Hiệu chuẩn LVDT và cảm biến dòng xoáy: bộ hiệu chuẩn vi kế, hệ số thang, độ tuyến tính, vật liệu bia

Hiệu chuẩn tĩnh LVDT và đầu dò dòng xoáy đo khe hở: bộ hiệu chuẩn vi kế, tính hệ số thang, hệ số từng đoạn, độ lệch đường thẳng, sai số tuyến tính và ảnh hưởng của vật liệu bia.

LVDT và cảm biến dòng xoáy là hai loại cảm biến chuyển vị không tiếp xúc hoặc gần như không ma sát được dùng nhiều trong công nghiệp: LVDT đo hành trình van, độ lún, biến dạng mẫu thử; cảm biến dòng xoáy đo khe hở và rung trục của tua bin, máy nén, bơm lớn. Cả hai đều cho tín hiệu điện tỉ lệ với vị trí, nhưng hệ số tỉ lệ chỉ đúng khi được hiệu chuẩn trong đúng điều kiện sử dụng. Bài này trình bày nguyên lý ngắn gọn, cách hiệu chuẩn tĩnh từng loại, cách tính hệ số thang và độ tuyến tính từ số liệu, và những yếu tố làm kết quả hiệu chuẩn mất giá trị khi lắp lên máy.

1. Nguyên lý ngắn gọn

• LVDT (biến áp vi sai biến đổi tuyến tính): một cuộn sơ cấp được kích bằng điện áp xoay chiều (thường 1–10 kHz), hai cuộn thứ cấp đặt đối xứng. Lõi sắt từ dịch chuyển làm điện áp hai cuộn thứ cấp chênh nhau; bộ giải điều chế đổi chênh lệch đó ra điện áp một chiều có dấu theo chiều dịch chuyển. Vị trí lõi ở giữa gọi là điểm null.
• Cảm biến dòng xoáy: cuộn dây ở đầu dò được cấp dòng cao tần, sinh dòng xoáy trong bề mặt kim loại phía trước. Khe hở càng nhỏ, tổn hao càng lớn; bộ tiền khuếch đại đổi ra điện áp. Hệ đầu dò bảo vệ máy phổ biến có độ nhạy 7,87 V/mm (200 mV/mil) trên thép, dải tuyến tính khoảng 2 mm, điện áp ra âm.

Xem thêm cấu tạo chi tiết trong bài cảm biến chuyển vị: biến trở, LVDT, điện dung, dòng xoáy, laser.

2. Thiết bị hiệu chuẩn tĩnh

Hiệu chuẩn tĩnh dùng một chuẩn chiều dài tạo các vị trí đã biết:

• Đầu dò dòng xoáy: bộ hiệu chuẩn vi kế gồm giá kẹp đầu dò và một đĩa bia gắn trên trục đầu vi kế. Đĩa bia phải cùng vật liệu với trục máy sẽ đo (thường thép 4140), mặt phẳng, đủ lớn.
• LVDT: kẹp thân LVDT nhẹ nhàng (ép mạnh làm méo ống, lõi cọ thành), cần đẩy lõi nối với đầu vi kế, thước quang hoặc tì lên chồng căn mẫu.

Độ không đảm bảo của đầu vi kế phải nhỏ so với dung sai cần kiểm: đầu vi kế tốt có sai số khoảng 1–2 µm, đủ cho đầu dò bảo vệ máy (tiêu chí cỡ ±25 µm), nhưng chưa đủ để hiệu chuẩn LVDT dải nhỏ độ chính xác cao; khi đó dùng căn mẫu hoặc thước quang.

