Nghiên cứu các sensor nhiệt độ áp suất, bộ biến đổi quy chuẩn cho các sensor đo lường và điều khiển phục vụ cho việc ghép nối máy tính hiện nay

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm cảm biến 1.2 Thành phần cảm biến hệ thống điều khiển tự động 1.3 Đƣờng cong chuẩn cảm biến 1.4 Các thông số đặc trƣng cảm biến 1.4.1 Độ nhạy cảm biến 1.4.2 Sai số 1.4.3 Độ xác độ xác lặp lại 1.4.4 Độ phân giải 1.4.5 Độ tuyến tính 1.4.6 Độ nhanh, thời gian hồi đáp 1.4.7 Giới hạn sử dụng cảm biến CHƢƠNG 2.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 10 2.1 Khái niệm 10 2.2 Thang nhiệt độ 10 2.3 Các hiệu ứng nhiệt điện 11 2.3.1 Hiệu ứng Peltier 11 2.3.2 Hiệu ứng Thomson 12 2.3.3 Hiệu ứng Seebeck 12 2.4 Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ thực tế 13 2.4.1 Cặp nhiệt điện 13 2.4.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 13 2.4.1.2 Phƣơng pháp đo 15 2.4.1.3 Các loại cặp nhiệt điện thực tế đặc điểm cặp nhiệt điên 17 2.4.2 Nhiệt điện trở kim loại 18 2.4.2.1 Khái quát nguyên lý hoạt động 18 2.4.2.2 Cấu tạo đặc điểm nhiệt điện trở kim loại 19 2.4.3 Nhiệt điện trở bán dẫn 21 2.4.3.1 Đặc điểm chế tao 21 2.4.3.2 Đặc điểm phạm vi ứng dụng 22 2.4.4 Cảm biến bán dẫn 22 2.4.4.1 Nguyên lý cấu tạo 22 2.4.4.2 Đặc điểm, số loại cảm biến bán dẫn phạm vi ứng dụng 23 2.4.5 Hỏa quang kế 25 2.4.5.1 Hỏa kế xạ toàn phần 25 2.4.5.2 Hỏa kế cƣờng độ sáng 27 2.5 Sơ đồ ứng dụng cảm biến nhiệt độ thực tế 28 2.5.1 Các thành phần hệ thống 29 2.5.2 Nguyên lý làm việc hệ thống 32 CHƢƠNG 3.CẢM BIẾN ÁP SUẤT 33 3.1 Tổng quan cảm biến áp suất 33 3.2 Khái niệm áp suất đơn vị đo 33 3.2.1 Khái niệm áp suất 33 3.2.2 Đơn vị đo 34 3.3 Đo áp suất tĩnh áp suất động 36 3.3.1 Đo áp suất tĩnh 36 3.3.2 Đo áp suất động 36 3.4 Một số dụng cụ đo áp suất 38 3.4.1 Đồng hồ đo áp suất 38 3.4.2 Áp kế vi sai kiểu phao 38 3.4.3 Áp kế vi sai kiểu chuông 40 3.5 Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng loại cảm biến áp suất thực tế 41 3.5.1 Cấu tạo cảm biến áp suất 41 3.5.2 Các phần tử biến dạng 41 3.5.3 Phần tử chuyển đổi tín hiệu 44 3.5.3.1 Chuyển đổi biến thiên trở kháng 44 3.5.3.2 Chuyển đổi kiểu điện dung 48 3.5.3.3 Chuyển đổi kiểu điện cảm 51 3.5.3.4 Chuyển đổi kiểu áp điện 53 3.6 Sơ đồ khối ứng dụng cảm biến áp suất công nghiệp 58 3.6.1 Các thành phần hệ thống 59 3.6.2 Nguyên lý làm việc hệ thống 62 CHƢƠNG 4.CÁC BỘ BIẾN ĐỔI QUY CHUẨN CẢM BIẾN TRONG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ CHO GHÉP NỐI MÁY TÍNH 64 4.1 Sự cần thiết biến đổi quy chuẩn cho cảm biến sử dụng đo lƣờng điều khiển ghép nối máy tính 64 4.2 Những yêu cầu biến đổi quy chuẩn 65 4.3 TRANDUCER 65 4.3.1 Bộ biến đổi với đầu dịng ÷ 20mA 65 4.3.2 Bộ biến đổi với đầu áp ÷ 5V, ÷ 10V 68 4.3.3 AC Current & Voltage