Ch.8: Các cảm biến dùng trong đo lường
8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển.
8.2.Cảm biến đo tốc độ.
8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở.
8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.
8.5.Đo nhiệt độ bằng diod và transistor.
8.6.Đo nhiệt độ bằng IC.
8.7.Đo nhiệt độ bằng thạch anh.
8.8.Cảm biến đo vận tốc chất lỏng.
8.9.Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng.
8.10.Cảm biến đo và dò mực chất lỏng.
8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển
Những cảm biến này rất thông dụng. Một mặt, do việc kiểm soát vị trí, sự dịch chuyển rất quan trọng trong việc hiệu chỉnh hoạt động các máy móc, máy công cụ chẳng hạn. Mặt khác, một số đại lượng vật lý được đo từ sự dịch chuyển nhờ chi tiết thử nghiệm, như lực, áp suất, gia tốc…Có 2 phương pháp :
Ph. ph.1 thường được dùng. Cảm biến tạo ra tín hiệu gắn liền với vị trí của một trong những thành phần của cảm biến liên kết cơ khí với đối tượng di động, tổng trở cảm biến phụ thuộc đặc tính hình học hoặc kích thước cảm biến. Đó là các cảm biến: Biến trở đo lường, điện cảm hay điện dung có lõi di động….
Ph. ph.2 ít thông dụng. Cảm biến tạo ra một xung ứng với mỗi lần đối tượng di chuyển. Những cảm biến gọi là giới hạn 2 đầu được đặc trưng bởi không có sự liên kết cơ khí với vật mà thay vào đó là 1 trường (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối giữa vật và cảm biến, xác định đáp ứng của cảm biến.
8.1.1.Cảm biến dạng điện trở
1.Biến trở đo lường: a.Dạng hình học: Như hình trên.
Biến trở thẳng:R(l) = (l/L)Rn;Biến trở góc: R(α)=(α/αM)Rn. Trong đó: Biến trở vòng αM<3600; Biến trở hélice αM>3600.
b.Điện trở
Được cấu tạo bởi dây quấn hoặc dạng màng (piste). Dây điện trở phải nêu những đặc tính sau: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất, sức điện động nhiệt, độ ổn định tinh thể. Những hợp kim thường được dùng: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag-Pd. Dây quấn được thực hiện trên vật liệu cách điện (thủy tinh, gốm hoặc nhựa), dây quấn có lớp vỏ cách điện. Điện trở màng được cấu tạo bởi một miếng nhựa phủ lớp than dẫn điện hoặc lớp oxyd kim loại, kích thước hạt kim loại vào khoảng 10-2 μm. Điện trở Rn có giá trị từ 1kΩ đến 100kΩ và có thể đạt đến vài MΩ.

2.Biến trở không có con chạy dạng cơ
H. Biến trở con chạy dạng quang và biến trở góc loại từ
8.1.2.Cảm biến dạng điện cảm
1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Sự dịch chuyển mà ta muốn biến đổi thành tín hiệu điện được thực hiện nhờ một trong những phần tử mạch từ, kéo theo sự thay đổi từ thông cuộn dây. Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt, một sự chuyển đổi sự dịch chuyển thẳng hay quay tròn được thực hiện bởi:
Sự thay đổi hệ số tự cảm hay sự thay đổi độ ghép giữa các cuộn dây sơ và thứ cấp tạo nên 1 sự thay đổi điện áp thứ cấp.
Khi cuộn dây quay tròn so với 1 cuộn cố định thì 1 cuộn giữ vai trò phần cảm, còn cuộn kia là phần ứng nó tác động như 1 biến áp có độ ghép thay đổi. Những thay đổi hệ số tự cảm và hỗ cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thường có sự tuyến tính kém, để cải thiện ta bố trí 2 cuộn dây theo cách mắc push-pull. Cảm biến điện cảm có nguồn cung cấp là tín hiệu sin, có tần số thường giới hạn cở hàng chục kHz. Những cảm biến điện cảm nhạy với những từ trường nhiễu nên cần có màng bảo vệ từ.
2.Điện cảm thay đổi
a.Mạch từ có khe hở không khí thay đổi: Như hình trên.
Điện cảm cuộn dây: L = μ0N2S(1/(l0+lf/μf)); Trong đó:
μ0: Độ từ thẩm không khí; N: Số vòng dây quấn cuộn dây; S: Tiết diện mạch từ; lf, l0 : Chiều dài trung bình đường sức trong lõi sắt và trong không khí; μf: Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ.
b.Cuộn dây có nòng di động
H.8.7.Cuộn dây có nòng di động H.8.8.2 cuộn dây mắc push-pull.
Điện cảm L của cuộn dây có nòng di động :
3.Biến áp vi sai


Với; L2 = L’2 + L’’2 và R2 = R’2 + R’’2.
4.Microsyn
Cuộn dây sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin es có biên độ tối đa khoảng vài chục vôn và tần số dưới 10kHz.Tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp:
vm = 4aωΔαsinωt ; (Δα góc dịch chuyển bé)
5.Biến trở điện cảm
Sơ cấp được cung cấp i1 = I1cos(ωt+Ψ); cuộn dây thứ cấp thu được điện áp có biên độ E2 = M0ωI1cosθ; (θ:Góc lệch giữa 2 cuộn dây, vị trí ban đầu θ =π/2 ).
Ta đặt: θ = α+π/2 nên E2 = M0ωI1sinα . Suy ra:
E2 = M0ωI1α , (đối với góc dịch chuyển α nhỏ);

8.1.3.Cảm biến dạng điện dung
1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Đây là những tụ điện dạng phẳng hoặc dạng trụ mà một trong những bản cực di động dẫn đến sự thay đổi điện dung. Đối với tụ phẳng: C = εrε0A/D. Đối với tụ điện trụ:
C= 2πεrε0l/Log(r2/r1).
Trường hợp tụ điện phẳng: Sự dịch chuyển trong một mặt phẳng song song với một bản cực cố định: A thay đổi, D cố định. Sự dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng góc với bản cực cố định: D thay đổi, A cố định.
Trường hợp tụ điện trụ: l thay đổi dọc trục.
Những cảm biến điện dung được lưu ý bởi cấu tạo đơn giản, cho phép thực hiện cảm biến chắc chắn. Điện môi sử dụng thường là không khí.


