Bộ cảm biến trong hệ thống điều khiển hồi tiếp.

Đo lường công nghiệp
Nhóm 1

1


Mở đầu



Các bộ cảm biến thường thấy trong hệ thống điều khiển hồi tiếp. Nó đo các đại
lượng quá trình và truyền các thông số đó dưới dạng tín hiệu cho Bộ điều khiển.
Chất lượng hệ thống được quyết định trực tiếp bởi các cảm biến.



Các đại lượng đo phổ biến như là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và khối lượng.
Cảm biến không đo chúng một cách trực tiếp. Mỗi cảm biến đo lại ảnh hưởng
của các đại lượng đó thông qua vị trí vật lý, lực, điện áp, …

2


Cảm biến


Cảm biến là thiết bị được thiết kế sao cho khi có sự kích thích của đại lượng cần
đo thì một đặc tính sẽ thay đổi một cách có thể dự đoán được.



Trong đo lường, ta không thực sự đo được giá trị đại lượng cần đo. Mà từ đáp
ứng của cảm biến đối với quá trình, ta có thể suy ra được giá trị đó. Cảm biến có
các đặc tính vật lý thay đổi nhất quán có thể đo đạc được.

3


Bộ biến năng



Bộ biến năng là thiết bị chuyển đổi dạng năng lượng này sang một dạng năng
lượng khác.



Bộ biến năng sẽ chuyển đổi ngõ ra của bộ cảm biến thành một dạng tín hiệu mà
bộ điều khiển có thể nhận biết được. Ngõ ra đó có thể là độ dời cơ học, sự thay
đổi vị trí kích thước hoặc một dạng tín hiệu điện không chuẩn.

4


Bộ biến năng vị trí

5


Cảm biến và Biến năng

•
•
•

Nhiệt độ
Áp suất
Lưu lượng
…

•
•
•

Độ lệch
Vị trí
Kích thước
…

•
•
•

Điện áp
Dòng điện
Khí nén
…

6

The Standard Instrumentation Signals





Tín hiệu thiết bị chuẩn.
Đầu vào của thiết bị và đầu ra của bộ điều khiển.
3 loại :

0%

100%

Pneumatic (Khí nén)

3 psig

15 psig

Current loop (Vòng dòng)

4 mA

20 mA

0V

10 V

0 to 10 volt

7


Khí nén (Pneumatic)


Trước 1960s, thường được sử dụng trong thông tin đo lường và điều khiển

Bộ điều khiển

Điện

Bộ biến năng

Thiết bị

Khí

I/P transducer



Signal psig = (%ControllerOutput x 12psig) + 3psig

8


Vòng dòng điện (current loop)



Dòng điện DC 4 – 20 mA được dẫn trong một cặp cáp nối từ cảm biến tới bộ điều
khiển hoặc từ bộ điều khiển tới thiết bị.




Được sử dụng do khả năng giảm nhiễu và khoảng cách truyền xa.
Vì tín hiệu là dòng điện nên không bị ảnh hưởng bởi sụt áp trên dây dẫn. Nó chỉ
bị giới hạn bởi chiều dài đường truyền. Sức điện động cảm ứng không gây ảnh
hưởng.

9


0 – 10 volt



Không thường được sử dụng do tín hiệu nhạy cảm với nhiễu cảm ứng và khoảng
cách giữa cách thiết bị do sụt áp.

10


Bộ biến năng thông minh

 Là thiết bị số có khả năng chuyển đổi thông tin analog từ cảm biến sang

thông tin số, làm cho phép thiết bị truyền nhận đồng thời thông tin và
truyền nhiều hơn một giá trị.

 Các tính năng
 Truyền thông số
 Cấu hình
 Đổi tầm đo
 Gia công tín hiệu
 Tự chẩn đoán
11


Đặc tính của thiết bị ảnh hưởng như thế nào đến quá trình?
Một vài đặc tính có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống điều khiển bao gồm:

•
•
•
•

Tầm đo và giai đo của thiết bị
Độ phân giải của thiết bị đo lường
Độ chính xác và độ đúng của thiết bị
Động lực của thiết bị

12


Tầm đo và Giai đo của thiết bị
Tầm đo của một cảm biến là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có thể đo được với đặc tính kỹ

thuật của nó.
o
o
RTD (cảm biến nhiệt độ điện trở) có thể có Tầm đo được xác định từ -200 C đến +560 C

