Đề tài Khảo sát hệ thống cân bằng định lượng nhà máy xi măng

vector chuẩn hóa của hình 4.7, ta phải tạo nên điện áp stator với biên độ góc pha bất kỳ mà khâu điều chế dòng sau này yêu cầu. 2.1.3. Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian: Để thực hiện một vector điện áp ta xét ví dụ sau đây: Giả sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ trên hình 4.6a. Vector đó có thể nằm ở góc phần sáu bất kỳ nào đó, trong ví dụ này us nằm ở S1. us có thể được tách thành tổng của hai vector con up, ut tựa theo hướng của hai vector chuẩn u1, u2 Các số viết thấp bên phải có ý nghĩa như sau: p: vector bên phải t: vector bên trái u1 ab b u2 us up u1 Hình 4.8: Thực hiện vector us bất kỳ bằng hai vector điện áp nguồn. Điên áp phải được tính đổi thành thời gian dòng ngắt van trong phạm vi một chu kỳ cắt xung nào đó. Giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích, được phép dùng để thực hiện vector, khi này modul tối đa cũng không vượt quá 2Umc/3. Do vậy ta có công thức sau: (4-5) Nếu thời gian tối đa (ví dụ chu kỳ trích mẫu ) là T, ta rút ra nhận xét sau: - uslà tổng vector của hai vector biên up, ut: us= up+ ut - Hai vector biên có thể được thực hiện bằng cách thực hiện u1 (cho up) và u2 (cho ut) trong hai khoảng thời gian sau: ; (4-6) Ta đã có mẫu xung cho u1, u2 (bảng 2.1), vấn đề là phải tính được khoảng thời gian Tp, Tt , từ công thức (4-6) ta rút ra nhận xét sau: để tính được Tp, Tt ta phải biết modul của các vector biên phải :up , biên trái ut . Thời gian thực hiện các vector bên phải Tp và bên trái Tt , vậy trong khoảng thời gian còn lại T-(Tp+Tt ), biến tần thực hiện một trong hai vector có modul bằng không u0 hoặc u7. bằng cách đó trên thực tế ta đã thực hiện phép cộng vector sau: us= up + ut + u0(u7) = (4-7) Ta phải thực hiện trình tự ba vector u1, u2, u0(u7), để làm sáng tỏ hơn ta tách riêng mẫu xung của bốn vector kể trên ra khỏi bảng 4.1 như trên: Bảng 4.2 Bảng 4.2 u0 u1 u2 u7 u 0 1 1 1 v 0 0 1 1 w 0 0 0 1 Thông qua bảng 4.2 ta có ngay nhận xét: Trình tự sẽ là có lợi nhất, nếu trong pham vi một chu kỳ các cặp van ít phải chuyển mạch nhất. Cụ thể ở đây, mỗi cặp sẽ chỉ chuyển mạch một lần. Nếu như trạng thái cuối cùng là u0, trình tự thực hiện sẽ là : u1 u2 u7 Ngược lại nếu trạng thái cuối cùng là u7, trình tự thực hiện sẽ là: u2 u1 u0 Bằng phương thức thực hiện điện áp (có thể gọi là tạo xung kích thích ) như vậy, ta sẽ gây tổn hao dòng ngắt các van của biến tần ở mức ít nhất. Nếu ta vẽ ghép tượng trưng hai chu kỳ nối tiếp nhau thuộc góc phần sáu thứ nhất S1 trong hình 4.8, ta thu được hình ảnh quen thuộc của phương pháp điều chế bề rộng xung thực hiện bằng kỹ thuật tương tự (analog). 000 110 100 111 110 100 000 100 u00 v00 ww00 U2 Tt U7 T7 U2 T7 U1 Tp U0 T0 V1 Tp T/2 T/2 Hinh 4.9 : Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ nhất S1. Tới đây ta đã làm quen với quá trình thực hiện vector điện áp ở bất kỳ trong phạm vi S1. trong tất cả các góc phần sáu còn lại S2.....S6, cách thực hiện là giống hệt S1. Hình vẽ sau giới thiệu khái quát biểu đồ xung của các góc phần sáu đó . Biểu đồ xung kích thích thuộc S2 us u2 up ut u3 U V W Tt Tp T7 Tp Tt T0 U3 U4 U7 U2 U3 U0 V U Biểu đồ xung kích thích thuộc S3 us u2 up ut u3 W Tp Tt T7 Tt Tp T0 U3 U4 U7 U4 U3 U0 Tt Tp T7 Tp Tt T0 U5 U4 U7 U4 U5 U0 Biểu đồ xung kích thích thuộc S4 us up ut u4 Tp Tt T7 Tt Tp T0 U5 U6 U7 U6 U5 U0 U V W uP