Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 1. Một số phương pháp đo lường và gia công tín hiệu (10 tiết) 1. Gia công tín hiệu điện 1.1.1. Mạch tỷ lệ dòng điện một chiều Để đo dòng điện một chiều lớn hoặc lấy tín hiệu đo là dòng một chiều người ta thường dung mạch Sun. Sun là điện trở Rs mắc song song với cơ cấu chỉ thị hoặc cơ cấu thu thập tín hiệu đo. Điện áp chỉ thị Uct phản ánh độ lớn dòng điện cần đo I Uct = Ict.rct = (I Ict).Rs Thiết kế mạch tỉ lệ là chọn điện trở Rs trên cơ sở các thông tin ban đầu về thiết bị chỉ thị Ictmax, rct và dòng điện cần đo Imax. Uct max = Ictmax.rct = (Imax Ictmax)Rs. Rs = Ictmax Imax Ictmax rct Đặt hệ số tỷ lệ dòng là n: n = ImaxIctmax = IIct khi đó: Rs = 1n1rct Công thức chuyển đổi tín hiệu dòngáp: Uct = Ictrct = 1n rct 1.1.2. Mạch tỷ lệ dòng xoay chiều (Mạch biến dòng) Mạch biến dòng được dùng để lấy tín hiệu đo về dòng xoay chiều lớn (1A ÷2500A). Mạch biến dòng có chức năng chuyển đổi tín hiệu dòng điện xoay chiều có giá trị lớn về dòng điện có giá trị thấp hơn để tiện cho việc xử lý thông tin. Mạch biến dòng thường được chế tạo ở dạng các bộ biện dòng. Biến dòng là một biến áp cà cuộn sơ cấp được ghép nối tiếp với dòng điện cần đo, cuộn thứ cấp được nối ngắn mạch bằng điện trở Sun hoặc Ampe kế. Biến dòng được thiết kế để cuộn sơ cấp có số vòng dây W1 rất nhỏ nhưng chịu được dòng điện lớn và cuộn thứ cấp có số vòng W2 rất lớn. Ta có U1I1 = U2I2, từ dây nhận được hệ số chuyển đổi có biến dòng K1: K1 =I1I2 = U2U1 = W2W1 >> 1 Do số vồng dây sơ cấp W1 rất nhỏ lên dùng I1rất lớn nhưng điện áp U1 ở cuộn sơ cấp rất nhỏ và công suất tiêu hao của biến dòng rất thấp. Trong chế độ làm việc bình thường cần nối ngắn mạch cuộn thứ cấp bị hở mạch thì: I10 = U2U1 => ∞ Điều này dẫn đến hiện tượng điện áp thứ cấp tăng vọt từ vài trăm volt đến vài ngàn volt sẽ đánh thủng lớp cách điện, làm cháy biến dòng và gây nguy hiểm cho người sử dụng. 1.1.3. Mạch tỷ lệ điện áp Mạch phân áp điện trở: Mạch phân áp điện trở được dùng để phân áp cho điện áp một chiều hoặc xoay chiều nhỏ và trung bình. Khi không có điện trở tải R, thì hệ số chuyển đổi m là: m0 = U1U2 =I(R1 + R2)IR2 = 1 + R1R2 Khi có điện trở tải Rz , thì hệ số chuyển đổi m là: mz = U1U2 = IR1 +IR2RzR2+R1 IR2RzR2+Rz = 1 + R1R2 + R1Rz = m0 + R1Rz Mạch phân áp điện dung: Mạch phân áp điện dung có thể được sử dụng để phân án dòng xoay chiều Hệ số chuyển đổi điện áp m: m=│U1U2│ =│ I(1jwC1 + 1jwC2)I1jwC2│=│jw(C1+C2)w2C1C21jwC2│ = 1+ C2C1 Mạch biến áp đo lường. Mạch biến áp đo lường có thể dùng để gia công tín hiệu cho cho dòng điện xoay chiều nhỏ trung bình và lớn. Hệ số chuyển đổi Ku Ku = U1U2 = W1W2 Trong đó W1 là số vòng dây cuộn sơ cấp W2 là số vòng dây cuộn thứ cấp. Điện áp thứ cấp U2 định mức thường là 100V 1.2. Các mạch cầu Các dạng mạch cầu được sử dụng để chuyển đồi tín hiệu đầu ra của các cảm biến điện trở, điện dung hoặc điện cảm thành tín hiệu điện áp, túc là thực hiện chuyển đổi tín hiệu dạng không tích cực thành dạng tín hiệu tích cực (tín hiệu điện) thuận tiện cho việc xử lý thông tin. 1.2.1 Mạch cầu tổng quát