2.Tụ điện có tiết diện thay đổi
a.Tụ điện đơn: Điện dung thay đổi tuyến tính theo sự dịch chuyển x: C(x) = K.x.
Đối với tụ điện xoay: K = ε0πr2/360.D, x = α: độ.
Đối với tụ điện trụ: K = 2ε0π/Log(r2/r1), x = l: m.
b.Tụ điện đôi vi sai: C21= C0(1+x/X); C31 = C0(1- x/X); Với KX = C0, X = L/2 (L chiều dài bản cực di động đối với tụ điện trụ),
X = αM/2 (αM: góc tạo từ tâm của bản cực di động đối với tụ điện xoay).

3.Tụ điện có khoảng cách thay đổi
Đây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng.
a.Tụ điện đơn: C(d) = ε0A/(D0+d).
b.Tụ điện đôi: C21 = C0/(1-(d/D0)); C31 = C0/(1+(d/D0));
Với: ε0A/D0 = C0.

8.1.4.Cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu
Loại cảm biến này được đặc trưng bởi sự không có liên kết cơ khí giữa cảm biến và vật chuyển động, mà bằng sự liên kết của một trường có liên hệ với vị trí tương đối của vật chuyển động.
Trường cảm ứng từ đối với những cảm biến từ trở thay đổi, hiệu ứng Hall đối với vật liệu kháng từ.
Trường điện từ đối với những cảm biến dòng điện Foucault.
Trường tỉnh điện đối với những cảm biến điện dung.
Những ưu điểm của cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu: Băng thông rộng, độ tin cậy lớn.
Những điều bất lợi: Khoảng đo nhỏ (cở mm), hoạt động không tuyến tính.
1.Cảm biến từ trở thay đổi
Điện áp thứ cấp có dạng không tuyến tính khi cuộn sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin, biên độ tín hiệu thu được: Vm = Vm0/(1+ax)2 ; x: Khoảng cách giữa đối tượng và cảm biến; Vm0: Phụ thuộc vào độ từ thẩm, dạng hình học và kích thước đối tượng.
2.Cảm biến dòng điện Foucault
Điện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng:
R1eq = R1 + M2ω2R2/(R22+L22ω2).
Điện cảm cuộn dây sơ cấp giảm:
L1eq = L1 - M2ω2L2/(R22+L22ω2).