Giai đo của một cảm biến là giá trị lớn nhất trừ đi giá trị nhỏ nhất của Tầm đo
o
o
o
RTD với Tầm đo từ -200 C đến +560 C sẽ có Giai đo bằng 760 C

13


 

Độ phân giải của thiết bị đo lường

Độ phân giải là giá trị nhỏ nhất của tín hiệu vào mà thiết bị có thể xác định được.
Phần lớn bộ điều khiển hiện tại phân giải tín hiệu vào tương tự sang 16 bit tín hiệu
số. 16 bit thông tin cho phép 65535 giá trị đại diện cho tín hiệu vào.
Độ phân giải của một bộ chuyển đổi 16 bit bằng
Nếu chúng ta có một tín hiệu 4-20mA đại diện cho 0 đến 100psig, độ phân giải đầu
vào bằng = 0.0015psig.

14


Độ chính xác và độ đúng
Độ chính xác của bộ đo lường diễn tả giá trị đo lường gần với giá trị thật đến mức

nào.

Độ chính xác thường diễn tả bằng tỉ số phần trăm lỗi trên Tầm đo hoặc giá trị
tuyệt đối của lỗi trên Tầm đo.

15


Tỷ lệ lỗi trên Tầm đo

Ví dụ, nhà sản xuất A chỉ ra thiết bị áp suất của họ có độ chính xác ±0.4% trên toàn
thang. Toàn thang của thiết bị là 500psig. Chúng ta có thể mong đợi giá trị đo được từ
thiết bị có độ chính xác 2psig với mọi áp suất trong Tầm đo của thiết bị.
0.4% x 500psig = 0.004 x 500 psig = 2psig

16


Giá trị tuyệt đối trên Tầm đo
Nhà sản xuất B chỉ ra thiết bị áp suất của họ có độ chính xác ± 1psig trên
toàn Giai đo hoạt động. Toàn thang của thiết bị cũng là 500psig. Chúng ta
có thể mong đợi giá trị đo được từ thiết bị có độ chính xác 1psig với mọi áp
suất trong Tầm đo của thiết bị.

17


Độ đúng là tính lặp lại mà một bộ đo lường lặp lại có thể thực hiện dưới những
điều kiện giống nhau.

18


Động lực học thiết bị
Độ lợi thiết bị
Độ lợi của thiết bị thường được gọi là độ nhạy. Độ nhạy của cảm biến là tỉ lệ của
tín hiệu ra với thay đổi trên biến quá trình.

19


Động lực học thiết bị
Thời hằng của thiết bị
Thời hằng của thiết bị là thời gian cần để cung cấp một tín hiệu bằng 63.2% giá
trị của biến đo được sau khi một thay đổi bước trên biến. Nhà sản xuất thường
chỉ ra thời gian lên thay vì thời hằng.

Thời gian lên là thời gian để tín hiệu đạt được 100% giá trị biến đo. Thông
thường:
thời gian lên = 5x thời hằng

20


Động lực học thiết bị
Thời gian chết của thiết bị
Thời gian chết của thiết bị là thời gian cần để thiết bị bắt đầu tác động trở lại với
thay đổi của quá trình.

21

Sự chồng lấn phổ của ngõ vào


Quá trình chồng lấn này
xảy ra khi tốc độ lấy mẫu
tín hiệu vào không đủ
nhanh, dẫn đến việc tín
hiệu được lấy mẫu không
chính xác.

22


Tần số lấy mẫu chính xác


Trong thực tế, để lấy mẫu chính xác,
chu kỳ lấy mẫu lấy bằng 1/20 chu
kỳ tín hiệu vào.

23


Xác định chu kỳ lấy mẫu



Cách tính chu kỳ lấy mẫu: lấy từ 1/10 tới 1/20 thời gian lên của tín hiệu( từ ½

tới ¼ thời hằng)



Một cách tính khác là lấy từ 1/10 đến 1/20 của thời hằng quá trình

24


Nhiễu của thiết bị đo



Nhiễu là sự biến thiên của các biến quá trình trong quá trình đo nhưng không
phản ánh sự thay đổi thực sự của các biến này.



Nhiễu có thể có do sự ma sát, hao mòn của các yếu tố cơ khí hoặc tín hiệu
điện của các thiết bị đo.

25