Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương 7: Cảm biến độ ẩm. Cảm biến lưu lượng

Bài 7 
CẢM BIẾN ĐỘ ẨM. CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 
1 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
1 
4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 
Nguyên lý chung: dựa trên sự biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất. 
Các phần tử biến dạng thường dùng là ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng. 
a. Phần tử biến dạng kiểu ống trụ 
p - áp suất cần đo; 
v - hệ số Poatxông của vật liệu làm cảm biến biến dạng; 
Y - mô đun Young (môđun biến dạng); 
r - bán kính trong của ống; 
e - chiều dày thành ống. 
2 
  4.3. Cảm biến áp suất chất lưu (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
2 
b. Phần tử biến dạng kiểu lò xo ống 
p - áp suất cần đo; 
v - hệ số Poatxông của vật liệu làm lò xo 
Y - mô đun Young (môđun biến dạng); 
R - bán kính cong của lò xo 
h - chiều dày thành ống. 
3 
  4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
3 
a,b - các bán kính trục ôvan tiết diện ống; 
η = Rh/a 2 - tham số của ống; 
α , β - hệ số phụ thuộc hình dạng tiết diện ống. 
Có thể xác định áp suất bằng cách đo lực tác dụng tại đầu ra lò xo 
Giá trị k 1 , k 2 là hàm số của a,b,h,R, γ ,v và đối với mỗi lòxo ống là các giá trị hằng số 
Lòxo ống chế tạo bằng: 
- đồng thau: có thể đo áp suất dưới 5 MPa, 
- hợp kim nhẹ hoặc thép: dưới 1000 MPa, 
- thép gió: trên 1000 Mpa 
4 
  4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
4 
c. Phần tử biến dạng kiểu màng 
Màng dùng để đo áp suất được chia ra màng đàn hồi và màng dẻo. 
- Màng đàn hồi dùng để đo áp suất lớn, có dạng phẳng hoặc có uốn nếp được chế tạo bằng thép hoặc đồng thau mỏng 
- Màng dẻo dùng để đo áp suất nhỏ, được chế tạo từ vải, cao su có tính co giãn đàn hồi cao. 
5 
  4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
5 
 Màng đàn hồi phẳng: 
Độ võng của tâm màng phẳng: 
R - bán kính của màng; 
h - độ dày của màng. 
	Với màng phẳng, độ phi tuyến khá lớn khi độ võng lớn, do đó thường chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của màng. 
6 
  4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
6 
 Màng đàn uốn nếp:	 
Độ võng của tâm màng : 
S là độ căng của màng, phụ thuộc hình dạng và bề dày của màng. 
Màng đàn uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng với độ võng lớn hơn màng phẳng. 
7 
  4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
7 
Các bộ biến đổi 
8 
  4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
8 
4.4.1. Các khái niệm: 
Độ ẩm tuyệt đối (ρ h ): là khối lượng hơi nước ( g ) có trong một đơn vị thể tích của một hỗn hợp khí nào đó ( m 3 ) chứa nó . 
Đối với không khí, hơi nước trong không khí có thể coi là lý tưởng nên: 
p h - áp suất của hơi nước trong không khí chưa bão hoà, N/m 
R h - hằng số của hơi nước, Rh=0,462 J/g. o K 
T – Nhiệt độ tuyệt đối của không khí ẩm, tức cũng là nhiệt độ của hơi nước, o K 
Độ ẩm tuyệt đối càng cao thì áp suất hơi nước càng lớn 
9 
  4.4. Cảm biến độ ẩm 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
9 
Độ ẩm cực đại (ρ max ): là khối lượng hơi nước bão hòa có trong một đơn vị thể tích hỗn hợp khí. Đây chính là khối lượng riêng của hơi nước bão hòa trong hỗn hợp khí, tính theo đơn vị g/m 3 
Hỗn hợp khí ở một điều kiện nhất định được gọi là bão hòa hơi nước nếu lượng hơi nước trong đó đã đạt tối đa, nếu lượng hơi ẩm lớn hơn thì ngay lập tức lượng hơi nước thừa này sẽ ngưng tụ thành nước. 
