Các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành và điều khiển

Page 1
2. Các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành và điều khiển
2.1 Cảm biến và thiết bị chấp hành
courtesy ABB
2008 June, HK
Industrial Automation
2/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.1. Khái niệm
2.1. Cảm biến và các thiết bị chấp hành
2.1.1 Khái niệm
2.1.2 Chức năng
2.1.3 Mô hình mạch
2.1.4 Các đặc trưng cơ bản
2.1.5 Cấu trúc chung của cảm biến thông minh
2.1.6 Đo nhiệt độ
2.1.7 Đo lưu lượng
2.1.8 Đo áp suất và mức
2.1.9 Đo các đại lượng cơ học
2.1.10 Thiết bị chấp hành
2.2. Thiết bị điều khiển
2.3. Các bộ điều khiển lôgic khả trình
Page 2
3/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
-Thiết bị đo- cảm biến:
Thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên các biến
trạng thái của quá trình.
-Thiết bị chấp hành:
Biến đổi tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển thành sự điều
chỉnh vật lý nhằm thay đổi đầu vào của quá trình.
2.1.1. Khái niệm
Thị phần thiết bị của các nhà sản xuất

Emerson (Fisher-Rosemount): 27 %
Invensys: 4-5%
ABB: 4-5%
Honeywell: 3-4%
4/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.2. Chức năng
- Cảm biến cảm nhận, đo đạc và đánh
giá thông số hệ thống.
- Bộ điều khiển tính toán xử lý thông
tin đưa ra tín hiệu điều khiển.
- Cơ cấu chấp hành thực hiện các yêu
cầu điều khiển quá trình.
Page 3
5/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.3. Mô hình mạch
Coi cảm biến như một mạng 2
cửa.
- Cửa vào là biến quá trình cần
đo V.
- Cửa ra là giá trị đo được M.
- Phương trình mô tả quan hệ:
M= f(V)
6/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.4. Các đặc trưng cơ bản
Page 4
7/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
8/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
b. Các tín hiệu và các chuẩn
Chuẩn điện học thông dụng nhất được dùng để truyền tín hiệu là
dùng một tín hiệu dòng điện từ 4- 20 mA

Page 5
9/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
c. Dải đo, ngưỡng nhạy và khả năng phân ly
- Dải đo ( span, full scal, range) của một giá trị đo được
xác định bởi giá trị đo lớn nhất và nhỏ nhất:
D= Xmax-Xmin
10/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
- Ngưỡng nhạy: khi x giảm thì Y cũng giảm theo nhưng
với Δx < ε thì không thể phân biệt được ΔY
- Khả năng phân ly (Resolution):
max min
X - X
D
R = =
εε
Với D = X
max
– X
min
là thang đo (thường X
min
= 0)
Vì các thiết bị đo khác nhau có độ nhạy khác nhau,
nên để so sánh tính nhạy của thiết bị người ta dùng
khái niệm khả năng phân ly của thiết bị
Page 6
11/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
e. Độ chính xác và sai số
- Độ chính xác là giá trị đo được
gần nhất với giá trị quá trình

- Sai số thường được thể hiện
bằng giá trị sai số tuyệt đối:
% 100
d
x
x



d
x x x  
- Sai số tương đối:
12/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
Ví dụ: một bộ cảm biến di chuyển thẳng có độ nhạy 1mV
trên 1mm di chuyển. Nếu di chuyển 10mm tạo nên điện
áp 10,5mV thì:
Sai số tuyệt đối :
Δx = 10,5 - 10 = 0,5 mV.
Sai số tương đối:
0,5
% 100 5%
10


Page 7
13/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân thành:
- Sai số hệ thống: không phụ thuôc vào số lần đo, có giá
trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian. Nguyên
nhân:

