Đang tải... (xem toàn văn)
Cơ sở kỹ thuật đo lường trình bày những cơ sở lý luận cơ bản về kỹ thuật đo lường. Cung cấp những kiến thức cơ bản để phục vụ cho các môn học Phương pháp và thiết bị đo các đại lượng điện và không điện , Hệ thống thông tin đo lường và những môn học chuyên môn khác của kỹ thuât thông tin đo lường như môn Thiết bị đo sinh y , Xử lý tín hiệu v.v... Cùng với các môn học trên, giáo trình này xây dựng một hệ thống kiến thức cho việc thu thập số liệu đo, xử lý gia công và điều khiển hiện đại.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG Nguyễn Thị Huế BM: Kĩ thuật đo Tin học công nghiệp Nội dung môn học 4/15/21 Phần 1: Cơ sở lý thuyết kĩ thuật đo lường Chương 1: Khái niệm kĩ thuật đo lường Chương 2: Phương tiện đo phân loại Chương 3: Các thông số kỹ thuật thiết bị đo Phần 2: Các phần tử chức thiết bị đo Chương 4: Cấu trúc dụng cụ đo Chương 5: Cơ cấu thị điện, tự ghi thị số Chương 6: Mạch đo lường gia công thông tin đo Chương 7: Các chuyển đối đo lường sơ cấp Phần 3: Đo lường đại lượng điện Chương 8: Ðo dòng điện Chương 9: Đo điện áp Chương 10: Ðo cơng suất lượng Chương 11: Ðo góc lệch pha, khoảng thời gian tần số Chương 12: Ðo thông số mạch điện Chương 13: Dao động kí Phần 4: Đo lường đại lượng khơng điện Chương 14: Đo nhiệt độ Chương 15: Đo lực Chương 16: Đo đại lượng không điện khác NTH - BM KTĐ & THCN Tài liệu tham khảo Sách: Kĩ thuật đo lường đại lượng điện tập 1,2- Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế… Ðo lường điện cảm biến: Ng.V.Hoà Hoàng Si Hồng Bài giảng website: Bài giảng kĩ thuật đo lường cảm biến-Hoàng Sĩ Hồng Bài giảng Cảm biến kỹ thuật đo: P.T.N.Yến, Ng.T.L.Huong, Lê Q Huy Bài giảng MEMs ITIMS - BKHN Website: sciendirect.com/sensors and actuators A and B 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN Chương 4: Cấu trúc đặc tính dụng cụ đo Sơ đồ khối thiết bị đo: CĐSC MĐ CT CĐSC - Chuyển đổi sơ cấp: làm nhiệm vụ biến đổi đại lượng đo thành tín hiệu điện Đây khâu quan trọng thiết bị đo MĐ - Mạch đo: khâu gia cơng tính tốn sau CĐSC, làm nhiệm vụ tính tốn thực phép tính sơ đồ mạch Đó mạch điện tử thơng thường vi xử lý để nâng cao đặc tính dụng cụ đo CT - Cơ cấu thị: khâu cuối dụng cụ đo để hiển thị kết đo dạng số so với đơn vị đo Có cách hiển thị kết đo 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN Cấu trúc dụng cụ đo Cấu trúc chung cảm biến thông minh (Smart Sensor): 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo biến đổi thẳng Đối với dụng cụ đo biến đổi thẳng việc biến đổi thông tin diễn theo hướng thẳng nhất, nghĩa khơng có khâu phản hồi Dụng cụ đo sử dụng phương pháp biến đổi thẳng có cấu trúc: X 4/15/21 C§1 CĐ1 Y1 Yn Y2 CĐ2 CĐ: chuyển đổi CT: cấu thị CĐn CT X: đại lượng cần đo Yi: đại lượng trung gian (cho tiện quan sát thị) NTH - BM KTĐ & THCN Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo biến đổi thẳng Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo biến đổi thẳng tương tự số 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh Dụng cụ đo kiểu so sánh sử dụng khâu phản hồi với chuyển đổi ngược (CĐN) để tạo tín hiệu Xk so sánh với tín hiệu cần đo X Mạch đo vịng khép kín Sau so sánh có ΔX = X - XK, đo ΔX đo tín hiệu sau chuyển đổi thuận Y xác định X Theo phương pháp so sánh có 4loại tương ứng so sánh cân bằng, không cân bằng; so sánh đồng thời, khôngđồng thời Đặc điểm dụng cụ đo kiểu so sánh: Có cấu trúc phức tạp so với dụng