3.Cảm biến hiệu ứng Hall
Hình 8.19.Nguyên lý hiệu ứng Hall.
Điện áp hiệu ứng Hall: VH = KHIBN/e.
Hằng số Hall KH = -1/qn; q: Điện tích âm điện tử, n: Mật độ âm điện tử, BN: Thành phần từ trường theo trục z.
8.2.Cảm biến đo tốc độ
Trong công nghiệp, đo tốc độ quay thường gặp. Trong trường hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng ta thường quy về việc đo vận tốc quay tròn, vì thế các cảm biến đo tốc độ thường là các cảm biến đo tốc độ góc. Trong công nghiệp, các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dựa trên định luật Faraday, đó là các tốc độ kế loại điện từ. Khi các chuyển động có tính tuần hoàn như chuyển động quay tròn chẳng hạn, việc đo tốc độ có thể bắt đầu từ việc đo tần số, đó là cảm biến đo dịch chuyển giới hạn 2 đầu mà cảm biến đo đặt cách đối tượng một khoảng cách thay đổi tuần hoàn và tín hiệu thu được có tần số bằng hoặc là bội số (tuỳ theo cấu tạo của đối tượng) với tần số chuyển động. Loại tốc độ kế này gọi là tốc độ kế loại xung. Trong trường hợp những chuyển động rất chậm, ví dụ góc quay kém hơn 1 độ/1 giờ, những phương pháp trên không thể áp dụng được, khi đó người ta có thể dùng hồi chuyển kế Laser mà nguyên tắc dựa trên sự khác biệt bước sóng giữa 2 sóng từ nguồn Laser truyền theo 2 chiều ngược nhau trong một môi trường chuyển động quay tròn và được thể hiện trong giao thoa kế.
8.2.1.Cảm biến đo tốc độ góc loại điện từ
1.Tốc độ kế điện từ DC: Như hình trên.
Sức điện động thu được ở 2 đầu cổ góp:
E = ωpnΦ0/2πa ; p: Số đôi cực; ω: vận tốc góc; a: Số đường quấn song song; n: Số dây dẫn.
2.Tốc độ kế điện từ AC
a.Máy phát đồng bộ: Gồm 2 loại 1 pha và 3 pha.
Sức điện động thu được ở stator có dạng: e = EsinΩt. Với: E = K1ω; Ω = K2ω ; K1,K2 phụ thuộc vào cấu tạo máy; ω: vận tốc quay của rotor.
b.Máy phát không đồng bộ
Cuộn kích từ được cung cấp điện áp ve= Vecosωet. Cuộn dây đo thu được: em = Emcos(ωet+Φ); Với Em= KωVe. Góc lệch pha khoảng vài độ. Khi rotor không quay sẽ xuất hiện 1 điện áp bé (gọi là điện áp lệch cở mV) ở 2 đầu cuộn dây đo, do công nghệ chế tạo không hoàn toàn đối xứng: Sự không đối xứng của rotor hoặc sự bố trí 2 cuộn dây không hoàn toàn thẳng góc .
8.2.2.Tốc độ kế điện từ đo tốc độ thẳng
Trường hợp sự dịch chuyển thẳng tương đối lớn, việc đo vận tốc thẳng được qui về vận tốc góc. Trường hợp vận tốc dịch chuyển bé một cảm biến điện từ được hình thành nhờ 1 nam châm và 1 cuộn dây, 1 trong 2 thành phần này cố định, thành phần còn lại được nối với đối tượng di động cần xác định vận tốc. Sức điện động thu được từ cuộn dây: e = 2πrnBV = lBV. Trong đó: r: Bán kính cuộn dây; n: Số vòng dây quấn cuộn dây; V: Vận tốc dịch chuyển; B: Từ trường tạo bởi phần cảm.
8.2.3.Tốc độ kế loại tín hiệu xung
Sử dụng chi tiết thử nghiệm thường là 1 điã được gắn lên trục quay cần xác định vận tốc góc. Điã thường được cấu tạo có dạng tuần hoàn, thường được chia làm p phần bằng nhau, mỗi phần được đánh dấu mang một đặc tính như: lỗ, răng v.v. Một cảm biến được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm, phân tích số phần tử đánh dấu đi ngang qua đồng thời tạo ra một tín hiệu xung tương ứng. Tần số f của tín hiệu xung: f = pN (Hz). Việc chọn cảm biến được gắn liền với loại vật liệu làm điã quay cũng như phần tử đánh dấu trên điã. Điều lợi của tốc độ kế loại xung là: Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bảo quản dễ dàng. Mặt khác, nó không tạo nên tiếng ồn, nhiễu ký sinh, hơn nữa việc biến đổi thành tín hiệu số rất đơn giản.
a.Cảm biến từ trở thay đổi
Đĩa bằng vật liệu sắt từ có mang hình p răng, p rảnh. Cuộn dây được đặt đối diện với điã cho phép 1 từ thông đi qua nó tạo ra từ 1 nam châm thường trực. Như thế cuộn dây sẽ có sức điện động cảm ứng mà tần số tỉ lệ với vận tốc quay. Độ lớn sức điện động thu được tùy thuộc vào khoảng cách giữa cuộn dây với điã và còn tỉ lệ với vận tốc quay. Đối với những vận tốc bé, độ lớn sức điện động thu được quá nhỏ ta gọi là vùng chết không thể đo được.
b.Tốc độ kế quang học
Gồm 1 nguồn sáng + thấu kính và 1bộ phận phân tích quang loại diod hoặc transistor quang. Điã quay được trang bị những phần trong suốt và ngăn sáng xen kẻ nhau. Bộ phận phân tích quang nhận được một lượng sáng được điều khiển bằng đĩa quay, sẽ tạo nên tín hiệu có tần số tỉ lệ với vận tốc quay, còn biên độ độc lập với vận tốc. Khoảng đo vận tốc phụ thuộc số phần tử đánh dấu trên đĩa, băng thông của bộ phận phân tích và mạch điện đi kèm.
c.Cảm biến dòng điện Foucault
Trong cảm biến này, điã quay bằng vật liệu không từ tính nhưng dẫn điện và có mang p răng, p rảnh. Cuộn dây có điện cảm L là 1 phần tử của mạch dao động sin. Ta biết khi đưa 1 thanh kim loại đến gần cuộn dây thì đặc tính L và R cuộn dây thay đổi, điều này dẫn đến sự tắt của mạch dao động. Như thế khi điã quay, mỗi lần điã đưa phần răng đến đối diện với cuộn dây sẽ làm tắt mạch dao động và điều này có thể phân tích được. Tín hiệu thu được có tần số tỉ lệ với vận tốc quay và biên độ của nó không phụ thuộc vào vận tốc này, nên không có vùng chết và thường dùng để đo vận tốc bé.
8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở
8.3.1.Độ nhạy nhiệt: Một cách tổng quát giá trị điện trở tùy thuộc vào nhiệt độ T: R(T)=R0.F(T-T0). R0: Điện trở ở nhiệt độ T0 và hàm F phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu, có giá trị là 1 khi T=T0.
Đối với điện trở kim loại: R(T) = R0(1+AT+BT2+CT3); T tính bằng 0C, T0 = 0 0C.
Đối với nhiệt điện trở bằng oxyde kim loại: R(T) = R0.exp(B(1/T-1/T0)); T: nhiệt độ tuyệt đối (0K).
Với sự thay đổi nhỏ ΔT của nhiệt độ chung quanh giá trị T, sự thay đổi điện trở có thể được tuyến tính hóa:
R(T+ ΔT) = R(T).(1+αR ΔT); Với αR = (1/R(T))dR/dT là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của điện trở hay còn gọi độ nhạy nhiệt độ ở nhiệt độ T, αR tùy thuộc nhiệt độ và vật liệu. Ví dụ ở 00C đối với platine αR = 3,9x10-3/0C. Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ về nguyên lý liên quan đến sự thay đổi điện trở suất ρ và kích thước hình học của điện trở. Ta có: αR = αρ – αl . Trong phạm vi sử dụng αρ cở 10-3/0C trong khi αl cở 10-5/0C như vậy trong thực tế αR ≈ αρ.






8.3.2.Điện trở kim loại
Hình 8.1.Các điện trở mẫu bằng bạch kim
Tùy thuộc vào nhiệt độ đo mà người ta chọn vật liệu thích hợp, người ta thường sử dụng điện trở bằng bạch kim, nickel và đôi khi bằng đồng hay tungstène.
Bạch kim: Có thể cấu tạo rất tinh khiết (99,999%) điều này cho phép ta biết được đặc tính điện của nó một cách chính xác. Thường sử dụng ở nhiệt độ -200 đến 10000C.
Nickel: Ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao, nickel chống lại sự oxyde hóa, thường được dùng ở nhiệt độ <2500C.
Đồng: Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính. Tuy nhiên dễ bị oxyd hóa nên không sử dụng ở nhiệt độ >1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng để đảm bảo có giá trị nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên cồng kềnh, bất tiện.
Tungstène: Độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn bạch kim khi nhiệt độ cao hơn 1000K và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn bạch kim với độ tuyến tính hơn bạch kim. Tungstène có thể cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho phép chế tạo điện trở cảm biến có trị số lớn, như vậy với trị số điện trở cho trước, chiều dài dây sẽ giảm thiểu.

8.3.3.Nhiệt điện trở
Loại điện trở này có độ nhạy nhiệt rất cao, vào khoảng 10 lần điện trở kim loại. Mặt khác, hệ số nhiệt độ có giá trị âm và tùy thuộc vào nhiệt độ. Chúng được cấu tạo từ hỗn hợp các oxyde kim loại như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, CO2O3, NiO, ZnTiO4.Những oxyde kim loại bán dẫn ở dạng bột được nén lại dưới áp suất và được nung lên nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 10000C và sau đó rót vào các khuôn rồi để nguội hình thành các dạng : đĩa, trụ, nhẫn..Các vật liệu có điện trở suất lớn cho phép chế tạo những điện trở đo có kích thước điện trở bé (cở mm), kết quả: Điện trở có kích thước bé cho phép đo nhiệt độ chính xác. Một lượng calo bé khiến cho vận tốc đáp ứng cao. Sự ổn định của nhiệt điện trở tùy thuộc vào việc chế tạo và những điều kiện sử dụng. Dạng điện trở kín hay dạng có vỏ bọc cho phép che chở chống lại sự ăn mòn hóa học. Nhiệt độ sử dụng từ vài độ tuyệt đối đến lối 3000C. Trên thị trường nhiệt điện trở có trị số từ 500Ω đến vài chục MΩ ở 250C.

8.3.4.Điện trở silicium
Loại điện trở bán dẫn này được phân biệt với nhiệt điện trở bởi những điểm sau:
Hệ số nhiệt độ của điện trở suất có giá trị dương vào khoảng 0,7x10-2/0C ở 250C và sự thay đổi theo nhiệt độ của hệ số nhiệt độ rất bé, điều này cho phép chế tạo cảm biến có tính tuyến tính cao.
Phạm vi sử dụng trong khoảng -500C đến 1200C, các điện trở này thường là loại bán dẫn N được chế tạo bởi phương pháp cho khuếch tán chất khác vào tinh thể đơn chất silicium.
Việc kiểm soát các thông số ấn định trị giá điện trở cho phép giảm thiểu sai số dưới 1% so với danh định. Sự thay đổi theo nhiệt độ của điện trở suất của silicium phụ thuộc vào cách chế tạo và nhiệt độ.
8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện
8.4.1.Đặc tính tổng quát: Một cặp nhiệt điện gồm 2 dây dẫn A và B được cấu tạo bằng vật liệu khác nhau, tại điểm nối chung của chúng có nhiệt độ T2, và 2 đầu còn lại có nhiệt độ T1 sẽ xuất hiện sức điện động nhiệt điện (còn gọi sức điện động Seebeck là kết quả của hiệu ứng Peltier và Thomson) có độ lớn phụ thuộc vào vật liệu A và B cũng như sự sai biệt giữa T2 và T1. T2 là nhiệt độ mối nối chung ( còn gọi là mối nối đo) là nhiệt độ Tc đạt được khi đặt mối nối chung trong môi trường nghiên cứu có nhiệt độ Tx. Mối nối chuẩn có nhiệt độ T1 được giữ không đổi và bằng Tref.
Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước bé, nó cho phép đo nhiệt độ chính xác, số lượng calo của cảm biến được thu nhỏ cho phép vận tốc đáp ứng nhanh. Ngoài ra, tín hiệu được tạo ra dưới dạng sức điện động mà không cần tạo ra dòng điện chạy qua cảm biến như vậy tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến. Tuy nhiên, nó có điểm bất lợi là trong khi đo, nhiệt độ mối nối chuẩn phải biết rõ, tất cả sự không chính xác của Tref sẽ dẫn đến sự không chính xác cuả Tc.
Cặp nhiệt điện được cấu tạo bởi các kim loại hoặc hợp kim khác nhau và có khoảng đo từ -2700C đến 27000C, đáp ứng của cặp nhiệt điện không tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi lớn, tính không tuyến tính được thể hiện qua công thức sau:
E: Tính bằng μV; T: 0C; số phần tử ai cũng như giá trị của nó phụ thuộc vào cặp nhiệt điện và nhiệt độ đo. Hoặc đơn giản ta có thể sử dụng công thức gần đúng:
E = C(T2-T1)+K(T22 – T12); C, K là các hằng số.
Độ nhạy : là 1 hàm theo nhiệt độ và thường không

vượt quá 60μV/0C

8.4.2.Cách sử dụng và lắp đặt cảm biến
1.Cách thực hiện và bảo vệ: Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây cảm biến hoặc do cấu tạo không đồng nhất của cảm biến làm thay đổi đặc tính nhiệt điện của cảm biến. Những sự không đồng nhất trong cấu tạo có 3 nguyên nhân chính:
Lực ép cơ khí có được do sự sắp xếp hoặc do sự căng dây, thường có thể loại bỏ được nhờ sự nung lại.
Những tác động hóa học: Hai dây dẫn phải được che chở chống lại mọi tác nhân có thể tác động đến chúng, đặc biệt điều chế vật liệu phải tinh khiết.
Những tia bức xạ hạt nhân gây ra những chuyển đổi trong vài hợp kim cặp nhiệt điện.
Phần hàn mối nối cặp nhiệt điện phải có thể tích giảm thiểu nhằm tránh những điểm có nhiệt độ khác nhau tại mối nối. Ba kỷ thuật hàn được sử dụng: Hàn thiếc (cặp nhiệt điện loại T), hàn tự sinh bằng gió đá (thường sử dụng) và hàn điện.
2.Nhiệt độ chuẩn
Ta biết rằng sức điện động nhiệt điện phụ thuộc vào sự sai biệt nhiệt độ Tc và nhiệt độ chuẩn Tref, để xác định Tc ta cần phân biệt 3 trường hợp:
Tref giữ nguyên không đổi ở 00C: Việc đo sức điện động nhiệt điện cho phép ta xác định ngay nhiệt độ Tc nhờ sử dụng bảng đặc tính của cặp nhiệt điện sử dụng.
Tref không đổi nhưng khác với 00C: Khi nhiệt độ môi trường thay đổi lớn, trong công nghiệp người ta chọn Tref không đổi và lớn hơn nhiệt độ môi trường. Bằng cách sử dụng bảng đặc tính của cặp nhiệt điện sử dụng ta biết được , khi đo sức điện động nhiệt điện của cảm biến, ta sẽ tính được:
từ đó xác định được Tc .
Tref bằng với nhiệt độ môi trường: Khi biết trước nhiệt độ môi trường Ta đồng thời tiến hành đo sức điện động nhiệt điện của cảm biến ở nhiệt độ Tc, từ đó xác định Tc như sau:
Trong trường hợp này cần có mạch bù nhiệt độ chuẩn Tref (thay đổi theo nhiệt độ môi trường) để tạo nên điện áp
thay đổi tự động theo nhiệt độ môi trường (H.a). Điện áp V(Ta) có được nhờ sử dụng nhiệt điện trở R(Ta) được giữ ở nhiệt độ môi trường và được mắc vào cầu Wheatstone DC. Cầu này cho phép bù nhiệt độ khi nhiệt độ môi trường thay đổi xung quanh 00C. Các trị giá R0, R0’, R0’’ được chọn làm sao để có:
3.Phương pháp đo
Hai phương pháp thường sử dụng để đo sức điện động nhiệt điện:
Sử dụng millivôn kế có nội trở lớn: Như hình trên. Gọi Rt là điện trở cặp nhiệt điện, Rl là điện trở dây nối, Rv là điện trở millivôn kế. Để kết quả đo chính xác ta cần phải có: Rv >> Rt + Rl.
Phương pháp biến trở: Được trình bày ở phần 2.4, cho ta kết quả chính xác hơn phương pháp millivôn kế
4.Dây bù
Người ta lắp đặt để sử dụng chiều dài dây dẫn cặp nhiệt điện ngắn nhất, trong các trường hợp sau:
Tránh làm đứt dây dẫn cặp nhiệt điện khi mà điều kiện đo sử dụng dây dẫn cặp nhiệt điện rất mảnh, khi đó người ta đặt xen kẻ giữa cặp nhiệt điện và mạch đo các dây A’ và B’ cùng loại với cặp nhiệt điện và có tiết diện lớn hơn mà không làm thay đổi sức điện động nhiệt điện tạo ra bởi cặp nhiệt điện.
Vì lý do tiết kiệm, khi dùng cặp nhiệt điện có giá thành cao như Pt-Rh/Pt để giảm giá thành, ta nối thêm vào các dây dẫn khác loại với cặp nhiệt điện nhưng có đặc tính biết trước: Đó là dây bù mà không làm thay đổi sức điện động nhiệt điện tạo ra bởi cặp nhiệt điện. Điều kiện: Các mối nối A/A’ và B/B’ có cùng T2; Các cặp A’/B’ và A/B có cùng sức điện động nhiệt điện ở T2.
8.5.Đo nhiệt độ bằng diod, transistor
8.5.1.Đặc tính tổng quát, độ nhạy nhiệt: Các diod, transistor được mắc như diod được cung cấp dòng điện thuận I không đổi như hình a và b, điện áp V ở 2 đầu cực của chúng tùy thuộc vào nhiệt độ, điều này có thể xem như tín hiệu đi ra từ cảm biến tùy thuộc vào nhiệt độ. Độ nhạy S = dV/dT vào khoảng -2,5mV/0C và không hoàn toàn độc lập với nhiệt độ, để cải thiện sự tuyến tính ta dùng 2 transistor có cách mắc như hình c. Độ nhạy của diod và transistor lớn hơn cặp nhiệt điện. Phạm vi đo nhiệt độ từ -500C đến 1500C, trong khoảng này đặc tính điện của cảm biến rất ổn định.
8.5.2.Sự liên hệ điện áp và nhiệt độ
H.8.6:Cảm biến transistor đo nhiệt độ. a.So sánh sai số tuyến tính transistor với điện trở bạch kim và cặp nhiệt điện. b.Mạch đo.
1.Diod hay transistor mắc như diod:
V = V1T/T1+VФ(1-T/T1)+mKT/q.Log(T1/T); VФ: Độ cao vùng cấm, đối với silicium có trị giá 1,12V; m: Thường có trị giá gằn bằng 3; K: Hằng số Boltzman; T: 0K.
2.Điện áp sai biệt giữa 2 transistor: Vd = KTLogn/q; Với n = I1/I2