+ do nguyên lý của cảm biến
+ giá trị đại lượng chuẩn không đúng
+ điều kiện và chế độ sử dụng
+ do xử lý kết quả đo
…
14/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
- Sai số ngẫu nhiên: xuất hiện có độ lớn và chiều không
xác định
Nguyên nhân:
+ do thay đổi đặc tính của thiết bị
+ do tín hiệu ngẫu nhiên
+ các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi
trường
…
Page 8
15/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
f. Độ lặp và trễ
- Độ lặp là các giá trị đo thu được nhiều lần khi đo tại một điểm
- Độ trễ xảy ra khi giá trị đo được có đáp ứng kịp với sự tăng hay
giảm của giá trị quá trình hay không
16/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.5. Cấu trúc chung của cảm biến thông minh
Page 9
17/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
Việc thực hiện một bộ cảm biến thông minh có thể tiến
hành theo hai phương pháp:
- Nếu bộ cảm biến ở đầu vào là cảm biến thông thường
thì đầu ra được đưa vào một vi mạch bao gồm các
CĐCH, MUX, A/D và μP trong một khối có đầu ra qua
bộ ghép nối để đưa thông tin đi xa hay vào máy tính

cấp trên.
- Nếu bản thân cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn
những thiết bị sau nó được để trong một khối
18/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
Các chương trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động
của cảm biến bao gồm:
- Chương trình thu thập dữ liệu: Khởi động các thiết bị như
ngăn xếp, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào
ADC, điều khiển hoạt động của MUX
- Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo: Biến đổi các
giá trị đo được thành mã BCD, mã 7 thanh, mã ASCII, mã
chương trình xử lý số liệu đo.
- Chương trình giao diện: đưa hiển thị ra LED hay màn hình,
máy in, đọc bàn phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa
kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào mạng, hay gửi tín
hiệu cho máy tính cấp trên
Page 10
19/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.6. Đo nhiệt độ
2.1.6.1. Giới thiệu chung
- Việc đo lường, điều khiển nhiệt độ là một trong những yếu tố quan
trọng nhất trong điều khiển quá trình.
- Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều
nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của
vật chất.
Có bốn phương pháp đo nhiệt độ dựa trên các đặc điểm vật lý sau:
- Sự giãn nở của các vật liệu theo nhiệt độ
- Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ
- Sự thay đổi nhiệt độ ở điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau
- Sự thay đổi năng lượng phát ra theo nhiệt độ

20/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
- Thang đo nhiệt độ:
Nhiệt độ
Kelvin (K)
Celsius (
0
C)
T (
0
C)=T(K)-273,15
Fahrenheit
(
0
F)
T (
0
F)=1,8T(
0
C)+32
Điểm 0 tuyệt đối
0 -273,15 -459,67
Hòa hợp nước –
nước đá
273,15 0 32
Cân bằng nước –
nước đá – hơi
nước
273,16 0,01 32,018
Nước sôi
373,15 100 212

Page 11
21/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.6.2. Các phương pháp đo nhiệt độ và ứng dụng trong công nghiệp
1. Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở
- Độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ
- Điện trở của kim loại có hệ
số dương: điện trở kim loại
tăng khi nhiệt độ tăng
22/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
a. Nhiệt điện trở platin
- Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở dùng rộng rãi trong công nghiệp
- Dải đo nhiệt độ của NĐT platin trong khoảng –250 đến 850
0
C
+Khi nhiệt độ từ 0  660
0
C thì
R
t
=R
0
(1+At +Bt
2
)
+Trong khoảng từ -180  0
0
C thì
R
t
= (1+At +Bt

2
+C(t-100)
3
)
A, B, C là các hằng số tra trong
sổ tay kỹ thuật
+Khoảng nhiệt độ t < -180
0
C và
t> 660
0
C thì quan hệ Rt =f(t)
được lập thành bảng.
Page 12
23/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
b. Nhiệt điện trở Nickel
- Nhiệt điện trở Nickel so với platin rẻ tiền hơn
- Dải đo chỉ từ -60 đến 250
0
C
Có đặc tính giống như nhiệt
điện trở đồng  = 5.10
-3
/
0
C
24/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
c. Nhiệt điện trở đồng
Phương trình chuyển đổi của nhiệt điện trở đồng trong dải từ –50
 180

