Ứng dụng của định luật cảm ứng điện tử trong đo lường

Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM TIỂU LUẬN ĐO LƯỜNG NÂNG CAO Tên đề tài: ỨNG DỤNG CỦA ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TRONG ĐO LƯỜNG GV duyệt: TS. Lê Chí Cương HVTH: Phạm Mạnh Trường MSHV: 09085204024 Lớp: Cao học chế tạo máy khóa 09 - 11 Tp. HCM, tháng 01 năm 2010 Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Tp. HCM, tháng 01 năm 2010 Giáo viên Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 2 MỤC LỤC A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 3 I. Hiện tượng cảm ứng điện từ...................................................................... 3 II. Mạch từ ................................................................................................... 4 B – ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN ............................................................. 5 I. Cảm biến tiệm cận điện từ........................................................................ 5 II. Cảm biến tự cảm..................................................................................... 7 1. Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên.................................................... 7 2. Cảm biến tự cảm có lõi từ di động......................................................... 9 III. Cảm biến hỗ cảm...................................................................................10 1. Cảm biến hỗ cảm đơn có khe hở không khí ..........................................10 2. Cảm biến hỗ cảm kép mắc vi sai...........................................................11 3. Resolver và Selsyn ...............................................................................13 C – ĐO VẬN TỐC VÀ LƯU LƯỢNG ..........................................................14 I. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc..............................................................14 1. Tốc độ kế dòng một chiều.....................................................................14 2. Tốc độ kế dòng xoay chiều...................................................................15 3. Tốc độ kế xung.....................................................................................16 II. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài .............................................................17 III. Lưu lượng kế điện từ .............................................................................18 1. Lưu tốc kế cánh quạt (tuôcbin) .............................................................18 2. Lưu tốc kế cảm ứng từ ..........................................................................19 D – MỘT SỐ ỨNG DỤNG VÀ HÌNH ẢNH THỰC TẾ................................20 I. Cảm biến tốc độ bánh xe ..........................................................................20 II. Lưu lượng kế CƯĐT...............................................................................22 III. Cảm biến tiệm cận CƯĐT .....................................................................24 Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 3 ỨNG DỤNG CỦA ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TRONG ĐO LƯỜNG A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Hiện tượng cảm ứng điện từ Năm 1831, nhà vật lý học Farađây đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường biến đổi có thể sinh ra dòng điện. Thực vậy, khi làm cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó gọi là dòng điện cảm ứng, và hiện tượng trên gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Qua các thực nghiệm Farađây đã rút ta những kết luận tổng quát sau đây; - Sự biến đổi từ thông qua mạch kín là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó. - Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch thay đổi. - Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông. - Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào từ thông gửi qua mạch tăng hay giảm. Định luật Lenx cho ta biết chiều của dòng điện