BÀI 1:CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.Mục tiêu 1.1.Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp đo nhiệt độ và nguyên lý chế tạo các cảm biến đo nhiệt độ. 1.2.Giúp sinh viên làm quen với các kĩ năng sử dụng cảm biến đo nhiệt độ trong hệ thống đo lường , điều khiển và trong thực tiễn. 2.Công tác chuẩn bị của sinh viên 2.1.Nghiên cứu nội dung bài thí nghiệm để hiểu rõ mục đich,yêu cầu và nguyên lí của bài thí nghiệm. 2.2.Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp chế tạo và ứng dụng nhóm cảm biến phục vụ cho bài thí nghiệm sẽ tiến hành. 2.3.Nghiên cứu cách lắp ráp các cảm biến trên mô hình thực nghiệm. 3.Trang thiết bị cần thiết 3.1.Cảm biến nhiệt điện trở; 3.2.Cặp nhiệt ngẫu; 3.3.Nhiệt kế giãn nở, 3.4.Lò nhiệt; 3.5.Modul điều khiển lò nhiệt; 3.6.Đồng hồ vạn năng. 4.Các nội dung,quy trình 4.1.Thang đo nhiệt độ -Thang Kelvin:thang nhiệt độ động học tuyệt đối,đơn vị nhiệt độ là K.Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước-nước đá –hơi một giá trị số bằng 273K. -Thang Celsius:thang nhiệt độ bách phân,đơn vị nhiệt độ là ° C và một độ Celsius bằng một độ Kelvin.Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ kelvin theo biểu thức: T( ° C)=T(K) – 273 -Thang Fahrenheit:đơn vị nhiệt độ là °F.Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và Celssius: T( ° C)= 5 9 (T(°F) -32) . 4.2.Nghiên cứu vấn đề trao đổi nhiệt của cảm biến Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng T x ,nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ T c là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến.Nhiệt độ T x gọi là nhiệt độ cần đo ,nhiệt độ T c gọi là nhiệt độ đo được. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số T x -T c ,hiệu số này càng bé,độ chính xác của phép đo càng cao.Muốn vậy khi đo cần phải: -Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo. -Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài. dTc Tx−Tc = dt τ và T c =T x - k e −t T .Trong đó τ gọi là hằng số thời gian nhiệt Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp,hệ số dẫn nhiệt cao,để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẩn nhiệt thấp. Đồ thị biểu diễn trao đổi nhiệt của cảm biến 4.3.Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lí của một số loại cảm biến đo nhiệt độ a)Nhiệt kế giãn nở -Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn Thường có 2 loại:gốm và kim loại,kim loại và kim loại -Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1),ống mao dẫn(2) và chất lỏng (3) b)Cảm biến nhiệt điện trở Nguyên lí -Trong trường hợp tổng quát ,sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng: R o là điện trở ở nhiệt độ T 0 ,F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F=1 khi T=T 0 . Hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là:điện trở kim loại,điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxit bán dẫn. -Trường hợp điện trở kim loai,hàm trên có dạng: Trong đó nhiệt độ T đo bằng °C,T 0 =0°C và A,B,C là các hệ số thực nghiệm. -Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxit bán dẫn: T là nhiệt độ tuyệt đối,B là hệ số thực nghiệm. -Khi độ biến thiên của nhiệt độ ∆T(xung quanh giá trị T) nhỏ,điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính: α R được gọi là hệ số nhiệt của điện trở. -Cấu tạo cảm biến trong công nghiệp: -Cảm biến bề mặt: -Cảm biến nhiệt điện trở oxit bán dẫn Nguyên lí:Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu: Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t 0 =const biết trước làm nhiệt độ so sánh và đosức và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định được nhiệt độ t ở mối hàn thứ 2. Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ 3 nếu nhiệt độ 2 đầu nối của dây thứ 3 giống nhau. Cấu tạo điển hình của 1 cặp nhiệt công nghiệp: Mạch đo :Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở 2 đầu dây của cặp nhiệt ngẫu.