Mạch điện bảo vệ hệ thống lạnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT-ĐIỆN LẠNH
SENSORS
TRANSDUCERS_TRANSMITTERS

TIỂU LUẬN
GVHD: LÊ MINH NHỰT
SVTH: LÊ VĂN CẢNH
BÙI PHÚ CƯỜNG
NGUYỄN PHI HÙNG
ĐOÀN MINH KHOA
NGUYỄN VĂN HOÀI
VÕ XUÂN HIẾU
PHẠM THANH DŨNG

Thành phố HỒ CHÍ MINH, 10/2007
Nội Dung Tiểu Luận
Phần 1: Sensors
 Tổng quan về cảm biến
 Cảm biến nhiệt độ
 Cảm biến áp suất chất lưu
 Cảm biến lưu lượng, mức chất lưu
 Cảm biến độ ẩm
Phần 2: Transducers
 Giới thiệu
 Phân loại và nguyên lý hoạt động
Phần 3: Transmitters
 Hàm truyền
 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng
 Các hiệu ứng truyền tín hiệu
Màng mỏng VO2: Cấu trúc Nanô và kỹ thuật cảm biến nhiệt quang
1_Tính chất vật lý:
Màng mòng VO2 cấu trúc nanô trên thủy tinh và sợi quang đã được chế tạo bằng phương pháp bốc bay trong chân không dùng chùm tia điện tử và tái kết tinh trong ôxy áp suất thấp

Màng mỏng ôxít vanađi là một trong số các vật liệu có nhiều tính chất phong phú và khả năng ứng dụng trong thực tiễn,
thí dụ như trong các linh kiện vị điện tử, quang-điện, hiển thị điện sắc (ECD), sensor khí màng mỏng, cửa sổ nhiệt sắc thông minh (STW).
Việc chế tạo màng mỏng ôxít vanađi đơn pha, đúng thành phần hợp thức và cấu trúc tinh thể là không dễ dàng, bởi vì vanađi là nguyên tố kim loại chuyển tiếp có khả năng liên kết với ôxy dưới dạng nhiều hóa trị khác nhau (từ 1 đến 5).
Với công nghệ sol-gel có thể chế tạo vật liệu cấu trúc nanô nhờ khả năng tạo gel dưới dạng xốp kích thước nanô, VO2 đã được chế tạo với mục đích nghiên cứu lý thuyết cơ bản và ứng dụng thực tiễn trong linh kiện ECD và STW
Với khả năng tự điều chỉnh tính chất điện và quang của VO2 (độ truyền qua, độ phản xạ) bằng nhiệt độ VO2 hoàn toàn có thể ứng dụng làm tế bào nhiệt-điện trở trong hệ cảm biến nhiệt-điện thông minh.


Cảm biến nhiệt quang sử dụng VO2 cấu trúc nanô cũng được chế tạo thử nhằm mục đích ứng dụng vào thực tiễn đo đạc và theo dõi nhiệt độ của kho xăng dầu hay hóa chất độc hại.
2_Cấu trúc nanô của màng mỏng VO2:
Bề mặt và mặt cắt của màng VO2 được chụp ảnh bằng hiển vi điện tử quét – Trường ĐHKHTN có bề dày vào khoảng 210 nm.
Kích thước trung bình của các hạt là 100 nm. Các kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cũng cho thấy, màng VO2 có cấu tạo đơn pha, cấu trúc mạng đơn.




Ảnh SEM chụp bề mặt của màng VO2 trước và sau khi tái kết tinh
3_Tính chất chuyển mạch:
Màng mảng cấu trúc nanô có tính chất chuyển pha bán dẫn kim loại thể hiện rất rõ tại nhiệt độ 63 độ C.

Pha cấu trúc bền vững của một vật rắn tồn tại ứng với năng lượng tự do thấp nhất. Quá trình chuyển pha xảy ra khi nhiệt độ của mẫu tăng lên đến giá trị tới hạn nhất định. Năng lượng cần thiết cho quá trình chuyển pha tỷ lệ thuận với năng lượng tự do.


Về mặt cấu trúc tinh thể, có thể nói, đó chính là năng lượng tối thiểu để “dịch” chuyển các nguyên tử trong mạng tinh thể từ vị trí của mạng đơn (ứng với pha bán dẫn) sang vị trí của mạng tứ giác (ứng với pha kim loại).

Do đó tại NĐCP điện trở suất của màng VO2 hạ đột ngột, giá trị điện trở suất có thể giảm đến ba bậc. Tính chất này được ứng dụng trong công nghệ chế tạo nhiệt điện trở thông minh.
Tại vùng nhiệt độ cao hơn NĐCP, VO2 có cấu trúc tứ giác thuộc pha kim loại. Do màng mỏng cho nên ở vùng nhìn thấy VO2 vẫn trong suốt, nhưng ở vùng hồng ngoại hệ số phản xạ tăng lên – tính chất đặc trưng của pha kim loại. Vì vậy, độ truyền qua qua giảm.





Trên hình là phổ truyền qua của màng VO2 phụ thuộc nhiệt độ. Tại bước sóng 2500 nm, độ truyền qua của màng VO2 nhiệt độ cao giảm xuống dưới 10%
3_Ứng dụng:
Với đặc tính trên, VO2 có thể sử dụng với tư cách một sensor nhiệt-quang trong công nghệ chế tạo hệ cảm biến nhiệt-quang. Sơ đồ cấu tạo của hệ cảm biến nhiệt-quang được trình bày trên hình sau:



Sơ đồ cấu tạo cảm biến nhiệt quang.
1. Đầu sợi quang có phủ lớp màng mỏng VO2
2. Bộ phát, thu laser và so sánh tín hiệu nhiệt-quang
3. Vi tính và hiển thị so sánh phổ.
4_Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động của cảm biến này được mô tả như sau. Truyền tia laser hồng ngoại vào sợi quang mà phía đầu của nó đã được phủ lớp màng mỏng VO2.

Khi nhiệt độ của đầu sợi quang còn thấp, tia laser truyền quang lớp màng gần như hoàn toàn, do đó phổ phản xạ rất thấp.
Khi nhiệt độ tăng lên đến 63 độC (NĐCP của VO2-nanô), tia laser được phản xạ ngược lại với phổ phản xạ cao hơn hẳn.

So sánh hai phổ phản xạ này, bộ phận hiển thị của máy cho chúng ta biết nhiệt độ của môi trường đã tăng lên đến ngưỡng cao bằng NĐCP của đầu sensor.

5_Kết luận:
Màng mòng VO2 cấu trúc nanô trên thủy tinh và sợi quang đã được chế tạo bằng phương pháp bốc bay trong chân không dùng chùm tia điện tử và tái kết tinh trong ôxy áp suất thấp.

Với cấu trúc nanô, màng VO2 có nhiệt độ chuyển pha thấp hơn màng thông thường khoảng 30C. Quá trình chuyển pha bán dẫn kim loại xảy ra trong VO2 dẫn đến thay đổi độ dẫn và phổ quang học:
Điện trở suất hạ thấp gần ba bậc, độ truyền qua giảm, độ phản xạ tăng tại bước sóng vùng hồng ngoại với độ khác biệt từ 35 – 50%.

Đây là cơ sở chế tạo cảm biến nhiệt-quang trên cơ sở phủ lớp màng VO2 nanô lên đầu sợi quang, ghép nối với hệ thu phát và xử lý tín hiệu quang phụ thuộc nhiệt độ.
Lựa Chọn Cảm Biến Áp Suất Phù Hợp
Ngày nay, trên thị trường, chúng ta phần lớn tìm thấy các loại cảm biến áp suất kiểu tụ, kiểu từ trở, kiểu dòng xoáy, kiểu áp kế gắn vật liệu biến dạng, kiểu màng mỏng và silicon với hiệu ứng áp điện trở.

Chúng ta hãy xét qua một lượt những ưu, nhược điểm của cảm biến áp suất dựa trên những công nghệ nói trên qua đó quyết định lựa chọn cho mình loại sản phẩm phù hợp.
1_Cảm biến áp suất kiểu tụ:
Cảm biến áp suất kiểu tụ thường ổn định và có hiệu năng cao nhưng lại đòi hỏi quy trình cách ly nghiêm ngặt hơn so với những loại cảm biến khác nhằm tách biệt phần tử tụ điện khỏi bị nhiễm bẩn và hơi ẩm
Cảm biến áp suất kiểu tụ được đóng gói công phu bằng những vật liệu khác nhau như vỏ thép không gỉ, chịu được điều kiện khắc nghiệt nhất.

Thiết bị này có độ chính xác cao (0,04%), độ đáp ứng 100ms. Dòng điện lối ra chuẩn 4-20mA; băng thông chờ sẵn cho phép nâng cấp độ điều khiển.

Loại cảm biến với độ tin cậy siêu cao này có thể dùng được trong các dây truyền công nghệ, làm tăng mức độ sẵn sàng của dây truyền và làm giảm thời gian bảo dưỡng.
2_Cảm biến áp suất kiểu dòng xoáy và từ trở:
Loại cảm biến này phù hợp nhất cho ứng dụng với P << 1 psi (với vùng áp suất thấp).

Trong cảm biến áp suất kiểu dòng xoáy hình trên, từ thông tần số cao được đưa vào bằng hai cuộn cảm vào trong một bia dẫn phi từ.
Bia này gắn với một màng dao động khi áp suất thay đổi.

Sự khác nhau về cảm ứng từ giữa hai cuộn cảm sẽ quyết định vị trí của màng ngăn và do đó sẽ xác định được áp suất vi sai.

Mạch điện tử tích hợp sẽ chuyển thay đổi thành tín hiệu được bù nhiệt ở lối ra.

Cảm biến loại này vì thế thường được sử dụng ở những ứng dụng có điện thế cao với áp suất vi sai <2,5 mBar
Việc thiết lập cấu hình cho áp suất vi sai trong môi trường ướt cũng không gặp trở ngại gì, và không cần tới dầu cách ly.

Điều đáng nói ở đây là thiết bị cho loại cảm biến này tương đối kềnh càng, nặng nề hơn các loại cảm biến khác, và có giá thành cao hơn.
3_Cảm biến áp suất triên vật liệu biến dạng:
Công nghệ cảm biến áp suất trên kểu phần tử biến dạng dán (Strain Gauge – S.G) đã có từ gần 50 năm và vẫn được nhiều nhà sản xuất chế tạo.

Vì phần tử biến dạng được gắn trực tiếp lên màng dao động nên nếu ta tăng bề dầy màng thì có thể làm tăng khoảng đo áp suất
Vì phần tử biến dạng được gắn trực tiếp lên màng dao động do đó chúng ta không cần cách ly màng, cũng không cần dùng dầu cách ly.

Cảm biến vì thế mà rất bền về mặt cơ học trong những môi trường bào mòn dễ làm rách phần tiếp xúc giữa phần tử biến dạng với màng dao động.

Đó cũng là hai ưu điểm chính của loại cảm biến này so với những công nghệ cảm biến áp suất khác.
Tuy vậy, cảm biến loại này có độ chính xác tương đối khiêm tốn và tuổi thọ của cảm biến không được tốt vì phần tử biến dạng được gắn trên màng.

Điều này cũng làm hạn chế nhiệt độ làm việc của cảm biến.

Loại cảm biến này rất phù hợp cho các ứng dụng thủy lực do thời gian đáp ứng của màng dao động tương đối thấp. Với dòng sản phẩm này, chúng ta có thể tìm được những loại cảm biến với giá cả hợp lý.
4_Cảm biến áp suất dựa trên công nghệ
màng mỏng:
Cảm biến loại này chứa đựng trong nó mọi ưu điểm của cảm biến áp suất kiểu phân tử biến dạng dán và cộng với khả năng hoạt động ổn định rất cao.

Loại cảm biến này thường được chế tạo bằng việc phun xạ phần tử biến dạng lên trên chất liệu cách điện.
Màng dao động trong cảm biến phải được làm bằng kim loại cứng với hằng số lò xo cao như thép không gỉ.

Màng cảm biến tuy khối lượng tương đối cao nhưng điều này không làm hạn chế thời gian đáp ứng của cảm biến.

Công nghệ phun xạ hay công nghệ màng mỏng cho phép chế tạo các cảm biến áp suất dùng nhiều năm mà không phải lo lắng gì ở những điều kiện môi trường tương đối khắc nghiệt
CẢM BIẾN ĐO MỰC CHẤT LỎNG – HỆ THỐNG BUBBLER
Hệ thống Bubbler là một hệ thống tương đối rẻ tiền nhưng là một phương tiện dùng để đo mực chất lỏng trong những thùng chứa hở hoặc có lỗ thông hơi rất chính xác.
Đặc biệt là trong những môi trường như: trong các tháp làm mát, bể bơi, bể chứa chất lỏng, trong các thùng chứa dầu có lỗ thông hơi, trong các ống dẫn nước, trong các gioăng không khí….
Cấu tạo thiết bị đo mực chất lỏng
Cấu tạo thiết bị đo mực chất lỏng
Hệ thống Bubbler gồm một bộ phận nén hơi cưỡng bức thông qua một cái ống đặt trong thùng. Áp suất được yêu cầu sao cho: lực của không khí ở ngoài ống phải cân bằng với áp suất được tạo ra bởi chất lỏng ở trên cuối đường ống.
Model 360C là mẫu ứng dụng rất xuất sắc công nghệ này. Lỗ dưới của thùng dùng để dẫn chất lỏng có áp suất cao, còn lỗ trên có áp suất bằng áp suất khí quyển.
Mẫu 360C được thiết kế dung đế đo áp suất chất lỏng:

Sau đó 360C được dung để đo các áp suất khác nhau được tạo ra bởi chất lỏng trong thùng:

Một câu hỏi được đặt ra là khi ta đã biết áp suất được tạo ra bởi chất lỏng trong thùng thì bằng cách nào chúng ta có thể thay đổi được mực chất lỏng? Điều này có lien quan đến trọng lực, cột chất lỏng ở 700F, cao 2.31 feet tạo ra áp suất là 1 psi. Vì vậy, nếu chất lỏng là nước, nếu áp suất được đo bởi 360C là 2.31 psi thì chúng ta có thể biết được là cột nước trong thùng cao bao nhiêu feet.
Bảng sau đây là giá trị áp suất của nước ở các nhiệt độ khác nhau.

Ví dụ
Nước ở 1000F có dãy áp suất đo bởi 360C là 0 đến 3 ( output ở 0 psi là 4 Ma, ở 3 psi là 20mA), nếu 360C có giá trị là 17.8 mA, thì mực chất lỏng là bao nhiêu?
-Để tính mực chất lỏng ta áp dụng công thức:
Level= [mA out – 4)x R x ft/psi]/16
= [17.8 – 4 ) x 3 x 2.323 ] /16 = 6 feet.