Chương 1. Một số phương pháp đo lường và gia công tín hiệu (10 tiết) 1. Gia công tín hiệu điện 1.1.1. Mạch tỷ lệ dòng điện một chiều Để đo dòng điện một chiều lớn hoặc lấy tín hiệu đo là dòng một chiều người ta thường dung mạch Sun. Sun là điện trở R s mắc song song với cơ cấu chỉ thị hoặc cơ cấu thu thập tín hiệu đo. Điện áp chỉ thị U ct phản ánh độ lớn dòng điện cần đo I U ct = I ct .r ct = (I - I ct ).R s Thiết kế mạch tỉ lệ là chọn điện trở R s trên cơ sở các thông tin ban đầu về thiết bị chỉ thị I ctmax , r ct và dòng điện cần đo I max . U ct max = I ctmax .r ct = (I max - I ctmax )R s. R s = *r ct Đặt hệ số tỷ lệ dòng là n: n = = khi đó: R s = *r ct Công thức chuyển đổi tín hiệu dòng/áp: U ct = I ct *r ct = * r ct 1.1.2. Mạch tỷ lệ dòng xoay chiều (Mạch biến dòng) Mạch biến dòng được dùng để lấy tín hiệu đo về dòng xoay chiều lớn (1A ÷2500A). Mạch biến dòng có chức năng chuyển đổi tín hiệu dòng điện xoay chiều có giá 1 trị lớn về dòng điện có giá trị thấp hơn để tiện cho việc xử lý thông tin. Mạch biến dòng thường được chế tạo ở dạng các bộ biện dòng. Biến dòng là một biến áp cà cuộn sơ cấp được ghép nối tiếp với dòng điện cần đo, cuộn thứ cấp được nối ngắn mạch bằng điện trở Sun hoặc Ampe kế. Biến dòng được thiết kế để cuộn sơ cấp có số vòng dây W 1 rất nhỏ nhưng chịu được dòng điện lớn và cuộn thứ cấp có số vòng W 2 rất lớn. Ta có U 1 I 1 = U 2 I 2 , từ dây nhận được hệ số chuyển đổi có biến dòng K 1 : K 1 = = = >> 1 Do số vồng dây sơ cấp W 1 rất nhỏ lên dùng I 1 rất lớn nhưng điện áp U 1 ở cuộn sơ cấp rất nhỏ và công suất tiêu hao của biến dòng rất thấp. Trong chế độ làm việc bình thường cần nối ngắn mạch cuộn thứ cấp bị hở mạch thì: = => ∞ Điều này dẫn đến hiện tượng điện áp thứ cấp tăng vọt từ vài trăm volt đến vài ngàn volt sẽ đánh thủng lớp cách điện, làm cháy biến dòng và gây nguy hiểm cho người sử dụng. 1.1.3. Mạch tỷ lệ điện áp - Mạch phân áp điện trở: Mạch phân áp điện trở được dùng để phân áp cho điện áp một chiều hoặc xoay chiều nhỏ và trung bình. 2 Khi không có điện trở tải R, thì hệ số chuyển đổi m là: m 0 = = = 1 + Khi có điện trở tải R z , thì hệ số chuyển đổi m là: m z = = = 1 + + = m 0 + - Mạch phân áp điện dung: Mạch phân áp điện dung có thể được sử dụng để phân án dòng xoay chiều Hệ số chuyển đổi điện áp m: m=││ =│ =││ = 1+ - Mạch biến áp đo lường . Mạch biến áp đo lường có thể dùng để gia công tín hiệu cho cho dòng điện xoay chiều nhỏ trung bình và lớn. 3 Hệ số chuyển đổi K u K u = = Trong đó W 1 là số vòng dây cuộn sơ cấp W 2 là số vòng dây cuộn thứ cấp. Điện áp thứ cấp U 2 định mức thường là 100V 1.2. Các mạch cầu Các dạng mạch cầu được sử dụng để chuyển đồi tín hiệu đầu ra của các cảm biến điện trở, điện dung hoặc điện cảm thành tín hiệu điện áp, túc là thực hiện chuyển đổi tín hiệu dạng không tích cực thành dạng tín hiệu tích cực (tín hiệu điện) thuận tiện cho việc xử lý thông tin. 4 1.2.1 Mạch cầu tổng quát Lý