0
C được xem là tuyến tính: R
t
= R
0
(1+t)
Trong đó: R
0
là điện trở của nhiệt điện trở tại 0
0
C,
 là hệ số nhiệt điện trở  = 4,3.10
-3
/
0
C
Trong trường hợp R
0
chưa biết ta dùng biểu thức sau:
R
2
=
1
21
t
)t(R


Trong đó R
1

và R
2
là giá trị điện trở tại các nhiệt độ t
1
và t
2
, 
=1/ là hằng số, với đồng thì  = 234.
+ Nhiệt điện trở Platin
Page 13
25/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
c. Các cấu trúc của cảm biến nhiệt điệntrở platin và nickel
- Nhiệt điện trở với vỏ gốm
- Nhiệt điện trở với vỏ thuỷ tinh
- Nhiệt điện trở với vỏ nhựa
- Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng mỏng
26/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
d. Ứng dụng trong công nghiệp
Nhiệt điện trở RM và RH của Yokogawa
- Nhiệt điện trở RM và RH
có thành phần điện trở là
platin (Pt100 hay Pt50)
- RM được ứng dụng trong
các quá trình nói chung
- RH thích hợp với các quá
trình có áp suất cao
Page 14
27/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện
a. Cặp nhiệt điện

- Hai kim loại được hàn với nhau
- Đốt nóng một điểm đến nhiệt độ t
1
và đầu còn lại giữ ở nhiệt độ thấp
hơn t
2
sẽ xuất hiện một dòng trong
mạch.
Nếu để hở một đầu thì giữa hai
cực xuất hiện một sức điện động
nhiệt
- Dòng điện này phụ thuộc vào kim loại và nhiệt độ t
1
, t
2
28/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
Khi hai mối hàn có cùng nhiệt độ t
0
thì sđđ tổng:
E
AB
= e
A
(t
0
) - e
B
(t
0
) = 0

Khi t
1
≠ t
2
thì: E
AB
= e
A
(t
1
) - e
B
(t
2
) .
Nếu t
2
=const thì: E
AB
= e
A
(t
1
) - C = f(t)
với C= e
B
(t
2
) = const.
Như vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm được nhiệt độ t

của đối tượng đo với t
0
= const.
Page 15
29/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
b. Các luật của cặp nhiệt điện
- Luật 1: hiệu ứng nhiệt điện chỉ
phụ thuộc vào nhiệt độ của
các điểm kết nối
- Luật 2: Các kim loại có thể
được gắn thêm vào trong
mạch mà không ảnh hưởng
đến điện thế
- Luật 3: Có thể gắn thêm một kim loại thứ ba vào một trong hai
điểm tiếp xúc
30/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
- Luật 4: Luật của các kim loại trung gian
- Luật 5: Luật của các nhiệt độ trung gian
Page 16
31/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
c. Sự thay đổi tính chất cặp nhiệt điện theo thời gian
Sau một thời gian đo ở nhiệt độ cao, sẽ xuất hiện sự “lão hoá” hay
sự “trượt” của kết quả đo đạc cặp nhiệt điện
d. Nguyên nhân gây sai số trong phép đo với cặp nhiệt điện
- Khi có sự đứt đoạn đầu đo
- Khi hai dây của cặp nhiệt điện bị ẩm ướt
- Không có vỏ bọc chống nhiễu
- Cặp nhiệt điện nằm không đủ sâu vào môi trường cần đo
32/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
f. Các loại cặp nhiệt điện theo tiêu

