Đang tải... (xem toàn văn)
Một giải pháp thiết kế, chế tạo mô đun chuẩn hóa tín hiệu ứng dụng trong hệ thống đo lường đa kênh. Nonlinear coupling Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KHCN quân sự, Số 82, 10 2022 171 Một giải pháp thiết kế, chế tạo mô đun chuẩn hóa tín hiệu ứng dụng trong hệ thống đo lường đa kênh.
Thông tin khoa học công nghệ Một giải pháp thiết kế, chế tạo mơ đun chuẩn hóa tín hiệu ứng dụng hệ thống đo lường đa kênh tàu quân Phạm Văn Hậu*, Đinh Văn Ngọc, Lê Anh Quang, Lương Quốc Lệ Viện Công nghệ thông tin/Viện Khoa học Công nghệ quân *Email: ngocqn@gmail.com Nhận bài: 25/7/2022; Hoàn thiện: 25/9/2022; Chấp nhận:12/10/2022 ; Xuất bản: 28/10/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.82.2022.171-174 TÓM TẮT Bài báo đưa giải pháp thiết kế mơ đun chuẩn hóa tín hiệu sử dụng cho nhiều loại cảm biến khác nhau, ứng dụng hệ thống đo lường đa kênh tàu quân giúp mang lại hiệu triển khai hệ thống bảo trì Kết cho thấy rằng, sử dụng mô đun thiết kế để chuẩn hóa tín hiệu đầu nhiều cảm biến khác đảm bảo độ xác cao với sai số nhỏ 0,6% Giải pháp giúp tiết kiệm chi phí sản xuất thời gian bảo trì sửa chữa cơng tác bảo đảm vũ khí thiết bị cơng nghệ cao tàu quân Từ khóa: Hệ thống đo lường; Mơ đun chuẩn hóa tín hiệu; Cảm biến MỞ ĐẦU Trên tàu quân sự, cảm biến đo lường khác lắp đặt nhiều để cung cấp thông tin cần thiết đảm bảo giám sát thông số tàu như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, nồng độ khí loại, mức nước khoang, Tùy theo chủng loại kích thước tàu mà cần lắp đặt hàng trăm hàng nghìn cảm biến có chức khác Để thu thập thông tin từ cảm biến thủ phục vụ công tác vận hành, huy tàu cần sử dụng hệ thống đo lường đa kênh Hiện nay, giới có nhiều hệ thống đo lường đa kênh có chức giới thiệu sử dụng hệ thống MSK (Nga) [1], MGM (Mỹ) [2] Tuy nhiên, sản phẩm nước ngồi có mức giá cao Bài tốn đặt hệ thống đo lường sử dụng số lượng lớn cảm biến làm sử dụng loại mơ đun cho phép chuẩn hóa tín hiệu điện khác đầu sơ cấp đảm bảo độ xác Trong báo này, nhóm tác giả đưa giải pháp thiết kế, chế tạo mơ đun chuẩn hóa tín hiệu hiệu chỉnh dải đo Kết thực nghiệm mơ đun chuẩn hóa tín hiệu sử dụng cho hai loại cảm biến nhiệt độ có dải giá trị điện trở đầu sơ cấp từ 100 đến 130 Ohm từ 100 đến 214 Ohm có sai số lý thuyết thực nghiệm nhỏ 0,6% đạt yêu cầu độ tin cậy Có thể nói giải pháp thiết kế, chế tạo mơ đun chuẩn hóa tín hiệu trình bày báo tiền đề, điểm mấu chốt giúp nhóm tác giả nghiên cứu chế tạo hệ thống đo lường đa kênh tàu quân giúp làm chủ thiết kế, vật tư linh kiện nhằm sửa chữa hỏng hóc q trình sử dụng, khơng bị phụ thuộc vào đối tác nước ngồi GIẢI PHÁP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ ĐUN CHUẨN HĨA TÍN HIỆU Hình Sơ đồ khối chức mơ đun chuẩn hóa tín hiệu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 82, 10 - 2022 171 Thông tin khoa học công nghệ Sơ đồ khối chức mơ đun chuẩn hóa tín hiệu gồm khối giải pháp điều chỉnh dải đo thực khối điều chỉnh nguồn dòng khối điều chỉnh hệ số khuếch đại Trên hình thể ngun lý hoạt động mơ đun chuẩn hóa tín hiệu Ta có, phụ thuộc tuyến tính Rt, R0 vào hệ số a theo công thức: Rt = R0 (1 + at ) (1) Trong đó: - Rt: Giá trị