TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

#"





MÔN HỌC
THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG


GIẢNG VIÊN: ThS. ĐỒNG SỈ THIÊN CHÂU



CHƯƠNG I: CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA ĐO LƯỜNG
- Dụng cụ đo lường (instrument) là một thiết bò biến
đổi đại lượng vật lý cần đo (measurand) thành một đại
lượng thích hợp tương đương có thể ghi lại được
(measurement). Đại lượng đo thường được sử dụng
trong một hệ thống đơn vò (units) tiêu chuẩn để có thể
so sánh giữa dụng cụ đo này với dụng cụ đo khác.
VD: Dụng cụ đo: thước đo chiều dài.
Đại lượng cần đo: chiều dài của đối tượng.
Đại lượng đo được: số đo theo đơn vò chiều dài
(mm, cm, m…) biểu diễn chiều dài của đối tượng.
1. MÔ HÌNH DỤNG CỤ ĐO ĐƠN GIẢN:
Hình 1.1 biểu diễn mô hình thông thường của một

dụng cụ đo đơn giản. Nó bao gồm đại lượng vật lý
cần đo và đại lượng đo được được biểu diễn bởi biến
vật lý có thể quan sát được X. Biến vật lý X không
nhất thiết phải là đại lượng cần đo nhưng có mối liên
hệ với đại lượng cần đo theo một mối quan hệ nào
đó.
Phần tử chức năng chủ yếu của mô hình dụng cụ đo
trong hình 1.1 là cảm biến (sensor), nó có chức năng
biến đổi đại lượng ngõ vào vật lý thành một biến tín
hiệu ngõ ra (signal variable output). Các biến tín
hiệu có tính chất là chúng có thể được thao tác trong
một hệ thống truyền, như một mạch điện hay một hệ
thống cơ khí. Bởi tính chất này nên biến tín hiệu có
thể được truyền tới thiết bò ngõ ra hay thiết bò ghi ở
gần hay xa bằng phương pháp vô tuyến hay hữu
tuyến từ cảm biến. Trong các mạch điện, tín hiệu
điện áp là tín hiệu phổ biến. Trong các hệ thống cơ
khí, độ dòch chuyển hay lực là tín hiệu thường được
sử dụng phổ biến.
Bảng 1.1 trình bày các biến vật lý và các biến tín hiệu thường
gặp. Tín hiệu ngõ ra từ cảm biến có thể được hiển thò, được
ghi lại hay được truyền tới một thiết bò hay hệ thống thứ cấp
khác. Trong một dụng cụ đo cơ bản, biến tín hiệu thượng
được hiển thò, ghi lại mà con người có thể quan sát được. Ngõ
ra được quan sát gọi là M. Có nhiều kiểu thiết bò hiển thò, từ
các cân trọng lượng đơn giản đến các thiết bò hiển thò phức
tạp trên máy tính. Tín hiệu cũng có thể sử dụng trực tiếp bởi
một số hệ thống lớn hơn mà dụng cụ đo là một phần tử trong
hệ thống đó. Ví dụ: tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín hiệu
ngõ vào của một hệ thống điều khiển vòng kín (closed loop

control system).
Nếu tín hiệu ngõ ra từ cảm biến nhỏ (dòng, áp…),
cần phải khuếch đại tín hiệu như trong hình 1.2. Tín
hiệu ngõ ra sau khi đã khuếch đại được đưa tới các
thiết bò hiển thò hay thiết bò ghi tùy thuộc vào từng
ứng dụng cụ thể. Trong nhiều trường hợp, tín hiệu
này phải được biến đổi thành tín hiệu số để có thể
giao tiếp với máy tính hay các hệ thống vi điều
khiển khác. Nếu tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín
hiệu analog, cần thực hiện biến đổi thành tín hiệu số
sử dụng bộ biến đổi ADC như trong hình 1.2.
II. CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG (PASSIVE) VÀ CẢM BIẾN TÍCH CỰC (ACTIVE)
- Cảm biến (sensor) thông thường là các bộ chuyển đổi
(transducers), trong đó nó là các thiết bò chuyển đổi từ một
dạng năng lượng ngõ vào thành một dạng năng lượng ngõ ra
khác. Cảm biến có thể được chia thành 2 loại: cảm biến thụ
động và cảm biến tích cực phụ thuộc vào cách chúng tương
tác với môi trường hoạt động của chúng.
- Cảm biến thụ động (passive sensors): không cần cung cấp
thêm năng lượng trong quá trình đo nhưng có thể loại bỏ năng
lượng trong hoạt động của chúng. VD: Thermocouple: biến
đổi nhiệt độ thành điện áp. Trong trường hợp này, gradient
nhiệt độ được biến đổi thành điện áp nhiệt điện, chính là ngõ
ra của cảm biến này. Một VD khác là pressure gage, áp suất
Ỉ lực tác động vào hệ thống cơ khí Ỉ gây nên độ dòch
chuyển, đây chính là tín hiệu ngõ ra của cảm biến.
- Cảm biến tích cực (Active sensors): cần cung cấp thêm
năng lượng trong quá trình đo. VD: trong một hệ thống Radar
hay siêu âm, khoảng cách tới một số đối tượng được đo bằng
cách gửi đi một sóng radio hay sóng siêu âm và thu sóng