Điều kiện (nhiệt độ, áp suất) mà tại đó hơi nước bão hòa, nghĩa là hơi nước bắt đầu ngưng tụ thành chất lỏng, được gọi là điểm sương 
10 
  4.4.1. Các khái niệm (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
10 
 Độ ẩm tương đối ( ): là tỷ số giữa khối lượng nước trong một thể tích khí so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa . 
Đây chính là tỉ số phần trăm giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cực đại của hỗn hợp khí ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất cho trước: 
Một định nghĩa khác của độ ẩm tương đối là tỷ số giữa áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào có chứa hơi nước trên áp suất hơi nước bão hòa. 
Khi hơi nước bão hòa, hỗn hợp khí và hơi nước đạt đến điểm sương, độ ẩm tương đối bằng 100% 
11 
  4.4.1. Các khái niệm (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
11 
Dùng hai nhiệt kế “khô” và “ướt” có thông số giống hết nhau 
Nhiệt kế “khô” đo nhiệt độ không khí của môi trường xung quanh. 
Nhiệt kế “ướt” đo nhiệt độ “ướt” ở trong bình có chứa hơi nước bay hơi từ một nguồn chứa nước cất. 
Phần tử cảm biến có thể cảm biến nhiệt dạng RTD hoặc nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor) 
12 
  4.4.2. Đo độ ẩm theo biểu đồ độ ẩm 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
12 
Biểu đồ độ ẩm 
13 
  4.4.2. Đo độ ẩm theo biểu đồ độ ẩm (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
13 
Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm theo biểu đồ độ ẩm 
Ưu điểm: 
 Độ chính xác cao: khi khi đo độ ẩm trong dải 10-100% ở nhiệt độ từ 0 - 60°C với độ phân giải cỡ 0,1% đạt độ chính xác ±2% 
 Độ ổn định, tin cậy cao 
Nhược điểm: 
 Thời gian đáp ứng chậm 
 Chi phí cao 
14 
  4.4.2. Đo độ ẩm theo biểu đồ độ ẩm (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
14 
Phương pháp này sử dụng cảm biến để đo điểm sương theo kiểu làm lạnh bề mặt ngưng. 
15 
  4.4.3. Đo độ ẩm theo phương pháp nhiệt độ điểm sương 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
15 
Khi biết được nhiệt độ điểm sương ta có thể xác định được độ ẩm tương đối. 
16 
  4.4.3. Đo độ ẩm theo phương pháp nhiệt độ điểm sương (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
16 
17 
  4.4.3. Đo độ ẩm theo phương pháp nhiệt độ điểm sương (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
17 
Air Temperature [C] 
Relative Humidity (%) 
Air Temperature 
[ C] 
Relative Humidity (%) 
100 
90 
80 
70 
60 
50 
40 
30 
20 
100 
90 
80 
70 
60 
50 
40 
30 
20 
-20 
-20,0 
-21,2 
-22,5 
-24,0 
-25,7 
-27,7 
-30,1 
-33,1 
-37,1 
16 
16,0 
14,4 
12,5 
10,5 
8,2 
5,6 
2,4 
-1,6 
-7,0 
-18 
-18,0 
-19,2 
-20,6 
-22,1 
-23,8 
-25,9 
-28,3 