cảm ứng: dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó. Qua các thực nghiệm và tính toán lý thuyết người ta đã đưa ra định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ. Định luật đó được phát biểu như sau: Suất điện động cảm ứng luôn luôn bằng về trị số, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích của mạch điện Biểu thức của định luật: dt d e mc Φ −= Với: ec – suất điện động cảm ứng; dФm – lượng biến thiên của từ thông gửi qua vòng dây; dt – khoảng thời gian của sự biến thiên. Biểu thức trên đã thể hiện đầy đủ những kết luận tổng quát của Farađây, dấu ( - ) là biểu hiện về mặt toán học của định luật Lenx. Từ biểu thức này ta có thể tính toán được các hiện tượng cảm ứng điện từ. Từ thông gửi gửi qua một diện tích mạch điện biến thiên do chính sự biến thiên của mạch điện đó gọi là hiện tượng tự cảm, và do sự biến thiên của một mạch điện khác gây nên gọi là hiện tượng hỗ cảm. Từ thế kỷ XIX, hiện tượng cảm ứng điện từ coa một tầm quan trọng đặc biệt, vì, về mặt lý thuyết, nó cho ta thấy rõ mối quan hệ khăng khít giữa từ trường và dòng điện; về mặt thực nghiệm, nó chỉ ra một phương pháp biến đổi cơ năng thành điện năng thông qua sự biến đổi của từ trường. Từ khi máy phát điện ra đời, bộ mặt của thế giới đã hoàn toàn thay đổi. Hiện tượng cảm ứng điện từ được ứng dụng rất nhiều trong thực tế và một trong những ứng dụng quan trọng đó là chế tạo các cảm biến dùng trong kiểm tra đo lường. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 4 II. Mạch từ Mạch từ là tập hợp các vật hoặc các miền không gian mà trong đó tập trung từ trường (ngoài miền đó, từ trường có cường độ nhỏ không đáng kể). Mạch từ đóng một vai trò quan trọng trong các máy điện, dụng cụ điện từ và trong các cảm biến điện từ. Hình 1. Một mạch từ không phân nhánh Đối với một mạch từ không phân nhánh, như hình 1, từ thông Фm gửi qua một tiết diện bất kỳ của mạch đều bằng nhau. Áp dụng định lý về dòng điện toàn phần đối với một đường cong kín trung bình C của mạch ta có: nIlHdlHdlH CC === ∫∫ ... Với n là số vòng dây điện xuyên qua điện tích của đường C, I là cường độ dòng điện chạy qua các vòng dây (coi rằng mạch từ là đồng chất và có tiết diện không đổi nên từ trường constS H m =Φ= µµ0 tại mọi điểm trong mạch). Vậy ta có: l nIH = Từ đó suy ra cảm ứng từ B trong mạch từ là: l nIHB .00 µµµµ == Từ thông gửi qua một tiết diện của mạch là: l nISBSm .0µµ ==Φ Có thể viết lại biểu thức này như sau: m m m R e S l nI ==Φ µµ0 Với nIem = , S lR m µµ0 = lần lượt là suất từ động và từ trở của mạch từ. Biểu thức trên còn gọi là định luật Ôm đối với mạch từ. Cúng giống như mạch điện, nếu mạch từ gồm nhiều đoạn có từ trở là Rm1, Rm2, …, Rmn mắc nối tiếp thì từ trở toàn phần của mạch là: Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 5 ∑ = = n i mim RR 1 Còn nếu có nhiều nhánh rẽ mắc song song với nhau thì từ trở toàn phần là: ∑ = = n i mim RR 1 11
Theo biểu thức định luật Ôm đối với mạch từ, ta thấy để thay đổi từ thông Фm qua một tiết diện của mạch từ (để tạo ra suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng) ta có nhứng phương pháp sau: - Thay đổi suất từ động em: thường là thay đổi cường độ dòng điện I. - Thay đổi từ trở Rm của mạch từ: thường là thay đổi chiều dài l hoặc độ từ thẩm µ hoặc cả hai. Ngoài hai phương pháp trên trong mạch từ ta còn có thể dựa trực tiếp vào công thức tính từ thông là SBm .=Φ , với việc thay đổi hình dạng và vi trí của tiết diện S ta cũng có thể làm cho từ thông biến thiên. Với sụ tác động của các yếu tố đo lường làm cho từ thông biến thiên, từ thông biến thiên sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng, như vậy tín hiệu cần đo đạc đã được chuyển sang tín hiệu điện và cộng thêm các mạch chuyển đổi nữa (nếu cần thiết) ta sẽ xác định được đại lượng cần đo. Đó chính là nguyên lý chung của cảm biến. B – ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN I – Cảm biến tiệm cận điện từ Dùng để phát hiện sự có mặt của các vật thể kim loại mà không cần tiếp xúc với chúng với tốc độ đáp ứng cao, đầu cảm