u6 ut uS u5 Biểu đồ xung kích thích thuộc S5 U Tt Tp T7 Tp Tt T0 U1 U6 U7 U6 U1 UO V W u6 up u5 uS ut Biểu đồ xung kích thích thuộc S6 Hình 4.10: Giản đồ xung của các góc phần sáu 2.2. Cơ cấu chung của biến tần loại MICROMASTER Vector: Sơ đồ khối như hình vẽ : Hình 4.11: sơ đồ cài đặt phần điện trong biến tần: 2.2.1. Cách nối dây : Cách nối dây được trình bày như hình vẽ sau: P10 OV AIN+AIN-DIN1 DIN2 DIN3 DIN4 P15 PIDIN PIDIN AIOUT+AOUT-PTCPTC DIN5 DIN6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 RL1A RL1B RL1C (4) (5) (6) (NC) (NO) (COM) (1) (2) (3) (7) 21 22 23 24 25 26 27 RL2B RL2C (ON) (COM) P5V+ N- N+ PE Hình 4.12: Cách đấu nối các đầu dây vào biến tần: Chú thích: (1) :Nguồn cung cấp + 10V, max, 10V. (2) : Tín hiệu tương tự đầu vào với áp 0 đến + 10V, với dòng 0/4 đến 20mA. (3) : Tín hiệu số đầu vào 7.5 đến 33V, max, 5mA. Chân 9 : Nguồn cung cấp cho tín hiệu phản hồi của PID là +15V,max,50mA. (4) : Đầu vào của tín hiệu tương tự 2 với điện áp 0 đến 10V và dòng 0 đến 20mA. (5) : Đầu ra tín hiệu tương tự 1 là 0/4 đến 20mA. (6) : sự bảo vệ quá nhiệt cho motor. (7) : Tín hiệu đầu vào số với áp 7.5 đến 33V, và dòng 5mA. Các chân 23, 24, 25, 26, sử dụng chuẩn RS 485 cho giao thức USS protocol. 2.2.2. Nối dây đến động cơ: Sơ đồ như hình vẽ: Cầu chì Contactor Biên tần Động cơ PE L3 U L2 V  L1 W Hình 4.13 : Cách đấu dây từ biến tần đến động cơ. Từ biến tần nối đến động cơ phải qua các thiết bị trung gian sau: + Cầu chì: có chức năng bảo vệ quá dòng so với dòng định mức. + Contactor dùng để đóng cắt nguồn cung cấp cho động cơ. + PE: vị trí nối đất an toàn cho thiết bị: động cơ, contactor, biến tần. 2.2.3. Cài đặt thông số cho biến tần : Trước khi kết nối với S7-200 cần phải cài đặt đủ các thông số của biến tần. Sử dụng các keypad có sẳn trên biến tần để cài đặt như sau: 1. Reset biến tần để cài đặt lại (tùy chọn). Nhấn phím P, hiển thị P000, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P944, nhấn P để nhập thông số : P994 = 1 2. Cho phép truy xuất để đọc/ghi tất cả các thông số. Nhấn phím P, hiển thị P000, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiến thị P009, nhấn P để nhập :P009 = 3 3. Kiểm tra lại việc cài đặt thông số động cơ cho biến tần. Việc cài đặt này phải theo loại động cơ được sử dụng. Nhấn P, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị thông số cần cài đặt. Nhấn P để nhập: P081 = Tần số định mức của động cơ (Hz) P082 = Tốc độ định mức của động cơ (RPM) P083 = Dòng điện định mức của động cơ (A) P084 = Điện áp định mức của động cơ (V) P085 = Công suất định mức của đông cơ (KW/HP) 4. Đặt chế độ điều khiển tại chổ hay từ xa (local/Remote). Nhấn P nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P910. Nhấn P để nhập: P910 = 1 (Remote) 5. Định giá tri tốc độ Baud cho chuẩn RS-485. Nhấn P, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P029. Nhấn P để nhập, nhấn phím mũi tên để hiển thị đúng giá trị tốc độ Baud cho chuẩn RS-485: P092 = 3 (120 Baud) 4 (2400 Baud) 5 (4800 Baud) 6 (9600 Baud) 7 (19200 Baud) 6. Nhập địa chỉ Slave. Mỗi drive có thể vận hành qua một bus. Nhấn P, nhấn phím mũi tên lên xuống cho đến khi hiển thị P091. Nhấn phím mũi tên để hiển thị địa chỉ mong muốn, nhấn P nhập: P091= 0-31. 7. Định thời gian tăng tốc (tùy chọn). Với thời gian đặt này tốc độ động cơ sẽ tăng dần cho đến khi đạt max. Nhập P, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P002. Nhấn P để nhập: P002 = 0-650.00 ms 8. Định thời gian giảm tốc (tùy chọn). Sau khoảng thời gian này động cơ sẽ giảm dần tốc độ cho đến khi dừng. Nhấn P, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P002. Nhấn P để nhập: P003. Nhấn P để nhập: P003=0-650.00 ms 9. Serial Link time_out. Đây là khoảng thời gian cho phép lớn nhất cho phép giữa hai lần truy nhập dữ liệu. Thời gian này được tính sau khi một dữ liệu được nhận. Nếu một dữ liệu của bức điện không được nhận, biến tần sẽ ngắt và hiển thị mã lỗi F008. Đặt giá trị 0 để ngừng việc điều khiển . Nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P093. Nhấn P để nhập: nhấn P để nhập, nhấn phím mũi tên để nhập giá trị mong muốn. P093 = 0 - 240 (thời gian được tính bằng giây) 10. Serial Link Nominal System Setpoint. Giá trị này có thể thay đổi, nhưng phải tương ứng 50Hz hoặc 60Hz, được định nghĩa với giá trị tương ứng 100%. Giá trị cho PV hoặc SP.Nhấn phím P, hiển thị P000, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P094. Nhấn P để nhập: Nhấn phím mũi tên để nhập giá trị mong muốn: P094 = 0 - 400.00 11. Tương thích USS(tùy chọn). Nhấn phím P, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P094. Nhấn P để nhập: P095 = 0 độ phân giải 0.1 ms 1 độ phân giải 0.01 ms 12. EEPROM điều khiển (tùy chon).Nhấn phim P, nhấn phím mũi tên lên hoặc xuống cho đến khi hiển thị P971. Nhấn P để nhập: P971 = 0: Thay đổi các thông số cài đặt (bao gồm cả P971) bị mất khi mất nguồn. 1: Tham số cài đặt được lưu lại trong suốt thời gian mất nguồn. 13:Hiển thị vận hành. Nhấn P để thoát. 3. Các bộ biến đổi DAC, ADC : 3.1. Bộ biến đổi số - tương tự DAC : Bộ chuyển đổi số - tương tự biến đổi một chuỗi các đại lượng U(KT) thành tín hiệu liên tục u(t) để điều khiển hệ thống . Bộ chuyển đổi D - A được mô tả bởi bộ lưu giữ, nhận ở thời điểm KT xung có biên độ tỷ lệ với trị số U(KT) có độ rộng bé so với T (tín hiệu lấy mẫu) và duy trì hằng số ấy trong suốt cả chu kỳ T . Như vậy đáp ứng đối với mỗi chuỗi xung là một chuỗi bậc thang có độ dài T . Quá trình biến đổi này là tức thời, không có trễ . Phương pháp biến đổi được dùng rộng rãi nhất ở các bộ biến đổi D/A là sử dụng một mạng điện trở R-2R (hình vẽ) . Phần chính của mạng các điện trở có thể xem như là một bộ chia điện áp . Bộ chia này có đặc tính là mỗi điểm nút được đấu tải bằng một điện trở R . Nhờ vậy mà ở mỗi điểm nút dòng điện đi qua được chia theo tỷ lệ 1:1 và đối với bit cao nhất dòng đi qua điện trở được tính I = Uref/2R còn qua các điện trở tiếp theo I = Uref/2R.0,5 ; ........... Uref R Rf 2R “0” “1”  Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA Khi một bit nào của tín hiệu điều khiển là ‘0’ thì dòng điện tương ứng với bit đó bị ngắn mạch qua khóa xuống đất . Ngược lại nếu tín hiệu điều khiển là ‘1’ thì dòng tương ứng với bit đó được dẫn đến đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán qua mạng điện trở . Trong sơ đồ này điện trở làm nhiệm vụ phân dòng. Vì điện trở nhánh ngang bằng một nữa nhánh dọc, nên dòng điện qua mỗi khâu điện trở thì giảm đi một nữa . Kết quả là các dòng điện ở cửa vào bộ khuếch đại thuật toán có giá trị tương ứng với bit mà nó đại diện 3.2. Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) : Quá trình chuyển đổi tương tự - số không thể tức thời cần có thời gian trễ để biến đổi tín hiệu tương tự là một đại lượng vật lý (điện áp) ở đầu vào thành tín hiệu số ở đầu ra . Để nối với thế giới bên ngoài đầu vào của bộ vi điều khiển nhận tín hiệu từ bộ cảm biến . Để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số người ta sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau xét hai phương pháp sau: a. Phương pháp làm gần đúng Là phương pháp dùng trong máy tính . Tín hiệu tương tự đầu vào liên tục, tín hiệu số mã hóa đầu ra là rời rạc . Để thực hiện chuyển đổi AD cần phải lấy mẫu với các tín hiệu tương tự đầu vào ở những thời điểm qui định sau đó chuyển đổi giá trị mẫu đó thành số đầu ra . Quá trình chuyển đổi AD thường qua 4 bước : + Lấy mẫu + Nhớ mẫu + Lượng tử hóa + Mã hóa Các bước trên được thực hiện trong quá trình thống nhất . Để có thể khôi phục lại tín hiệu tương tự một cách trung thực thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng giới hạn trên của dải tần tín hiệu tương tự . Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành dải tần tín hiệu tương ứng đều ccần thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong khoảng thời gian cần thiết . Trong ADC có mạch D/A là mạch lấy mẫu và lưu giữ tín hiệu tương tự đầu vào . Trước khi chuyển đổi AD, bộ nhớ phải bị xóa về 0 . Bắt đầu chuyển đổi xung đồng hồ lập bit cao trong bộ nhớ ở mức “1” . Dữ liệu ra của bộ nhớ là 100....0, tín hiệu này được DAC chuyển thành điện áp tương tự tương ứng V0 . Bộ so sánh COM so sánh V0 và Vi , nếu V0 > Vi tín hiệu số quá lớn thì bit cao bị xóa về 0 . NếuV0 < Vi tín hiệu số vẫn còn nhỏ bit cao duy trì ở mức “1” . Tiếp theo, cùng phương pháp như trên xung đồng hồ được thiết lập bit cao có trọng số bé hơn ở mức “1” . Quá trình tiếp tiếp tục cho đến bit thấp thì xong . Sau quá trình so sánh tất cả các bit dữ liệu trong bộ nhớ chính là tín hiệu số mong muốn . DAC Vi V0 Điện áp chuẩn COM Nhớ mẫu xấp xỉ Đ/k clock chuyển đổi Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp gần đúng b.Chuyển đổi AD theo phương pháp song song : Trong phưong pháp chuyển đổi song song, tín hiệu tương tự UA được đồng thời đưa đến các bộ so sánh S1 ¸ Sm .Điện áp Uch được đưa đến đầu vào thứ 2 của các bộ so sánh qua thang điện trở R . Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so sánh kế tiếp khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 đến Sm . Đầu ra của các bộ so sánh . Điện áp vào của bộ so sánh lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở thì đầu ra có mức logic ‘1’, các đầu vào còn lại có mức logic ‘0’. Tất cả các đầu ra được nối với mạch “VÀ” một đầu mạch “VÀ” được nối mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đưa đến đầu vào “VÀ” thì các xung trên đầu ra bộ so sánh mới đưa vào mạch nhớ FF (Flip - Flop). Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ xung nhịp lại có một tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo nguyên tắc song song Bộ mã hóa biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân . Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh, vì quá trình so sánh được thực hiện song song (1 bước so sánh), nhưng kết cấu mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn. Với bộ chuyển đổi N bit, để phân biệt được 2n mức lượng tử hóa, Phải dùng (2N - 1) bộ so sánh . Vì vậy phương pháp này chỉ dùng trong các ADC yêu cầu số bit ra N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao 3.2.1.Giới thệu bộ chuyền đổi AD9243 14 bít: a. Mô tả sản phẩm: + AD9243 là một bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 