-31,3 
-35,4 
18 
18,0 
16,3 
14,5 
12,4 
10,1 
7,4 
4,2 
0,2 
-5,3 
-16 
-16,0 
-17,3 
-18,6 
-20,2 
-22,0 
-24,0 
-26,5 
-29,5 
-33,7 
20 
20,0 
18,3 
16,4 
14,4 
12,0 
9,3 
6,0 
1,9 
-3,6 
-14 
-14,0 
-15,3 
-16,7 
-18,3 
-20,1 
-22,1 
-24,6 
-27,8 
-32,0 
22 
22,0 
20,3 
18,4 
16,3 
13,9 
11,1 
7,8 
3,6 
-2,0 
-12 
-12,0 
-13,3 
-14,7 
-16,3 
-18,2 
-20,3 
-22,8 
-26,0 
-30,3 
24 
24,0 
22,3 
20,3 
18,2 
15,7 
12,9 
9,6 
5,3 
-0,4 
-10 
-10,0 
-11,3 
-12,8 
-14,4 
-16,3 
-18,4 
-21,0 
-24,3 
-28,7 
26 
26,0 
24,2 
22,3 
20,1 
17,6 
14,8 
11,3 
7,1 
1,3 
-8 
-8,0 
-9,3 
-10,8 
-12,5 
-14,4 
-16,6 
-19,2 
-22,5 
-27,0 
28 
28,0 
26,2 
24,2 
22,0 
19,5 
16,6 
13,1 
8,8 
2,9 
-6 
-6,0 
-7,4 
-8,9 
-10,6 
-12,5 
-14,7 
-17,4 
-20,7 
-25,3 
30 
30,0 
28,2 
26,2 
23,9 
21,4 
18,4 
14,9 
10,5 
4,6 
-4 
-4,0 
-5,4 
-6,9 
-8,7 
-10,6 
-12,9 
-15,6 
-19,0 
-23,6 
32 
32,0 
30,1 
28,1 
25,8 
23,2 
20,3 
16,7 
12,2 
6,2 
-2 
-2,0 
-3,4 
-5,0 
-6,7 
-8,7 
-11,0 
-13,8 
-17,2 
-21,9 
34 
34,0 
32,1 
30,0 
27,7 
25,1 
22,1 
18,5 
13,9 
7,8 
0 
0,0 
-1,4 
-3,0 
-4,8 
-6,8 
-9,2 
-12,0 
-15,5 
-20,3 
36 
36,0 
34,1 
32,0 
29,6 
27,0 
23,9 
20,2 
15,7 
9,5 
2 
2,0 
0,5 
-1,1 
-2,9 
-4,9 
-7,3 
-10,2 
-13,7 
-18,6 
38 
38,0 
36,1 
33,9 
31,6 
28,9 
25,7 
22,0 
17,4 
11,1 
4 
4,0 
2,5 
0,9 
-1,0 
-3,1 
-5,5 
-8,4 
-12,0 
-16,9 
40 
40,0 
38,0 
35,9 
33,5 
30,7 
27,6 
23,8 
19,1 
12,7 
6 
6,0 
4,5 
2,8 
0,9 
-1,2 
-3,6 
-6,6 
-10,3 
-15,3 
42 
42,0 
40,0 
37,8 
35,4 
32,6 
29,4 
25,6 
20,8 
14,4 
8 
8,0 
6,5 
4,8 
2,9 
0,7 
-1,8 
-4,8 
-8,5 
-13,6 
44 
44,0 
42,0 
39,8 
37,3 
34,5 
31,2 
27,3 
22,5 
16,0 
10 
10,0 
8,4 
6,7 
4,8 
2,6 
0,1 
-3,0 
-6,8 
-11,9 
46 
46,0 
43,9 
41,7 
39,2 
36,3 
33,0 
29,1 
24,2 
17,6 
12 
12,0 
10,4 
8,7 
6,7 
4,5 
1,9 
-1,2 
-5,0 
-10,3 
48 
48,0 
45,9 
43,6 
41,1 
38,2 
34,9 
30,9 
25,9 
19,2 
14 
14,0 
12,4 
10,6 
8,6 
6,4 
3,7 
0,6 
-3,3 
-8,6 
50 
50,0 
47,9 
45,6 
43,0 
40,1 
36,7 
32,6 
27,6 
20,8 
Bảng quan hệ nhiệt độ điểm sương – Độ ẩm tương đối (RH) 
Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm theo nhiệt độ điểm sương 
Ưu điểm: 
- Độ ổn định và độ chính xác rất cao: 
- Độ ổn định, tin cậy cao 
- Thời gian đáp ứng ngắn 
- Dải đo rộng: đo độ ẩm tương đối và có thể được dùng để đo độ ẩm nhiều loại khí gas ở các áp suất khác nhau 
Nhược điểm: 
- Chi phí cao 
- Phức tạp 
- Yêu cầu phải thường xuyên làm sạch gương để đảm bảo độ chính xác 
18 
  4.4.3. Đo độ ẩm theo phương pháp nhiệt độ điểm sương (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
18 
Ẩm kế điện dung sử dụng điện môi là màng mỏng polyme hoặc oxit kim loại, có khả năng hút ẩm. Điện dung của tụ thay đổi tỷ lệ với độ ẩm. 
Sự thay đổi điện dung điển hình là 0,2 - 0,5 pF tương ứng với 1% RH 
19 
  4.4.3. Cảm biến độ ẩm kiểu điện dung 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
19 
Biểu đồ quan hệ độ ẩm - điện dung 
20 
  4.4.3. Cảm biến độ ẩm kiểu điện dung (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
20 
Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm kiểu điện dung 
Ưu điểm: 
- Độ chính xác cao: ±2% đến ±3% 
- Phạm vi đo rộng: dải nhiệt độ -40 0 C ÷100 0 C, dải đo RH 0% - 100% 
- Hoạt động đơn giản 
- Thời gian đáp ứng nhanh, khoảng vài giây 
- Kích thước nhỏ, hệ số nhiệt thấp, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao đến 200 0 C . 
Nhược điểm: 
- Khoảng cách từ phần tử cảm biến tới mạch chuẩn hóa tín hiệu bị hạn chế, khoảng dưới 3m 
21 
  4.4.3. Cảm biến độ ẩm kiểu điện dung (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
21 
Các cảm biến độ ẩm kiểu điện trở xác định độ ẩm thông qua sự thay đổi trở kháng của các phần tử hút ẩm. 
Các phần tử hút ẩm là chất hút ẩm như polyme dẫn điện, muối hay các tấm màng được gia công đặc biệt được phủ lên diện tích nhỏ của điện trở (vài mm 2 ). 
Khi các phần tử hút ẩm hút hơi ẩm trong không khí thì trở kháng của điện trở thay đổi, tỷ lệ với độ ẩm theo quy luật của hàm mũ ngược 
22 
  4.4.3. Cảm biến độ ẩm kiểu điện trở 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
22 
Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm kiểu điện trở 
Ưu điểm: 
- Độ chính xác cao: ±2% 
- Phạm vi đo rộng: dải nhiệt độ -10 0 C ÷60 0 C, dải đo RH 15% - 99% 
- Hoạt động đơn giản 
- Có khả năng sử dụng từ những vị trí lắp đặt xa 
- Kích thước nhỏ, giá thành thấp, 
Nhược điểm: 
- Thời gian đáp ứng khá dài: khoảng 10s 
- Dễ bị hư hỏng trong điều kiện có hóa chất ăn mòn cao 
23 
  4.4.3. Cảm biến độ ẩm kiểu điện trở (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
23 
Tự nghiên cứu tài liệu 
24 
  4.4.4. Đo độ ẩm kiểu cơ khí dựa trên các phần tử hút ẩm 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
24 
4.5.1. Lưu lượng và đơn vị đo 
Khái niệm lưu lượng chất lưu : là lượng vật chất chảy qua tiết diện ngang của một ống trong một đơn vị thời gian. Để đo lưu lượng sử dụng các lưu lượng kế. 
Đơn vị: 
- Lưu lượng thể tích (Q ) tính bằng m 3 /s , m 3 /h.... 
- Lưu lượng khối (G ) tính bằng kg/s, kg/h ... 
Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở: 
- Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua thiết bị đo trong một khoảng thời gian xác định Δ t . 
- Đo vận tốc chất lưu chảy qua thiết bị đo khi lưu lượng là hàm của vận tốc. 
- Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc độ giảm áp. 
25 
  4.5. Cảm biến lưu lượng 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
25 
Lưu lượng kế thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua thiết bị đo bằng các đếm trực tiếp lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác định 
Thể tích chất lưu chảy qua lưu lượng kế trong thời gian Δ t=t 2 -t 1 : 
Q = Q V (N 2 -N 1 ) 
Q V = 2. Q 0 = 2. Q 1 = 2. Q 2 - thể tích chất lưu chảy qua lưu lượng kế ứng với một vòng quay; 
N 2 ,N 1 - số vòng quay của lưu lượng kế tại thời điểm t 2 ,t 1 
Giới hạn đo: 0,01 – 250 m 3 /h, độ chính xác cao ( 0,5-1%), tổn thất áp suất nhỏ nhưng có nhược điểm là chất lỏng đo phải được lọc tốt. 