thuyết mạch chỉ rõ: bất cứ mạch tuyến tính nào cũng có thể được mô tả dưới dạng nguồn áp E Th với điện kháng nối tiếp Z Th . Nguồn điện áp tương đương E Th (Thevenin) được tính như sau: V S = i 2 .Z 2 + i 2 .Z 3 => i 2 = V S = i 1 .Z 1 + i 1 .Z 4 => i 1 = Coi điểm Q và C là điểm đất, ta có: U A = V S U B = V S - i 2 .Z 2 U D = V S – i 1 .Z 1 E Th = U B – U D = (V S - i 2 .Z 2 ) – (V S – i 1 .Z 1 ) E Th = V S { - } Để tính Z Th mạch cầu với V S là nguồn điện áp lý tưởng được vẽ lại dạng sau: 5 Z Th = Mạch điện tương đương với mạch cầu có dạng: Nếu Z 1 = Z 2 và Z 3 = Z 4 thì mạch cầu ở chế độ cân bằng và khi đó E Th = 0 1.2.2. Thiết kế mạch cầu điện trở E Th = V S { - } 6 Cầu Wheatstone được thiết kế trên cơ sở xác định các thông số V S , R 4 , R 2 , R 3 sao cho thỏa mãn các điều kiện E Thmin , E Thmax , R Imin và R Imax cho trước. Nếu R Imin và R Imax là các biến đo thì: E Thmin = V MIN =V S { - } E Thmax = V MAX =V S {- } Trong đó giá trị tới han của R 4 , R 3 và R 2 được xác định khi cầu ở chế độ cân bằng với E Thmin =0: = Nếu chọn R 2 = R 3 = R 4 = R thì ta nhận được điện áp E Th khi cầu không cân bằng: E Th = { - } Nếu R 1 là một cảm biến điện trở và trị số của nó bị thay đổi theo sự thay đổi của môi trường đo thì mạch cầu Wheatstone được thiết kế như trên sẽ chuyển sự thay đổi của điện trở một đại lượng không tích cực, thành một tín hiệu điện áp tương ứng thuận tiện hơn cho các quá trình xử lý thông tin tiếp theo. 1.2.3. Thiết kế mạch cầu điện kháng Mạch cầu điện kháng được sử dụng khi dùng các cảm biến dạng điện dụng hoặc điện kháng: Đặc điểm của mạch cầu điện kháng là: - Nguồn V S là xoay chiều. - Hai nhánh là trở thuần - Hai nhánh là điện kháng Nếu Z 1 và Z 4 là các tụ điện thì mạch cầu có dạng sau: 7 Z 1 = , Z 2 = R 2 , Z 3 = R 4 , Z 4 = điện kháng của cảm biến E Th =V S {- } Nếu chọn R 2 =R 3 =R thì: E Th = { - } Nếu Z 1 và Z 4 là dạng điện cảm, trong đó: Z 1 = jwL 1 , Z 4 = jwL 4 và Z 2 = Z 3 = R E Th = { - } 1.3. Đo nhiệt độ 1.3.1. Một số khái niệm cơ bản Đo nhiệt độ là công việc thường gặp trong các ngành công nghiệp hóa chất, vật liệu, xây dựng luyện kim, năng lượng. Nhiệt độ đo thường được chia làm 3 dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao. Với nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc. Với nhiệt độ cao phương pháp đó là phương pháp không tiếp xúc. Mỗi một vùng nhiệt đô cần đo cần các cảm biến và phương pháp đo khác nhau (xem bảng) Dụng cụ và phương pháp đo Nhiệt độ Nhiệt điện trở -273 ÷ 1000 0 C Nhiệt điện: Vật liệu thường 273 ÷ 1000 0 C 8 Vật liệu khó chảy 100 ÷ 3000 0 C Hỏa quang kế: Bức xạ Quang phổ kế 1000 ÷ 3000 0 C 1000 ÷ 3000 0 C 1.3.2. Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt trở Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt điện trở sử dụng phương pháp đo kiểu tiện dụng. Vật liệu làm bộ cảm biến: Platin, niken, bán dẫn… a. Các loại cảm biến nhiệt điện trở Cảm biến Termistor (nhiệt điện trở bản dẫn) Quan hệ nhiệt độ - điện trở của Termistor được biểu diễn bởi công thức như sau: R T = R 0 e b/T R T : nhiệt độ của cảm biến ở nhiệt độ T. T: nhiệt độ Kelvin 0 K R 0 : hằng số đặc trưng của nhiệt điện trở bán dẫn (0,02/1 0 C÷0,08/1 0 C) Điện trở của nhiệt điện trở thay đổi lớn trong khoảng đo 0 0 C đến 150 0 C: ở 0 0 C là 5000Ω, ở 150 0 C là 100Ω Đặc điểm: - Termistor thường được dùng đo nhiệt độ trong khoảng từ -100 0 C đến 400 0 C. - Đặc tính chuyển đổi có độ phi tuyến lớn - Rẻ tiền Cảm biến Platin Đặc điểm: 9 - Platin là kim loại ổn định, không rỉ, không bị oxy hóa, điểm nóng chảy cao. - Đặc tính chuyển đổi có độ phi tuyến nhỏ (gần như tuyến tính) - Dải nhiệt độ đo: -200 0 C ÷ 850 0 C - Đắt tiền Công thức biểu diễn quan hệ điện trở - nhiệt độ (trên 0 C): t 2 – (+ 10 2 )t + () = 0 R t : điện trở Platin ở nhiệt độ t R 0 : điện trở Platin ở nhiệt độ 0 0 C R 100 : điện trơt Platin ở 100 0 C δ: hằng số thiết bị. Hoặc: R t = R 0 (1+Bt +At 2 ) Với: A = - và B = b. Phương pháp gia công tín hiệu đo Mạch gia công tín hiệu đo cho cảm biến nhiệt điện trở là mạch cầu Wheatstone (chương IV, phần 2). Tuy nhiên, nếu sử dụng mạch Wheatstone thông thường thì mạch đo sẽ gây sai số đo do có sự thay đổi điện trở dây dẫn nối đến cảm biến theo nhiệt độ môi trường. 10 [...]... nhiệt ngẫu khi ứng dụng để đo nhiệt độ: Ký hiệu: T1 là nhiệt độ cần cho T2 là nhiệt độ của mối nooisqui chiếu và biết trước Luật 1: S.đ.đ của cặp nhiệt ngẫu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T1 và T2 của các mối nối và không phụ thuộc vào nhiệt độ dây dẫn các mối nối 13 Ứng dụng: Dây dẫn đo và mối nối qui chiếu có thể được đặtở môi trường có nhiệt độ khác nhau Luật 2: Nếu có kim loại C chèn vào chèn vào... điện cực 3 thay đổi, điều này dẫn đến điện dung của các tự điện C 1 và C4 thay đổi và làm cầu đo chuyển sang trạng thái không cân bằng Khi đó điện áp đầu ra V RA phản ánh độ lớn của áp suất cần đo P1 Với R2 = R3 = R thì VRA = VS , C1 = Vùng áp suất đo: 1Pa ÷ 100 KPa 1.6 Đo lưu tốc và lưu lượng chất lỏng và chất khí 27 , C4 = Có nhiều loại thiết bị đo dòng chảy, chất lỏng và chất khí, và dựa trên nhiều... 4 Với điện dung C = Trong đó ε0 là hằng số điện môi của chân không, ε là hằng số điện môi của chất khí cần đo d0 là khoảng cách giữa hai bản tự điện ∆d là khoảng dịch chuyển, ∆d = 0 khi P1 = áp suất qui chiếu P2 Cặp tụ điện C1 và C4 được nối vào mạch cần đo Cầu đo được thiết kế sao cho khi áp suất đo P1 = áp suất qui chiếu P2 thì C1 = C4 và cẩu ở trạng thái cân bằng Khi áp suất đo P1 thay đổi làm màng... cảm trong cuộn dây L phản ánh tốc độ dòng chảy f= ( HZ ) f – tần số dòng cảm ứng K1 – hằng số hình học M – số lượng cánh quạt Q – Lưu lượng dòng chảy [ m3/s ] 28 Loại đầu đo lưu tốc kiểu cánh quạt thường được dùng để đo lưu tốc của nước sinh hoạt, đo tốc độ tàu biển, chế tạo các máy đo lưu tốc lưu động 1.6.2 Đầu đo lưu tốc-lưu lượng kiểu cảm ứng Đầu đo lưu tốc – lưu lượng kiểu cảm ứng được dùng để đo. .. đo áp suất Tất cả các thiết bị đo áp suất hoạt động bằng cách xác định sự thay đổi của áp suất chênh lệch giữa áp suất chất lỏng được đo và áp suất qui chiếu Có 3 cấu hình đo áp suất: a Áp suất đo so với áp suất khí quyển Khi đầu đo áp suất thông với khí quyển thì chỉ thị áp suất bằng 0 b Áp suất đo so với chân không ( áp suất tuyệt đối ): c Đo theo áp suất sai lệch: Áp suất cần đo được qui chiếu với... Đầu đo lưu tốc – lưu lượng kiểu cảm ứng được chế tạo trên cơ sở nguyên lý cảm ứng điện từ khi có một dây dẫn chuyển động trong một từ trường ɠ E Dòng điện I chạy trong ống dây sinh ra từ trường B: B = 4π 10-7 nI Và từ thông ɸ = B.S Theo định luật Faraday, khi dây dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng E trong dây dẫn: E = Bℓv [V] Khi một chất lỏng dẫn điện chuyển động trong. .. khe Sức điện động xuất hiện trong cuộn đo: era(t) = - W2 = -W2 với i(t) = Imsinωt ta có era(t) = -W2 ωIm cos ωt và S đ đ hiệu dụng Era là: Era = = K2 Trong đó I là dọng điện hiệu dụng Phương trình của bộ cảm biến lực – điện từ cho thấy S.đ.đ E ra tỷ lệ thuận với thiết diện khe hở không khí và tỷ lệ nghịch độ rộng khe hở dEra = ds +dδ hay ∆Era = K2 -KSS K2 = W1.W2.μ0.ω.I trong đó μ0: độ từ thẩm không... f= 1.7.2 Đo tần số bằng phương pháp số Thiết bị đo tần số có cấu trúc như sau: Chỉ thị Ufx Bộ đầu vào Bộ tạo dạng xung Bộ đếm xung Kh Tdo Bộ phát fo chuẩn Bộ chia tần Tạo khoảng Tdo Bộ đầu vào là một bộ khuyeesch đại hoặc hạn chế tín hiệu điện áp vào Ufx đến mức đủ kích mạch tạo dạng xung Bộ tạo dạng xung biến tín hiệu có chu kỳ từ bộ đầu vào thành dãy xung có biên độ không đổi và có tần số ứng bằng... dẫn điện chuyển động trong một từ trường cũng xảy ra hiệu ứng tương tự như thế và sức điện động cảm ứng E là: E = BDv = Với v= Trong đó: Q [V] và Q = v.π B [T] [N/Am] – cường độ từ trường ℓ [m] – độ dài dây v [m/s] – tốc độ chuyển động D [m3/s] – lưu lượng dòng chảy 30 1.6.3 Đầu đo lưu tốc khí kiểu nhiệt điện trở tự đốt nóng( phong tốc kế ) Đầu đo lưu tốc khí kiểu nhiệt điện trở tự đốt nóng có cấu tạo... phần hở nếu nhiệt độ ở phần hở T 2 và nhiệt độ ỏ phần nối T1 là khac nhau Điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào các kim loại A và B và nhiệt độ T1ở điểm nối ET1AB = a1T1 + a2T22 + a3T33 + … [mV] Cặp nhiệt ngẫu (Thermocouple) là một mạch kín gồm hai điểm nối nằm ở hai nhiệt độ khac nhau T1 và T2 Nếu đưa một Vônkế trở kháng cao vào mạch, như hình vẽ, thì sức điện động (S.đ.đ) đo được là sự chênh lệch của hai . quang kế: Bức xạ Quang phổ kế 1000 ÷ 3000 0 C 1000 ÷ 3000 0 C 1.3.2. Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt trở Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt điện trở sử dụng phương pháp đo kiểu tiện dụng. Vật. nối và không phụ thuộc vào nhiệt độ dây dẫn các mối nối. 13 Ứng dụng: Dây dẫn đo và mối nối qui chiếu có thể được đặtở môi trường có nhiệt độ khác nhau. Luật 2: Nếu có kim loại C chèn vào chèn. dạng: Nếu Z 1 = Z 2 và Z 3 = Z 4 thì mạch cầu ở chế độ cân bằng và khi đó E Th = 0 1.2.2. Thiết kế mạch cầu điện trở E Th = V S { - } 6 Cầu Wheatstone được thiết kế trên cơ sở xác định