8.6.Đo nhiệt độ bằng IC
Kỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo những mạch kết gồm những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biến hoàn hảo đo nhiệt độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp VBE dưới tác động của nhiệt độ. Các cảm biến này tạo ra dòng điện hoặc điện áp tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, với độ tuyến tính cao, lợi thế của nó là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt động giới hạn từ -500C đến 1500C. Ví dụ cảm biến IC AD 590.
Cảm biến này tạo ra một dòng điện thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, được dùng đo nhiệt độ trong trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa. Sơ đồ đơn giản về cấu tạo cảm biến như hình 8.8.
H.8.8: Cảm biến đo nhiệt độ dùng IC AD 590. a.Sơ đồ nguyên lý; b.Mạch đo nhiệt độ; c.Mạch bù trừ
8.7.Đo nhiệt độ bằng thạch anh
Một ứng dụng cổ điển của thạch anh là thực hiện bộ dao động có độ vững lớn, tần số dao động chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Bản thạch anh có phương tinh thể định trước đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến tần số dao động .
Khi dùng làm cảm biến đo nhiệt độ , bản thạch anh có phương tinh thể làm cho tần số dao động thay đổi gần như tuyến tính với nhiệt độ của bản thạch anh. Cảm biến này rất chính xác và nhạy, mặt khác việc xác định nhiệt độ dẫn đến việc đếm tần số có lợi do:
Việc đo rất chính xác.
Việc chuyển đổi ra dạng số rất dễ dàng đối với thông tin liên quan đến tần số.
8.7.1.Cộng hưởng cơ của thạch anh
H.8.9.Tinh thể thạch anh: a.Dạng tổng quát. b.Tiết diện thẳng góc với trục quang.
Tinh thể thạch anh SiO2 có dạng lăng kính 6 mặt, cấu trúc của nó có những đặc tính vật lý có thể đặc trưng bởi 3 nhóm trục:
Trục quang Z nối liền những điểm đỉnh của tinh thể và trong mặt phẳng thẳng góc với trục Z:
Ba trục điện X, X’, X’’ mỗi trục nối liền hai đỉnh đối diện của hình lục giác.
Ba trục cơ Y, Y’,Y’’ mỗi trục thẳng góc với hai cạnh đối diện của hình lục giác.
Hình 8.10: a.Lực cắt X. b.Lực cắt AT.
Bản thạch anh có thể xảy ra các dao động cơ liên quan đến các loại biến dạng khác nhau: Sự kéo dài ra, uốn cong, cắt. Tần số dao động được xác định bởi dạng hình học, kích thước, phương tinh thể của bản thạch anh : Trong đó:
c: Độ lớn đàn hồi, phụ thuộc phương tinh thể; ρ: Trọng lượng riêng của thạch anh; l: kích thước bản thạch anh theo phương truyền dao động; n: Số nguyên, 1Bản thạch anh với lực cắt X gọi là mẫu Curie: f1= 2860/e và f2= 2860/l; f:kHz; e,l bề dày và bề rộng của bản tính bằng mm.
Bản thạch anh với lực cắt AT: Tần số dao động f = 1675n/e; n số nguyên≤5.

Với những lực cắt khác tần số dao động cơ luôn tỉ lệ nghịch với một trong những kích thước của chúng. Các điện cực cho phép đặt điện áp vào bản dao động, nó được cấu tạo bằng thanh kim loại đặt tiếp xúc với bản dao động.
Chung quanh tần số cộng hưởng cơ, về phương diện điện bản thạch anh được biểu thị bằng 1 lưỡng cực như hình trên. Độ lớn L,C,R phụ thuộc đặc tính hình học, cơ khí và tinh thể bản dao động. L từ vài H đến 104H; C từ 10-2pF đến 10-1pF; R từ vài kΩ đến vài chục kΩ . C0 là điện dung của các điện cực kim loại có giá trị từ 1 đến 100pF, tỉ số C/C0 có giá trị từ 10-2 đến 10-3. Lưỡng cực này có thể có 2 tần số cộng hưởng:
Cộng hưởng nối tiếp của nhánh L,C,R:
Cộng hưởng song song giữa C0 và nhánh L,C,R

8.7.2.Độ nhạy nhiệt
H.8.12. Độ nhạy theo nhiệt độ của thạch anh có lực cắt LC.
Sự thay đổi nhiệt độ kéo theo sự thay đổi kích thước, trọng lượng riêng và hệ số đàn hồi của bản dao động, kết quả:
Một sự thay đổi tần số cộng hưởng cơ:
Một sự thay đổi các trị giá L,C,R đặc trưng của bản dao động về phương diện điện. Một cách tổng quát:
f(T) = f0(1+aT+bT2+ dT3); T: 0C. Nên ∆f/f0 = aT+bT2+dT3 với ∆f = f(T) - f0; Các hệ số a,b,d tùy thuộc lực cắt bản dao động. Với lực cắt LC các hệ số b và d bằng 0. Độ nhạy nhiệt của tần số cộng hưởng là một hằng số: S = ∆f/∆T = af0.