Độ chính xác của phép đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố,Muốn nâng cao độ chính xác cần phải: -Giảm thiểu ảnh hưởng của tác động của môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự do. -Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của cảm bieensvaf mạch đo. +Dùng dây bù: +Dùng cầu bù Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện thế kế Bảng 1:Khi gia nhiệt cho lò nhiệt Bảng 2:Khi hạ nhiệt cho lò nhiệt và giá trị của nhiệt điện trở tương ứng và giá trị của nhiệt điện trở tương ứng Nhiệt độ(°C) Giá trị nhiệt điện trở(Ω) 90 119,8 88 119,6 86 119,3 84 118,9 82 118,5 80 118,1 78 117,7 76 117,1 74 116,6 72 116,1 70 115,9 68 115,5 66 115,4 64 115,1 62 114,8 60 114,7 58 114,6 56 114,5 Nhiệt độ(°C) Giá trị nhiệt điện trở(Ω) 56 109,7 58 110,1 60 110,7 62 111,4 64 111,9 66 112,2 68 112,5 70 113,3 72 113,9 74 114,3 76 114,9 78 115,4 80 115,7 82 116,3 84 117,0 86 117,6 88 118,1 90 118,5 Hình 1: Đồ thị khi nhiệt độ tăng Hình 2 :Đồ thị khi nhiệt độ giảm Nhận xét: -Hình 1:Biểu diễn sự biến thiên của giá trị nhiệt điện trở khi nhiệt độ tăng.Ta xét trong khoảng tuyến tính.Càng gần nhiệt độ môi trường thì tăng chậm.Tính quán tính nhiệt lớn nên tăng khá nhanh về cuối dải nhiệt độ cần xét. -Hình 2: Biểu diễn sự biến thiên của giá trị nhiệt điện trở khi nhiệt độ giảm.Xét trong dải tuyến tính.Hạ nhiệt nhanh trong khoảng 70-80°C.Càng gần nhiệt độ môi trường giảm chậm. BÀI 2 : CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC 1.Mục tiêu . 1.1.Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp đo vận tốc và nguyên lý chế tạo các cảm biến đo vận tốc. 1.2.Giúp sinh viên làm quyen với các ký năng sử dụng cảm biến đo vận tốc trong hệ thống đo lường và điều khiển trong thực tiễn. 2.Công tác chuẩn bị của sinh viên. 2.1.Nghiên cứu nội dung bài thí nghiệm để hiểu rõ mục đích, yêu cầu và nguyên lý của bài thí nghiệm. 2.2.Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp chế tạo và ứng dụng nhóm cảm biến phục vụ cho bài thí nghiệm sắp tiến hành. 2.3.Nghiên cứu cách lắp ráp các cảm biến trên mô hình thực nghiệm. 3.Trang thiết bị cần thiết. 3.1.Máy phát tốc một chièu và xoay chiều. 3.2.Tốc độ kế xung : tốc độ kế từ và tốc đọ kế quang… 4.Các nội dung, quy trình. 4.1.Nghiên cứu về nguyên lý đo vận tốc. Trong công nghiệp ,phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay.Trong trường hợp chuyển động thẳng ,việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy ,các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc. Để đo vận tốc góc thường ứng dụng các phương pháp sau: _Sử dụng tốc độ kế kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.Cảm biến gồm có hai phần :phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên , trong nó xuất hiện sức điện động cảm ứng tỷ lệ với vận tốc cần đo. _Sử dụng tốc độ kế loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn, ví dụ chuyển động quay.Cảm biến loại này thường có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần không trong suốt .Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỷ lệ với tốc độ quay cần đo. 4.2.Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý của một số loại cảm biến đo vận tốc. a) Tốc độ kế điện từ. _Tốc độ kế dòng một chiều: Khi rô to quay, sức điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đường trung tính : E p = w 2 π NØ o = - nNØ o N = w 2 π ; N- tổng số dây chính trên rôto ; n- số vòng quay trong một giây; Ø o – là từ thông suất phát từ cực nam châm. Và sức điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái : E 1 = nNØ o _Tốc dộ dòng xoay chiều (máy phát đồng bộ ) Thực chất đây là một máy phát điện xoay chiều nhỏ.Roto( phần cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ.Phần ứng gồm các cuộn dây bố trí cách đều nhau trên mặt trong của stator là nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của roto. e = EsinΩt Trong đó E= K 1 w, Ω=K 2 w,K 1 và K 2 là các thông số đặc trưng cho máy phát. . bị của sinh viên 2.1.Nghiên cứu nội dung bài thí nghiệm để hiểu rõ mục đich,yêu cầu và nguyên lí của bài thí nghiệm. 2.2.Nghiên cứu lý thuyết về các phương. của sinh viên. 2.1.Nghiên cứu nội dung bài thí nghiệm để hiểu rõ mục đích, yêu cầu và nguyên lý của bài thí nghiệm. 2.2.Nghiên cứu lý thuyết về các phương