Transducer 69 4.3.4 U/I meansurement transducer 72 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 LỜI NÓI ĐẦU Ngày khoa học kĩ thuật ngày phát triển, tự động hóa, máy móc ngày thay cho ngƣời Nếu nói tự động hóa ta khơng thể khơng nhắc đến cảm biến, có khắp nơi phục vụ cho cơng nghiệp, quân sự, y học Cảm biến ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi chắn tƣơng lại cịn ứng dụng nhiều Khi đất nƣớc ta bắt đầu phát triển cơng nghiệp hóa đại hóa việc nghiên cứu, tìm hiểu cá hệ thống tự động hóa thành phần chức hệ thống điều cần thiết Để đánh giá trình học tập nghiên cứu trƣờng em nhận đề tài: “Nghiên cứu sensor nhiệt độ áp suất, biến đổi quy chuẩn cho sensor đo lƣờng điều khiển phục vụ cho việc ghép nối máy tính nay” nhằm tìm hiểu cảm biến, biến đổi quy chuẩn tín hiệu để giúp em hiểu sâu hệ thống điều khiển tự động Nôi dụng đồ án em bao gồm chƣơng CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA CẢM BIẾN CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ CHƢƠNG 3: CẢM BIẾN ÁP SUẤT CHƢƠNG 4: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI QUY CHUẨN CẢM BIẾN TRONG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ CHO GHÉP NỐI MÁY TÍNH Hải Phịng, tháng 11, năm 2012 Sinh viên CHƢƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm cảm biến Cảm biến tiếng Anh gọi Sensor, thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lƣợng vật lí đại lƣợng khơng có tính chất điện thành đại lƣợng điện đo xử lí đƣợc Cảm biến chịu tác động đại lƣợng cần đo m khơng có tính chất điện(nhƣ nhiệt độ , áp suất, vận tốc ) cho đặc trƣng mang chất điện (nhƣ điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng) kí hiệu s Đặc trƣng điện s hàm đại lƣợng cần đo m s = F(m) (1.1) Trong s đại lƣợng đầu phản ứng cảm biến, m đại lƣợng đầu vào hay kích thích Thơng qua việc đo đạc s cho phép ta nhận biết đƣợc giá trị m Hình 1.1: Sự biến đổi đại lương cần đo m phản ứng s theo thời gian Biểu thức (1.1) dạng lý thuyết biểu diễn hoạt đông cảm biến , sơ đồ minh họa cho biến thiên đại lƣơng phản ứng s đại đai lƣợng m thay đổi theo thời gian * Cảm biến tích cực: hoạt động nhƣ máy phát, thành phần (s) điện tích, điện áp hay dịng, ngun lý cảm biến tích cực biến đổi dạng lƣợng (nhiệt, xạ) thành lƣợng điện * Cảm biến thụ động: hoạt động nhƣ trở kháng thành phần (s) điện trở, độ tự cảm điện dung, thƣờng đƣợc chế tạo trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lƣợng cần đo 1.2 Thành phần cảm biến hệ thống điều khiển tự động Vì cảm biến thành phần hệ thông điều khiển tự động nên ta tìm hiểu tổng quan sơ đồ điều khiển tự động Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động Trong đó: Nhiệm vụ cảm biến: + Tiếp nhận tín hiệu vào(trong ngành khí thƣờng tín hiệu cơ, nhiệt…) + Chuyển đổi tín hiệu thành đại lƣợng vật lý khác (thƣờng tín hiệu điện) + Truyền cho mạch điều khiển (bộ phận xử lí tín hiệu) Nhiệm vụ phận xử lý thông tin (bộ phận điều khiển): + Thu nhận thông tin từ cảm biến + Xử lý thơng tin: tổ hợp, phân tích, so sánh, phân phối…do chƣơng trình điều khiển quy định + Xuất lệnh điều khiển đến cấu chấp hành Nhiệm vụ cấu chấp hành Phần tử chấp hành thực hoạt động nhƣ: đóng, mở, đẩy, ngắt… chuyển động phận máy, van, hay thiết bị thực nhiệm vụ 1.3 Đƣờng cong chuẩn cảm biến Đƣờng cong chuẩn cảm biến đƣờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lƣợng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lƣợng đo (m) đầu vào Nó biểu diễn dƣới dạng đồ thị nhƣ hình 1.3a Hình 1.3 Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn cảm biến dạng tuyến tính Dựa vào đƣờng cong chẩn cảm biến ta xác định giá trị mi thông qua giá trị đo đƣợc si Để dễ sử dụng ngƣời ta thƣờng chế tạo cảm biến có phù thuộc tuyến tính đại lƣợng đầu đầu vào, phƣơng trình s = F(m) có dạng s = am + b (1.2) phƣơng trình tuyến tính với a, b số, đƣờng cong chuẩn đƣờng thẳng nhƣ hình 1.3b 1.4 Các thơng số đặc trƣng cảm biến 1.4.1 Độ nhạy cảm biến Thông thƣờng ngƣời ta chế tạo cảm biến cho có liên hệ tuyến tính biến thiên đầu ∆s biến thiên đầu vào ∆m ∆s = S.∆m (1.3) ∆s Trong S độ nhạy cảm biến S = ∆m Nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tƣơng ứng với điều kiện làm việc định cảm biến Đơn vị đo độ nhạy phù thuộc vào nguyên lý làm việc cảm biến đại lƣợng liên quan, ví dụ: - S ( / oC) nhiệt điện trở - S( / oC ) cặp nhiệt Một vấn đề quan trọng thiết kế sử dụng cảm biến cho độ nhạy S chúng không đổi hay S phụ thuộc vào yếu tố sau - Giá trị đại lƣợng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng ( độ già hóa ) - Ảnh hƣởng đại lƣợng vật lý khác môi trƣờng xung quanh 1.4.2 Sai số Các cảm biến nhƣ dụng cụ đo lƣờng khác, đại lƣợng cần đo cịn chịu tác động nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo đƣợc giá trị thực đại lƣợng cần đo Gọi Δx ( sai số tuyệt đối ) độ lệch tuyệt đối giá trị đo đƣợc giá trị thực x, sai số tƣơng đối cảm biến: δ= 100 [%] (1.4) Sai số cảm biến mang tính chất ƣớc tính ta khơng thể biêt xác hồn tồn giá trị thực đại lƣợng cần đo Khi đánh giá sai số cảm biến ngƣời ta thƣờng phân chúng làm hai loại, sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp Đối với giá trị cho trƣớc đại lƣợng cần đo, sai số hệ thống khơng đổi thay đổi chậm theo thời gian đo, thêm vào độ lệch khơng đổi giá trị đo đƣợc giá trị thực Sai số hệ thống thƣờng có nguyên nhân hiểu biết sai lệch không đầy đủ hệ đo hay điều kiện sử dụng không tốt Các nguyên nhân gây nên sai số hệ thống: + Sai số giá trị đại lƣợng chuẩn không + Sai số đặc tính cảm biến + Sai số điều kiện chế độ sử dụng + Sai số xử lý kết đo - Sai số ngẫu nhiên sai số mà xuất chúng có biên độ dấu khơng xác định Một số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên dự đốn đƣợc nhƣng độ lớn chúng khơng thể biết trƣớc Các nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên: + Sai số tính khơng xác định thiết bị + Sai số tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Sai số so đại lƣợng ảnh hƣởng Trong nhiều trƣờng hợp ta giảm đọ lớn sai số ngẫu nhiên số biện pháp thích hợp nhƣ: bảo vệ mạch đo cách ổn định nhiệt độ độ ẳm môi trƣờng đo, sử dụng giá đỡ chống rung, sử dụng tự điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, chuyển đổi tƣơng tự số có độ phân giải thích hợp, che chắn nối đất thiết bị điện, sử dụng lọc tín hiệu…, ngồi việc áp dung chế độ vận hành đắn biện pháp tốt để giảm sai số ngẫu nhiên 1.4.3 Độ xác độ xác lặp lại Độ xác đặc trƣng thiết bị cho kết đo gần với giá trị thực đại lƣợng cần đo Độ xác lặp lại mà miền giá trị đầu nhận đƣợc cảm biến đo giá trị đầu vào nhiều lần 1.4.4 Độ phân giải Độ phân giải cảm biến thay đổi lớn giá trị đo mà không làm giá trị đầu giá trị đầu cảm biến thay đổi Nói cách khác giá trị đƣợc đo thay đổi độ lơn độ phân giải mà không làm thay đổi giá trị đầu cảm biến Ví dụ: độ phân giải cảm biến nhiệt độ Hình 1.4 Đồ thị độ phân giải cảm biến nhiệt độ 1.4.5 Độ tuyến tính Bộ cảm biến đƣợc gọi tuyến tính dải đo xác định dải độ nhạy S khơng phụ thuộc vào giá trị đại lƣợng đo (m), cảm biến lý tƣởng mà đầu tuyến tính xác với đại lƣợng đo nhƣng thực tế khơng có đầu đo đƣợc hoàn hảo nhƣ WinCC sử dụng công nghệ phần mềm Nhờ cộng tác chặt chẽ Siemens Microsoff WinCC có sẵn kênh truyền thông để giao tiếp với loại PLC Siemens nhƣ SIMATIC S5/S7/505 nhƣ thông qua giao thức chung nhƣ Profibus DP, DDE hay OPC Thêm vào đó, chuẩn thơng tin khác có sẵn nhƣ lựa chọn hay phần bổ sung Khi chay WinCC hình máy tính cơng nghiệp có dạng nhƣ hình 3.22 Hình 3.22 Giao diện sử dụng WinCC để giám sát hệ thống công nghiệp PLC S7-300: PLC (Program Logical Controller) thiết bị điều khiển đa đƣợc dùng rộng rãi công nghiệp để điều khiển hệ thống theo chƣơng trình đƣợc viết ngƣời sử dụng Nhờ họat động theo chƣơng trình nên PLC đƣợc ứng dụng để điều khiển nhiều thiết bị máy móc khác Chỉ cần thay đổi chƣơng trình điều khiển cách kết nối ta dùng PLC để điều khiển thiết bị, hay máy móc khác Cũng nhƣ vậy, muốn tay đổi quy luật hoạt động máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự động, đơn giản, cần thay đổi chƣơng trình 61 điều khiển Các đối tƣợng mà PLC điều khiển đƣợc đa dạng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt…đến hệ thống phức tạp nhƣ : băng tải, hệ thống chuyển mạch tự động (ATS), thang máy, dây chuyền sản xuất Việc sử dụng S7 – 300 thay cho s7 – 200 xử lý nhanh hơn, tốc độ truyền nhanh cấu tạo mở rộng thêm modul vao/ra số Do S7 – 300 đƣợc ứng dụng hệ thống tự động vừa lớn Máy tính cơng nghiệp: máy tính chuyên dụng cho nhà máy, xí nghiệp nhƣ hình 3.23 Nó có đặc điểm sau: + Hoạt động liên tục 24/24 có tính ổn định cao, làm việc mơi trƣờng khắc nghiệt bụi ẩm, shock, nhiệt độ + Đƣợc tích hợp thêm cổng giao tiếp nhƣ :RS232, RS485, LAN, VGA, DVI, Audio, khe cắm PCI, ISA, compact Flash + Nhiều lựa chọn cấu hình CPU, RAM, Lan, COM Ports, HDD Ports Hình 3.23 Máy tính cơng nghiệp 3.6.2 Ngun lý làm việc hệ thống Thông tin áp suất đƣợc cảm biến đƣa CPU PLC thông qua modul mở rộng, PLC đƣợc kết nối với máy tính cài WinCC lúc thông tin áp suất đƣợc thị hình LCD để ngƣời vận hành giám sát điều khiển hệ thống thông qua WinCC Khi áp suất thực tế bị sai lệch 62 so với áp suất đặt đƣợc lập trình PLC PLC điều khiển đóng mở van để đạt đƣợc áp suất yêu cầu Ví dụ nhƣ áp suất đƣờng ống ta đặt mức áp suất cao 2kPa áp suất đƣờng ống cao 2kPa PLC điều khiển van đóng lại để giảm áp suất, áp suất giảm xuống dƣới 2kPa PLC đƣa tín hiệu điều khiển mở van WinCC chất phần mềm phát triển ứng dụng giám sát điều khiển thời gian thực Vì hệ thơng vận hành xảy cố cần điều khiển thiết bị ta sử dụng Chỉ cần thao tác dao diện WinCC máy tính chuyển thơng tin đến PLC để PLC điều khiển thiết bị 63 CHƢƠNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI QUY CHUẨN CẢM BIẾN TRONG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ CHO GHÉP NỐI MÁY TÍNH 4.1 Sự cần thiết biến đổi quy chuẩn cho cảm biến sử dụng đo lƣờng điều khiển ghép nối máy tính Khi ghép nối cảm biến với máy tính hay thiết bị điều khiển, giám sát ta phải chuẩn hóa tín hiệu Đa số tín hiệu cảm biến dạng analog dùng tín hiệu chiều, số cảm biến tín hiệu dạng digital chiều xoay chiều Vì tín hiệu từ cảm biến tín hiệu điện nhƣ dịng, áp với đủ giá trị Nhƣ việc ghép nối cảm biến với thiết bị khác lộn xộn ngƣời ta quy định chuẩn tín hiệu đầu vào hay cịn gọi chuẩn cơng nghiệp Do tất thiết bị ghép nối nhƣ máy tính, giám sát hay điều khiển giới ln sử dụng tín hiệu chuẩn Để truyền tín hiệu ngƣời ta thƣờng sử dụng chuẩn điện áp dòng điện + Chuẩn điện áp 0÷5v, 0÷10v thƣờng đƣợc dùng nhƣng tín hiệu áp nên dễ bị nhiễu sụt áp truyền xa Vì ngƣời ta dùng tín hiệu loại cho đƣờng truyền tín hiệu ngắn + Chuẩn dịng điện 0÷20mA, 4÷20mA loại phổ biến nhất, khả bị ảnh hƣởng nhiễu tín hiệu dịng so với tín hiệu áp Nhất loại tín hiệu dịng 4÷20mA đƣợc dùng nhiều loại tín hiệu mức mA bảo đảm cho mạch điện tử số thiết bị đo lƣờng chạy đƣợc, mà không cần cấp nguồn khác Và lí chủ yếu mức 4mA giúp kiểm soát đƣợc nguồn, đứt dây mạch bị hƣ hỏng 64 Vậy muốn biến đổi tín hiệu từ cảm biến thành tín hiệu chuẩn ta cần phải có biến đổi quy chuẩn (Tranducer) Các tranducer thành phần thiếu cảm biến Thơng thƣờng cảm biến ngày đƣợc tích hợp với tranducer tạo thành khối, cảm biến dạng đơn tranducer để sử dụng ghép nối với thiết bị khác phải mua tranducer phù hợp với loại cảm biến Ví dụ nhƣ tranducer nhiệt độ: pt100 RTD transmitter, Temprature transmitter 4.2 Những yêu cầu biến đổi quy chuẩn - Có độ tin cậy cao, bền vững, xác, hƣ hỏng - Cấu trúc đơn giản, dễ thay thế, lắp đặt, phát hƣ hỏng nên sử dụng cấu trúc module khối hóa - Làm việc đƣợc mơi trƣờng, nồng độ dầu, muối, hóa chất - An tồn cho ngƣời vận hành cho thiết bị 4.3 Tranducer Hiện thiết bị chuyển đổi tín hiệu tranducer đa rạng nhiều hãng sản suất, nhƣng chúng có đặc điểm chung chuyển đổi tín hiệu điện Tín hiệu dòng điên, điện áp, tần số, watt, var Về chức giống nhƣ transmitter, converter chuyển tín hiệu đo đƣợc thành dạng RS485, RS232, 4-20mA, – 5v Nó chuyển đổi đo lƣờng trung gian Sau số dạng tranducer 4.3.1 Bộ biến đổi với đầu dịng ÷ 20mA Hiện nhà sản xuất tích hợp mạch, phần tử tạo thành IC để chuyển đổi tín hiệu thay cho mạch, thiết bị lớn ,tốn diện tích Việc sử dụng IC đơn giản giá thành giảm mạch, thiết bị chuyển đổi Nhƣ ic chuyển đổi điện áp, dòng điện AM462, AM460, AM422 65 Một đại diện IC AM462 có hình nhƣ sau: Hình 4.6 IC AM 462 * Cấu tạo tác dụng phần tử bên AM462 IC chuyển đổi tín hiệu, đƣợc thiết kế đặc biệt cho việc chuyển đổi tín hiệu tham chiếu thành tín hiệu hành, hình 4.7 cấu tạo lắp mạch AM462 hoạt động Hình 4.7 Mạch điện sử dụng AM462 với dây nối AM462 bao gồm phần tử chức năng(bộ OP, V/I converter điện áp mẫu) + Bộ khuyếch đại thuật toán OP1 cho phép sử dụng tín hiệu điện áp từ – 5v để khuếch đại, hệ số khuếch đại GGAIN điều chỉnh sử dụng R1 R2, có môt phận bảo vệ áp đƣợc gắn vào thiết bị, chức chuyển đổi tín hiệu đƣợc tính nhƣ sau R1 VOUTAD = VINP GGAIN với GGAIN = + R 66 (4.1) + Bộ chuyển đổi điện áp, dịng điện(V/I converter) kích hoạt bong Transistor T1 bên ngồi, lúc bóng dẫn tạo dòng điện IOUT Sử dụng thêm diode D1 để chống lại điện áp phân cực ngƣợc Một dịng điện bù ISET đƣợc thêm vào cách sử dụng pin 16 dƣới trợ giúp tham chiếu nội phận chia điện áp Điện trở R0 để điều chỉnh dòng điện IOUT IOUT = VINDAI.GVI VSET.GSET + I với I SET SET = R0 R0 (4.2) + Điện áp tham chiếu cấp nguồn cho OP1 đặt cho G SET đƣơc thiết lập từ đến 10v việc sử dụng chân 13(VSET) + Bộ khuyếch đại thuật toán OP2 đƣợc bổ sung để sử dụng với nguồn nguồn bên Mạch có hệ số khuếch đại dùng để phối hợp trở kháng * Tính tốn thơng số điện trở để chuyển đôi đầu vào – 5v, đầu – 20mA OP1 hoạt dộng với trở kháng cao hệ số khuyếch đại GGAIN = 1, V/I converter cần hoạt động để kích hoạt bong transistor nhận dòng bù (4mA) Dựa vào phƣơng trinh (4.1 4.2) ta tính IOUT = VINP ISET = GGAIN.GVI GGAIN + I SET = VINP R0 8R0 + ISET VREF.GSET R4 VREF R4 R4 = (V SET = VREF R0 R3+ R4 2R0 R3+ R4 R3+ R4 ) (4.3) (4.4) Với ΔIOUT = 16mA, ΔVINP =5V, GGAIN = ISET = theo phƣơng trình (4.3) có GGAIN ΔIOUT = ΔVINP 8R → R0 = 39Ω Giá trị R0 biết, với VREF = 10V ISET = 4mA, với điều kiện tuần hồn có 67 R3 +R4 20kΩ kΩ ta sử dụng công thức (4.4) với R3 R4, ta chọn R3 + R4 =84 kΩ, theo tính tốn VREF R4 ISET = 2R R + R R3 = 82kΩ R4 = 2,7kΩ R3 → R = 31 4.3.2 Bộ biến đổi với đầu áp ÷ 5V, ÷ 10V Để có tín hiệu điện áp ÷ 5V, ÷ 10V, ta sử dụng nhiều cách, nhƣ sử dụng IC nhƣ AM401, AM411, RCV420 IC đƣợc thiết kế đặc biệt để chuyển tín hiệu dịng sang áp, giá thành rẻ khoảng vài USD dễ dàng sử dụng Bên cạnh IC chun dụng ta sử dụng mạch sử dụng điện trở 250Ω, đơn giản, đƣợc sử dụng nhiều nhƣ hình sau: Hình 4.8 Sơ đồ hai IC chuyển đổi ÷ 20mA thành ÷ 5V Sơ đồ dùng điện trở 250Ω, dùng IC MAX472 MAX951về nguyên lí dùng điện trở 250Ω để biến đổi dòng điện thành điện áp tƣơng ứng là: 4mA→ 1V 20mA → 5V Khi dùng IC1 mạch vi phân với hệ số G = 1.25 tín hiệu thay đổi 1V → 1,25V 5V → 6,25V 68 Tác dụng IC2 làm mạch trừ tín hiệu 1,25V → 0V 6,24V → 5V Tín hiệu đạt đƣơc ÷ 5V, ta áp dụng sơ đồ để điều chỉnh điện áp ÷ 10V cách sử dụng điên trở 500Ω dùng IC G = 1,25 4.3.3 AC Current & Voltage Transducer Sản phẩm hãng RUDOLFT cơng ty lớn có trụ sở Đức, chất lƣợng tốt, hoạt động ổn định, dạng loại có đầu tín hiệu vào, loại có đầu vào giúp tiết kiệm chi phí kích thƣớc ta muốn biến đổi nhiều tín hiệu đầu vào, chúng có hình dạng nhƣ sau: Hình 4.3 AC Current & Voltage Transducer Tùy thuộc vào lựa chọn thơng số nhƣ nguồn cấp, tín hiệu đầu vào, đầu mà ta chọn loại sản phẩm cho thích hợp nhƣ sau 69 Hình 4.4 Mã hàng sản phẩm AC Current & Voltage Transducer Dựa vào bảng sản phẩm có kí hiệu + RTX – A – An– Pn – On + RTX – V – Vn – Pn – On Trong đó: + A đầu vào dòng điện + V đầu vào điện áp + An lựa chọn giá trị A có A1 A1 + Vn lựa chọn giá trị điện áp đầu vào V1 đến V5 + Pn lựa chọn nguồn cấp từ P1 đến P4 Với + As Vs loại tự cấp nguồn + A2 V2 loại dây tín hiệu vào + A3 V3 loại dây tín hiệu vào 70 Thông số kĩ thuật bản: + Giới hạn tín hiệu đầu vào: × giá trị dịng liên tục, 10 ×giá trị dịng tối đa 30s, 25 x giá trị dòng tối đa 3s, 50 × vịng 1s chịu đƣợc x diện áp đầu vào liên tục + Cƣờng độ điện môi: 2kVAC/1 + Nguồn cấp: AC 110V/220V ± 20% (50/60Hz) + Độ xác: 0.1% F.S (TRMS) (23 ± 5°C) 0.2% F.S (RMS) (23 ± 5°C) + Nhiệt đô sử dụng: – 50oC Kết nối nhƣ hình sau: + input: nơi đƣa tín hiệu đầu vào + output: nơi nhận tín hiệu đầu + Aux Power: nơi cấp nguồn Hình 4.5 Sơ đồ nối dây loại đầu vào đầu vào(Terminal Connection) 71 4.3.4 U/I meansurement