biến tương đối nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi và có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt. Có cấu tạo như ở hình dưới. Hình 1. Cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện từ Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 6 Khi có một vật kim loại lại gần cảm biến, độ từ thẩm sẽ thay đổi làm cho từ thông qua cuộn dây thay đổi. Sự biến đổi từ thông sẽ tạo ra một sức điện động cảm ứng ở cuộn dây. Ở đầu ra của cuộn dây sẽ được nối với một mạch chuyển đổi với giá trị ra là Ux tương ứng với vị trí của đối tượng. Khi có vật ở gần vị trí của cảm biến giá trị của Ux sẽ ở mức 1, còn không có vật sẽ là mức 0. Các yếu tố ảnh hưởng tới khoảng cách phát hiện của cảm biến tiệm cận điện từ: - Vật liệu của đối tượng: Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu không từ tính hoặc không chứa sắt. Hình 2. Khoảng cách phát hiện và vật liệu của đối tượng - Kích cỡ của đối tượng: Nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn (test object), khoảng cách phát hiện của sensor sẽ giảm. Hình 3. Khoảng cách phát hiện và kích cỡ của đối tượng - Bề dày của đối tượng: Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, …), bề dày vật phải ≥ 1mm. Với vật cảm biến không thuộc nhóm kim loại có từ tính, bề dày của vật càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng xa. Hình 4. Khoảng cách phát hiện và bề dày của đối tượng Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 7 II – Cảm biến tự cảm Trong cảm biến tự cảm, đại lượng cần đo đạc gây ra sự thay đổi từ trở của mạch từ làm cho hệ số tự cảm L thay đổi. Việc đo đạc các suất điện động cảm ứng cho ta xác định được giá trị của đại lượng cần đo. Hệ số tự cảm L xác định theo công thức sau: mR nL 2 = Với n là số vòng dây của cuộn cảm, Rm là từ trở của mạch từ. 1. Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên a) Cảm biến tự cảm đơn Hình vẽ dưới thể hiện sơ đồ nguyên lý của một số loại cảm biến tự cảm đơn. Hình 2.Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên 1- lõi sắt từ; 2- cuộn dây; 3- phần động. Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác dụng của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên mạch từ hở. Sơ đồ hình 2a: Dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Sơ đò hình 2b: Khi phần ứng quay, tiết diện khe hở trong không khí thay đổi làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Sơ đò hình 2c: Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo XV. Theo tính toán, ta có các kết quả sau: Độ nhạy cảm của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (S = const): 2 0 0 0 1       ∆ + −= ∆ ∆ = δ δδ δδ LLS Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (δ = const): 0 0 S L S LSS =∆ ∆ = Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 8 Với: 0 00 2 0 δ µµ SnL = – giá trị điện cảm ban đầu. S0, δ0 – giá trị ban đầu của S và δ khi XV = 0. Tổng trở của cảm biến: δ µµω ω SnLZ 0 2 == Độ nhạy tương đối của chuyển đổi khi tổng trở Z với khe hở không khí thay đổi: 2 0 0 0' 1 1 / /       ∆ + −= ∆ ∆ = δ δδδ δ ZZS Z0 – tổng trở ban đầu khi XV = 0. Từ công thức trên ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí S và phi tuyến (hyperbol) với chiều dài khe hở không khí δ. Độ nhạy cảu cảm biến khi tiết diện khe hở không khí thay đổi là hằng số và không phụ thuộc vào lượng thay đổi ∆S; độ nhạy của cảm biến khi độ dài của không khú thay đổi không phải là hằng số mà phụ thuộc vào tỷ số ∆δ/δ0. Hình 3. Đặc tính của CB tự cảm đơn Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tấn số nguồn kích thích, tấn số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao (hình 3). b) Cảm biến tự cảm kép Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu ví sai (hình 4). Hình 4. Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng như hình 5 Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 9 Hình 5. Đặc tính của cảm biến điện cảm kép mắc vi sai Một ví dụ điển hình của cảm biến tự cảm kép mắc vi sai được thể hiện như hình 6. Sự thay đổi vị trí của lõi sắt từ khi nó qua bên phải gây ra sự tăng độ tự cảm của cuộn dây Z1(jω), và đồng thời giảm độ tự cảm của cuộn dây thứ hai Z1(jω) và sẽ ngược lại khi qua bên trái. Ta có được mối quan hệ giữa điện áp ra UV(jω) với vị trí x cúa đại lượng đo như ở đồ thị ở hình 6. Hình 6. Một CB tự cảm kép mắc vi sai điển hình
Trong các chuyển đổi tự cảm với khe hở không khí, giá trị δ δ∆ không vượt quá 0,2mm với chuyển đổi đơn và 0,4mm với chuyển đổi vi sai, với giá trị trên độ phi tuyến của chuyển đổi không vượt quá 1%. 2. Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ di động được (hình 7). Hình 7. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến tự cảm có lõi từ di động 1- cuộn dây; 2- lõi từ. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 10 Dưới tác động của đại lượng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cấu điện trỏ có chung một lõi sắt. III. Cảm biến hỗ cảm Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm, chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo. Nguyên lý của cảm biến hỗ cảm giống như một máy biến áp, điện áp được cung cấp cho một cuộn dây, sau đó thông qua sự biến đổi từ trở của mạch từ làm cho từ thông qua cuộn dây đo biến thiên. Sự biến đổi của từ thông này phụ thuộc vào sự di chuyển của lõi sắt làm cho mạch từ biến thiên. Thông qua việc đo sự biến thiên của điện áp ở cuộn dây đo ta có thể xác định được độ dịch chuyển của lõi sắt có gắn với đối tượng đo. 1. Cảm biến hỗ cảm đơn có khe hở không khí Hình 8. Cảm biến hỗ cảm đơn 1- cuộn sơ cấp; 2- gông từ; 3- lõi từ di động; 4- cuộn thứ cấp (cuộn đo) Trong các cảm biến đơn, khi có chiều dài khe hở không khí (hình 8a) hoặc tiết diện khe hở không khí thay đổi (hình 8b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 8c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi. Từ thông tức thời: δ µµ δ Sin R in t 011 ==Φ Với i – giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích n1. Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo n2: dt diSnn dt d ne t .0122 δ µµ −= Φ −= Với n2 – số vòng dây của cuộn dây đo. Khi làm việc với dòng điện xoay chiều i = Imsinωt, ta có: tISnne m ωωδ µµ cos.012−= Và giá trị hiệu dụng của suất điện động: δωδ µµ SkISnnE =−= .012 Với I – giá trị hiệu dụng của dòng điện, k = n2n1 µ0µωI Với các giá trị n1, n2 và I là hằng số, ta có: Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 11 δδ d EdS S EdE ∂ ∂ + ∂ ∂ = Hay ( )200 δδ δ δ ∆+ ∆ − ∆ =∆ kSSkE Độ nhạy của cảm biến với sự thay đổi của chiều dài khe hở không khí δ (s = const): 2 0 0 0 2 0 2 0 11       ∆ + =       ∆ + −= ∆ ∆ = δ δδδ δδ δδ EkSES Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (δ = const): 0 0 0 s Ek s ES s ==∆ ∆ = δ 0 0 0 δ kSE = – sức điện động hỗ cảm ban đầu của cuộn dây đo n2 khi XV = 0. Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy cảm của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm biến hỗ cảm S và Ss cũng tăng khi tấn số nguồn cung cấp tăng. 2. Cảm biến hỗ cảm kép mắc vi sai (biến thế vi sai) Hình 9. Cảm biến hỗ kép mắc vi sai 1- cuộn sơ cấp; 2- gông từ; 3- lõi từ di động; 4- cuộn thứ cấp (cuộn đo) Để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến, người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 9). Khi mắc vi sai, độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể. Một loại CB hỗ cảm điển hình là biến thế vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT – Linear Variable Differential Transformer). Biến thế vi sai có lõi từ gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 9). Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 12 Hình 10. Cảm biến LVDT Điện áp đo được ở ngõ ra là điện áp xoay chiều có giá trị: Eout = E1 – E2. Trong đó E1 , E2 là điện áp xoay chiều được tạo ra trên hai cuộn dây thứ cấp. Khi lõi nằm ở vị trí cân bằng như hình vẽ , điện áp trên hai cuộn dây thứ cấp có giá trị bằng nhau nên ta có Eout = 0. Khi lõi được dịch về phía cuộn thứ cấp thứ nhất (phải) E1 tăng lên, E2 giảm do lượng từ thông được tập trung nhiều về phía có cuộn dây thứ nhất. Tương tự, khi lõi được dịch về phía cuộn thứ cấp thứ hai (trái), ta có E1 giảm , E2 tăng. Hình 11. Đặc tính của LVDT Phạm vi tuyến tính biến thế vi sai từ + 1mm đến + 50cm (sai số tuyến tính +0.25%). Đơn vị thường được sử dụng là mV/V/mm hay mV/V/inch. LVDT cung cấp tín hiệu sin cho cuộn sơ cấp với tần số từ 50hz đến 25khz. Tần số này chính là tần số sóng mang và phải lớn hơn tần số của chuyển động của lõi ít nhất 10 lần. Tín hiệu điện áp ngõ ra chính là tín hiệu điều chế được từ chuyển động của lõi. Do điện áp ở ngõ ra là điện áp xoay chiều nên biên độ điện áp luôn tăng khi lõi càng rời xa vị trí cân bằng bất chấp chiều chuyển động của lõi. Để xác định vị trí của lõi nằm ở phía nào, ta cần quan tâm đến cả biên độ lẫn góc pha của điện áp ngõ ra so với điện áp cung cấp. Tín hiệu điều chế được đưa qua mạch chỉnh lưu như hình vẽ để thu được điện áp một chiều ở ngõ ra. Dấu của điện áp một chiều này thể hiện vị trí của lõi nằm về phía cuộn dây nào trong quá trình chuyển động. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 13 Hình 12. Mạch ngõ ra của LVDT Đánh giá: - Không có sự tiếp xúc nào của lõi với các bộ phận khác nên phương pháp này không tạo ra sự hao mòn của trên thiết bị => thiết bị này có độ bền cao hơn các phương pháp khác. - Không có giới hạn cho độ phân giải của phương pháp này do sử dụng từ trường làm trung gian => độ phân giải chỉ phụ thuộc vào độ phân giải của dụng cụ đo điện áp. Một loại biến thế vi sai tuyến tính khác là dùng để đo vị trí của góc, loại CB này hoạt động như một máy phát điện đồng bộ, loại này được gọi là RVDT – Rotary Variable Differential Transformer. 3. Resolver và Selsyn Resolver và Selsyn là hai loại cảm biến dùng để đo vị trí góc, với sơ đồ nguyên lý được thể hiện như hình dưới. Hình 13. Nguyên lý của Resolver và Selsyn Resolver gồm hai cuộn dây cố định (stato) và một cuộn dây quay (rôto) có gắn với vật quay cần đo góc. Cuộn rôto được cung cấp bởi dòng điện có điện áp là u(t) = Usinωt. Dòng điện xoay chiều trong rôto làm cho từ thông qua các vòng dây ở các cuộn stato biến thiên, tạo ra sức điện động cảm ứng trong các cuộn stato. Điện áp ra ở các cuộn stato phụ thuộc vào vị trí của rôto. tKUtu ϖα sincos)(1 = tKUtu ϖα sinsin)(1 = Tỷ lệ các điện áp ra ở các cuộn stato cho ta biết thông tin về vi trí góc α, với ( ) ( )tu tu tag 1 2 =α . Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 14 Selsyn là loại CB đo góc quen thuộc và lâu đời, cũng có cấu tạo tương tự như Resolver. Thay vì Resolver có hai cuộn dây mắc vuông góc với nhau thì Selsyn có ba cuộn dây mắc lệch nhau 1200. Rôto cũng được cung cấp dòng điện với điện áp u(t) = Usinωt. Các điện áp ở ngõ ra được thể hiện như trên hình 13, và độ lớn của chúng cũng cho ta biết vị trí của góc α. C – ĐO VẬN TỐC VÀ LƯU LƯỢNG I. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc 1. Tốc độ kế dòng một chiều Sơ đồ cấu tạo của tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn như hình dưới. Hình 14. Sơ đồ cấu tạo máy phát dòng một chiều 1- stato; 2- rôto; 3- cổ góp; 4- chổi quét. Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. Rôto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài rôto có sẻ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ. Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của rôto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai là đồng đối điện. Khi rôto quay, suất điện động suất hiện trong một dây dẫn xác định theo biểu thức: dt d e ii φ −= Trong đó idφ là từ thông mà dây dẫn cắt qua trong thời gian dt: iNcici dBdSdBdSd .. ==φ dSc là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt: rdtllvdtdSc ω== Trong đó: l – chiều dài dây dẫn; v – vận tốc dài của dây; ω – vân tôc góc của dây; r – bán kính quay của dây. Biểu thức của suất điện động xuất hiện trong một dây: iNi rIBe ω−= Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 15 Suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đường trung tính: 002 φφ pi ω nNNEP −=−= Trong đó: N – tổng số dây chính trên rôto; n – số vòng quay trong một dây; 0φ - từ thông phát từ cực nam châm. Tương tự tính được suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái: 0φnNET = Nguyên tắc nối dây là nối thành hai cụm, trong mỗi cụm các dây mắc nối tiếp với nhau, còn hai cụm thì mắc ngược pha nhau. 2. Tốc độ kế dòng xoay chiều a) Máy phát đồng bộ Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ biểu diễn trên hình 15. Thực chất đây là một máy phát xoay chiều nhỏ. Rôto (phần cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. Phần ứng gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rôto. tEe .sinΩ= Trong đó E = K1ω, Ω = K2ω, K1 và K2 là các thông số đặc trưng cho máy phát. Hình 15. Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ 1- stato; 2- rôto. Giá trị của ω có thể tính được theo E hoặc Ω - Xác định ω từ biên độ suất điện động Cuộn cảm ứng có trở kháng trong: Ω+= jLRZ ii Trong đó Ri, Li là điện trở và tự cảm của cuộn dây. Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị: ( ) ( ) ( ) ( )222 1 22 ω ω iiii LKRR RK LRR REU ++ = Ω++ = Từ biểu thức trên, ta thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính tốc độ quay ω. Điều kiện để sử dụng máy phát như một cảm biến vận tốc là R >> Z, để sao cho có thể coi U ≈ E. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 16 Điện áp ở đầu ra được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, điện áp này không phụ thuộc chiều quay và hiệu suất lọc giảm khi tần số thấp. Mặt khác, sự có mặt của bộ lọc làm tăng thời gian hồi đáp của cảm biến. - Xác định bằng cách đo tần số của suất điện động Phương pháp này có ưu điểm là có thể truyền đi xa mà sự giảm tín hiệu không ảnh hưởng tới độ chính xác cả phép đo. b) Máy phát không đồng bộ Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ không đồng bộ hai pha (hình 16). Rôto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với trục cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. Stato làm bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích được cung cấp điện áp Vc có biên độ Ve và tần số ωe ổn định: Vc = Ve cosωe t. Hình 16. Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng bộ 1- cuộn kích; 2- rôto; 3- cuộn đo. Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo. Giữa hai đầu ra của cuộn này xuất hiện một suất điện động em có biên độ tỷ lệ với tốc độ góc cần đo: ( ) ( )ϕωωϕω +=+= tVktEe eeemm coscos Trong đó k là hằng số phụ thuộc vào kết cấu của máy, φ là độ lệch pha. 3. Tốc độ kế xung Tốc độ kế xung thường có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi trường độc hại, khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số. Tùy thuộc vào bản chất vật quay và dấu hiệu mã hóa trên vật quay, người ta sẽ sử dụng loại cảm biến thích hợp. Ở đây ta xét tới tốc độ kế từ trở biến thiên với vật quay là sắt từ. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 17 Hình 17. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến có từ trở biến thiên 1- đĩa quay (bánh răng); 2- cuộn dây; 3- nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỷ lệ với tốc độ quay. Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức: f = pn; trong đó: p – số lượng răng trên đĩa, n – số vòng quay của đĩa trong một dây. Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố: - Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ. - Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn E càng lớn. Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và rất khó phát hiện, do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay không thể đo được, người ta gọi vùng này là vùng chết. Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa. Khi p lớn, tốc độ nmin đo được có giá trị bé. Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo được sẽ lớn. Thí dụ, với p = 60 răng, dải đo tốc độ đo được là n = 50 – 500 vg/ph, còn với p = 15 răng, dải tốc độ đo được là 500 – 10000 vg/ph. II. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (> 1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc. Trường hợp đo vận tốc góc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn dây. Khi đo, một phần tử được giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động. Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỷ lệ với vận tốc cần đo. Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn trên hình 18. Hình 18. Cảm biến dùng cuộn dây di động 1- nam châm; 2- cuộn dây. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 18 Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng: lBvrnBve == pi2 Trong đó: n – số vòng dây; r – bán kính vòng dây; B – giá trị của cảm ứng từ; v – tốc độ dịch chuyển của vòng dây; l – tổng chiều dài của vòng dây. Tốc độ kế loại này đo được độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~1V/m.s. Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5m), người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 19). Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngược chiều nhau và mắc nối tiếp. Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỷ lệ với tốc độ của nam châm nhưng ngược chiều. Hai cuộn dây được mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nên nhận được suất điện động ở đầu ra khác không. Hình 19. Cảm biến có lõi từ di động a) Cấu tạo; b) Sơ đồ nguyên lý; 1- nam châm; 2- cuộn dây. III. Lưu lượng kế điện từ 1. Lưu tốc kế cánh quạt (tuốc bin) Dùng để đo tốc độ dòng chảy qua một ống dẫn, thường là côngtơ nước hoặc tốc độ của tàu biển. Có cấu tạo như hình dưới. Hình 20. Cấu tạo của lưu tốc kế cánh quạt Gồm có: Cánh quạt 1 giống như cánh tuabin quay trên giá đỡ 2 được gắn vào thanh đỡ 3 trong ống dẫn.Gối đỡ 4 có tác dụng hạn chế tốc độ di chuyển của cánh quạt. Trục cánh quạt được làm bằng vật liệu không dẫn từ trong đó gắn lõi thép 5 bằng vật liệu mềm. Bên ngoài đặt nam châm vĩnh cửu 6 trên nó cuốn cuộn dây cảm ứng 7. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 19 Nguyên lý hoạt động: Khi cánh quạt quay, từ thông của nam châm sẽ tăng lên khi lõi thép 5 nằm dọc trục của nam châm và giảm xuống khi lõi thép nằm vuông góc với nó. Khi từ thông móc vòng trong cuộn dây cảm ứng thay đổi sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Mỗi vòng quay từ thông tăng giảm hai lần nên tần số cảm ứng f trong cuộn dây cũng tăng cũng tăng gấp hai lần số vòng quay của trục. Đo tần số f bằng tần số kế từ đó suy ra tốc độ dòng chảy. Với phương pháp trên sai số của thiết bị là 0,3 – 1%, nguyên nhân gây ra sai số là do quán tính của cánh quạt, ma sát giữa trục quay và giá đỡ. Có thể giảm sai số bằng cách giảm mooment quán tính của cánh quạt. 2. Lưu tốc kế cảm ứng từ Dùng để đo tốc độ dòng chảy dẫn điện có chứa các ion mang điện tích. Có cấu tạo như hình dưới. Hình 21. Cấu tạo của lưu tốc kế cảm ứng Nguyên lý hoạt động: Ống 1 được cho vào vật liệu không dẫn từ cho chất lỏng dẫn điện chảy qua. Từ trường biến thiên do nam châm 2 tạo nên xuyên qua dòng chất lỏng cảm ứng một sức điện động. sức điện động này được lấy ra trên hai điện cực 3 và 4 và đưa vào thiết bị đo. Độ lớn của sức điện động được tính: BDvkE ω= Trong đó: k – hệ số; ω – tần số góc của từ thông do nam châm tạo ra; B – độ cảm ứng từ; D – đường kính trong ống dẫn; v – tốc độ trung bình của chất lỏng theo tiết diện ống. Sức điện động có thể biểu diễn qua lưu lượng của chất lỏng: BQ D kE .4 pi ω = Với 4 . 2DvQ pi= là lưu lượng, tức là lượng chất lỏng chảy qua tiết diện ống trong một đơn vị thời gian. Lưu tốc kế sử dụng phương pháp trên có ưu điểm là không có quán tính do vậy có thể đo được lưu lượng biến thiên theo thời gian. Chỉ thị của dụng cụ không phụ thuộc vào thông số vật lý của chất lỏng (áp suất, nhiệt độ, mật độ, độ nhớt), ngoài ra nó không phụ thuộc vào sức cản phụ đối với dòng chất lỏng như lưu tốc cánh quạt. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 20 Sai số của thiết bị do xuất hiện sức điện động ký sinh hình thành ở các điện cực, sai số trong khoảng 1 – 2,5%. D – MỘT SỐ ỨNG DỤNG VÀ HÌNH ẢNH THỰC TẾ I. Cảm biến tốc độ bánh xe - Nhiệm vụ Cảm biến tốc độ bánh xe được gắn ở gần bánh xe, có nhiệm vụ nhận biết về tốc độ góc của bánh xe trong quá trình ôtô hoạt động và báo về cho bộ xử lý trung tâm ABS ECU. Có nhiều loại cảm biến tốc độ bánh xe khác nhau, ở đây chỉ tìm hiểu về loại cảm biến điện từ, vì hiện nay loại này đang được sử dụng phổ biến. Hình.22. Sơ đồ bố trí cơ bản các bộ phận của hệ thống ABS Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 21 Hình 23. Cảm biến và roto cảm biến - Cấu tạo Hình 24. Cấu tạo cảm biến tốc độ loại điện từ Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 22 Cảm biến tốc độ bánh xe trước và sau bao gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây và lõi từ. Vị trí lắp cảm biến tốc độ hay roto cảm biến, số lượng răng của roto cảm biến phụ thuộc vào từng loại xe và đời xe. Thông thường cảm biến tốc độ bánh trước được lắp vào cam quay và cảm biến tốc độ bánh sau được bắt vào mâm cầu sau. Roto cảm biến được lắp trên trục trước chủ động và trục bánh xe sau, cùng quay với bánh xe. - Nguyên lý làm việc Phía ngoài của roto có các răng, nên khi roto quay từ thông trong cuộn dây biến thiên nó sinh ra một điện áp xoay chiều. Điện áp xoay chiều này có tần số tỷ lệ với tốc độ quay của roto và trong quá trình hoạt động nó báo cho ABS ECU biết tốc độ quay của bánh xe. Hình 25. Nguyên lý hoạt động của cảm biến II. Lưu lượng kế cảm ứng điện từ Lưu lượng kế cảm ứng điện từ ADMAG AE của hảng Yokogawa – Nhật Bản. Hình 26. Lưu lượng kế cảm ứng điện từ ADMAG AE - Nhiễu và chống nhiễu: Khi đo các chất lỏng bằng lưu lượng kế điện từ, độ chính xác của lưu lượng kế có thể thay đổi phụ thuộc vào độ dẫn điện. Mối quan hệ giữa độ chính xác và độ dẫn điện được diễn tả như hình 26. Độ dẫn điện của chất lỏng lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 23 Hình 27. Độ chính xác thay đổi phụ thuộc vào chiều dài cáp và độ dẫn điện Một nguyên nhân khác cũng dẫn đến sự sai lệch về độ chính xác của phép đo đó là ảnh hưởng của các chất ăn mòn do trong quá trình hoạt động lâu ngày bám lên điện cực. - Cách lắp đặt lưu lượng kế cảm ứng điện từ: như hình 28 và 29. Hình 28. Các khoảng cách hợp lý khi lắp đặt lưu lượng kế CƯĐT Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 24 Hình 29. Vị trí lắp đặt hợp lý của các lưu lượng kế CƯĐT III. Cảm biến tiệm cận cảm ứng điện từ Hình ảnh một số cảm biến tiệm cận trong thực tế Hình 30. Các cảm biến tiệm cận của hãng Pepperl-Fuchs Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 25 - Cảm biến E2E: Hình 31. Cảm biến E2E Thông số kỹ thuật: + Khoảng phất hiện tối đa: 10mm. + Nguồn: 12-24VDC, 24-240VAC. + Có các loại DC 2 dây, 3 dây hoặc AC 2 dây. E2E: Phát hiện sắt từ. E2EY: Phát hiện nhôm, đồng. E2EV: Phát hiện tất cả kim loại. E2F: Cảm biến có thể ngâm trong nước. - Các cảm biến tiệm cận được chế tạo với hình dạng khác nhau tương ứng với hình dạng mà nó cần phát hiện. Hình 32. Hình dạng của các đối tượng được phát hiện - Các ứng dụng trong thực tế: Cảm biến tiệm cận được sử dụng rất nhiều trong thực tế được thể hiện như trong các hình dưới đây. Hình 33. Phát hiện nắp nhôm trên chai nước Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 26 E2CY-C2A là sensor tiệm cận chuyên để phát hiện vật thể bằng nhôm với độ tin cậy cao. Rất dễ cài đặt sensor, chỉ cần ấn nút TEACH trên bộ khuếch đại. Hình 34. Phát hiện các gói giấy chồng lên nhau E2C-T là loại cảm biến tiệm cận có bộ khuyếch đại rời có chức năng Teach. Chúng ta có thể set được chính xác vị trí điểm cần cảm biến. Sensor có thể phân biện được khoảng cách nhỏ tới 0.1mm. Hình 35. Phát hiện gia vị trong gói nhôm Sử dụng cảm biến tiệm cận có đầu ra analog (4 → 20mA) và bộ xử lý tín hiệu thông minh K3 - để tính độ rộng. Từ đó có thể biết được là đã có gia vị trong gói nhôm lá chưa. Ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong đo lường Phạm Mạnh Trường – MSHV: 09085204024 27 Hình 36. Phát hiện chất lỏng bên trong hộp E2K-C là sensor tiệm cận công suất lớn có thể phát hiện được chất lỏng bên trong hộp hay không. Hình 37. Đo mực chất lỏng E2KQ : Đo mực chất lỏng không bị ảnh hưởng bởi bọt khí nhờ chỉnh được độ nhạy của sensor. Hình 38. Xác định vị trí của trục