cụ đo biến đổi thẳng Hiện Độ 4/15/21 thường dùng vi xử lí bên xác cao giá thành đắt NTH - BM KTĐ & THCN Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh Dụng cụ đo theo phương pháp so sánh có sơ đồ cấu trúc sau: X C§1 SS Xk CĐ: 4/15/21 CĐNm CĐn Yn CT CĐN1 chuyển đổi CĐN: chuyển đổi ngược CT: cấu thị SS: so sánh CĐ1 Y1 X = X – Xk NTH - BM KTĐ & THCN Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh không cân Quá trình hồi tiếp đưa Xk so sánh cho dụng cụ đo gọi dụng cụ đo so sánh không cân Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo kiểu so sánh cân Quá trình hồi tiếp đưa so sánh liên tục tới = dụng cụ đo gọi dụng cụ đo so sánh cân 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 10 Chuyển đổi hỗ cảm Là chuyển đổi biến giá trị đo thành trị số hỗ cảm Một số loại chuyển đổi hỗ cảm thường gặp 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 163 Chuyển đổi áp từ Cấu tạo nguyên lý hoạt động: chuyển đổi áp từ dạng chuyển đổi điện cảm hỗ cảm Tuy nhiên khác với hai loại trên, mạch từ chuyển đổi áp từ mạch từ kín Nguyên lý làm việc dựa hiệu ứng áp từ 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 164 Chuyển đổi cảm ứng Đây chuyển đổi phát điện Ví dụ số chuyển đổi thường gặp N S N x S b N N a Fx N x S 4/15/21 x NTH - BM KTĐ & THCN c N S 165 7.3 Chuyển đổi tĩnh điện Chuyển đổi tĩnh điện phân thành hai loại là: 4/15/21 Chuyển đổi áp điện Chuyển đổi điện dung NTH - BM KTĐ & THCN 166 Chuyển đổi áp điện Cấu tạo nguyên lý hoạt động: chuyển đổi áp điện hoạt động dựa hiệu ứng áp điện, gồm có hiệu ứng áp điện thuận hiệu ứng áp điện ngược: Hiệu ứng áp điện thuận: vật liệu chịu tác động lực học biến thiên bề mặt xuất điện tích, lực ngừng tác dụng điện tích biến d1 số áp điện 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 167 Chuyển đổi áp điện Hiệu ứng áp điện ngược: đặt vật liệu từ trường biến thiên điện trường tác dụng lên chúng sinh biến dạng học Cụ thể đặt phần tử điện điện trường có cường độ Ex dọc trục X, bị biến dạng tương đối theo hướng trục lượng d1 số áp điện 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 168 7.4 Chuyển đổi nhiệt điện Chuyển đổi nhiệt điện chuyển đổi điện q trình nhiệt đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt Thực tế đo đại lượng theo phương pháp điện người ta thường sử dụng hai tượng, hiệu ứng nhiệt điện hiệu ứng thay đổi điện trở dây dẫn hay chất bán dẫn nhiệt độ thay đổi Tương ứng với hai tượng người ta phân thành hai loại chuyển đổi nhiệt điện Chuyển Chuyển đổi cặp nhiệt điện (Thermocouple) đổi nhiệt điện Temperature Detector) trở (RTD-Resistance Cảm biến nhiệt độ dựa tính chất điốt tranzito bán dẫn 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 170 Chuyển đổi nhiệt điện Khi kim loại a, b có chất hố học khác hàn với đầu làm việc t1, hai đầu cịn lại đầu tự có nhiệt độ t0, t1 # t0 xuất sức điện động đầu tự Eab (t1, t0) = Eab (t1) – Eab (t0) Eab = KT (tnóng - ttự do) = KT tnóng - KT ttự a Cặp nhiệt b Hiệu ứng nhiệt điện ứng dụng để chế tạo Vôn kế, Ampe kế Oat kế, chế tạo cảm biến đo nhiệt độ 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 171 Chuyển đổi nhiệt điện trở Cấu tạo nguyên lý hoạt động: nhiệt điện trở chuyển đổi có điện trở thay đổi theo thay đổi nhiệt độ Các đặc tính bản: Nhiệt điện trở kim loại (Resistance thermometers): chuyển đổi nhiệt điện trở kim loại thường chế tạo kim loại đồng, platin niken, đường kính dây từ 0,02 ÷ 0,06mm với chiều dài từ ÷ 20mm Phương trình đặc trưng chuyển đổi viết dạng: Rt R0 t t . 