CHƯƠNG 1 Câu 1. Trình bày hiểu biết về phần tử tự động trong hệ thống tự động? Câu 2. Trình bày phân loại phần tử tự động trong hệ thống tự động ? Câu 3. Trình bày các đặc trưng của phần tử tự động trong hệ thống? Câu 4.
Trình bày các “khâu” cơ bản trong hệ thống tự động? Câu 5. Trình bày các yêu cầu chung của các phần tử tự động trong hệ thống tự động? 15 Chương 2 PHẦN TỬ ĐO VÀ CẢM BIẾN 2. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 2. Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.
Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất.) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo.1 trình bày cấu trúc chung của cảm biến với (y) là đại lượng đầu ra, (x) là đại lượng đầu vào hay kích thích. Cấu trúc cảm biến Hiện nay trong công nghiệp các bộ cảm biến đang có hai chuẩn tín hiệu là chuẩn dòng và chuẩn áp. Chuẩn tín hiệu dòng của cảm biến là 4 – 20 mA. Chuẩn tín hiệu áp của cảm biến là 0 - 10V.
Phân loại Phân loại cảm biến theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng: Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Vật lý Nhiệt điện, quang điện, quang từ, điện từ, từ điện… Hóa học Biến đổi hóa học; Biến đổi điện hóa… Sinh học Biến đổi sinh hóa; vật lý; Hiệu ứng trên cơ thể… Phân loại cảm biến theo các dạng kích thích: 16 Dạng kích thích Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Âm thanh Biên pha, phân cực; Phổ; Tốc độ truyền sóng Điện tích, dòng điện; Điện áp, hiệu điện thế; Điện Điện trường; Điện dẫn; Hằng số điện môi Từ Từ trường; Từ thông; Độ từ thẩm Phân loại theo các tính năng của bộ cảm biến như: Độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải, độ chọn lọc, độ tuyến tính, độ trễ, công suất tiêu thụ, khả năng quá tải, tốc độ đáp ứng, kích thước, trọng lượng, dải tần… Phân loại theo phạm vi sử dụng gồm: Cảm biến dùng công các lĩnh vực công nghiệp, dân dụng, khoa học kỹ thuật, môi trường, nông nghiệp… Phân loại theo thông số của mô hình thay thế: Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng; Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi các thông số R, L, C tuyến tính hoặc phi tuyến. Đặc trưng của cảm biến a. Hàm truyền Hàm truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ.
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích được trình bày trong công thức 2.1) Trong đó: a: là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0. y: là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra, có thể là biên độ, tần số, hoặc pha, tuỳ theo tính chất của bộ cảm biến. Hàm truyền logarit được trình bày trong công thức 2.2) Hàm truyền dạng mũ được trình bày trong công thức 2.3) Hàm truyền dạng luỹ thừa được trình bày trong công thức 2.4) Trong đó: k là hằng số b. Độ nhạy Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δy và biến thiên đầu vào Δx có sự liên hệ tuyến tính được trình bày trong công thức 2.6) y Đại lượng b được xác định bởi biểu thức: b = được gọi là độ nhạy của x cảm biến.
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm cho độ nhạy của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố: Giá trị của đại lượng cần đo x và tần số thay đổi của nó; Thời gian sử dụng; Ảnh hửởng của các đại lượng vật lý khác của môi trường xung quanh. Độ lớn của tín hiệu vào Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến, ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỉ số công suất hoặc điện áp tín hiệu ra và tín hiệu vào được trình bày trong công thức 2.7: P u 1db = 10 lg 1 = 20 lg 2 (2. Sai số và độ chính xác: Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo.
Sai số tương đối của bộ cảm biến được trình bày trong công thức 2.8) x Trong đó: Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. 18 - Sai số hệ thống: Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là: + 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. - Sai số ngẫu nhiên: Là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định.
Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. Các 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.
Độ tuyến tính: Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy tĩnh, tần số dao động riêng quyết định hồi đáp, hệ số suy giảm không phụ thuộc vào kích thích. Khi cảm biến không tuyến tính, ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào.
Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá. Độ nhanh và thời gian hồi đáp 19 Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này.
Nguyên lý chung để chế tạo cảm biến Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại là cảm biến tích cực và cảm biến thụ động. Cảm biến tích cực Cảm biến tích cực là loại cảm biến hoạt động như một máy phát, trong đó đáp ứng ( đầu ra y ) thường là điện tích, điện áp hoặc dòng điện. Cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ hoặc bức xạ ) thành năng lượng điện. Các hiệu ứng được ứng dụng để chế tạo cảm biến tích cực: Hiệu ứng nhiệt điện; Hiệu ứng hỏa điện; Hiệu ứng áp điện; Hiệu ứng cảm ứng điện từ; Hiệu ứng quang điện; Hiệu ứng Hall b.
Cảm biến thụ động Cảm biến thụ động là cảm biến hoạt động như một trở kháng; trong đó đáp ứng ( đầu ra y) thường là giá trị điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung. Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với các đại lượng cần đo. Gía trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu và tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi. CẢM BIẾN TỐC ĐỘ 2.
Cảm biến tốc độ một chiều Cảm biến tốc độ một chiều được trình bày trong hình 2.2 với các phần chính: 1 – Stator; 2 – Rotor; 3 – Cổ góp; 4 – Chổi than. Sơ đồ cấu tạo của máy phát một chiều Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. Roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẻ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ.
Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. Mối quan hệ sức điện động và tốc độ được trình bày trong biểu thức 2.9) 2 a 60a Trong đó: E: Suất điện động cảm ứng. n (vg/phut): Tốc độ quay; 0: Từ thông cực từ.
Vì từ thông cực từ của nam châm vĩnh cửu được coi là không đổi nên quan hệ giữa sđđ và tốc độ có thể viết theo công thức 2.10) Đặc tính mối quan hệ giữa suất điện động và tốc độ được trình bày tại hình 2. Đồ thị mối quan hệ giữa suất điện động và tốc độ 21 Với đặc tính này, khi sử dụng máy phát tốc độ một chiều người ta phải lựa chọn dải tốc độ nằm trong khoảng từ n1 đến n2 để có được mối quan hệ giữa suất điện động và tốc độ là tuyến tính.