26 
  4.5.2. Lưu lượng kế thể tích 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
26 
* Lưu lượng kế tuabin hướng trục 
Tốc độ quay của lưu lượng kế:	 
ω = kV 
	 k - hệ số tỉ lệ, phụ thuộc cấu tạo lưu lượng kế; 
V - tốc độ dòng chảy chất lưu. 
Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua lưu lượng kế: 	 
Q = V.S = ω .s /k 
	S - tiết diện dòng chảy. 
Lưu lượng kế tuabin hướng trục với đường kính tuabin từ 50-300mm đo được lưu lượng 50-300 m 3 /h, độ chính xác 1-2% 
27 
  4.5.3. Lưu lượng kế tuốc bin 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
27 
1. Bộ chỉnh dòng chảy; 
2. Tuabin; 
3. Bộ truyền bánh răng - trục vít; 
4. Thiết bị đếm. 
* Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến (để đo lưu lượng nhỏ hơn) 
Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến với đường kính tuabin từ 15-40 mm đo được lưu lượng 3-20 m 3 /h, độ chính xác 2-3% 
28 
  4.5.3. Lưu lượng kế tuốc bin (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
28 
1. Tuabin; 
2. Màng lọc; 
3. Ống dẫn. 
Ưu, nhược điểm của lưu lượng kế tuabin: 
Ưu điểm: 
	- Có độ chính xác cao; 
	- Dải đo rộng; 
	- Sự sụt giảm áp suất nhỏ; 
	- Dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng. 
 Nhược điểm: 
	- Giá thành cao; 
	- Việc sử dụng bị giới hạn đối với các chất lỏng không trơn. 
29 
  4.5.3. Lưu lượng kế tuốc bin (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
29 
Cấu tạo: 
Nguyên lý hoạt động: dựa trên định luật cảm ứng điện từ: khi có một dây dẫn chuyển động trong từ trường, cắt các đường sức của từ trường thì trong dây dẫn xuất hiện một sức điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dây dẫn. 
Sức điện động cảm ứng trong chất lưu: 
B - cường độ từ trường ; V - tốc độ chất lưu chảy trong ống; Q - lưu lượng chất lưu trong ống; d - đường kính trong của ống. 
B = const E ~ Q 
 Dùng để đo lưu lượng của chất lỏng có độ dẫn điện không nhỏ hơn 10 -5 -10 -6 (siemen/m). 
Lưu lượng kế từ tính với đường kính ống 10-1000mm có thể đo lưu lượng 1-2500 m3/h với vận tốc dòng chảy 0,6-10m/s với độ chính xác . 1-2,5% 
30 
  4.5.4. Lưu lượng kế điện từ 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
30 
1, 2. Điện cực; 
3.Ống kim loại; 
4. Đồng hồ chỉ thị; 
5. Nam châm . 
Ưu, nhược điểm của lưu lượng kế điện từ: 
Ưu điểm: 
	- Có thể đo được lưu lượng của các vật liệu sệt và nhờn; 
	- Có thể chịu được các chất lỏng ăn mòn; 
	- Có độ sụt giảm áp suất rất thấp; 
	- Hoàn toàn không cản trở dòng chảy; 
	- Có thể đo trong các ống kích thước và dung lượng lớn; 
	- Có thể đo được dòng chảy hai chiều. 
Nhược điểm của lưu lượng kế điện từ: 	 
	- Giá thành cao;	 
	- Chỉ làm việc với các chất lỏng là các vật dẫn điện thích hợp; 
	- Kích thước, trọng lượng lớn; 
	- Đường ống của lưu lượng kế phải luôn đầy ở mọi thời điểm. 
31 
  4.5.4. Lưu lượng kế điện từ (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
31 
Tự nghiên cứu tài liệu 
32 
  4.5.5. Lưu lượng kế khí kiểu quay 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
32 
HẾT BÀI 7 
33 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức