Giảm sai số phương tiện đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT HƢNG YÊN NGUYỄN THỊ QUYÊN GIẢM SAI SỐ PHƢƠNG TIỆN ĐO LƢU LƢỢNG THEO NGUYÊN LÝ CHÊNH ÁP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA HƢNG YÊN - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT HƢNG YÊN NGUYỄN THỊ QUYÊN GIẢM SAI SỐ PHƢƠNG TIỆN ĐO LƢU LƢỢNG THEO NGUYÊN LÝ CHÊNH ÁP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM NGỌC THẮNG HƢNG YÊN - 2022 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian năm học tập nghiên cứu Trường Đại học SPKT Hưng Yên, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình giảng viên hướng dẫn TS Trần Thị Hòa PGS.TS Phạm Ngọc Thắng đề tài luận văn tốt nghiệp “Giảm sai số phƣơng tiện đo lƣu lƣợng theo nguyên lý chênh áp” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Cán hướng dẫn TS Trần Thị Hòa PGS.TS Phạm Ngọc Thắng tận tình dẫn, giúp đỡ q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn Các thầy giáo cô giáo, cán giảng dạy khoa sau đại học; Khoa Điện – điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên trang bị đầy đủ kiến thức cần thiết tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu trường Toàn thể bạn bè đồng nghiệp, Trường Cao đẳng Công nghiệp Bắc Ninh, gia đình người thân quan tâm động viên giúp đỡ suốt q trình học tập, cơng tác hoàn thành luận văn T giả Luận văn Nguyễn Thị Quyên i LỜI C M ĐO N T i xin cam đoan nội dung luận văn kiến thức tổng hợp t c c nguồn tài liệu tham khảo tr ch dẫn r ràng trung thực C c kết t nh to n, thiết kế luận văn thân, bảo giảng viên hướng dẫn, kh ng ch p bất k c ng trình T giả Luận văn Nguyễn Thị Quyên ii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii Ở ĐẦU 1 CHỌN ĐỀ T I .1 ỊCH S NGHI N CỨU ỤC Đ CH NGHI N CỨU CỦ UẬN V N, Đ I TƯ NG V PH VI NGHI N CỨU C C UẬN ĐIỂ C ẢN V Đ NG G P ỚI .2 PHƯ NG PH P NGHI N CỨU .3 CHƯ NG TỔNG U N C C PHƯ NG PH P CẤU T C N NG C ĐỘ CH NH X C PHƯ NG TIỆN Đ HIỆU H I Đ I Ư NG KH NG ĐIỆN 1.1 TỔNG U N VỀ PHƯ NG TIỆN Đ HIỆU H I Đ I Ư NG 1.1.1 Cấu trúc phương tiện đo hiệu hai đại lượng 1.1.2 Phân t ch sai số phương tiện đo hiệu hai đại lượng kh ng điện 1.2 C C PHƯ NG PH P CẤU T C N NG C ĐỘ CH NH X C Đ HIỆU H I Đ I Ư NG KH NG ĐIỆN 1.2.1 C c phương ph p ổn định hàm biến đổi tĩnh c c phương tiện đo .8 1.2.2 C c phương ph p tự động hiệu chỉnh sai số phương tiện đo 1.3 KẾT UẬN CHƯ NG 17 CHƯ NG 18 KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI VÀ X LÝ TÍN HIỆU 18 2.1 Ộ CHUYỂN ĐỔI Đ S CẤP Đ P SUẤT 18 2.1.1 p suất .18 2.1.2 ộ chuyển đổi đo sơ cấp đo p suất 19 2.2 Ộ VI ĐIỀU KHIỂN PIC .22 2.2.1 Vi điều khiển PIC16F877 .23 iii 2.2.2 Trình biên dịch CCS cho PIC16F8877 37 2.2.3 Màn hình LCD 40 2.3 X PHI TUYẾN H IẾN ĐỔI T NG PHÉP Đ GI N TIẾP ẰNG NỘI SUY ẬC U ĐIỂ Ữ IỆU KẾ TIẾP 44 2.3.1 Thuật to n c c bước xử lý t n hiệu .44 2.3.2 ưu đồ thuật to n hiệu chỉnh phi tuyến .48 2.4 KẾT UẬN CHƯ NG .49 CHƯ NG 50 THIẾT KẾ CHẾ T PHƯ NG TIỆN Đ ƯU Ư NG THE PHƯ NG PH P Đ CH NH P 50 3.1 THIẾT KẾ PHƯ NG TIỆN Đ HIỆU P SUẤT V ƯU Ư NG 50 3.1.1 Nguyên lý xây dựng hệ thống đo 50 3.1.2 ưu đồ thuật to n chương trình m x c lập hệ số lưu lượng hiệu chỉnh t nh kết đo .53 3.2 THIẾT KẾ, CHẾ T TH NGHIỆ PHƯ NG TIỆN Đ ƯU Ư NG TH NG U ĐỘ CH NH P SUẤT .55 3.2.1 i trường đo 55 3.2.2 Thiết kế c c khối chức 56 3.3 S ĐỒ T N CH 58 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .58 3.3.2 Sơ đồ thiết kế mạch điện 59 3.4 THUẬT T NX Ữ IỆU 60 3.5 KẾT UẢ 62 3.6 KẾT UẬN CHƯ NG 63 KẾT LUẬN V HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT KÝ HIỆU Ý NGHĨ CĐĐSC ộ chuyển đổi đo sơ cấp CĐĐTC ộ chuyển đổi đo thứ cấp KĐ Khuếch đại PTĐ Phương tiện đo Đ iến đổi ĐTT-TT iến đổi tương tự-tương tự ĐTT-S iến đổi tương tự-số CTHS Chỉ thị số KTTTĐ Kênh truyền th ng tin đo 10 XLSTH Xử lý số thứ cấp 11 OTC ng thắt chuẩn 12 BCLL ộ chuẩn lưu lượng 13 CM Chuyển mạch 14 ĐK Điều khiển 15 ĐCH ộ điều chuyển hướng 16 CMLL Chuyển mạch lưu lượng 17 PLC Programmable Logic Controller 18 PIC Programmable Intelligent Computer v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng C c đơn vị áp suất: Bar-psi-Kpa-Mpa-Atm-kg/cm2 19 Bảng 2 Mô tả chân LCD 41 Bảng Bảng mã lệnh LCD .42 Bảng Kết khảo sát hoạt động hệ thống 63 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Sơ đồ tổng quát PTĐ hiệu đại lượng kh ng điện Hình Sơ đồ phân loại c c phương ph p cấu trúc giảm sai số PTĐ .8 Hình Sơ đồ CĐĐTC theo phương ph p vi sai .15 Hình Sơ đồ CĐĐTC theo phương ph p tỉ số 15 Hình Cấu tạo cảm biến áp suất 21 Hình 2 Cảm biến Áp suất G1 21 Hình Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A dạng sơ đồ chân 24 Hình Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A .25 Hình Bộ nhớ chương trình PIC16F877 26 Hình Sơ đồ nhớ liệu PIC16F877A 27 Hình Sơ đồ khối Timer WD 34 Hình Sơ đồ khối Timer 36 Hình Sơ đồ khồi Timer 37 Hình 10 Trình biên dịch CCS 38 Hình 11 Code ASM CCS .39 Hình 12 Hình dáng loại LCD thơng dụng 40 Hình 13 Ghép nối LCD 43 Hình 14 Mơ tả quan hệ c c đối tượng đo c c bước xử lý 45 Hình 15 ưu đồ thuật toán hiệu chỉnh phi tuyến ph p đo gi n tiếp 48 Hình ng thắt kiểu phễu hút biểu đồ chênh áp suất 50 Hình Sơ đồ khối hệ thống đo hiệu áp suất lưu lượng chất khí 52 Hình 3 ưu đồ thuật tốn xác lập hệ số , tính hiệu áp suất lưu lượng 53 Hình Đặc tính hệ số lưu lượng hiệu chỉnh 55 Hình Góc thắt nút vị trí cấp khí cho mơ hình 56 Hình Sơ đồ khối nguồn nuôi 56 Hình Sơ đồ khối cảm biến 57 Hình Sơ đồ khối xử lý 57 Hình Sơ đồ khối HTS 58 vii Hình 10 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .58 Hình 11 Sơ đồ lắp ráp linh kiện 59 Hình 12 Sơ đồ mạch board 60 Hình 13 ưu đồ thuật to n chương trình ch nh .61 Hình 14 Thuật to n chương trình 62 Hình 15 Sản phẩm thực tế .63 viii Hình 12 Sơ đồ mạch board 3.4 THUẬT TOÁN X LÝ DỮ LIỆU Thuật to n chương trình ch nh đưa hình 3.13 Thuật tốn c c chương trình tính áp suất đưa hình 3.14a thuật to n x c định hệ số K đưa hình 3.14b Trong đó, c c khối đường bao đậm thực theo thuật toán nội suy bậc qua điểm liệu kết hợp biến đổi lặp 60 đầu - Nhập liệu - Nhập liệu - ảng khắc độ p suất: Vi, Pi, imax=nx - Đại lượng - Đạimẫy lượng imẫy ÷ mi ÷ m Nhận kếtNhận đo kết đo Chương trình t nh p suất P’ Chương trình t nh p suất P T nh hiệu suất ΔPj - X c lập đặc t nh chênh p suất ΔP1, ΔP2, ΔPm - X c định Δpx = ΔPm+1 T nh hệ số Kj X c lập đặc t nh K1, K2, , Km Đ j=j+1 Chương trình t nh Kx J= m ? S Tính Qx Kết thúc Hiển thị ΔP,Qx Hình 13 Lƣu đồ thuật to n hƣơng t ình h nh 61 đầu đầu - Nhập liệu - ảng khắc độ p suất: P, DA_M, DA_MS Đọc gi trị - Nhập liệu - ưu lượng mẫu - p suất P1 tương ứng lưu lượng mẫu - p suất P2 tương ứng lưu lượng mẫu C T nh hiệu p suất P1-P2 Đo p suất Px1, Px2 T nh hiệu p suất Px1-Px2 Tìm nút nội suy p suất Giải phương trình nội suy bậc Giải phương trình tìm P T nh hệ số lưu lượng hiệu chỉnh Kết thúc Kết thúc b) a) Hình 14 Thuật to n hƣơng t ình on 3.5 KẾT QUẢ Hình ảnh sản phẩm đưa hình 3.15 Kết khảo sát hoạt động sản phẩm đưa ảng 3.1 62 Hình 15 Sản phẩm thực tế Bảng Kết khảo sát hoạt đ ng hệ thống TT P1 P2 P Q 139.0 132.3 6.78 1.790 131.7 125.6 6.08 1.551 122.5 118.2 4.28 0.908 110.9 106.7 4.28 0.908 98.1 95.1 3.08 0.548 89.6 87.1 2.48 0.392 81.7 79.8 1.82 0.254 71.3 69.5 1.22 0.138 42.6 42.0 0.62 0.049 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chương đưa phương n đo gi n tiếp đại lượng kh ng điện lưu lượng thông qua hiệu áp suất Đã thực mô atlab để kiểm chứng t nh đắn giải ph p đề xuất Ngoài ra, tác giả thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống linh kiện thương mại có s n thị trường Mơi trường đo sử dụng ống nhựa có s n chế tạo thủ công Mục đ ch để kiểm tra khả hoạt động theo nguyên lý phân t ch 63 KẾT LUẬN VÀ HƢ NG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận chung Thuật toán nội suy bậc qua điểm liệu kết hợp với biến đổi lặp hệ thống đo gi n tiếp c c đại lượng kh ng điện tiến hành t đầu vào CĐĐSC hay ĐTT-S tùy thuộc vào đại lượng đo có hướng hay v hướng Kết ứng dụng thuật toán hệ thống cho phép giảm sai số biến đổi CĐĐSC, ĐTT-S nhận thang đo tuyến tính Nhờ nội suy bậc qua điểm liệu kết hợp với biến đổi lặp tạo đặc t nh dạng bảng đặc tính hiệu chỉnh kh ng tường minh ph p đo kh ng điện, c c đại lượng cần đo phụ thuộc vào nhiều tham số Theo kết chạy c c chương trình m hệ thống đo lưu lượng chất khí đường dẫn cho thấy: Đã loại tr sai số ĐTT-S; c c ph p đo trực tiếp gián tiếp đạt độ xác cao Sự chuẩn xác nguyên lý nội suy bậc qua điểm