8.7.3.Mạch dao động dùng bản thạch anh
H.8.13: a.Sơ đồ nguyên lý mạch dao động. b.Mạch dao động đơn giản dủng thạch anh.
Mạch dao động sin được cấu tạo gồm một mạch khuếch đại và một mạch hồi tiếp. A: Độ lợi mạch khuếch đại; Φa: góc lệch pha tạo bởi mạch khuếch đại; β: Tỉ số hồi tiếp, tỉ số tín hiệu đầu vào và đầu ra của mạch khuếch đại; Φr: Góc lệch pha tạo bởi mạch hồi tiếp. Điều kiện Barkhausen để cho mạch dao động:
và Φa+Φr = 2π




8.8.Cảm biến đo vận tốc chất lỏng
Phương pháp đo vận tốc chất lỏng thường được đo 1 cách gián tiếp bởi việc thực hiện thường dựa trên:
Đặc tính vật lý của chi tiết thử nghiệm.
Một hiệu ứng vật lý mà vận tốc chất lỏng là một trong những thông số và hiệu ứng xãy ra đối với chi tiết thử nghiệm.
Chi tiết thử nghiệm có thể được cấu tạo bởi chất lỏng cần đo hoặc chi tiết thử nghiệm là 1 phần tử tạo nên cảm biến. Khi chi tiết thử nghiệm là chính chất lỏng cần đo, vận tốc chất lỏng được xác định bởi: Áp xuất động; Hiệu ứng Doppler xãy ra với nguồn laser hoặc nguồn siêu âm. Khi chi tiết thử nghiệm là 1 phần tử của cảm biến đặt trong chất lỏng, vận tốc chất lỏng được xác định bởi đặc tính vật lý:
Nhiệt độ và điện trở của một sợi dây đốt nóng được cung cấp nguồn DC.
Vận tốc quay của một chong chóng.
8.8.1.Tốc độ kế loại cọng hay thanh điện trở đun nóng
Người ta đặt trong vùng chất lỏng di chuyển, một thanh hoặc một cọng điện trở được đun nóng nhờ hiệu ứng Joule có nhiệt độ cao hơn dòng chảy, sẽ xãy ra sự trao đổi nhiệt. Việc trao đổi phụ thuộc đặc tính vật lý, vận tốc chất lỏng và khoảng sai biệt nhiệt độ giữa điện trở và chất lỏng. Nhiệt độ cân bằng của điện trở cảm biến được xác định do việc đo điện trở cảm biến, nó tương ứng với công suất Joule tiêu tán và do đó vận tốc của dòng chảy được xác định. Kim loại dùng cảm biến có hệ số nhiệt điện trở cao, trong chất khí người ta dùng một sợi bạch kim hoặc tungstène mảnh, trong chất lỏng cảm biến là tấm bạch kim mỏng đặt trên cây hình trụ cách điện và có vỏ bọc.
8.8.2.Tốc độ kế dạng cánh coupelles và hélice
Loại tốc độ kế này được thiết kế như bánh xe nước, gồm một chi tiết thử nghiệm mang những cánh dạng coupelles hay dạng cánh hélice, nó sẽ quay dưới tác động của dòng chảy. Vận tốc quay V của chóng chóng (được đo bởi thiết bị đo vận tốc thích hợp) tỉ lệ với vận tốc U chất lỏng.
1.Tốc độ kế dạng coupelles: Những coupelles có dạng nửa trái cầu rỗng, với số lượng 3 hay 4 tùy theo kiểu, mỗi cái được gắn trên một nhánh của trục quay. Đặt trong vùng chảy, các coupelles sẽ quay dưới tác động của hệ số kéo có giá trị phụ thuộc vào dòng chảy tác động vào mặt nào của hình bán cầu rỗng. U = kV.
2.Tốc độ kế loại hélice
Trục quay của tốc độ kế hélice được đặt song song với vận tốc dòng chảy. Trong trường hợp không kể đến sự trượt, ta có thể viết: U = hN. Trong đó:
U: Vận tốc dòng chảy, N: Vận tốc quay của hélice, h: hằng số.
8.9.Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng
8.9.1.Lưu lượng kế điện từ: Từ trường có độ lớn từ10-3 đến 10-2 Tesla, được tạo nhờ 2 cuộn dây đặt 2 bên dây đo bằng vật liệu không nhiễm từ, mặt trong dây đo được phủ một lớp cách điện chống lại sự ăn mòn do sự di chuyển của dòng chảy. Hai điện cực để thu tín hiệu được đặt ở 2 đầu đường kính thẳng góc với đường sức. Hai cuộn dây được cung cấp dòng điện AC, tín hiệu thu được có dạng: e = UDB0cos(ωt+Ф). Biên độ tín hiêu tỉ lệ với UD cở mV và được lấy ra nhờ bộ hoàn điệu đồng bộ.
8.9.2.Lưu lượng kế cơ khí với bộ biến đổi tín hiệu điện
Một chi tiết thử nghiệm được đặt trong thiết bị đo cho phép chất lỏng di chuyển sẽ tạo nên sự chuyển động của turbine ( rotor turbine) hoặc sự dịch chuyển của phao (phao nổi của rotamètre, palette). Một cảm biến thích hợp, cảm biến đo tốc độ quay trong trường hợp đầu, hoặc cảm biến đo vị trí trong trường hợp thứ hai tạo ra tín hiệu tỉ lệ với lưu lượng.
1.Lưu lượng kế dạng turbine: Nguyên tắc giống như thiết bị đo vận tốc có chong chóng quay dạng hélice. Dòng chảy sẽ kéo turbine quay tròn và trên trục quay có đặt thiết bị đo vận tốc quay tròn N tỉ lệ lưu lượng Q: Q = kN
2.Rotamètre
Được cấu tạo gồm 1 phao nổi nhỏ đặt trong một bộ phận hướng dẫn dạng côn theo chiều thẳng đứng. Phao nổi đạt vị trí cân bằng một mặt dưới tác động của lực đẩy Archimède và lực kéo, mặt khác do trọng lượng của nó:
ρgV + CxρSU2/2 = ρ0gV; Trong đó: V, ρ0: Thể tích và khối lượng riêng của phao; U, ρ: Vận tốc và khối lượng riêng chất lỏng; Cx: Hệ số kéo; S = πD02/4: Tiết diện phao; g: Gia tốc trọng trường.
Vị trí của phao tỉ lệ với lưu lượng cần đo: Q = kZ.




3.Lưu lượng kế Palette
Dưới tác động thủy lực của dòng chảy sẽ đẩy pa lét lên nhiều hay ít phụ thuộc vào lưu lượng , ngoài ra pa lét còn chịu tác động của trọng lượng và lực chiêu hồi của lò xo. Vị trí cân bằng của pa lét phụ thuộc vào lưu lượng và được biến đổi ra tín hiệu điện nhờ một biến trở có trục quay được gắn vào pa lét. Đáp ứng có thể tuyến tính hay không phụ thuộc vào mạch biến đổi tín hiệu. Điều lợi của loại này là cấu tạo đơn giản, chắc chắn.
8.9.3.Lưu lượng kế loại khối nhiệt
Thiết bị đo là loại cảm biến được cấu tạo bằng một miếng kim loại mỏng, đường kính nhỏ, ở bên ngoài miếng kim loại người ta đặt 1 điện trở đun nóng và đối xứng về 2 phiá điện trở có đặt 2 cảm biến đo nhiệt độ tương ứng T1 và T2. Khi lưu lượng bằng không T1 = T2, khi có lưu lượng T1 giảm T2 tăng, độ sai biệt ΔT tỉ lệ với Q. Cảm biến đo nhiệt độ có thể là 2 cặp nhiệt điện hoặc 2 nhiệt điện trở mắc vào 2 nhánh cầu đo Wheatstone.
8.10.Đo và dò mực chất lỏng
Việc ghi nhận liên quan đến mực chất lỏng có thể thực hiện dưới hai hình thức: việc đo liên tục hoặc việc thăm dò đơn thuần.
Trong việc đo liên tục, một cảm biến và mạch biến đổi tạo ra tín hiệu điện mà độ lớn hoặc tần số gắn liền mực chất lỏng trong bồn chứa. Bất kỳ lúc nào người ta cũng có thể biết được chính xác thể tích chất lỏng hiện có hoặc thể tích còn có thể chứa được chất lỏng.
Trong việc thăm dò mực chất lỏng, ta bố trí thiết bị thăm dò, bao gồm cảm biến tạo ra thông tin kép biểu hiện mực chất lỏng, đạt hay không đạt so với mực chất lỏng định trước. Thăm dò mực cao cho phép việc ngừng cho thêm chất lỏng, tránh sự tràn đầy. Thăm dò mực thấp dẫn đến ngừng chính xác đảm bảo số khối lượng chất lỏng dự trử tối thiểu. Việc dò mực cao và thấp của chất lỏng cho phép thực hiện thêm vào hay lấy ra một lượng chất lỏng một cách tự động.
8.10.1.Phương pháp thủy tỉnh
Kết quả có được do việc bố trí thiết bị đo hoạt động liên tục theo độ cao mực chất lỏng, không phụ thuộc vào đặc tính điện nhưng phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng.
H.a. Một phao nổi gắn liền với cảm biến đo vị trí nhờ hệ thống puli và dây cáp, tạo ra tín hiệu điện gắn liền với mực chất lỏng.
H.b. Một trái chìm có độ cao gần bằng mực chất lỏng cực đại, gắn liền với cảm biến đo lực, cảm biến chịu tác động của 1 lực phụ thuộc vào chiều cao h của chất lỏng: F = P – ρgsh.
Một cảm biến đo áp suất vi sai được đặt ở đáy bình có áp suất P. Cảm biến có chi tiết thử nghiệm dạng màng, sự biến dạng của chi tiết thử nghiệm được biến đổi thành tín hiệu tỉ lệ với h.
8.10.2.Phương pháp điện
1.Cảm biến đo độ dẫn điện: Chỉ sử dụng đối với chất lỏng dẫn điện, không ăn mòn, không đặc trưng cho tính cách điện. Đầu dò được cấu tạo bằng 2 điện cực hình trụ, một trong 2 điện cực được thế bằng bình chứa (bằng kim loại). Đầu dò được cung cấp điện áp AC có trị số thấp (khoảng 10V).
Để đo mực chất lỏng, đầu dò được đặt theo phương thẳng đứng và chiều dài chung h của điện cực thay đổi theo mực chất lỏng. Dòng điện tạo ra có độ lớn tỉ lệ với chiều