transducer Sản phẩm hãng KRIWAN nhà sản xuất truyền thống cơng nghệ làm lạnh điều hịa khơng khí Đây biến đổi tín điện áp – 5, – 10v sang tín hiệu dịng – 20 – 20mA Hình 4.1 U/I meansurement transducer Thông số kĩ thuật: + Nguồn cấp: AC 50Hz -15 + 10% + Điện tiêu thụ: 3VA + Điện áp đầu vào: – 5, – 10v + Dòng điện đầu ra: – 20, – 20mA + Nhiệt độ môi trƣờng làm việc: -20 đến + 60oC + Ingress Protection (IP) IP20: bảo vệ chống vật lạ xâm nhập có kích thƣớc > 50mm + Kích thƣớc 84× 40 × 110mm Sơ đồ nối dây, để sử dụng nhƣ hình sau: 72 Hình 4.2 Sơ đồ kết nối(connect diagram) Trong sơ đồ có: + mains lối vào để cấp nguồn + jumper đầu nối để điều chỉnh tín hiệu dịng điện ra, nối đầu với tín hiệu dịng điện – 20mA, để trống jumper tín hiệu dịng – 20mA + đầu vào 3, 4, sử dụng đầu vào với cho tín hiệu diện áp – 5v, sử dụng đầu vào với cho tín hiệu điện áp – 10v + đầu 6, để đƣa tín hiệu dịng điện chuẩn 73 KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài, với hƣớng dẫn tận tình giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tiến Ban với cố gắng thân em việc nghiên cứu tài liệu liên quan, em hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp theo thời gian nhà trƣờng đề Với đề tài “ Nghiên cứu sensor nhiệt độ áp suất, biến đổi quy chuẩn cho sensor đo lƣờng điều khiển phục vụ cho việc ghép nối máy tính ’’ giúp em hiểu rõ lý thuyết ứng dụng thực tế cảm biến nhằm củng cố thêm kiến thức mà em học Kết thúc trình thiết kế đồ án em thu đƣợc số kết Nghiên cứu cảm biến nhiệt độ cảm biến áp suất, cấu tạo , nguyên lý hoạt động, ứng dụng thực tế Em tìm hiểu thêm hệ thống điều khiển tự động nhà máy giấy HAPACO xã Đại Bản, huyện An Dƣơng, TP Hải Phòng hiểu số hệ thống điều khiển tự động, thành phần cấu tạo, cách xây dựng hệ thống tự động Đi sâu nghiên cứu nguyên lý cấu tạo số biến đổi quy chuẩn Vì thời gian có hạn nên em tìm hiểu đƣợc nhƣ trên, có thời gian em tìm hiểu tất loại cảm biến hệ thống điều khiển tự động Do kiến thức khả thực tế em hạn chế nên làm đồ án tốt nghiệp khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong đƣợc ghóp ý, đánh giá thầy để nội dung đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Quốc Phơ Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2002 [2] Lê Văn Doanh, Các Bộ Cảm Biến Trong Kỹ Thuật Đo Lường Và Điều Khiển, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2005 [3] Jon S Wilson, Sensor Technology Handbook [4] Hồng Minh Cơng, Giáo trình cảm biến cơng nghiệp, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đà Nẵng 2004 - Một số tài liệu khác: http://www.analogmicro.de http://www.globalspec.com/learnmore/sensors_transducers_detectors/pressure _sensing/pressure_sensors_instruments http://www.dientuvietnam.net http://webdien.com 75