liệu kế tiếp, biến đổi lặp kết hợp chúng minh chứng kết chạy chương trình mơ phỏng, kết khảo sát hệ thống đo lưu lượng thông qua hiệu áp suất, cho phép tạo hệ cơng cụ hữu ích phục vụ trình thiết kế, chế tạo hệ thống đo kh ng điện đa với độ xác cao Hƣớng nghiên cứu - Tiếp tục nghiên cứu c c phương ph p hiệu chỉnh phi tuyến hàm biến đổi phương tiện đo kh ng điện sở c c phương pháp tính gần kh c - Thử nghiệp chế tạo c c phương tiện đo hiệu hai đại lượng kh c đo hiệu nhiệt độ, t nh độ nhớt chất lưu chênh p, 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO nh (2001), “Phương pháp nâng cao độ xác q trình biến đổi [1] Phạm Tuấn phương tiện đo số đo hiệu hai đại lượng cơ-nhiệt”, uận án tiến sỹ kỹ thuật, Hà Nội [2] Vũ uý Điềm (chủ biên), Phạm Văn Tuân, Đ ê Phú (2001), “Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử”, Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội [3] Tạ Văn Đĩnh, Phương ph p t nh, Nhà xuất Giáo dục, 1999 [4] i Văn S ng, Phạm Ngọc Thắng (2013), “Kỹ thuật biến đổi xử lý tín hiệu đo lường số”, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [5] Alexei V Nikitin, Method and Apparatus for Analysis of Variables, U S Patent 7242808, (2007) [6] Pham Ngoc Thang and Bui Trung Thanh, Error reduction in non-electric measurement by interpolation combined with loop transformation method, In Proceeding of The 2010 IEEE International Conference on Advanced Technologies for Communications, Ho Chi Minh, Vienam, pp.260-265 [7] Terry R Haley, Apparatus and Methods for Non_Linear processing of Digital Signal, U S Patent 5235410, (1993) [8] Wataru Ito, Tatsuya Aoyaina, Interpolating operation method and Apparatus for Image signals, U S Patent 5889894, (1999) [9] В.П Преобженский (1978), Теплотехнические измерения и приборы, Энергия, Москва [10] Trang web: www.Sensorsportal.com www.Sensorsci.com www.picvietnam.com www.dientuvietnam.net www.datasheetcatalog.com 65 PHỤ LỤC Mã lệnh hƣơng trình mơ phỏng hệ thống đo hiệu áp suất lƣu lƣợng ,,'DO AP SUAT, LUU LUONG THEO PHUONG PHAP CHENH AP TRONG HE THONG DO' ,,'1.DU LIEU NHAP' %Bang gia tri dien tro-ap suat (XK) y: u=f(x) ,,x=[10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 29 30]; % Ap suat- MPa ,,u=[6.95 8.43 9.93 11.44 13.04 14.66 16.3 17.95 19.6 21.25 22.08 22.91]; % dien tro-Om ,,U=[8.58 10 11.31 12.87 14.74 16.54 11.31]; % Ket qua dien tro (ap suat P1) -Om ,,V=[11.54 12.61 13.68 15.04 16.75 18.44 13.68]; % Ket qua dien tro (ap suat P2) -Om ,,q=[0.5 1.5 2.5 3]; ,,n=2; % bac da thuc noi suy ,,format short e; % dac ta ket qua ,,m1=12; % so hang du lieu tuong ung bang gia tri ap suat ,,n1=7; % so lan lap lai, lan cuoi Qx ,,'2.TIM AP SUAT X THONG QUA HAM u=f(x)' ,,for j=1:n1 ,,ss=(U(j)-u); % Do lech KQD voi cac diem bang gia tri ,,min(abs(ss)); if abs(U(j)-u(1))