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 172 7.5 Chuyển đổi hóa điện Chuyển đổi hóa điện chuyển đổi dựa tượng hóa điện xảy cho dịng điện qua bình điện phân q trình ơxi hóa khử điện cực Các tượng phụ thuộc vào tính chất điện cực, chất nồng độ dung dịch Chuyển đổi hóa điện thường bình điện phân chứa dung dịch đó, có hai hay nhiều cực để nối với mạch đo lường Để hiểu nguyên lý làm việc chuyển đổi hóa điện ta cần nghiên cứu tượng điện hóa gồm: Hiện tượng phân li, Điện cực, Hiện tượng điện phân Sự phân cực 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 173 7.6 Chuyển đổi điện tử ion Nhóm chuyển đổi điện tử ion nhóm gồm nhiều kim loại chuyển đổi khác Nguyên lý làm việc loại chuyển đổi dựa vào thay đổi dòng ion dòng điện tử tác dụng đại lượng đo Người ta chia chuyển đổi điện tử ion thành loại là: Chuyển đổi điện tử ion Chuyển đổi ion hoá Các chuyển đổi điện tử ion lại phân thành loại: 4/15/21 Chuyển đổi tự phát xạ điện tử Chuyển đổi phát xạ nhiệt điện tử Chuyển đổi phát xạ quang điện tử NTH - BM KTĐ & THCN 174 Chuyển đổi tự phát xạ điện tử Nguyên lý hoạt động: tác dụng điện trường mạnh (với điện áp anốt catốt cỡ 3kV), điện tử bị bắn khỏi catốt, đường chúng ion hoá phân tử khí tạo thành ion dương âm Dịng điện chạy từ anốt đến catốt thay đổi theo mật độ khơng khí đèn hai cực b) Ứng dụng: chế tạo thiết bị đo áp suất thấp gọi (các chân không kế) 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 175 Chuyển đổi phát xạ nhiệt điện tử Nguyên lý hoạt động: loại chuyển đổi chế tạo dạng đèn điện tử hai cực ba cực Khi catốt bị đốt nóng điện tử bắn khỏi tác dụng điện trường, điện tử chuyển động từ anốt đến catốt Trên đường điện tử ion hố khơng khí tạo thành ion dương âm b) Ứng dụng: loại chuyển đổi phát xạ điện tử, chuyển đổi loại dùng cho độ chân không tới 10-6 mm Hg Nếu giữ cho đèn có độ chân khơng ổn định dịng điện chạy mạch phụ thuộc vào khoảng cách hai cực anốt catốt Ứng dụng tượng trên, người ta chế tạo thiết bị đo đại lượng học đo độ di chuyển 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 176 Chuyển đổi phát xạ quang điện tử Nguyên lý hoạt động: nguyên lí chuyển đổi quang điện dựa tượng giải phóng điện tích tác dụng dịng ánh sáng hiệu ứng quang điện gây nên thay đổi tính chất vật liệu Chuyển đổi phát xạ quang điện tử bao gồm dạng là: Tế bào quang điện Quang Phôtô 4/15/21 điện trở điốt Phôtô tranzito NTH - BM KTĐ & THCN 177 7.7 Chuyển đổi lượng tử Là loại chuyển đổi dựa tượng vật lí hạt nhân nguyên tử Ta xét loại chuyển đổi lượng tử phổ biến chuyển đổi dựa tượng cộng hưởng từ hạt nhân Nhờ việc sử dụng tượng cộng hưởng từ hạt nhân vào kĩ thuật đo lường mà phép đo cường độ từ trường đại lượng khác có quan hệ với dịng điện lớn chẳng hạn nâng cao độ xác 4/15/21 NTH - BM KTĐ & THCN 178 ... động I1 I2 Lò xo tạo momen cản chi tiết phụ trợ khác 4/15 /21 NTH - BM KTĐ & THCN 28 Cơ cấu thị điện động Momen quay từ trường tương tác tính bằng: 2 We I1 L1 I L2 I1.I M 12 2 Các... động (dL/dα =0) dM 12 Mq I I d Vậy độ lệch kim thị tính theo biểu thức: dM 12 I I D d Nếu mắc cuộn dây nối tiếp nhau, nghĩa I1 = I2 4/15 /21 NTH- BMCKTĐ I 2& THCN 29 Cơ cấu thị điện... & THCN 21 Cơ cấu thị từ điện Cơ cấu từ điện thường chế tạo với dòng điện định mức In điện trở khung quay Rcc sau In 50 µA 100 µA 25 0 µA 500 µA mA Rcc 20 00 600 20 0 100 40 mA 20 mA 5