phản xạ về từ đối tượng, từ đó đo khoảng cách từ đối tượng
tới cảm biến.
III. CHUẨN HÓA CẢM BIẾN (CALIBRATION)
Mối quan hệ giữa ngõ vào vật lý với ngõ ra của cảm
biến được xem như chuẩn của cảm biến. Thông
thường, một cảm biến được đònh chuẩn bằng cách
cung cấp một tín hiệu ngõ vào đã biết và đo tín hiệu
ngõ ra. Dữ liệu đo được và đặc tuyến chuẩn của cảm
biến được vẽ trên cùng một đồ thò như hình sau:
Trong VD này, cảm biến có một đáp ứng gần như
tuyến tính đối với các ngõ vào có giá trò nhỏ hơn X0.
Độ nhạy (Sensitivity) của thiết bò được xác đònh bởi
độ dốc (slope) của đường đặc tuyến. Trong VD trên,
với các giá trò ngõ vào lớn hơn X0, độ dốc của đường
đặc tuyến trở nên nhỏ hơn cho đến khi nó đạt một
giới hạn của ngõ ra. Trường hợp này được gọi là bão
hòa (saturation), và lúc này cảm biến không thể sử
dụng để biến đổi những giá trò lớn hơn giá trò bão
hòa của nó. Trong một số trường hợp, cảm biến
không đáp ứng với các giá trò ngõ vào rất nhỏ. Hiệu
của giá trò ngõ vào lớn nhất và giá trò ngõ vào nhỏ
nhất mà cảm biến làm việc hiệu quả được gọi là tầm
động (dynamic range) của cảm biến.
IV. HIỆU CHỈNH VÀ GIAO THOA NGÕ VÀO
Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến sẽ bò ảnh
hưởng do các tín hiệu ngõ vào không phải là đối tượng cần
đo.
Trong hình 1.4, X là tín hiệu ngõ cần đo, Y là tín hiệu ngõ
vào giao thoa (interfering input) và Z là ngõ vào hiệu chỉnh
(modifying input). Ngõ vào Y sẽ làm ảnh hưởng, gây ra sai số

ở ngõ ra do cảm biến đáp ứng với cả tín hiệu ngõ vào X và Y.
ngõ vào hiệu chỉnh Z làm thay đổi hoạt động của cảm biến
hay hệ thống đo, do đó hiệu chỉnh mối quan hệ giữa ngõ vào
và ngõ ra và đònh chuẩn hoạt động của thiết bò.
Hình 1.5 minh họa ảnh hưởng của ngõ vào hiệu chỉnh với các
giá trò khác nhau. Do đó, cần chọn lựa ngõ vào Z phù hợp
nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của ngõ vào giao thoa ở ngõ vào,
chuẩn hóa hoạt động của thiết bò.
V. ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ SAI SỐ:
Độ chính xác của thiết bò được đònh nghóa là sự khác
biệt giữa giá trò đúng của đại lượng cần đo và giá trò
đo được của đại lượng đó bởi dụng cụ đo. Đối với bất
kỳ dụng cụ đo nào cũng có sai số gây ra do sai số hệ
thống (systematic error) hay sai số ngẫu nhiên
(random error).
+ Các nguồn sai số hệ thống:
Có rất nhiều các yếu tố có thể gây ra sai số hệ thống.
Một trong các nguyên nhân gây ra là làm thay đổi đáp ứng
ngõ vào – ngõ ra của cảm biến. Các ngõ vào hiệu chỉnh và
các ngõ vào giao thoa cũng có thể gây ra sai số cho cảm biến.
VD: Nếu nhiệt độ là một ngõ vào hiệu chỉnh, sử dụng cảm
biến ở một nhiệt độ khác với nhiệt độ chuẩn hóa cũng có thể
gây ra sai số hệ thống. Trong một số trường hợp, nếu sai số
hệ thống đã biết, có thể khử nó bằng cách sử dụng phương
pháp bù (compensation methods).
Có các yếu tố khác cũng có thể làm thay đổi đáp ứng
của cảm biến gây ra sai số hệ thống. Trong một số cảm biến,
tuổi thọ của linh kiện cũng có thể làm thay đổi đáp ứng của
nó. Do đó, để tránh sai số hệ thống, cảm biến phải được đònh
chuẩn theo chu kỳ.

+ Các nguồn gây sai số ngẫu nhiên:
Sai số ngẫu nhiên có thể được xem là nhiễu. Nếu
trong một quá trình đo lường với giá trò sai số ngẫu nhiên
đúng được lặp lại một số lớn lần, phân bố đó được gọi là
phân bố Gaussian
CHƯƠNG II
ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ
z I. CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ
z * Giới thiệu:
z Một phương pháp phổ biến để đo lường nhiệt độ là sử
dụng Bộ phát hiện nhiệt điện trở (RTD: Resistive
Temparature Detector). Đây là một loại dụng cụ đo nhiệt
điện cung cấp độ chính xác cao: Các RTD công nghiệp đơn
giản được sử dụng trong một quá trình chế tạo có độ chính
xác ±0.10C, trong khi các cảm biến nhiệt điện trở Platin
tiêu chuẩn có độ chính xác là ±0.00010C.
z Điện trở của các kim loại dùng để chế tạo cảm biến
thay đổi theo một quy luật đã biết trước, phụ thuộc vào việc
tăng hay giảm của nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của
kim loại tăng. Khi nhiệt độ giảm, điện trở của kim loại
giảm. Các RTD sử dụng các tính chất này làm cơ sở để thực
hiện đo lường nhiệt độ.
Phần quan trọng nhất của RTD là một cuộn dây có
đường kính nhỏ, có tính đồng nhất cao, thường được chế
tạo từ platin, đồng hay niken.
- Trong số các vật liệu dùng để chế tạo cuộn dây cho RTD, platin là vật
liệu tốt nhất do tính ổn đònh lâu dài của nó theo thời gian ở nhiệt độ cao,
khả năng chống oxi hóa, và tầm nhiệt độ làm việc rất lớn.
- Trong dụng cụ đo sử dụng RTD, có 1 dòng điện không đổi chạy qua

RTD, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở của RTD, do đó sẽ
làm thay đổi điện áp đo được trên RTD. Sau đó điện áp được biến đổi trở
lại thành giá trò nhiệt độ bằng cách tính toán dựa vào mối quan hệ của
chúng.
-Các ye
á
u to
á
a
û
nh h
ư
ơ
û
ng đe
á
n sai so
á
cu
û
a ca
û
m bie
á
n: đo
à
ng
chất, biến dạng, độ căng của dây quấn.
- Với mỗi RTD có cấu tạo từ các kim loại khác nhau, nó
có độ nhạy, độ chính xác và tầm nhiệt độ khác nhau. Độ

nhạy của RTD được đònh nghóa là độ thay đổi điện trở của
cảm biến trên độ thay đổi của nhiệt độ. Với một số kim
loại thông dụng dùng để chế tạo RTD độ nhạy của nó
biến đổi theo quy luật sau:
Độ chính xác của RTD lớn hơn rất nhiều so với cảm biến
nhiệt Thermocouple trong phạm vi nhiệt độ làm việc bình
thường của RTD (-188.440C đến 648.880C). RTD cũng
có độ ổn đònh và độ chính xác lặp cao, do đó nó thường
được ứng dụng trong các lónh vực cần độ chính xác cao và
dùng để đònh chuẩn cho các thiết bò khác.
Hệ số nhiệt điện trở:
- Với mỗi kim loại dùng để chế tạo RTD có độ thay đổi của
điện trở theo nhiệt độ khác nhau. Hệ số nhiệt điện trở được
đònh nghóa như sau:
R100: Điện trở của cảm biến ở 100 độ C.
R0: Điện trở của cảm biến ở 0 độ C.
- Với hệ số nhiệt càng lớn thì độ thay đổi của điện trở theo
nhiệt độ càng lớn. Trong các vật liệu thường dùng để chế
tạo RTD, nikel có hệ số nhiệt điện trở cao nhất, Đồng
(copper) có hệ số nhiệt nhỏ nhất.
0
0
0100
100 CxR
RR
−
=
α
Ca
á

u tạo RTD:
- Cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn (SPRT: Standard
Platinium Resister Thermometer) là loại RTD có độ chính xác cao
nhất, chúng rất dễ vỡ, mỏng manh và được sử dụng chủ yếu trong
phòng thí nghiệm. Do nó mỏng manh, điện trở bò dao động nên nó
không đủ độ bền để sử dụng trong môi trường công nghiệp. SPRT
có độ chính xác lặp cao, độ trôi thấp nhưng giá thành nó rất cao do
vật liệu chế tạo và công nghệ chế tạo kỹ thuật cao. Trong SPRT,
dây Platin được sử dụng có đường kính lớn, có độ đồng chất cao.
Các đầu dây bên trong được chế tạo từ hỗn hợp Platin, Thạch Anh
và Silic. SPRT được sử dụng trên tầm nhiệt độ rất rộng, từ -2000C
đến hơn 10000C. Với các SPRT có nhiệt độ cao nhất khoảng
6600C, R0 khoảng 25.5Ω. Với các SPRT có tầm nhiệt độ cao hơn,
R0 khoảng 2.5Ω hoặc 0.25Ω. SPRT có thể có độ chính xác
±0.00010C nếu được sử dụng hợp lý.
- Với loại Cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn thứ cấp
(Secondary SPRT), chúng cũng thường được sử dụng trong các
phòng thí nghiệm. Cấu tạo của chúng cũng giống như SPRT, tuy
nhiên vật liệu dùng để chế tạo rẻ hơn, vỏ kim loại và kết hợp với
sứ cách điện. Các đầu dây bên trong thường sử dụng hợp kim
nickel.
II. CẢM BIẾN NHIỆT THERMOCOUPLE
-Mặc dù có nhiều loại cảm biến nhiệt được phát minh, chế tạo
và ứng dụng vào thực tế, nhưng Thermocouple (cặp nhiệt điện)
vẫn là loại cảm biến nhiệt được sử dụng phổ biến nhất để đo
lường nhiệt độ trong mọi lónh vực do: tính linh hoạt, đơn giản,
dễ sử dụng và giá thành vừa phải. Bất kỳ một cặp dây dẫn điện
và một vật liệu nhiệt điện khác loại đều có thể được ghép với
nhau để tạo thành cặp nhiệt điện.

- Hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện
Seebeck. Theo hiệu ứng này, nhiệt độ không đồng nhất giữa
các phần tử nhiệt sẽ tạo ra một điện áp, dựa vào mối quan hệ
của điện áp này với nhiệt độ, ta có thể tính ra được nhiệt độ
tương ứng. Tuy nhiên, cặp nhiệt điện cũng là một nguồn gây
nhiễu tần số thấp trong các mạch điện tử xung quanh nó.
1. Thermocouple đơn giản
- Trong các ứng dụng đơn giản, đồng hồ đo nhiệt sử dụng cặp
nhiệt dễ dàng sử dụng như các đồng hồ vạn năng thông
thường. Hiện nay, trong một số đồng hồ đo vạn năng có tích
hợp thêm đầu dò đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt. Các đầu dò
đo nhiệt này được thiết kế phù hợp để đo lường nhiệt độ bề
mặt lẫn nhiệt độ bên trong của đối tượng cần đo.
Có 3 hiệu ứng nhiệt điện là Seebeck, Peltier và Thompson.
Trong 3 hiệu ứng này, chỉ có hiệu ứng Seebeck là biến đổi
năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và tạo ra điện áp
được sử dụng trong các đồng hồ đo nhiệt. Các hiệu ứng
Peltier và Thompson chỉ vận chuyển nhiệt bởi dòng điện và
phân phối lại trong một mạch điện.
2. Các hiệu ứng nhiệt
Hiệu ứng Seebeck
Có 3 hiệu ứng nhiệt điện là Seebeck, Peltier và Thompson.
Trong 3 hiệu ứng này, chỉ có hiệu ứng Seebeck là biến đổi
năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và tạo ra điện áp
được sử dụng trong các đồng hồ đo nhiệt. Các hiệu ứng
Peltier và Thompson chỉ vận chuyển nhiệt bởi dòng điện và
phân phối lại trong một mạch điện.
Hiệu ứng Seebeck là sự xuất hiện của một nguồn sức điện
động, gọi là sức điện động Seebeck tuyệt đối , giữa 2 điểm
trong bất kỳ vật liệu dẫn điện riêng biệt nào do sự khác biệt

về nhiệt độ giữa chúng. Sức điện động Seebeck xuất hiện mà
không cần phải trên 2 vật liệu khác biệt nhau. Nó không phải
là một hiện tượng tiếp xúc, cũng không liên quan đến điện
thế tiếp xúc Volta.
Các tính chất Seebeck tuyệt đối:
-Hệ số Seebeck tuyệt đối biểu diễn độ nhạy đo lường [V/đơn
vò nhiệt độ] của hiệu ứng Seebeck. Nó được đònh nghóa trên
bất kỳ miền nhiệt điện đồng nhất nào của một vật dẫn riêng
biệt nào đó.
Hệ số Seebeck biểu diễn tính chất vận chuyển của tất cả các
vật liệu dẫn điện.
Với ΔΕ là độ biến thiên sức điện động giữa 2 điểm với bất kỳ khoảng cách nào,
giữa chúng có độ chênh lệch về nhiệt độ là