chuẩn quốc tế
E : Chromel/Constantan
J : Sắt/Constantan
T : Đồng/Constantan
K : Chromel/Alumel
R : Platin-Rođi (13%)/Platin
S : Platin-Rođi (10%)/Platin
B : Platin-Rođi (30%)/
Platin-Rođi (6%)
Page 17
33/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
g. Ứng dụng trong công nghiệp
Cặp nhiệt điện CM và CH của Yokogawa
- CM: dùng cho các
ứng dụng chung
- CH: dùng đo nhiệt
độ ở nơi có áp
suất cao
34/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.7. Đo áp suất và mức
2.1.7.1. Giới thiệu chung
1. Đại cương về áp suất
- Phần lớn các loại cảm biến áp suất hiện nay được chế
tạo từ vật liệu silic với hiệu ứng điện trở áp điện
- Các loại cảm biến áp suất bán dẫn biến đại lượng vật lý
áp suất thành tín hiệu điện.
- Hầu hết các cảm biến áp suất đều có một phần tử biến
đổi trị số đo từ năng lượng cơ học thành năng lượng
điện gắn trên màng đàn hồi.
Page 18

35/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
36/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
* Màng phẳng :
- Nếu làm bằng kim loại thì dùng để đo áp suất cao.
- Nếu làm bằng cao su vải tổng hợp, tấm nhựa thì đo áp
suất nhỏ hơn (loại này thường có hai miếng kim loại ép
ở giữa).
- Còn loại có nếp nhăn nhằm tăng độ chuyển dịch nên
phạm vi đo tăng.
- Có thể có lò xo đàn hồi ở phía sau màng.
Page 19
37/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
38/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
* Hộp đèn xếp : có 2 loại
- Loại có lò xo phản tác dụng, loại này màng đóng vai trò
cách ly với môi trường.
Muốn tăng độ xê dịch ta tăng số nếp gấp thường dùng đo
áp suất nhỏ và đo chân không.
- Loại không có lò xo phản tác dụng.
* ống buốc đông:
Là loại ống có tiết diện là elíp hay ô van uốn thành cung
tròn ống thường làm bằng đồng hoặc thép, nếu bằng
đồng chịu áp lực < 100 kG/cm
2
khi làm bằng thép (2000
tới 5000 kG/cm
2
).
Page 20
39/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation

Lựa chọn vật liệu cho màng đàn hồi phải dựa theo một số
yếu tố:
- Sự đàn hồi cao nhất
- Nhiệt độ làm việc tối đa
- Sự “mỏi” của vật liệu
- Sự chịu đựng với các hoá chất ăn mòn
40/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2. Định nghĩa và đơn vị áp suất
a. Định nghĩa
- Áp suất được định nghĩa là lực tác động trên một đơn vị diện tích
p = F/A
- Việc đo áp suất được hiểu là đo áp suất với một áp suất tiêu chuẩn
Áp suất tiêu chuẩn có thể là:
- Áp suất khí quyển
- Áp suất chân không
- Áp suất khác: hiệu áp
Page 21
41/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
b. Đơn vị áp suất
- Đơn vị của áp suất trên lý thuyết là
N/m
2
- Đơn vị được dùng rộng rãi trong thực tế là
kPa (kPa = N/cm
2
)
42/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
3. Đo mức
- Với các chất lỏng, để lưu trữ cũng như vận chuyển, đòi hỏi việc
hiển thị mức chất lỏng.

- Mức thường liên quan đến thể tích
Page 22
43/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
Có 4 loại bề mặt cần quan tâm trong điều khiển mức:
- Chất lỏng/ khí
- Chất rắn/ khí
- Chất lỏng 1/ chất lỏng 2
- Chất rắn/ chất lỏng
44/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2.1.7.2. Các phương pháp đo áp suất, mức và ứng
dụng trong công nghiệp
1. Cảm biến đo áp suất
a. Cảm biến áp suất điện trở áp điện
- Dựa trên hiệu ứng áp điện:
Vật liệu áp điện khi chịu tác dụng của lực cơ học biến thiên thì trên
bề mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì
các điện tích biến mất
Page 23
45/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
46/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
Page 24
47/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
b. Cảm biến áp suất điện dung đo hiệu suất
- Điện dung C1, C2 bị thay đổi theo hiệu suất Δp = p
1
– p
2
48/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
2. Đo mức chất lỏng
a. Đo mức chất lỏng bằng phương pháp đo điện dung

Page 25
49/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation
b. Đo mức chất lỏng bằng cách đo áp suất và hiệu áp
50/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation