Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 4: Chuyển đổi đo lường

Chương 4:CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG 
1. KHÁI NIỆM CHUNG 
Chuyển đổi đo lường là dụng cụ dùng để tạo một quan hệ đơn trị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định 
Cảm biến là chuyển đổi đo lường được đặt trong một khối hình học có kích thước nhất định và có các đầu nối tín hiệu ra . 
Cảm biến 
Sensor 
Chuyển đổi sơ cấp 
Chuyển đổi điện trở 
Dùng để đo các đại lượng ( di chuyển , góc quay) dựa trên sự biến đổi của điện trở chuyển đổi . 
Biến trở được làm bằng dây điện trở hay thanh điện trở . Vật liệu thường dùng là Mn 
Giá trị không thay đổi theo nhiệt độ . 
 The output voltage depends on the wiper position and therefore is a function of the shaft position. 
 In figure below, the output voltage E out is a fraction of E T , depending on the position of the wiper. 
 The element is considered perfectly linear if the resistance of the transducer is distributed uniformly along the length of travel of wiper. 
Ví dụ 
Một chuyển đổi điện trở dài 5.5 cm dùng trong mạch như hình vẽ . Điện trở tổng là 4.7k Ω. Nguồn cung cấp là E T = 3V. Con trượt có vị trí 0.9 cm tính từ điểm B, điện áp ra bằng bao nhiêu E out ? 
Ứng dụng của chuyển đổi điện trở 
 Đo các di chuyển thẳng (2-3mm) hoặc di chuyển góc của các đối tượng đo . 
 Đo lực , áp suất , gia tốc , 
 Đo các đại lượng biến thiên với tần số không lớn hơn 5Hz. 
Chuyển đổi điện trở lực căng - Tenzo 
Có thể thay đổi các tham số , l, S để thay đổi R 
Thông thường ta chỉ quan tâm đến S và l, còn được coi là không đổi 
R= l/S 
Mạch đo dùng tenzo thường là mạch cầu 
 Cầu cân bằng : 
R 1 /R 2 =R 3 /R 4 ; thường chọn R 10 =R 20 =R 3 =R 4 =R 0 
 Khi mất cân bằng : R 1 =R 0 +r; R 2 =R 0 -r 
U ra =(U/2)-(U/2R 0 )(R 0 +r)=(U/2R 0 )r 
Nếu chỉ có một điện trở biến đổi : R 1 =R 0 -r thì : 
Nếu coi R 0 >>r thì khi dùng một tenzo , độ nhạy bằng ½ khi dùng 2 tenzo đối xứng . 
Ví dụ thực tế 
Một số dạng cảm biến lực trong thực tế 
Những cảm biến lực này được chế tạo với dải đo từ vài gam đến vài chục tấn 
Một số dạng cảm biến lực 
Những cảm biến lực dùng để đo lực lớn 
Chuyển đổi điện từ - điện cảm 
Coi tiết diện làm việc s không đổi 
* Loại này thường dùng đo khoảng cách , độ rung của các gối đỡ các thiết bị điện 
Chuyển đổi điện từ - hỗ cảm 
Sử dụng loại này an toàn hơn loại điện cảm và độ nhạy cao hơn . 
Dùng đo khoảng cách hay dao động 
Chuyển đổi điện từ - áp từ 
Dựa vào sự biến đổi của độ từ thẩm , tiết diện , chiều dài làm việc của mạch từ theo lực để đo lực . Chủ yếu là đo biến dạng . 
Mạch đo của chuyển đổi áp từ 
Chuyển đổi cảm ứng 
Loại này dùng để đo tốc độ quay, góc quay, chuyển động thẳng , lực  
E là suất điện động cảm ứng , x hay a là khoảng dịch chuyển hay góc quay của chuyển đổi 
Chuyển đổi tĩnh điện – áp điện 
Nguyên tắc hoạt động : dựa trên hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch 
Loại này chỉ đo được lực động . 
Các ứng dụng 
Loadcell 
Chuyển đổi áp điện - điện dung 
	The capacitance of a parallel plate is given 	by: 
	k= dielectric constant 
	A= area of the plate 
	  o =8.854x10 -12 F/m 
	d= plate spacing 
	Since the capacitance in inversely 	proportional to the spacing of the parallel 	plates, any variations in d will cause a 	variation in capacitance. 
Ví dụ : An electrode-diaphragm pressure transducer has plates whose area is 5x10-3 m2 and distance between plates is 1x10-3. Calculate its capacitance if it measures air pressure with k=1. 
Chuyển đổi áp điện - điện dung 
Chuyển đổi điện dung thường dùng trong môi trường dung dịch điện phân , kể cả tiếp xúc và không tiếp xúc . 
Chuyển đổi nhiệt điện 
Dùng để đo nhiệt độ đối tượng 
Nguyên lí hoạt động : tham số của chuyển đổi bị biến đổi theo nhiệt độ . 
Loại thứ nhất là cặp nhiệt 
Lưu ý vấn đề hiệu chỉnh theo nhiệt độ (qui ước t 2 = 0) 
t 1 
t 2 
t 2 
Hiệu chỉnh cặp nhiệt theo nhiệt độ 
Thường trên đồng hồ đo nhiệt , người chế tạo ghi sẵn giá trị nhiệt độ và tan . nhiệt độ môi trường thường được xác định bởi một dụng cụ khác hoặc ước lượng . Từ đó suy ra nhiệt độ thực đo theo đặc tính . Các dụng cụ đo nhiệt điện tử được ghi sẵn đặc tính hiệu chỉnh trong bộ nhớ 
 E 
t 2 
t 1 
 E 
t’ 1 
 2 
 1 
0 C 
Ví dụ 
0 C: 10	20	30	40	50	60	70	80 
tan 0.1	 0.17 0.27 0.5 0.8 1.3 1.9 3.2	 
Nhiệt độ môi trường hiện tại là 30 0 C, nhiệt độ hiển thị là 65 0 C 
Xác định nhiệt độ thực tế tại điểm đo . 
Tại 65 0 C, tan  = 1,6 
Chuyển đổi nhiệt điện trở  RTD-Resistance Temperature Detector 
Với nhiệt điện trở kim loại thường tính đến bậc 3 
Với nhiệt điện trở bán dẫn tính đến bậc cao hơn tuỳ cấp chính xác ( thực tế giải tích là theo hàm mũ ). 
Hình ảnh của một số RTD 
Đo nhiệt độ bằng phương pháp hồng ngoại 
Một số loại cảm biến trong thực tế 
Một số loại cảm biến trong thực tế 
Chuyển đổi điện hóa 
1. Chuyển đổi điện hóa dùng để đo các đại lượng trong hóa học 
2. cơ sở lí thuyết : dựa trên hiện tượng hóa điện xảy ra khi cho dòng điện đi qua dung dịch điện phân hoặc do quá trình ôxy hóa khử các điện cực . 
3. Hiện tượng phân li 
H 2 SO 4 
KOH 
1/ Ω .m 
g.mol/l 
V<0 
e 
Quan hệ suất dẫn điện dung dịch và nồng độ 
Bài tập phần tenzo 
1. Một chuyển đổi tenzo có thông số : M=1500kg, б U=2mV/V. 
Nguồn cấp 10V, xác định điện áp ra khi m=250kg. 
Nếu R 0 = 375 Ohm, thì biến thiên của R tenzo sẽ là bao nhiêu ?