điện trở cần xác định đầu sơ cấp cảm biến; - R0: Biến trở điều chỉnh tương ứng với đầu nhiệt độ t0 = oC Hình Ngun lý mơ đun chuẩn hóa tín hiệu Giải pháp đưa sử dụng biến trở R0 để điều chỉnh cho điện trở cảm biến mức nhỏ dải đo điện áp đầu mạch chuẩn hóa V; điện trở cảm biến mức lớn dải đo điện áp đầu mạch chuẩn hóa xấp xỉ V Sử dụng hai Op-Amp DA1 DA2 đệm đầu vào giúp dễ dàng kết hợp với trở kháng khuếch đại phần trước Theo sơ đồ nguyên lý, ta có: V1 = I ( Rt + R0 ) V2 = I Rt V1 = V3 (2) (3) (4) R V4 = V2 1 + = 2V2 R3 (5) Vout = AI ( Rt − R0 ) (6) Suy ra: Cảm biến loại có dải giá trị điện trở đầu sơ cấp từ 100 đến 130 Ohm, R = 100 Ohm Từ phương trình (6), ta có: - Nếu Rt = 100 Ohm Vout = V; - Nếu Rt = 130 Ohm Vout = A.I0 (130-100) = 30.A.I0 Để điện áp Vout = V, lựa chọn hệ số A = 83,33 I0 = mA Vì vậy, với A = 83,33 I0 = mA cảm biến loại có dải giá trị điện trở đầu sơ cấp từ 100 đến 130 Ohm; R0 = 100 Ohm tạo tín hiệu điện Vout có giá trị từ đến V Cảm biến loại có dải giá trị điện trở đầu sơ cấp từ 100 đến 214 Ohm, R = 100 Ohm Từ công thức (6), ta có: - Nếu Rt = 100 Vout = V 172 P V Hậu, …, L Q Lệ, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo mô đun … đa kênh tàu quân sự.” Thông tin khoa học cơng nghệ - Nếu Rt = 214 Vout = A.I0 (214-100) = 114.A.I0 Để điện áp đầu Vout = V, lựa chọn hệ số A = 22 I0 = mA Vì vậy, với A = 22 I0 = mA cảm biến loại có dải giá trị điện trở đầu sơ cấp từ 100 đến 214 Ohm; R0 = 100 Ohm tạo tín hiệu điện Vout có giá trị từ đến V KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để đánh giá độ tin cậy giải pháp tiến hành so sánh kết thực nghiệm tính tốn lý thuyết mô đun đo điện trở (sau gọi mô đun C) Mơ đun C: khối tạo nguồn dịng I0, khuếch đại vi sai sử dụng Op-Amp 140УД17 khối điều chỉnh nguồn dòng I0, hệ số khuếch đại A giúp hiệu chỉnh dải đo Bộ khuếch đại hoạt động từ ±12V DC có độ lợi 10 [3] Mạch nguồn dòng điều khiển điện áp sử dụng Op-Amp 140УД17 (DA4) Transistor 2Т313В (VT2) Hình Hình ảnh mơ đun chuẩn hóa tín hiệu Tín hiệu đầu vào lấy từ hai loại cảm biến nhiệt độ: cảm biến loại (ТСП/1-8045 ВП) cho phép kiểm soát nhiệt độ khoảng từ đến +75 °С, dải giá trị điện trở tương ứng từ 100 đến 130 Ohm [4]; cảm biến loại (ТСП/1-8040) cho phép kiểm soát nhiệt độ khoảng từ đến +300 °С, dải giá trị điện trở tương ứng từ 100 đến 214 Ohm [4] Thông qua mô đun C, tín hiệu điện từ cảm biến chuẩn hóa thành điện áp Vout có giá trị khoảng từ đến V Theo [5], tính sai số kết đo thực nghiệm tính tốn lý thuyết theo công thức: = VTN − VLT *100% (7) Trong đó: - γ: Sai số kết thực nghiệm tính tốn lý thuyết; - Vout_TN: Giá trị tín hiệu điện theo thực nghiệm đầu mô đun C; - Vout_LT: Giá trị tín hiệu điện theo tính tốn lý thuyết đầu mơ đun C Bảng Chuẩn hóa tín hiệu từ cảm biến Giá trị đầu sơ cấp Rt Tín hiệu điện đầu tương ứng Vout (mV) Sai số γ STT (Ω) (%) Lý thuyết Vout_LT Thực nghiệm Vout_TN 100,04 0,06 103,10 517 492 0,50 106,01 1002 996 0,12 109,07 1512 1514 0,04 112,03 2005 2014 0,18 115,01 2502 2517 0,30 117,96 2993 3011 0,36 121,03 3505 3521 0,32 123,99 4011 4029 0,36 10 127,08 4528 4545 0,34 11 129,99 4998 5000 0,04 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 82, 10 - 2022 173 Thông tin khoa học cơng nghệ Bảng Chuẩn hóa tín hiệu từ cảm biến Giá trị đầu sơ cấp Rt Tín hiệu điện đầu tương ứng Vout (mV) Sai số γ STT (Ω) (%) Lý thuyết Vout_LT Thực nghiệm Vout_TN 100,01 0.4 0,07 110,01 439 421 0,36 120,01 878 860 0,36 130,03 1317 1301 0,32 140,05 1757 1740 0,34 150,04 2195 2181 0,28 160,01 2632 2619 0,26 170,02 3071 3059 0,24 180,01 3509 3500 0,18 10 190,03 3949 3940 0,18 11 213,99 5000 4988 0,24 Kết thử nghiệm mơ đun C chuẩn hóa liệu sử dụng hai loại cảm biến giá trị điện trở đầu sơ cấp cảm biến thay đổi khoảng cho phép tạo tín hiệu điện Vout đầu mơ đun có giá trị từ đến 5V, sai số γ kết đo thực nghiệm tính tốn lý thuyết nằm khoảng từ đến 0,6 % đó, đạt yêu cầu độ tin cậy [5] KẾT LUẬN Dựa kết thực nghiệm cho thấy, mô đun chuẩn hóa tín hiệu hoạt động tin cậy, ổn định đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề Nhóm tác giả đưa giải pháp thiết kế, chế tạo mơ đun chuẩn hóa tín hiệu hồn chỉnh từ lý thuyết đến thực tiễn vấn đề thu thập xử lý tín hiệu từ cảm biến khác Giải pháp đưa làm tiền đề cho việc thiết kế, chế tạo hệ thống đo lường đa kênh với số lượng đầu vào lớn tàu quân giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, bảo trì sửa chữa nâng cao hiệu sử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://agat-kip.ru/catalog/product/avtomatizirovannaya-sistema-kontrolya-posadki-sudna-ask/ [2] Paul D Mudgett, “US Navy Submarine Sea Trial of NASA developed Multi-Gas Monitor”, 47th International Conference on Environmental Systems, (2017) [3] Кувакина А.Е., “Малогабаритное устройство для измерения температуры”, МГТУ им Н Э.Баумана, кафедра ИУ3, (2016) [4] http://td-str.ru/file.aspx?id=26504 [5] Quy trình kiểm định “Hệ thống đo lường tích hợp МСК”, Khánh Hịa, (2017) ABSTRACT A solution for designing and manufacturing signal normalization module for application in multichannel measurement system on military ship This article presents a solution to design a signal normalization module that can be used for many different types of sensors applied in multi-channel measurement systems on military ships The results show that a signal normalization module using output signal normalization of many different sensors ensures high accuracy with an error of less than 0,6% This solution helps save production costs and maintenance time in the work of securing high-tech weapons and equipment on military ships Keywords: Measuring system; Signal normalization module; Sensor 174 P V Hậu, …, L Q Lệ, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo mô đun … đa kênh tàu quân sự.” ... đưa giải pháp thiết kế, chế tạo mơ đun chuẩn hóa tín hiệu hoàn chỉnh từ lý thuyết đến thực tiễn vấn đề thu thập xử lý tín hiệu từ cảm biến khác Giải pháp đưa làm tiền đề cho việc thiết kế, chế tạo. .. L Q Lệ, ? ?Một giải pháp thiết kế, chế tạo mô đun … đa kênh tàu quân sự.” Thông tin khoa học cơng nghệ - Nếu Rt = 214 Vout = A.I0 (214-100) = 114.A.I0 Để điện áp đầu Vout = V, lựa chọn hệ số A =... nghệ Sơ đồ khối chức mơ đun chuẩn hóa tín hiệu gồm khối giải pháp điều chỉnh dải đo thực khối điều chỉnh nguồn dòng khối điều chỉnh hệ số khuếch đại Trên hình thể nguyên lý hoạt động mô đun chuẩn