14-Bít + AD9243 thực hiện chức năng chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Hình 4.17: Sơ đồ bộ chuyển đổi AD9243 + AD9243 tiêu thụ 110mW với nguồn cung cấp năng lượng +5V đơn cực. + Vi mạch làm việc ổn định trong phạm vi nhiệt độ cho phép và không gây mất thông tin b. Cấu tao bộ chuyển đổi AD9243 Hình 4.18: Sơ cấu tạo bộ chuyển đổi AD9243 Thông số Tên Min Max Đơn vị AVDD AVSS -0.3 +6.5 V DVDD DVSS -0.3 +6.5 V AVSS DVSS -0.3 +0.3 V AVDD DVDD -6.5 +6.5 V DRVDD DRVSS -0.3 +6.5 V DRVSS AVSS -0.3 +0.3 V REFCOM AVSS -0.3 +0.3 V CLK DVSS -0.3 DVDD +0.3 V Các đấu ra tín hiêu số VINA, VINB VREF DRVSS AVSS AVSS -0.3 -0.3 -0.3 DRVDD +0.3 AVDD+ 0.3 AVDD +0.3 V V V SENSE AVSS -0.3 AVDD +0.3 V CAPB, CAPT AVSS -0.3 AVDD +0.3 V Nhiệt độ mối nôi Nhiệt độ tích trữ Nhiệt độ sớm pha (10giây) -65 + 150 + 150 +300 0 C 0C 0C 0C Điểm số tên Tên Mô tả 1 DVSS Tiếp đất số 2,29 AVSS Tiếp đất tương tự 3 DVDD Nguồn cung cấp số +5V 4,28 AVDD Nguồn cung cấp tương tụ + 5V 5 DRVSS Tiếp đất đầu ra số 6 DRVDD Điện áp ra 7 CLK Điểm đầu vào xung 8-10 NC Không sử dụng 11 BIT 14 Mẫu dữ liệu 12-23 BIT 13-BIT 2 Đầu ra dữ liệu 24 BIT1 Mẫu dữ liệu 25 OTR Ngoại vi 26, 27, 30 NC Không sử dụng 31 SENSE Chọn tham chiếu 32 VREF Tham chiếu I/O 33 REFCOM Tham chiếu chung 34, 35, 38 NC Không sử dụng 41 VINA Điểm đầu vào tương tự (+) 42 VINB Điểm đầu vào tương tự (-) Các mô tả về điểm: Hình 4.19: mạch đầu vao chức năng tương tự của AD9243 c. Mạch đầu vào tìn hiệu tương tự AD9243: Hình 4.19 là mạch đầu vào của vi mạch AD9243 được đơn giản hóa, mối quan hệ giữa đầu vào tín hiệu tương tự VINA, VNB với điện áp quy chiếu VREF. Giá trị VREF là điện áp đầu ra tối đa của A/D. Như vậy điện áp đầu ra tối thiểu của A/D chính là -VREF. Hình 4.20 :Mạch đầu vào của AD/9243 Việc thêm vào một cấu trúc đầu vào vi phân làm tăng thêm độ linh hoạt cho người sử dụng. Đầu vào cho phép người sử dụng dễ dàng kết nối với các bộ phận khác cho mục đích vận hành Hình 4.20 cho thấy đầu ra tín hiệu tương tự của AD9243 gồm bộ khuếch đại vi phân . Cấu trúc đầu vào vi phân của SHA có độ linh hoạt mềm dẻo cao, cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị cho đầu vào vi phân hoặc thiết bị đầu cuối . Đầu vào SHA của AD9243 được tối ưu hóa nhằm đáp ứng trong mọi điều kiện vận hành luôn luôn giữ dữ liệu. d. các đặc tính chuyển đổi: (TMin đến Tmax với AVDD= +5V, DVDD= +5V, DRVDD=+5V, CL= 20 pF) Các thông số Ký hiệu AD9243 Đơn vị Chu kỳ xung đồng hồ1 tC 333 Hình 4.21 : Sơ đồ định giờ ms Độ rộng xung đồng hồ mức cao tCH 150 ms Độ rông xung đồng hồ mức thấp tCL 150 ms Độ trễ của đầu vào tOD 8 ms e. Các đầu vào và đầu ra tín hiệu số: + Các đầu ra tín hiệu số: Dữ liệu đầu ra của AD9243 được thể hiện ở hệ nhị phân cho tất cả các vùng đầu vào . Bảng sau đây chỉ ra các đinh dạng dữ liệu đầu ra cho các vùng đầu vào khác nhau bất kể vùng đầu vào nào được chọn. Có thể tạo ra một định dạng dữ liệu đầu ra bổ sung bằng cách đảo ngược MSB. Định dạng dữ liệu đầu vào Đầu vào (V) Điều kiện (V) Đầu ra tín hiệu số OTR VINA -VINB <-VREF 00 0000 0000 0000 1 VINA -VINB = -VREF 00 0000 0000 0000 0 VINA -VINB = 0 10 0000 0000 0000 0 VINA -VINB = + VREF - 1 LSB 11 1111 1111 1111 0 VINA -VINB > + VREF 11 1111 1111 1111 1 4.Cảm biến Cảm biến là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định. Là thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện ( như: điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng ) ký hiệu là S. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m S = F(m) (4-8) Trong đó S là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc là đại lượng cần đo ). Việc đo đạc S cho phép nhận biết giá trị của m Biểu thức S= F(m) là dạng lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo, vào vật liệu làm cảm biến, đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng 4.1. Cảm biến vận tốc Trong công nghiệp, việc đo vận tốc, trong phần lớn các trường hợp thường là đo tốc độ quay của máy. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển sang đo tốc độ quay. Các cảm biến công nghiệp dùng để đo vận tốc dựa trên định luật Faraday: e= (4-9) Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dф trong khoảng thời gian dt. Khi đó từ thông đi qua một mạch là một hàm số dạng : ф(x)=ф0.F(x), với x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo góc quay Mọi sự chuyển động tương đối giữa nguồn từ thông và mạch có từ thông đi qua sẽ làm trong mạch xuất hiện một suất điện động có biên độ tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng trong nó tín hiệu ra của cảm biến e=-ф0.. (4-10) Trong hệ thống, chúng ta sử dụng Encode để đo tốc độ động cơ của các băng tải cấp liệu Encode đo tốc độ quay của động cơ, vật trung gian thường dùng là đĩa gắn liền với trục quay cần đo tốc độ. Đĩa có cấu tạo tuần hoàn: bề mặt của đĩa được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu đặc trưng như lổ đường vát, bánh răng. Một cảm biến thích hợp được đặt với vật trung gian để ghi nhận một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và một lần như vậy nó cung cấp một tín hiệu xung. Biểu thức của tần số f của tín hiệu xung được viết dưới dạng: F = p.N (4-11) Đầu thu quang Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu hiệu trên đĩa và N là số vòng quay của đĩa trong mỗi giây. Thấu kính Hình 4.22: Cấu tạo bộ phận đo tốc độ quay Encode Vật quay phải có các vùng phản xạ được bố trí tuần hoàn trên hình tròn được chiếu bằng tia sáng, hoặc là vật được gắn với một đĩa có các phần trong suốt xen kẽ các phần chắn sáng đặt giữa nguồn sáng và đầu thụ quang (hình 4.22). Đầu thu quang nhận được một thông lượng biến điệu và nó phát tín hiệu có tần số tỷ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ của tín hiệu này không phụ thuộc vào ω Phạm vi của tốc độ đo phụ thuộc vào hai yếu tố chính: - Số lượng lỗ trên đĩa quay. - Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử. Để đo tốc độ nhỏ, thí dụ ~ 0,1 vòng/phút, phải dùng đĩa có số lượng lỗ rất lớn (500÷1000). Trong trường hợp cần đo tốc độ lớn (105÷106 vòng/phút) phải sử dụng loại đĩa quay chỉ có 1 lỗ, khi đó chính tần số ngắt của mạch điện là đại lượng xác định tốc độ cực đại có thể đo được Ưu điểm : Ở đây thông tin thu nhận là tần số nên có khả năng chống nhiễu, chống suy giảm và dễ biến đổi sang dạng số. 4.2.Cảm biến lực: 4.2.1.Lý thuyết về cảm biến lực : Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell. Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng. Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này: Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỷ lệ với mức độ thay đổi của điện trở .Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone . Nguyên lý : Zm R1 R2 R4 R3 Em V + - Hình 4.23:Mạch cầu Wheatstone Cầu Wheatstone là mạch đo được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến thiên điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng . Phần lớn các thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của cầu Wheatstone đã được sàng lọc. Như vậy ,việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạch này là một điều cần thiết . Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu Wheatstone như trên hình trên. Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc cao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là: Em = (4-12) Với : là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1,R2,R3,R4 (thường là 350 ohms, nhưng có thể là 750 ohms dành cho các bộ cảm biến ). V là hiệu thế nguồn . Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn định .Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung cấp xoay chiều .Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu . Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (Ví dụ như Volt kế số, bộ khuếch đại với phần nối trực tiếp ) nên biểu thức trên có thể viết lại là : Em = (4-13) Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau, ví dụ là R1 và R2, lại là trừ khử nhau .Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt . 4.2.2.Chuyển đổi điện trở lực căng 4.2.2.1. Nguyên lý tác dụng, cấu tạo và các quan hệ cơ bản: Khi dây dẫn chịu biến dạng cơ khí thì điện trở của nó thay đổi, hiện tượng đó gọi là hiện tượng tenzo gọi là chuyển đổi điện trở Tenzo hay chuyển đổi điện trở lực căng. Chuyển đổi điện trở lực căng được chia làm ba loại: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, lá mỏng vả màng mỏng. Phổ biến nhất là chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, có cấu tạo như hình 4.24. Trên tấm lá mỏnh 1, dán một sợi dây điện trở 2 hình răng lược có đường kính tư 0.02÷ 0.03 mm. Dây được chế tạo bằng các vật liệu caftan, nicrôm, hợp kim Palatin-iridi. Hai đầu dây được hàn với lá đồng 3 dùng để nối với mạch đo. Phía trên được gián tấm giấy mỏng để cố định dây. Chiều dài đo là chiều dài tác dụng của chuyển đổi. Thông thường l0= 8 ÷ 15 mm. Khi cần có kích thước nhỏ l0= 2.5mm. Chiều rộng a thay đổi tư 3÷ 10 mm. Điên trở thay đổi từ 10÷ 150. Khi chiều dài tác dụng không bị hạn chế 10 có thể dài tới 100mm. Điện trở tương ứng 800÷ 1000. Khi độ biến dạng l= l/l chuyển đổi lên được gán lên đối tượng đo, lúc đối tượng đo bị biến dạng, chuyển biến dạng theo và điện trở của chuyển đổi TenZo thay đổi một lượng.. Ta có (4-14) Hay εR = f(εl) l0 B 1 21 31 Điện trở dây dẫn được xác định theo công thức: Trong đó là điện trở suất l là chiều dài đường dây s là tiết diện dây dẫn Hình 4.24: Điện trở lực căng dây mảnh Do đó Hay εR = εp + εl - εs Trong đó: : sự biến thiên tương đối của điện trở chuyển đổi khi bị biến dạng : sự biến thiên tương đối theo chiều dài dây dẫn. : sự biến thiên tương đối của điện trở suất đặc trưng cho sự thay đổi tính chất vật lý của vật liệu chuyển đổi. sự biến thiên tương đối theo tiết diện dây dẫn, đặc trưng cho sự thay đổi kích thước hình học của chuyển đổi. Trong cơ học đã biết er = -2kpe1 (k1-hệ số poisen) và nếu er = m e; m là hệ số tỉ lệ. Ta có es = e1(1+2kp+m) = k e1 (4-15) Đây là phương trình biến đổi tổng quát của chuyển đổi điện trở lực căng. Độ nhạy của chuyển đổi lầ: k = er ÷ e1= 1+2kp+m Do ứng suất có trong chi tiết cần nghiên cứu liên quan với môđun đàn hồi, do đó: và phương trình biến đổi của chuển đổi lực căng có thể biểu diễn dưới dạng :