3. Hiệu chuẩn đầu dò dòng xoáy

1. Lắp đúng bộ: đầu dò, cáp nối dài và bộ tiền khuếch đại là một hệ được hiệu chuẩn chung; độ dài tổng của cáp (ví dụ 5 m hoặc 9 m) là một phần của hiệu chuẩn.
2. Cấp nguồn đúng điện áp (thường −24 V một chiều) và để ổn định vài phút.
3. Đặt khe hở từ nhỏ đến lớn, mỗi bước 0,25 mm (hoặc 10 mil) trong dải tuyến tính, ghi điện áp ra.
4. Tính hệ số thang trung bình (độ dốc đường thẳng khớp bình phương tối thiểu), hệ số từng đoạn (chênh điện áp chia chênh khe hở giữa hai điểm liền nhau) và độ lệch của từng điểm so với đường thẳng khớp, quy ra micromét.

Với hệ đầu dò bảo vệ máy, tiêu chí thường dùng (tham khảo API 670) là hệ số thang trung bình trong khoảng ±5 % quanh 7,87 V/mm và độ lệch so với đường thẳng không quá khoảng ±25 µm. Ví dụ trên đạt cả hai. Nếu hệ số thang lệch nhiều, kiểm tra lại vật liệu bia, độ dài cáp và bộ tiền khuếch đại có đúng bộ không trước khi kết luận đầu dò hỏng.

4. Hiệu chuẩn LVDT

1. Cấp kích thích đúng biên độ và tần số của bộ điều hòa tín hiệu sẽ dùng (hoặc dùng chính bộ đó); LVDT loại một chiều có mạch tích hợp thì chỉ cần nguồn.
2. Tìm điểm null: dịch lõi tới khi điện áp ra bằng 0 (hoặc nhỏ nhất); đặt chuẩn về 0 tại đó.
3. Đo hai phía: đặt lõi tại các vị trí đều nhau từ −dải đến +dải, ghi điện áp; đo cả chiều đi và chiều về.
4. Tính độ nhạy (độ dốc đường thẳng khớp, V/mm) và sai số tuyến tính của từng điểm theo phần trăm toàn thang. Nhà sản xuất thường công bố độ tuyến tính ±0,1–0,5 % toàn thang tùy loại.
5. Nếu dùng ngoài dải tuyến tính, sai số tăng nhanh; muốn dùng phải hiệu chuẩn thêm điểm và dùng hiệu chính đa thức.

5. Những yếu tố làm sai sau khi lắp lên máy

• Vật liệu trục khác vật liệu bia hiệu chuẩn: độ dẫn điện, độ từ thẩm, cả ứng suất dư và lớp mạ đều làm độ nhạy đầu dò dòng xoáy thay đổi. Trục bằng thép không gỉ, mạ crôm hay nhôm cần hiệu chuẩn trên mẫu cùng vật liệu.
• Bề mặt bia nhỏ hoặc cong: trục đường kính nhỏ làm độ nhạy giảm; nhà sản xuất thường khuyến nghị đường kính trục tối thiểu theo kích cỡ đầu dò.
• Đảo điện và đảo cơ: vết xước, vết từ hóa, cấu trúc kim loại không đều trên vùng đo làm tín hiệu dao động dù trục không rung; xử lý bề mặt trước khi lắp.
• LVDT: lõi lệch tâm cọ vào thành ống gây trễ; từ trường mạnh gần đó gây nhiễu; cáp dài làm lệch pha tín hiệu kích thích.
• Nhiệt độ: cả hai loại đều trôi điểm 0 và độ nhạy theo nhiệt độ; giá đỡ đầu dò giãn nở cũng làm khe hở thay đổi.

Sau khi lắp, nên kiểm tra tại chỗ: đo điện áp khe hở tĩnh (gap voltage) so với giá trị đặt, hoặc dịch LVDT một đoạn đã biết bằng căn mẫu để xác nhận hệ số.

6. Những lỗi hay gặp

7. Xem thêm

• Cảm biến chuyển vị: biến trở, LVDT, điện dung, dòng xoáy, laser – cấu tạo, nguyên lý và chế tạo.
• Các bài khác trong loạt: chuẩn chiều dài và căn mẫu, hiệu chuẩn cảm biến laser và extensometer, đo rung trục theo ISO 20816.