên hình 6.28a ứng với giá trị vào x khuếch đại tương ứng có tín hiệu y Trong thực tế cần khuếch đại có đặc tính Trên hình 6.28b đặc tính có tồn vùng không nhạy + ε, vùng không nhạy cảm + ε Trong vùng không nhạy có tín hiệu vào x thay đổi tín hiệu y có giá trị không Còn vùng không cảm tín hiệu y có giá trị không đổi y = const Phân loại theo nguyên lý tác động khuếch đại - Bộ khuếch địa tác động đơn - Bộ khuếch đại tác động kép Phân loại theo chuyển động cấu khuếch đại - Chuyển động tính tiến - Chuyển động quay Phân loại theo tính động - Bộ khuếch - Bộ khuếch đại mang tính phân - Bộ khuếch đại mang tính vi phân - Bộ khuếch đại mang tính vi phân 6.3.2 Thiết bị điều khiển Như nêu phần tử cấu thành nên khuếch đại thiết bị điều khiển Nhiệm vụ nhận tín hiệu từ phần tử cảm ứng điều khiển thiết bị sinh lực làm việc (khuếch đại tín hiệu tác động lên cấu điều chỉnh điều khiển đối tượng theo ý muốn) Trong hệ thống tự động 132 hoạt động gián tiếp, độ xác hệ thống phụ thuộc vào hoạt động tính chất thiết bị điều khiển Sau ta xem xét vài thiết bị điều khiển hình thường gặp: Thiết bị điều khiển tiết lưu Trên hình 6.29 thể cấu tạo thiết bị Ở P2 áp suất công chất điều khiển làm việc thiết bị sinh lực Giá trị P thay đổi nhờ thay đổi sức cản thuỷ lực cách thay đổi khe hở δ thay đổi vị trí chắn so với ống phun Để có công chất cấp vào không đổi nhờ thiết bị tiết lưu (3) đặt thiết bị điều khiển nguồn cung cấp lượng Ta thiết lập phương trình cân cho thiết bị xây dựng đặc tính Bỏ qua vận tốc dòng chảy đường ống khe thoát ta viết phương trình becnuli cho trường hợp tĩnh động chất lỏng không chịu nén, rò rỉ ∆Q = Ta có: Q1 = Q2 Hoặc α A P1 − P2 = α A P1 − P2 1+ x2 P3 P1 P2 = P1 1+ x2 đây: x = (2) α A α A α2, α1 hệ số dòng chảy Coi áp suất P1 P2 có giá trị lớn so với áp suất hồi P3 ta viết: P2 = P1 + x Đã biết: Q = α.A (3) ∆P ρ vậy: Q1 = α1 A x P2 ρ 1+ x2 133 Q = α A 2 x P1 ρ 1+ x2 (4) Q = Q(A1, A2) ρ P1 không đổi Nhưng theo kết cấu thiết bị A1 = const A2 = f(δ) P2 1 = = P1 + x + B.δ Trong đó: Β = α 22 a α12 A12 A2 = δ.a a: hệ số cửa thoát A2 Trên hình 6-30 biểu thị đặc tính mối quan hệ P2 = f (δ) Đây đặc tính phi tuyến, có vùng P1 có khả tuyến tính điểm uốn P2/p1 Hình 6.30 δ Thiết bị điều khiển van trượt Cấu tạo phần tử kiểu van trượt thể hình 6.31 bao gồm xi lanh có đường dầu vào Pn, hai đường dầu thoát Pt hai đường dầu điều khiển Px piston Khi phần tử cảm ứng tác động đến thiết bị điều khiển lực S làm cho van trượt dịch chuyển có áp suất điều khiển P x vào thiết bị sinh công làm chuyển dịch thiết bị Độ lớn P x phụ thuộc vào mức độ dịch chuyển van trượt điều khiển Px đạt giá trị cao van trượt mở hoàn toàn P x = Pn Trong thực tế người ta thường thiết kế độ dịch chuyển van trượt vào khoảng ÷ 4mm nhiều 10mm Một thông số quan trọng thiết bị điều khiển loại lực tĩnh làm dịch chuyển van F s Nếu lực nhỏ mức độ nhạy cảm điều chỉnh cao nhiêu Qua nghiên cứu cho thấy lực để làm dịch chuyển van trượt điều khiển lực phản lực dòng công chất chảy qua khe thoát thiết bị điều khiển 134 Theo phương pháp Becnuly ta viết: Q = α.A s ∆P ρ (1) đây: ∆P = Pn - Px As cửa mở khe thoát van trượt điều khiển Giả sử mở hình chữ nhật A s = b.x; b bề rộng, x độ dịch chuyển van trượt Hoặc As = π.d.x; d đường kính van trượt (trong trường hợp cửa bố trí khắp chu vi xi lanh) Hệ số α phụ thuộc vào cấu tạo van trượt, phụ thuộc vào hệ số Reynold độ mở cửa mở x Vậy α = α(Re, x) Hệ số gọi hệ số dòng chảy có giá trị α = 0,6 Theo nguyên lý chuyển động, lực F xác định: Fs = ρ.Q.W.cosθ (2) ρ.Q: lưu lượng khối lượng dòng chảy qua khe hở W: tốc độ dòng chảy θ: góc chảy dòng so với phương dịch chuyển van trươt Và đại lượng thay đổi van trượt chuyển dịch, phụ thuộc vào cấu trúc van trượt, độ lớn cửa mở x so với khe hở C piston xilanh Thay Q từ công thức (1) vào (2) nhận được: Fs = 2.α.b.x.∆p.cosθ (3) Đối với cửa mở vòng cung πd = b lấy α = 0,6, cosθ = 0,4 Fs = 1,5d.x.∆p ≈ 0,48As.∆P (4) Theo thực nghiệm tính toán cos θ xác định gần thể đồ thị hình 6.32 135 Trong số hệ thống thuỷ lực có công suất lớn đòi hỏi hoạt động với độ nhạy cao, nhiều người ta sử dụng khuếch đại kép nối tiếp Tức dùng khuếch đại có công suất nhỏ để điều khiển khuếch đại lớn lực Fs lớn 6.3.3 Bộ khuếch đại thuỷ lực Như phần phân loại độ khuếch đại có nhiều dạng khác nhau, khuôn khổ phần nêu hết loại được, mà nêu số loại tiêu biểu, đặc biệt khuếch đại thuỷ lực, nén thường sử dụng hệ thống tự động hệ động lực tàu thuỷ Bộ khuếch đại thuỷ lực có đặc tính tính phân Trong kỹ thuật điều chỉnh hệ thống thuỷ lực thường sử dụng loại khuếch đại hoạt động chiều có thiết bị điều khiển van trượt thể hình 6.33 Giả thiết đặc tính hoạt động mang tính tuyến tính, bỏ qua lực bên tác động lên piston, ma sát, trọng lượng rò rỉ, ta viết: Q = α As , ∆P = (∆P ) ρ (1) Pn (vìP1 = P2 ), vàAs = b.x Từ rút ra: Q = α b Pn x = K s X ρ (2) 136 Trong đó: K s = α.b Pn ρ Dòng công chất tác động lên piston (3) Q = At y Điều kiện (2) = (3) nhận phương trình dòng chảy khuếch đại At y = K s x Hoặc y = t x.dt G ( P ) = ∫ T T.P (5) Hằng số tích phân phương trình (5) xác định T= At = Ks At α.b Pn ρ Qua cho thấy số thời gian T có giá trị nhỏ đường kính piston có tiết diện A s phải nhỏ van trượt có chiều cao cửa điều khiển (b) lớn áp suất công tác phải cao (Pn) Công suất lớn khuếch đại xác định: N = η.Qo.Pn η: hiệu suất khuếch đại Qo: lưu lượng dòng công chất lớn qua cửa mở, độ dịch chuyển van trượt x = x max As = Amax Vậy: Q o = α.A max Ks = Pn = K s x max ρ Q Q = o x x max Vậy: T = (8) At x max Qo Câu hỏi ôn tập: Trình bày phần tử cảm ứng vòng quay Trình bày phần tử cảm ứng áp suất Trình bày phần tử cảm ứng lưu lượng Trình bày phần tử cảm ứng vòng quay Trình bày phần tử cảm ứng mức đo Trình bày phần tử cảm ứng nhiệt độ Trình bày khuếch đại thuỷ lực có đặc tính tính phân 137 [...]... là thiết bị điều khiển Nhiệm vụ của nó là nhận tín hiệu từ phần tử cảm ứng và điều khiển thiết bị sinh lực làm việc (khuếch đại tín hiệu và tác động lên cơ cấu điều chỉnh điều khiển đối tượng theo ý muốn) Trong các hệ thống tự động 132 hoạt động gián tiếp, độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào sự hoạt động và tính chất của thiết bị điều khiển Sau đây ta xem xét một vài thiết bị điều khiển hình thường... const 4 Phân loại theo nguyên lý tác động của bộ khuếch đại - Bộ khuếch địa tác động đơn - Bộ khuếch đại tác động kép 5 Phân loại theo chuyển động của cơ cấu ra của bộ khuếch đại - Chuyển động tính tiến - Chuyển động quay 6 Phân loại theo tính động - Bộ khuếch - Bộ khuếch đại mang tính phân - Bộ khuếch đại mang tính vi phân - Bộ khuếch đại mang tính vi phân 6. 3.2 Thiết bị điều khiển Như trên đã nêu một... hiệu điện thường được sử dụng làm tín hiệu điều khiển còn tín hiệu thuỷ lực và khí nén làm khuếch đại năng lượng) 2 Theo ứng dụng các thiết bị điều khiển có thể phân loại - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển tiết lưu - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển van trượt - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển kiểu dòng chảy - Bộ khuếch đại có thiết bị điều khiển kiểu van điện từ 3 Phân loại theo đặc tính... hình 6- 30 biểu thị đặc tính mối quan hệ P2 = f (δ) Đây là đặc tính phi tuyến, nhưng có vùng P1 có khả năng tuyến tính ở tại điểm uốn P2/p1 Hình 6. 30 δ 2 Thiết bị điều khiển van trượt Cấu tạo của phần tử kiểu van trượt được thể hiện trên hình 6. 31 bao gồm xi lanh 1 có đường dầu vào Pn, hai đường dầu thoát Pt và hai đường dầu điều khiển Px và piston 2 Khi phần tử cảm ứng tác động đến thiết bị điều khiển. .. Thiết bị điều khiển tiết lưu Trên hình 6. 29 thể hiện cấu tạo của thiết bị này Ở đây P2 là áp suất của công chất điều khiển sự làm việc của thiết bị sinh lực Giá trị của P 2 thay đổi được nhờ thay đổi sức cản thuỷ lực bằng cách thay đổi khe hở δ chính là thay đổi vị trí của tấm chắn 2 so với ống phun 1 Để có được công chất cấp vào không đổi nhờ thiết bị tiết lưu (3) đặt giữa thiết bị điều khiển và nguồn... 10mm Một trong những thông số quan trọng của thiết bị điều khiển loại này là lực tĩnh làm dịch chuyển van F s Nếu lực này càng nhỏ bao nhiêu thì mức độ nhạy cảm của bộ điều chỉnh càng cao bấy nhiêu Qua nghiên cứu cho thấy lực để làm dịch chuyển van trượt điều khiển đó chính là lực bằng phản lực của dòng công chất chảy qua khe thoát của thiết bị điều khiển 134 Theo phương pháp Becnuly ta có thể viết: Q... ứng kiểu bình nhiệt phải dựa vào điều kiện cân bằng giữa lực giữ C và lực phục hồi E E(Z,ψ) = C(Z, T) Đặc tính tĩnh Z = Z(T) Trên hình 6- 26 thể hiện đặc tính này Hệ số không đồng đều δ δ= Tmax − Tmin 1 (Tmax + Tmin ) 2 Hệ số vùng không nhạy ε: ε= T'−T' ' 1 (T' '+T ' ) 2 6. 3 Phần tử khuếch đại và phần tử ổn định 6. 3.1 Cấu tạo và phân loại bộ khuếch đại Trong hệ thống tự động làm việc gián tiếp, thường... ra cho các tín hiệu khỏi phần tử cảm ứng Đó chính là độ khuếch đại Phần tử khuếch đại làm tăng công suất của phần tử cảm ứng bằng nguồn năng lượng bên ngoài Nguồn năng lượng bên ngoài thường được sử dụng năng lượng của công chất trong hệ thống tự động, cụ thể là công chất của đối tượng hoặc năng lượng của công chất do đối tượng tạo nên Ví dụ trong hệ thống tự động điều chỉnh tua bin hơi, năng lượng dùng. .. đối tượng tạo nên Ví dụ trong hệ thống tự động điều chỉnh tua bin hơi, năng lượng dùng cho bộ khuếch địa là hơi Kết cấu cơ bản của bộ khuếch đại hai phần: - Phần thiết bị điều khiển - Phần sinh lực (khuếch đại năng lượng) 130 Thiết bị điều khiển nhận tín hiệu từ phần tử cảm ứng sau đó sinh ra tín hiệu U để điều khiển sự làm việc của phần khuếch đại năng lượng ở phần sinh lực này nhận năng lượng từ... số cơ bản, diện tích tiết diện f và độ chênh áp (P1 - P2) Trên nguyên lý của công thức (3) ta có 2 cách đo lưu lượng: 122 1 Khi cho diện tích thiết diện f không đổi, đo lưu lượng bằng cách đo độ chênh áp trước và sau thiết bị có ống hẹp như trên hình 6. 21a và b Phần tử cảm ứng lưu lượng xây dựng theo nguyên lý này gọi là phần tử cảm ứng lưu lượng kiểu độ chênh áp thay đổi 2 Khi cho độ chênh áp không