Đo lường công nghiệp

Đo lường công nghiệpNhóm 11Mở đầuCác bộ cảm biến thường thấy trong hệ thống điều khiển hồi tiếp. Nó đo các đại lượng quá trình và truyền các thông số đó dưới dạng tín hiệu cho Bộ điều khiển. Chất lượng hệ thống được quyết định trực tiếp bởi các cảm biến.Các đại lượng đo phổ biến như là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và khối lượng. Cảm biến không đo chúng một cách trực tiếp. Mỗi cảm biến đo lại ảnh hưởng của các đại lượng đó thông qua vị trí vật lý, lực, điện áp, 2Cảm biếnCảm biến là thiết bị được thiết kế sao cho khi có sự kích thích của đại lượng cần đo thì một đặc tính sẽ thay đổi một cách có thể dự đoán được.Trong đo lường, ta không thực sự đo được giá trị đại lượng cần đo. Mà từ đáp ứng của cảm biến đối với quá trình, ta có thể suy ra được giá trị đó. Cảm biến có các đặc tính vật lý thay đổi nhất quán có thể đo đạc được.3Bộ biến năngBộ biến năng là thiết bị chuyển đổi dạng năng lượng này sang một dạng năng lượng khác.Bộ biến năng sẽ chuyển đổi ngõ ra của bộ cảm biến thành một dạng tín hiệu mà bộ điều khiển có thể nhận biết được. Ngõ ra đó có thể là độ dời cơ học, sự thay đổi vị trí kích thước hoặc một dạng tín hiệu điện không chuẩn. 4Bộ biến năng vị trí5Cảm biến và Biến năngNhiệt độÁp suấtLưu lượngĐộ lệchVị tríKích thướcĐiện ápDòng điệnKhí nén6The Standard Instrumentation SignalsTín hiệu thiết bị chuẩn.Đầu vào của thiết bị và đầu ra của bộ điều khiển.3 loại :0%100%Pneumatic (Khí nén)3 psig15 psigCurrent loop (Vòng dòng)4 mA20 mA0 to 10 volt0 V10 V7Khí nén (Pneumatic)Trước 1960s, thường được sử dụng trong thông tin đo lường và điều khiểnSignal psig = (%ControllerOutput x 12psig) + 3psigBộ điều khiểnBộ biến năngThiết bịĐiệnKhíI/P transducer8Vòng dòng điện (current loop)Dòng điện DC 4 – 20 mA được dẫn trong một cặp cáp nối từ cảm biến tới bộ điều khiển hoặc từ bộ điều khiển tới thiết bị.Được sử dụng do khả năng giảm nhiễu và khoảng cách truyền xa.Vì tín hiệu là dòng điện nên không bị ảnh hưởng bởi sụt áp trên dây dẫn. Nó chỉ bị giới hạn bởi chiều dài đường truyền. Sức điện động cảm ứng không gây ảnh hưởng.90 – 10 voltKhông thường được sử dụng do tín hiệu nhạy cảm với nhiễu cảm ứng và khoảng cách giữa cách thiết bị do sụt áp.10Bộ biến năng thông minhLà thiết bị số có khả năng chuyển đổi thông tin analog từ cảm biến sang thông tin số, làm cho phép thiết bị truyền nhận đồng thời thông tin và truyền nhiều hơn một giá trị.Các tính năngTruyền thông số Cấu hìnhĐổi tầm đoGia công tín hiệuTự chẩn đoán11Đặc tính của thiết bị ảnh hưởng như thế nào đến quá trình?Một vài đặc tính có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống điều khiển bao gồm:Tầm đo và giai đo của thiết bịĐộ phân giải của thiết bị đo lườngĐộ chính xác và độ đúng của thiết bịĐộng lực của thiết bị12Tầm đo và Giai đo của thiết bịTầm đo của một cảm biến là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có thể đo được với đặc tính kỹ thuật của nó.RTD (cảm biến nhiệt độ điện trở) có thể có Tầm đo được xác định từ -200oC đến +560oCGiai đo của một cảm biến là giá trị lớn nhất trừ đi giá trị nhỏ nhất của Tầm đoRTD với Tầm đo từ -200oC đến +560oC sẽ có Giai đo bằng 760oC13Độ phân giải của thiết bị đo lườngĐộ phân giải là giá trị nhỏ nhất của tín hiệu vào mà thiết bị có thể xác định được.Phần lớn bộ điều khiển hiện tại phân giải tín hiệu vào tương tự sang 16 bit tín hiệu số. 16 bit thông tin cho phép 65535 giá trị đại diện cho tín hiệu vào.Độ phân giải của một bộ chuyển đổi 16 bit bằngNếu chúng ta có một tín hiệu 4-20mA đại diện cho 0 đến 100psig, độ phân giải đầu vào bằng = 0.0015psig.14Độ chính xác và độ đúngĐộ chính xác của bộ đo lường diễn tả giá trị đo lường gần với giá trị thật đến mức nào.Độ chính xác thường diễn tả bằng tỉ số phần trăm lỗi trên Tầm đo hoặc giá trị tuyệt đối của lỗi trên Tầm đo.15Tỷ lệ lỗi trên Tầm đoVí dụ, nhà sản xuất A chỉ ra thiết bị áp suất của họ có độ chính xác ±0.4% trên toàn thang. Toàn thang của thiết bị là 500psig. Chúng ta có thể mong đợi giá trị đo được từ thiết bị có độ chính xác 2psig với mọi áp suất trong Tầm đo của thiết bị.0.4% x 500psig = 0.004 x 500 psig = 2psig16Giá trị tuyệt đối trên Tầm đoNhà sản xuất B chỉ ra thiết bị áp suất của họ có độ chính xác ± 1psig trên toàn Giai đo hoạt động. Toàn thang của thiết bị cũng là 500psig. Chúng ta có thể mong đợi giá trị đo được từ thiết bị có độ chính xác 1psig với mọi áp suất trong Tầm đo của thiết bị.17Độ đúng là tính lặp lại mà một bộ đo lường lặp lại có thể thực hiện dưới những điều kiện giống nhau.18Động lực học thiết bịĐộ lợi thiết bịĐộ lợi của thiết bị thường được gọi là độ nhạy. Độ nhạy của cảm biến là tỉ lệ của tín hiệu ra với thay đổi trên biến quá trình.19Động lực học thiết bịThời hằng của thiết bịThời hằng của thiết bị là thời gian cần để cung cấp một tín hiệu bằng 63.2% giá trị của biến đo được sau khi một thay đổi bước trên biến. Nhà sản xuất thường chỉ ra thời gian lên thay vì thời hằng.Thời gian lên là thời gian để tín hiệu đạt được 100% giá trị biến đo. Thông thường:	thời gian lên = 5x thời hằng20Động lực học thiết bịThời gian chết của thiết bịThời gian chết của thiết bị là thời gian cần để thiết bị bắt đầu tác động trở lại với thay đổi của quá trình.21Sự chồng lấn phổ của ngõ vàoQuá trình chồng lấn này xảy ra khi tốc độ lấy mẫu tín hiệu vào không đủ nhanh, dẫn đến việc tín hiệu được lấy mẫu không chính xác.22Tần số lấy mẫu chính xácTrong thực tế, để lấy mẫu chính xác, chu kỳ lấy mẫu lấy bằng 1/20 chu kỳ tín hiệu vào.23Xác định chu kỳ lấy mẫuCách tính chu kỳ lấy mẫu: lấy từ 1/10 tới 1/20 thời gian lên của tín hiệu( từ ½ tới ¼ thời hằng)Một cách tính khác là lấy từ 1/10 đến 1/20 của thời hằng quá trình24Nhiễu của thiết bị đoNhiễu là sự biến thiên của các biến quá trình trong quá trình đo nhưng không phản ánh sự thay đổi thực sự của các biến này.Nhiễu có thể có do sự ma sát, hao mòn của các yếu tố cơ khí hoặc tín hiệu điện của các thiết bị đo.25Ảnh hưởng của nhiễu: giảm độ chính xác của phép đo. Làm xuất hiện lỗi trong các hệ thống điều khiển. Nhiễu trong các biến được thể hiện qua ngõ ra của bộ điều khiển.Loại bỏ nhiễu: cách hiệu quả nhất là loại bỏ nguồn nhiễu. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp cách này chưa triệt để26Phương pháp lọc nhiễuBộ lọc thông thấp: đa phần các nhiễu thường nằm ở tần số cao trong khi các tín hiệu cần xử lý thường nằm ở Tầm đo tần thấp, do đó bộ lọc thông thấp cho phép lọc nhiễu hiệu quả.27Thực hiện bộ lọcLựa chọn bộ lọc qua một trong 3 thông số:Tần số cắt bộ lọc: tần số càng nhỏ càng tốtThời hằng bộ lọc: tần số cắt=1/(5x thời hằng)	Bộ lọc có thể được xem như bộ lọc trễ bậc 1. Thời hằng càng lớn thì bộ lọc càng tốt.iii.	Giá trị α: là giá trị được bộ điều khiển dùng để truyền trễ bậc 1 trên tín hiệu được đo. Giá trị của α nằm từ 0 tới 128α=0 : bộ lọc cho qua tất cả tín hiệu.α =1: bộ lọc chặn tất cả tín hiệu.29