Chi tiết về cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) và ứng dụng trong đời sống

Trước đây, chúng tôi đã từng có bài viết Phân loại nguyên lý của cảm biến tiệm cận đã sơ lược về cảm biến tiệm cận. Nhưng nhiều bạn vẫn chưa hiểu rõ nên chúng tôi đã quyết định có một vài viết rõ hơn về đặc điểm, cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor).

Cản biến tiệm cận (Proximity Sensor)

Cảm biến tiệm cận là thiết bị dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính (như nhôm, đồng...). Sử dụng cảm biến loại điện cảm (Inductivity Proximity Sensor) để phát hiện những vật chứa từ tính và sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu điện dung (Capacitve Proximity Sensor) phát hiện vật phi kim.

Cảm biến tiệm cận là gì?

Nói nôm na cảm biến tiệm cận là thiết bị điện công nghiệp giúp bạn dễ dàng phát hiện ra các vật thể mà không cần phải tiếp xúc chúng. Nó dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cần phát hiện.

Cảm biết tiệm cận giúp đưa tín hiệu về sự chuyển động hoặc là sự xuất hiện của một vật thể nào đó và chuyển nó thành tín hiệu.

Trên thị trường hiện nay có 3 hệ thống cảm biến phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này:

- Hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ

- Hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện

- Hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.

Trong các nền công nghiệp lớn họ đã cho ra đời các định nghĩa khác để đưa ra quy chuẩn cho cảm biến tiệm cận như: chuẩn cảm biến tiệm cận (JIS C 8201-5-2) của Nhật (JIS là các chuẩn công nghiệp của Nhật Bản) hay chuẩn IEC 60947-5-2 (là bộ chuyển mạch phát hiện vị trí không tiếp xúc) của thế giới.

Đặc điểm cảm biến tiệm cận

Đặc điểm:

- Phát hiện vật không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa nhất tới 30mm.

- Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt.

- Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao (so với limit switch).

- Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp ở nhiều vị trí, bất kể vị trí khó như thế nào.

- Dùng được trong nhiều môi trường cực kỳ khắc nghiệt (nước, nóng, ẩm, bụi).

Cảm biến tiệm cận Omron E2E

Phân loại cảm biến tiệm cận:

- Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ.

- Cảm biến tiệm cận điện dung.

1. Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ

Cảm biến tiệm cận từ

Nguyên tắc hoạt động: Từ trường từ cuộn dây của cảm biến sản sinh sẽ ra thay đổi khi khi có vật thể tương tác với nó (đây là một hạn chế của cảm biến loại này, là chỉ phát hiện được vật làm bằng kim loại).

Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ có 2 dòng nhỏ khác là:

– Cảm ứng từ loại có bảo vệ (Shielded):

Từ trường được tập trung trước mặt cảm biến nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, tuy nhiên khoảng cách đo ngắn đi.

– Cảm ứng từ loại không có bảo vệ (Un-Shielded):

Không có bảo vệ từ trường xung quanh mặt cảm biến nên khoảng cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị nhiễu của kim loại xung quanh.

2 dòng cảm biến tiệm cân từ

2. Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến điện dung

Nguyên tắc hoạt động: Phát hiện vật thể dựa trên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu cảm biến), ưu điểm lớn nhất là có thể phát hiện tất cả vật.

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

Đến số lon trong dây chuyền sản xuất bia

Hình trên là dây chuyền áp dụng thiết bị cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ E2E, E2B của Omron để đếm số lon bia được sản xuất ra. Tín hiệu từ cảm biến xuất ra khi có một lon bia nhôm trong dây truyền đi qua và đưa tín hiệu về bộ đếm, bộ đếm sẽ hiển thị chính xác số lượng lon bia sản xuất trong dây truyền đó.

Đếm số lon bia sản xuất trong dây chuyền

Giáp sát hoạt động khuôn dập

Theo sự thiết kế máy dập khuôn ở hình dưới, cảm biến điện dung sẽ đếm chính xác số lần dập trong một ngày và truyền về bộ đếm.

Phát hiện và đếm số lần khuôn dập được trong ngày

Phát hiện lon nhôm

Trong một số dây chuyển sản xuất tổng họp cần phân loại giữa nhôm và các kim loại khác, cảm biến này giúp đếm số lượng lon nhôm/đồng là sự lựa chọn hữu ích.

Giúp đếm không phải lon nhôm ra khỏi băng chuyền

Phát hiện/Phân loại ra vật thể kim loại

Cảm biến loại E2EV được dùng trong các dây chuyền chỉ cần phát hiện có/không có vật kim loại mà không cần phân biệt kim loại nào.

Phân biệt kim loại

Phát hiện ra các sản phẩm lỗi khi in

Phát hiện các lon khi đang di chuyển trên dây chuyền để tránh in thiếu bằng máy in.

Giúp phát hiện các sản phẩm lỗi khi khi in

Tất cả các loại cảm biến tiệm cận bằng kim loại đều có thể phát hiện được sự có mặt của các lon nước kim loại một cách chính xác. Khoảng cách đo của cảm biến có thể được đặt tới 10 mm.

Phát hiện nắp kim loại trong môi trường ẩm ướt, nước

Cảm biến tiệm cận hiện đại có thể dễ dàng phát hiện chai vô nắp kim loại, cho dù môi trường dù ẩm ướt đến mức nào

Trong một số dây chuyền yêu cầu cảm biến làm việc trong môi trường độ ẩm cao hoặc sẽ tiếp xúc trực tiếp với nước thì dùng cảm biến E2F (đạt chuẩn IP68) là tốt nhất.

Kiểm tra số lượng các sản phẩm dù đã qua xử lý bằng nước

Kiểm tra mũi khoan gẫy

Trong trường hợp này vì mũi khoan khá nhỏ nên việc sử dụng cảm biến có bộ khuếch đại rời là thích hợp nhất.

Xuất tín hiệu báo khi khoan bị gãy mũi

Phát hiện nấp nhôm trên vỏ chai

E2CY-C2A là cảm biến tiệm cận chuyên để phát hiện vật thể bằng nhôm với độ tin cậy cao. Rất dễ cài đặt cảm biến , chỉ cần ấn nút TEACH trên bộ khuếch đại.

Phát hiện nắp nhôm mỏng trên chai nước

Phát hiện 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 thiết lập được chính xác vị trí điểm cần cảm biến. Cảm biến có thể phân biện được khoảng cách nhỏ tới 0.1mm.

Phát hiện gói giấy chồng lên nhau

Phát hiện các kim loại có kích thước nhỏ rơi trong dây chuyền

Cảm biến E2EV được dùng trong các ứng dụng chỉ cần phát hiện có/ không có vật kim loại mà không cần phân biệt kim loại nào.

Khi vật kim loại rơi vào trong lòng cảm biến, cảm biến sẽ phát hiện và xuất tín hiệu mong muốn

Đo mực chất lỏng trong bồn

Sử dụng ống nhựa kèm theo, mực nước trong bồn sẽ chính là mực nước trên ống nhựa, cảm biến họ E2K-L có thể phát hiện chính xác mực nước trong bồn và cho ra tín hiệu khi nước đầy, nước cạn. Nếu muốn cảm biến trong môi trường chất lỏng không ổn định (có bọt hoặc bong bóng), bạn hãy sử dụng cảm biến loại điện dung của Omron với nút điều chỉnh độ nhạy giúp triệt tiêu được ảnh hưởng của bọt khí.

Bên trái là chất lỏng không ổn định, bên phải là bồn chất lỏng ổn định dung tích lớn

Biết được có chất lỏng bên trong dây truyền sản xuất sữa hay nước trái cây không

Cảm biến tiệm cận điện dung E2K-C là cảm biến tiệm cận công suất lớn và có thể phát hiện được chất lỏng bên trong hộp hay không. Điều nay tránh giảm lỗi các hộp không chứa nước được sản xuất ra cho khách hàng.

Phát hiện được sữa - nước trái cây bên trong hộp giấy

Cảm biến các sản phẩm bằng kín

Vì cảm biến loại điện dung có thể phát hiện được tất cả các vật nên sử dụng rất tốt trong các ứng dụng như thế này.

Cảm biến E2J-WMA cho các sản phẩm kín

Công thức mối quan hệ đầu vào PV và đầu ra Transmitter

Công thức biểu diễn mối quan hệ giữa biến quá trình PV (nhiệt độ, áp suất,...) và tín hiệu đầu ra 4-20mA của Transmitter.

Công thức phía dưới:

Công thức tính toán biến quá trình pv đầu vào và tín hiệu dòng điện ma đầu ra

Định nghĩa các đại lượng:

PV: Biến quá trình đầu vào Transmitter (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng...)

LRV(pv): Giá trị min của dải đo

URV(pv): Giá trị max của dải đo

SPAN(pv) = URV(pv) - LRV(pv)

mA: Giá trị dòng điện tín hiệu đầu ra Transmitter tương ứng với giá trị đầu vào của biến quá trình (PV)

LRV(mA): Giá trị min của dải tín hiệu đầu ra Transmitter (phổ biến ở mức 4mA)

URV(mA): Giá trị max của dải tín hiệu đầu ra Transmitter (phổ biến ở mức 20mA)

SPAN(mA) = URV(mA) - LRV(mA)

TÍNH GIÁ TRỊ BIẾN QUÁ TRÌNH PV TỪ TÍN HIỆU mA TẠI ĐẦU RA TRANSMITTER

Ví dụ 1: 1 bộ biến đổi (Transmitter) nhiệt độ có dải bởi đầu vào từ 0 đến 50*C. và dải tín hiệu đầu ra là tín hiệu 4-20mA. tín hiệu dòng điện đầu ra transmitter hiện tại đo được là 12mA. Làm thế nào để tính được nhiệt độ hiện tại bộ biến đổi đo được?

Phân tích bài toán ta có:

Nhữnng giá trị đã biết:

LRV(pv) : 0*C

URV(pv) : 50*C

SPAN (pv) = URV(pv) - LRV(pv) = 50 - 0 =50

LRV(mA): 4mA

URV(mA) : 20mA

SPAN(mA) = URV(mA) - LRV(mA) = 20-4 = 16

mA: 12mA

Giá trị cần tìm:

PV = ? *C

Giải quyết bài toán:

Theo công thức ở trên ta có

Thay các giá trị vào ta có :

Vậy nhiệt độ hiện tại tương ứng với tín hiệu đầu ra transmitter 12mA là 25*C.

TÍNH DÒNG ĐIỆN (4-20mA) TỪ BIẾN QUÁ TRÌNH (PV)

ví dụ 2: 1 bộ chuyển đổi nhiệt độ có dải đo từ 0 đến 100*C. dải tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi là 4-20mA. nhiệt độ hiện tại mà sensor nhiệt của bộ biến đổi đo được là 70*C. làm thế nào để tín giá trị của tín hiệu mA đo được tại nhiệt độ hiện tại 70*C??

Phân tích bài toán ta có:

Nhữnng giá trị đã biết:

LRV(pv) : 0*C

URV(pv) : 10*C

SPAN (pv) = URV(pv) - LRV(pv) = 100- 0 =100

LRV(mA): 4mA

URV(mA) : 20mA

SPAN(mA) = URV(mA) - LRV(mA) = 20-4 = 16

PV=70*C

Giá trị cần tìm:

mA = ???

Giải quyết bài toán:

Theo công thức ở trên ta có

Thay các giá trị vào ta có :

Vậy giá trị tín hiệu dòng điện mA đo được tại đầu ra của bộ biến đổi tạo thời điểm sensor đo đc 70*C là 15,2mA.

LƯU Ý: Tín hiệu đầu ra của Transmitter Analog thương là các dạng tín hiệu dòng điện (4-20mA, 0-20mA...) và điện áp DC (0-5V, 0-10V...). Hiện tại thì các Transmitter Analog thường dùng tín hiệu 4-20mA vì tín tối ưu của nó, do vậy bài biết này chỉ đề cập đến cách tính toán giá trị tín hiệu 4-20mA, giá trị biến quá trình PV trong các transmitter 4-20ma. đối với các Transmitter có tín hiệu đầu ra khác 4-20mA thì các bạn cũng có thể vận dụng công thức này để tín toán các giá trị đầu vào, đầu ra của Transmitter.

http://tuvanthietbidiencongnghiep.blogspot.com/ Dịch từ: http://instrumentationtools.com/

[Series] Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P3) - Điều chỉnh Zero, Span thiết bị đo

Mục đích của việc hiệu chuẩn là chắn chắn rằng đầu vào và đầu ra của thiết bị đo chắc chắn tương đương nhau trong suốt toàn bộ phạm vi hoạt động. Chúng ta có thể biểu diễn nó dưới dạng đồ thị, nó cho thấy mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của một thiết bị đo. Đối với đại đa phần các thiết bị đo trong công nghiệp thì đồ thị này là tuyến tính:

Cơ chế hiệu chuẩn hoạt động

Ở biểu đồ phía dưới ta thấy rằng ứng với giá trị % của đầu vào sẽ cho ra kết quả giá trị % đầu ra tương ứng, tất cả trong phạm vi từ 0% - 100%

Đồ thị tuyến tính hiệu chuẩn

Mọi thứ trở nên khó khăn hơn khi đầu vào và đầu ra được dùng 1 đơn vị đo khác "%". lấy ví dụ một bộ chuyển đổi áp suất (Pressure transmitter), một thiết bị được tạo ra để cảm nhận áp lực chất lưu và đầu ra là một tín hiệu điện tương ứng với áp suất đó. Dưới đây là đồ thị của một bộ biến đổi áp suất với dải đo đầu vào 0-100 psi và dải tín hiệu điện đầu ra là dòng điện một chiều 4-20mA:

Đồ thị bộ biến đổi áp suất

Điểm Zero áp suất không bằng với điểm 0 dòng điện dù rằng đồ thị vẫn tuyến tính. Điều này đc gọi là live zero, Vì 0% biến quá trình (ở đâu là áp suất) tương ứng với điểm khác 0 của tín hiệu điện (4mA được gọi là Live Zero) sở dĩ điểm zero của tín hiệu điện là 4 mA mà ko phải là 0 là vì để các bộ nhận, bộ hiển thị, điều khiển có thể biết được là thiết bị vẫn đang hoạt động hay không. 0 PSI áp suất là LVR (giá trị dưới của dải đo) của đầu vào Transmitter, nhưng mà LVR đầu ra Transmitter là 4mA chứ không phải là 0mA.

Bất cứ sự tuyến tính nào, hàm toán học luôn có dạng phương trình đường thẳng: y =mx+b

Ở đây,

y = là điểm trên trục tung của đồ thị

x = vị trí trên trục hoành của đồ thị

m = độ dốc của đường thẳng

b = điểm giao nhau giữa đường thẳng với trục tung

Nếu chúng ta để x đại diện cho áp suất đầu vào đơn vị là psi và y đại điện cho đầu ra dòng điện đơn vị mA, chúng ta có thể viết lại phương trình như sau: y =0.16x+4

Trên thiết bị đo thực tế (bộ chuyển đổi áp suất),có 2 điều chỉnh mà chúng khiến cho trạng thái phương trình của thiết bị đo trở nên lý tưởng. Một điều chỉnh được gọi là ZERO bên cạnh đó cái khác được gọi là SPAN. 2 điều chỉnh tương ứng chính xác cho b và m, điều kiện để của hàm tuyến tính. Điều chỉnh ZERO khiến cho điểm hàm của thiết bị đo di chuyển dọc trên trục tung của đồ thị (b) Trong khi điều chỉnh SPAN làm thay đổi độ dốc của hàm trên đồ thị (m). Bằng cách điều chỉnh cả ZERO và SPAN. Chúng ta có thể thiết lập thiết bị đo cho tất cả bất cứ dải đo nào nằm trong giơi hạn của nhà phát triển.

Cần lưu ý là đối với hầu hết thiết bị đo gần giống Analog, điều chỉnh ZERO và SPAN ảnh hưởng lẫn nhau. Bởi vì vậy, điều chỉnh cái này sẽ ảnh hưởng đến cái khác. Cụ thể là những đổi mới khi thực hiện điều chỉnh SPAN hầu như sau đó luôn làm thay đổi điểm ZERO 1 của thiết bị đo. Một thiết bị đo với sự điều chỉnh ZERO và SPAN ảnh hưởng lẫn nhau yêu cầu nhiều nổ lực để hiệu chuẩn thật chính xác, người ta phải biến đổi qua lại liên tiếp giữa điểm trên và dưới của dải đo nhiều lần để điều chỉnh.

Xem tiếp các bài viết cùng chuyên đề HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG của http://tuvanthietbidiencongnghiep.blogspot.com/ phía dưới:

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P1) - Liệt kê các khái niệm cơ bản

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P2) - Hiệu chuẩn khác với thiết lập dải đo thế nào?

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P3) - Điều chỉnh Zero, Span thiết bị đo lường

[Series] Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P2) - Hiệu chuẩn khác với điều chỉnh dải đo thế nào?

Nhắc lại về hiệu chuẩn thiết bị đo: Luôn luôn có đầu vào và đầu ra cho 1 thiết bi đo lường. Đối với cảm biến áp suất, đầu vào sẽ là áp suất chất lưu và đầu ra thường là một tính hiệu điện. Đối với mạch vòng chỉ thị, đầu vào là tín hiệu dòng điện 4-20mA và đầu ra sẽ là hiển thị người có thể đọc được. Đối với thiết bị điều khiển tốc độ động cơ đàu vào sẽ là tín hiệu điện và đầu ra là nguồn điện cho động cơ.

Hiệu chuẩn lại Transmitter (Transmitter Calibration)

Hiệu chuẩn và thiết lập dải đo là hai công việc được hòa hợp để liên kết mối quan hệ giữa đầu vào tín hiệu đo lường và tín hiệu ra của nó thông qua các thiết lập. Đơn giản hơn có nghĩa là hiệu chuẩn cam kết các thiết bị đo lường cảm nhận chính xác các biến thực tế phục vụ cho quá trình đo lường và điều khiển. Còn điều chỉnh dải đo là thiết lập mối quan hệ mong muốn giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị đo đó.

Hiệu chuẩn và điều chỉnh, thiết lập dải đo khác nhau như thế nào?

Cùng nhau nói sâu hơn về các định nghĩa để có thể phân biệt được điều này. Trước tiên là hiệu chuẩn một thiết bị đo có nghĩa là kiểm tra và điều chỉnh (nếu cần thiết) phản ứng của đầu ra tương ứng chính xác với đầu vào thông qua các thiết lập. Để làm được điều này người ta phải cho thiết bị đo tiếp xúc với 1 nguồn đầu vào kích thích đã biết một cách chính xác. Đối với một máy đo áp suất, chỉ thị hay Tranmitter áp suất, điều này có nghĩa thiết bị đo áp suất phải chịu 1 áp suất cụ thể để so sánh sự phản ứng của thiết bị đo với áp lực đã biết. Chúng ta không thể hiệu chuẩn đúng nếu không so sánh phản ứng của thiết bị đo với một kích thích vật lý đã biết.

Hiệu chuẩn khác hoàn toàn điều chỉnh dải đo

Điều chỉnh dải của một thiết bị đo có nghĩa thiết lập các giá trị trên và dưới của dải đo sao cho nó phản ứng với độ nhạy mong muốn khi đầu vào đổi mới. Ví dụ ,1 bộ biến đổi áp suất được thiết lập dải đo từ 0-200psi (0psi=4mA đầu ra; 200psi = 20mA đầu ra) có thể được điều chỉnh dải đo để đo 0 đến 150psi(0 psi = 4mA; 150 psi = 20mA).

- Đối với các thiết bị đo thuần gần giống với (analog), việc điều chỉnh dải đo có thể được thực hiện bằng cách hiệu chẩn lại, lúc này ta có thể đạt được cả 2 mục đích là hiệu chuẩn và điều chỉnh dải đo.

- Đối với thiết bị đo số, hiệu chỉnh và điều chỉnh dải đo thường là riêng biệt (ví dụ có thể điều chỉnh dải đo thiết bị đo số dù rằng không phải thực hiện hiệu chuẩn lại một cách đầy đủ), do vậy điều cần thiết là phải hiểu được khác biệt giữa hiệu chuẩn và điều chỉnh dải đo. Bài viết đã làm rõ vấn đề mà nhiều người hay nhầm và giúp mọi người biết được thiết lập dải đo hoàn toàn khác hiệu chuẩn.

Xem series bài viết về HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG phía dưới:

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P1) - Liệt kê các khái niệm căn bản

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P2) - Hiệu chuẩn khác với thiết lập dải đo thế nào?

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P3) - Điều chỉnh Zero, Span thiết bị đo lường

[Series] Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P1) - Liệt kê các khái niệm căn bản

Nếu bạn đã đọc qua bài viết: Hiệu chuẩn thiết bị đo lường những định nghĩa cơ bản có lẽ bạn đã được thiết bị những kiến thức nhất định về hiệu chuẩn. Đây sẽ là series giải thích chuyên sâu về hiệu chuẩn cho các bạn muốn mày mò thêm:

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường khái niệm căn bản

Một số thuật ngữ thường được áp dụng trong đo lường, hiệu chuẩn thiết bị đo lường

Quá trình (Process)

Quá trình vật lý mà chúng ta muốn điều khiển hay đo đạc.

Ví dụ : hệ thống lọc nước, nồi hơi, hệ thống lộc dầu, hệ thống phát điện...

Biến hay biến quá trình (Process Variable, hay PV)

Những đại lượng vật lý mà chúng ta muốn đo trong quá trình (Process)

Ví dụ: áp suất, mức, nhiệt độ, lưu lượng, pH, vị trí, vận tốc, độ rung...

Điểm đặt, giá trị đặt (Setpoint, hay SP)

Giá trị mà chúng ta muốn biến quá trình PV duy trì tại đó. Hay nói cách khác, là giá trị "mục tiêu" của biến quá trình PV.

Phần tử cảm biến sơ cấp (Primary Sensing Element, or PSE)

Môt thiết bị cảm nhận trực tiếp biến quá trình và biến đổi những gì cảm nhận được sang một tí hiệu gần giống như điện áp, dòng điện, điện trở, lực cơ học, chuyển động..

Ví dụ: cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, ống bourdon, microphone, loadcell, biến trở...

Đầu dò (Transducer)

Một thiết bị chuyển đổi tín hiệu thiết bị đo lường tiêu chuẩn này sang tín hiệu thiết bị đo tiêu chuẩn khác , và hoặc thực hiện một vài quá trình với tín hiệu đó. Thường là biến đổi sang dạng rơ le

Ví dụ: biến đổi I/P ( biến đổi tín hiệu 4-20mA sang 3-15psi áp khí nén), biến đổi P/I ( chuyển tín hiệu khí nén 3-15psi sang tín hiệu 4-20mA),tính toán căn bậc hai tín hiệu đầu vào.

Lưu ý: Nói theo một cách khoa học Tranducer là thiết bị biến đổi dạng năng lượng này sang dạng khác, giống như microphone hay 1 cặp nhiệt điện. Hiển nhiên, trong đo lường công nghiệp chúng ta thường sử dụng "phần tử cảm biến sơ cấp" để miêu tả khái niệm này và dành từ " đầu dò" để đề cập cụ thể đến một thiết bị biến đổi các tín hiệu đo lường tiêu chuẩn.

Bộ chuyển đổi, bộ chuyển phát tín hiệu (Transmitter)

Một thiết bị biến đổi tín hiệu được tạo Bởi vì một phần tử cảm biến sơ cấp (PSE) thành một tín hiệu thiết bị đo lường tiêu chuẩn như áp suất khí nén 3-15psi, dòng diện moojt chiều 4-20mA, tín hiệu số... mà có thể truyền đến thiết bị hiển thị, thiết bị điều khiển hoặc cả hai.

Giá trị dưới và giá trị trên của dải đo (Lower-and Upper-Range Values), viết tắt tương ứng là LRV and URV

Các giá trị đo lường quá trình được coi là 0% và 100% của dải đo của 1 transmitter. Ví dụ, nếu bộ biến đổi nhiệt độ transmitter được hiệu chuẩn để đo dải nhiệt độ khởi đầu tại 300°C và chấm dứt tại 500°C, thì LRV sẽ là 300°C và URV sẽ là 500°C.

Zero and Span

Sự biểu đạt thay thế cho LRV và URV cho điểm 0% và 100% của dải đo hiệu chuẩn của thiết bị đo lường. Zero đề cập đến điểm đầu của dải đo thiết bị đo lường (tương đương LRV), trong khi Span diễn tả độ rộng của dải đo ( URV - LRV)

Ví dụ: nếu 1 bộ chuyển đổi nhiệt độ được hiệu chuẩn để đo nhiệt độ từ 300°C đến 500°C, thì Zero sẽ là 300 và Span sẽ là 500 -300=200°C.

Giới hạn dưới của dải đo (Lower Range Limit (LRL))

Đây là giá trị dưới của giá biến quá trình đo được mà bộ biến đổi có thể được cấu hình để đo. Nó khác với giá trị dưới của dải đo LRV.

Sửa đổi dải đo bộ biến đổi (Transmitter Re-ranging)

Chức năng cấu hình để đổi mới setup 4mA và 20mA của 1 bộ biến đổi.

Giới hạn trên của dải đo (Upper Range Limit (URL))

Đây là giá trị cao nhất của biến quá trình đo được mà bộ chuyển đổi có thể cấu hình để đo. Nó khác với giá trị trên của dải đo URV.

Dải đo hiệu chuẩn (Calibration Range)

Dải hiệu chuẩn của 1 bộ biến đổi được định nghĩa là "khoảng giữa các giới hạn mà bên trong là cái dại lượng đo, nhận và truyền đi, biểu hiện bằng các giá trị dưới và trên của dải đo.” các giá trị này được xác định bởi giá trị Zero và Span của transmitter. Giá trị zero là giá trị thấp nhất của dải đo. Ví dụ một bộ chuyển đổi áp suất đang được dùng để đo áp suất từ 0-500psi có dải hiệu chuẩn là 0-500pso.

Dải đo của thiết bị đo (Instrument Range)

Nó được xem là công suất của bộ biến đổi.

Ví dụ: nếu nhà phát triển thiết kế 1 bộ biến đổi áp suất để đo áp suất 0-700psi thì 0-700psi là dải đo của thiết bị đo. Trong trường hợp này thì bộ chuyển đổi chỉ đo được áp suất từ 0-700psi. Nếu vượt quá 700psi thì bộ biến đổi sẽ có nguy cơ bị hỏng do vượt quá công suất của nó. Dải hiệu chuẩn có thể giống hoặc khác dải của thiết bị đo. Ví dụ một bộ biến đổi áp suất có dải đo thiết bị ghi trên nhãn là 0-700psi và đầu ra là 4-20mA. Tuy vậy nếu kỹ thuật viên muốn thiết bị đo này sẽ được hiệu chuẩn cho 0-300psi =4-20mA. Khi đó dải đo hiệu chuẩn là 0-300psi còn dải đo thiết bị đo là 0-700psi. Trong ví dụ này thì điểm zero đầu vào là 0psi và diểm zero đầu ra là 4mA. Giá trị SPAN đầu vào là 300psi và span đầu ra là 16mA.

Bộ điều khiển (Controller)

Một thiết bị nhận tín hiệu biến quá trình PV từ 1 phần tử cảm biến sơ cấp (PSE) hay Bộ biến đổi (transmitter), so sánh tín hiệu này với giá trị muốn đạt được (được gọi từ giá trị đặt) và tính toán giá trị tín hiệu đầu ra thích hợp để gửi đến phần tử điều khiển đầu cuối (FCE) như một động cơ điện hay điều khiển van.

Phần tử điều khiển đầu cuối (Final Control Element, hay FCE)

Một thiết bị nhận tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển để tác động đến quá trình.

Ví dụ: động cơ điện thay đổi tốc độ, van điều khiển, sấy điện...

Chế độ tự động (Automatic mode)

Khi bộ điều khiển phát triển tín hiệu đầu ra dựa trên mối quan hệ chủ yếu giữa biến quá trình PV và giá trị đặt setpoint SP.

Chế độ thủ công (Manual mode)

Khi quá trình điều khiển của bộ điều khiển được bỏ qua thay vào đó người vận hành sẽ xác định tín hiệu đầu ra gửi đến phần tử điều khiển đầu cuối.

Xem tiếp các bài viết cùng chuyên đề HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG của http://tuvanthietbidiencongnghiep.blogspot.com/ phía dưới

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P1) - Liệt kê các khái niệm căn bản

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P2) - Hiệu chuẩn khác với thiết lập dải đo thế nào?

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (P3) - Điều chỉnh Zero, Span thiết bị đo lường

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường những định nghĩa cơ bản

Tất cả các thiết bị đo lường đều được thiết kế với ít nhất 1 đầu vào và một đầu ra. Đầu vào của 1 bộ cảm biến áp lực là áp suất của chất lỏng, còn đầu ra là 1 tín hiệu điện. Còn với vật tư cảm biến tốc độ động cơ, phần tín hiệu điện là đầu vào và cho đầu ra là 1 nguồn điện cung ứng cho động cơ. Hiệu chỉnh một thiết bị đo là hoạt động kiểm tra và điều chỉnh (nếu cần thiết) sao cho kết quả ở đầu ra đồng bộ với những yếu tố đầu vào của nó trong dải đo được quy định. Nếu như không được hiệu chỉnh đúng thì một trang bị hiện đại như thế nào cũng sẽ vô dụng.

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường

Trong quá trình hiệu chuẩn, điều chỉnh 1 phần của thiết bị hay toàn bộ vật tư nhằm cam đoan nó hoạt động tốt và chính xác, cung cấp và trả về kết quả chính xác, tin cậy đáp ứng những tiêu chí chất lượng. Những điều chỉnh kỹ thuật khi thực hiện quá trình hiệu chuẩn sao cho sự chênh lệch chắc chắn nằm trong dung sai. Dung sai được định nghĩa là độ sai lệch có thể chấp nhận được của thiết bị, dung sai càng nhỏ kết quả càng tốt.

Hiệu chuẩn thiết bị đo lường là gì?

Định nghĩa: Hiệu chuẩn thiết bị đo lường được định nghĩa theo nhiều cách khác biệt. Nhưngcác bạn có thể một các đợn giản là, hiệu chuẩn là công việc điều chỉnh các yếu tốt của một thiết bị đo lường hay thiết bị kỹ thuật nhằm phục vụ các yêu cầu kỹ thuật của nhà phát hành.

Một định nghĩa sâu hơn về hiệu chuẩn là quá trình đưa ra dữ liệu bao gồm các báo cáo, chứng nhận hiệu chuẩn của người dùng sau cùng về sự phù hợp của quá trình tạo ra thành phẩm và các đòi hỏi kỹ thuật của nó.

Với tất cả các kỹ sư hay kỹ thuật viên đo lường, hiệu chuẩn là quá trình xác định các mối quan hệ giữa giá trị của đại lượng cần đo và chỉ thị trên thiết bị đo lường. Việc hiệu chỉnh một thiết bị đo có thể được thực hiện bằng các so sánh giá trị đọc được trên thiết bị đo với giá trị được đưa ra Bởi vì một thiết bị đo lường làm chuẩn hay trang bị mẫu. sau một thời gian, vật tư làm chuẩn của nhà phát triển sẽ được chuyển đến một trung tâm hiệu chuẩn để hiệu chuẩn lại theo các tiêu chuẩn quốc gia.

Khi mua một thiết bị đo thì dữ liệu hiệu chuẩn thường được các nhà tạo ra cung cấp. Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị đo đều có bộ công cụ đo chuẩn để hiệu chuẩn cho tất cả các thiết bị đo lường mà họ phát triển.

Hiệu chuẩn thiết bị đo lương rất cần thiết

Tại sao phải hiệu chuẩn thiết bị đo lường?

Hầu như tất cả các trang bị đều bị chuyển đổi theo thời gian, và các vật tư điện, điện tử cũng vậy, một bộ phận chính trong quá trình sản xuất hiện nay cũng không ngoại lệ. Khi các thành phần bị già hóa, chúng sẽ mất đi sự |ổn định và bị trôi các thông số kỹ thuật lúc sản xuất. Ngay cả việc xử lý thông tin thông thường cũng ảnh hưởng đến sự chuẩn hóa, và sự xử lý thô có thể làm trang bị không còn chính xác ngay cả khi bề ngoài nó vẫn bình thường.

Thường xuyên hiệu chuẩn đảm bảo cho trang bị phục vụ liên tiếp các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc khi setup và nó phải được thường xuyên kiểm tra ngay sau đó. Việc hiệu chuẩn là bắt buộc sau khi có bất kỳ một hành động sửa chữa hay bảo dưỡng để đảm bảo rằng thiết bị vẫn còn đúng như các dữ liệu hiệu chuẩn tham khảo. Việc hiệu chỉnh có lịch trình thường mang lại nhiều lợi ích về mặt chất lượng, năng suất và tăng doanh thu.

Tại sao chúng ta nên thường xuyên hiệu chuẩn thiết bị đo?

Điều này có thể khác biệt trong các ngành hay các nhà máy khác nhau. Các nhà sản xuất thường hiệu chuẩn ban đầu cho vật tư của họ. Lần hiệu chuẩn tiếp theo sẽ được thực hiện bởi người dùng cuối hoặc cũng vì các nhà phát triển như trước đây. Tần suất hiệu chuẩn sẽ không giống nhau tùy vào loại vật tư và điều kiện môi trường nơi mà vật tư được ứng dụng. Quyết định khi nào hiệu chỉnh lại mội thiết bị đo lường chủ yếu phụ thuộc vào vật tư được ứng dụng như thế nào. Như là một quy tắc, việc tái hiệu chuẩn phải được thực hiện ít nhất mỗi năm một lần. Tuy vậy trong các |ứng dụng quan trọng, tần suất hiệu chuẩn sẽ lớn hơn nhiều.

Các khái niện chung trong hiệu chuẩn thiết bị đo:

Dải hiệu chuẩn (Calibration Range):

Dải hiệu chuẩn của 1 thiết bị đo được định nghĩa là vùng giữa các giới hạn mà trong đó là các đại lượng đo được, được nhận hay truyền đi, được biểu thị khởi đầu bằng giá trị dưới của dải (LRV) và giá trị trên của dải (URV). các giới hạn này được xác định bởi các giá trị ZERO và SPAN. Giá trị ZERO là giá trị dưới cùng của dải hay LRV và giá trị trên của dải là URV. Ví dụ, một thiết bị đo áp suất được hiệu chuẩn để đo áp lực trong khoảng 0-400psi, khi đó LRV=0 và URV=400psi. dải hiệu chuẩn ở đây là 0 đến 400psi

Span:

Span được định nghĩa là hiệu số giữa giá trị trên và dưới của dải. SPAN=URV - LRV. Đối với ví dụ lúc nãy, ở đây dải hiệu chuẩn là 0-400psi. Bởi vì đó SPAN = 400-0 = 400psi

Dải đo của thiết bị đo (Instrument Range):

Dải đo ở đây nói đến khả năng của thiết bị đo. Nó thường được ghi trên nhãn mác của thiết bị đo.

Ví dụ đọc được trên thiết bị đo lường: Instrument Range 0-800psi: output 4 to 20 mA. Không bao giờ được nhầm lẫn dải đo của thiết bị đo và dải đo hiệu chuẩn. Chúng là 2 khái niệm hoàn toàn không giống nhau. Mặc dầu dải đo là 0-800psi nhưng chúng ta có thể quyết định hiệu chuẩn nó ở dải 0-400psi hay thậm chí 0-800psi đối với ứng dụng đo áp suất, trong trường hợp đó thì dải đo biến thành dải hiệu chỉnh của vật tư.

Khoảng đo (Ranging an Intrument)

Công cụ để thiết lập giá trị trên và dưới của dải để nó phản ứng với độ nhạy mong muốn từ đổi mới đầu vào. Giả sử chúng ta muốn sử dụng 1 bộ biến đổi áp suất để đo áp suất trong dải từ 0-100bar để cung ứng đầu ra 4-20mA. đối với dải của bộ biến đổi này, chúng ta chỉ đơn giản là thiết lập : 0bar =4mA, 100bar = 20mA. Dải trước và sau liên quan chặt chẽ với nhau, chỉ hiểu đơn giản là đặt lại giá trị trên và dưới ở một dải đo khác. Ví dụ , giả sử chúng ta muốn đổi mới dải của 1 Transmitter đo áp suất 50-150bar. chúng ta chỉ đươn giản setup lại như sau: 50bar = 4mA, 150bar = 20mA.

Điều chỉnh ZERO và SPAN:

Điều chỉnh ZERO và SPAN thường được thực hiện trên thiết bị đo analog và thiết bị đo thông minh (Smart Instrument). Bằng cách điều chỉnh cả 2 thông số ZERO và SPAN, chúng ta có thể thiết lập thiết bị đo cho bất kỳ dải đo nào trong dải đo được giới hạn bởi nhà phát triển. Đối với tất cả thiết bị đo analog, điều chỉnh ZERO, SPAN có sự ảnh hưởng đến nhau. điều đó có nghĩa bất cứ 1 điều chỉnh nào sẽ ảnh hưởng đến giá trị khác. Cụ thể là những thay đổi khi điều chỉnh SPAN gần như luôn luôn làm thay đổi điểm ZERO của thiết bị đo. Để hiệu chỉnh chính xác| thì đòi hỏi một thiết bị đo với những điều chỉnh ZERO và SPAN không có sự ảnh hưởng đến nhau như là chuyển đổi qua lại giữa điểm giá trị dưới và trên của dải để điều chỉnh cho chính xác. Tuy nhiên đối với bộ biến đổi thông minh (Smart Instrument) không có sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa điều chỉnh ZERO Và SPAN.

Bộ định chuẩn:

Bộ định chuẩn dùng để hiệu chuẩn thiết bị đo cần được hiệu chuẩn. Chúng có cơ chế và chức năng khác nhau với mỗi vật tư hay là vật tư được thiết kế để hiệu chuẩn

Các loại bộ định chuẩn điển hình:

(a) Khối định chuẩn và bồn hơi dùng để hiệu chuẩn đầu đo nhiệt - RTDs, Cặp nhiệt...

(b) Tín hiệu chuẩn: dung để hiệu chuẩn đồng hồ và bộ điều khiển nhiệt độ. nó là 1 bộ định chuẩn có thể tạo một tín hiệu điện biết trước. bao gồn điện áp, dòng điện, tín hiệu tần số chuẩn. một tín hiệu từ 1 bộ tín hiệu chuẩn đi vào một trang bị chưa biết, giá trị hiển thị hoặc giá trị đầu ra của trang bị có thể được điều chỉnh cho đến khi nó trùng với tín hiệu đã biết trước. trong mô phỏng, một loại tín hiệu chuẩn được phát ra từ một đầu ra của cảm biến. bộ tín hiệu chuẩn và mô phỏng thường dùng để đọc cũng như tạo ra tín hiệu.

(c) Bộ khí nén chuẩn. Đây là bộ định mẫu cung cấp 1 áp suất nhất định để kiểm tra hiệu chuẩn thiết bị đo áp suất. Chúng thường được sử dụng với tác dụng như là một nguồn cấp áp suất.

Tài liệu hiệu chuẩn:

Tài liệu hiệu chuẩn là tài liệu được tạo ra nhằm chắn chắn rằng lịch sử của trang bị hoặc là thiết bị đo không bị mất, xóa. Nó cũng trợ giúp khắc phục sự sai lệch theo thời gian trong quá trình hoạt động của thiết bị.

Hồ sơ hiệu chuẩn nên hiển thị:

(1) Dữ liệu trước khi hiệu chuẩn

(2) Ngày hiệu chuẩn

(3) Dữ liệu hiệu chuẩn sau cuối

(4) Thông tin của kỹ thuật viên hiệu chuẩn thiết bị

(5) Ngày hiệu chuẩn trang bị lần cuối

Dữ liệu trước khi hiệu chuẩn

Dữ liệu trước khi hiệu chuẩn của 1 thiết bị đo được hiệu chuẩn là các phản hồi (đọc được) từ vật tư tại các điểm của quá trình hiệu chuẩn (05, 25%, 50%, 75%, 100%) trước khi thực hiện hiệu chuẩn

Dữ liệu sau khi hiệu chuẩn

Dữ liệu sau khi hiệu chuẩn của 1 thiết bị đo là phản hồi (đọc được) từ vật tư tại các điểm của quá trình hiệu chuẩn (0%, 25%, 50%, 75%, 100%) sau khi thiết bị đo đã được hiệu chuẩn

Bài viết được http://tuvanthietbidiencongnghiep.blogspot.com/ dịch từ website: http://instrumentationtools.com/, nếu sai sót mong các bạn bỏ dở.

Tại sao phải lắp thêm điện trở 250Ω khi làm việc với giao thức Hart?

Bạn có biết tại sao khi sử dụng giao thức Hart điện trở luôn là 250Ω?

Khi sử dụng giao thức Hart trong các mạch chúng ta thường phải kết nối thêm 1 điện trở 250Ω. Điều này gần như là mặc định nhưng các bạn có bao giờ đặt ra câu hỏi: Tạo sao lại mắc thêm nó, nó có tác dụng gì? Hãy cùng Thiết Bị Điện Công Nghiệp tìm hiểu lý do đó phía dưới.

Điện trở 250Ω luôn có mặt khi sử dụng giao thức Hart

Khi thực hiện chế độ test, các Transmitter hoạt động do nguồn cung cấp cho nó. Nhưng ở đây không có đầu vào tương tự nào trong mạch vòng khi Transmitter kết nối với thiết bị trường. Sụt áp trên điện trở của đầu vào tương tự là không đủ trở kháng cần thiết để phát ra tín hiệu Hart..

Thỉnh thoảng bạn sẽ gặp trục trặc về giao thức Hart, các thiết bị giao tiếp cầm tay Hart hay Modem Hart không có cách nào để kết nối với các Transmitter. Trường hợp này có khả năng là do khi nó ở chế độ test, mạch vòng không đủ trở kháng để cho tín hiệu Hart được "tìm thấy" bởi các thiết bị Hart cầm tay hay Modem Hart.

Trong mạch vòng này thì tín hiệu truyền là dòng điện 4-20mA (mili ampe). Tuy nhiên các thiết bị nhận này chỉ đọc được các tín hiệu dưới dạng điện áp, cho dù tín hiệu đọc là tương tự hay Hart. Khi đó tín hiệu dòng điện này sẽ biến thành một điện áp rơi lúc dòng điện này đi qua 1 điện trở (định luật Ôm).

Người ta đo được tín hiệu HART truyền ra tín hiệu 1200 baud chồng đè lên mạch vòng tín hiệu 4-20mA DC. 1200 baud là một tín hiệu có tần số không hề nhỏ so với tín hiệu 4-20 mA.

Trở kháng mạch vòng nhỏ nhất là trở kháng cần thiết để tín hiệu Hart có thể được nhìn thấy hay đọc được bởi các máy chủ Hart, như bộ giao tiếp Hart hay Modem Hart . Tín hiệu vào tương tự trên thiết bị nhận tín hiệu (DCS, PLC, RTU, PAC, ĐIỀU KHIỂN - CONTROLLER, GHI -RECORDER, HIỂN THỊ - INDICATOR) có một điện trở sun có độ chín xác cao đặt tại mỗi đầu vào tương tự.nó thường là 250 ôm, nhưng không phải luôn luôn là như vậy.

Một yếu tốt cần thiết cho giao tiếp Hart là điện áp rơi (IR). IR được tạo ra do điện trở đầu vào của thiết bị nhận tín hiệu tương tự. Điển trở này đóng góp rất ít trở kháng cho mạch vòng.

Khi mà 1 nguồn DC duy nhất chỉ cấp nguồn cho Transmitter thì không có đủ điện áp từ tín hiệu Hart 1200 baud cho máy chủ Hart ghi nhận tín hiệu này.

Trở kháng trong của nguồn cấp DC là không có khả năng tạo điện áp rơi Hart, và tụ lọc của nó làm giảm đi tần số tương đối cao của tín hiệu Hart 1200 baud.

Trong trường hợp không có điện trở đầu vào tương tự của thiết bị nhận như một phần của mạch vòng, trở kháng là không dủ để máy chủ Hart có thể ghi nhận tín hiệu FKS (Frequency Shift Keying) Hart. Lúc này giao tiếp Hart bị mất.

May mắn là chúng ta có thể chèn thêm 1 điện trở vào mạch vòng và tín hiệu Hart sẽ được tăng độ sụt áp giúp máy chủ Hart có thể ghi nhận tín hiệu Hart.

Các website bán bộ giao tiếp Hart luôn có dòng mô tả đặc tính kỹ thuật cho thiết bị này. Người ta khuyến nghị điện kháng nhỏ nhất cần thiết cho mạch vòng là 230Ω. Người ta dùng điện trở 250Ω vì đây là thiết bị dễ tìm ở các xưởng. Vì không cần có độ chính xác cao nên có thể dùng điện trở 250Ω cũng được

250Ω

Thiết bị giao tiếp cầm tay Hart (275, 375, 475...) thường có 1 jack cắm dùng để kết nối với 1 điện trở 249Ω hay 250Ω để cung cấp trở kháng cho mạch vòng.

Nếu một thiết bị giao tiếp Hart hoặc Modem Hart không thể thiết lập liên lạc, hãy thử chèn thêm 1 điện trở 250Ω vào mạch vòng để khắc phục điều này.