Thiết kế hệ thống đa kênh tự động đo và giám sát các tham số của chất lưu

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 1 Chun ngành kỹ thuật điện tử §¹I HäC TH¸I NGUY£N TR¦êNG §¹I HäC Kü THT C¤NG NGHIƯP LN V¡N TH¹C Sü Kü THT THIÕT KÕ HƯ THèNG §A K£NH Tù §éNG §O Vµ GI¸M S¸T C¸C THAM Sè CđA CHÊT L¦U Ngµnh: Kü THT §IƯN Tư Häc viªn: TRÇN V¡N TR×NH Ngêi híng dÉn khoa häc: TS. PH¹M NGäC TH¾N TH¸I NGUY£N - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là:  Học viên lớp Cao học khố 13 - Kỹ thuật điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Đại học Thái Ngun Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2 Chun ngành kỹ thuật điện tử Xin cam đoan đề tài: “  !” được sự hướng dẫn của "#$%&'( - Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng nlà cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, đúng như trong đề cương và chưa từng được ai cơng bố. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.  )'  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 3 Chun ngành kỹ thuật điện tử *+, /0& Trong suốt q trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tơi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cơ giáo trong bộ mơn Điện tử viễn thơng - Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Đại học Thái Ngun. Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến với các thầy giáo, cơ giáo và khoa Sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tơi đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS. $%&'( – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng n đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi trong thời gian thực hiện đề tài này. Tơi xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tơi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cơ giáo và các bạn đồng nghiệp. Tơi xin chân thành cảm ơn! 1!2  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 4 Chun ngành kỹ thuật điện tử /3-*3- !4  Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ /5678 1 -)90&:;-0"5*<)8=>?6@)A&:"B-)C*98D "E,"B6@F-G-$)90&:$)G$),H8-)I&)"E,"B 4 1.1 Tổng quan về phương pháp đo lường các đại lượng khơng điện 4 1.2. Sai số của phương pháp đo (PPĐ) khơng điện 13 1.3 Hiệu chỉnh sai số của phương tiện đo khơng điện bằng phương pháp cấu trúc 18 1.4 Kết luận chương 1 31 -)90&:JKL=MN&:)8O@G&KP*<)A&:,&6@ QR&:&S,"8="$*,&T 33 2.1 Một số phương pháp xử lý thơng tin đo bằng nội suy 33 2.2 Cơ sở lý thuyết nội suy spline 38 2.3 Thuật tốn hiệu chỉnh sai số đo bằng nội suy spline 40 2.4 Thuật tốn kết hợp phương pháp nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy spline 42 2.5 Kết luận chương 2 48 -)90&:U),>V>)H)B&:6@6EVW&)6@-G-)E/ "B-PE-)C*98 50 3.1 Các phương án thiết kế phần cứng cho thiết bị đo chất lưu 50 3.2 Thiết bị đo chất lưu ứng dụng hiệu chỉnh sai số bằng phương pháp kết hợp nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy spline 62 3.3 Thuật tốn, chương trình thu thập, xử lý và chỉ thị kết quả đo 72 3.4 Kết luận chương 3 82 V>*8O&FV,>&&:)X 83 ME&)"G-)-G--A&:YZ&)6[-A&:QB F,*,H8)E/V).@ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 5 Chun ngành kỹ thuật điện tử V>\8.V).@"G$6-)>)] ME&)/3--G-V<),H8D-)^,>_ ADC: Bộ biến đổi tương tự - số BĐ: Biến đổi BCĐĐSC: Bộ chuyển đổi đo sơ cấp BCĐĐTC: Bộ chuyển đổi đo thứ cấp BĐĐLSC: Biến đổi đo lướng sơ cấp BĐTT-S: Biến đổi tương tự-số BCT: Bộ chỉ thị BĐN: Biến đổi ngược BĐT: Biến đổi thuận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 6 Chun ngành kỹ thuật điện tử BĐTG-X: Bộ biến đổi thời gian xung CM: Chuyển mạch CTHS: Chỉ thị hiện số ĐPn: Đo phụ n ĐK: Điều khiển ĐTHC: Đối tượng hiệu chỉnh HTS: Hiển thị số KĐTHHC: Khuếch đại tín hiệu hiệu chỉnh KTTTĐ: Kênh truyền thơng tin đo PTĐ: Phương tiện đo PPĐ: Phương pháp đo PTĐS: Phương tiện đo số PTĐTC: Phương tiện đo thứ cấp SS: So sánh TBĐ: Thiết bị đo TBHC: Thiết bị hiệu chỉnh TBTT: Thiết bị tính tốn THTG: Tạo hàm thời gian VĐK: Vi điều khiển XLSTC: Xử lý số thứ cấp XLS: Xử lý số ME&)/3-Q.&:Q,`8 Q1ab!  Bảng 3.1 So sánh cấu hình giữa các loại vi điều khiển 51 Bảng 3.2 Các thanh ghi liên quan tới cổng A 55 Bảng 3.4 Bảng các thanh ghi có liên quan đến cổng C 55 Bảng 3.5 Các thanh ghi liên quan đến cổng D 56 Bảng 3.6 Bảng Các thanh ghi liên quan cổng E 56 Bảng 3.7 Các thanh ghi liên quan đến timer0 57 Bảng 3.8 Các thanh ghi liên quan đến timer1 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 7 Chun ngành kỹ thuật điện tử Bảng 3.9 Các thanh ghi liên quan đến timer2 58 Bảng 3.10 Các thanh ghi liên quan đến timer3 58 Bảng 3.11 Kết quả kiểm tra đo lường nhiệt độ 81 Bảng 3.12 Kết quả kiểm tra đo lường áp suất 82 ME&)/3-)Z&)c )d  Hình 1.1 Cấu trúc tổng qt của PTĐ các đại lượng khơng điện 6 Hình 1.2 Cấu trúc của PTĐ các đại lượng khơng điện theo kiểu biến đổi thẳng 7 Hình 1.3 Cấu trúc của PTĐ các đại khơng điện theo kiểu biến đổi cân bằng 8 Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn hàm biến đổi của PTĐ 9 Hình 1.5 Phân loại BCĐ ĐSC đo các đại lượng khơng điện 11 Hình 1.6 Cấu trúc khối của chuyển đổi bù 12 Hình 1.7 Cấu trúc hệ thống hiệu chỉnh tự động kiểu vòng kín 19 Hình 1.8 Cấu trúc hệ thống hiệu chỉnh tự động kiểu vòng hở 20 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp đo phụ 21 Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược 22 Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược tự hiệu chuẩn 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 8 Chun ngành kỹ thuật điện tử Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi ngược tự động điều chỉnh 24 Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp dùng mẫu 26 Hình 1.14 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp biến đổi lặp 27 Hình 1.15 Các phương pháp biểu diễn hàm biến đổi của BCĐĐSC 28 Hình 1.16 Cấu trúc PTĐ với xử lý tín hiệu tương tự 30 Hình 1.17 Cấu trúc PTĐ với xử lý tín hiệu số 30 Hình 2.1 Sơ đồ khối phương tiện đo khơng điện hiện số 42 Hình 2.2 Lưu đồ thuật tốn đo các đại lượng khơng điện bằng nội suy bậc 2 43 Hình 2.3 Lưu đồ thuật tốn xử lý thơng tin đo bằng nội suy spline bậc 3 45 Hình 2.4 Đặc tính biến đổi của PTC 47 Hình 2.5 Đồ thị sai số xử lý dữ liệu 48 Hình 3.1 Sơ đồ khối cấu trúc của PIC(18F4520) 53 Hình 3.2 Sơ đồ mơ tả 1 chân vào ra 54 Hình 3.3 Hình ảnh cảm biến nhiệt PT100 60 Hình 3.4 Đường đặc tính của cảm biến nhiệt PT100 61 Hình 3.5 Hình ảnh cảm biến áp suất PSA-01 62 Hình 3.6 Đường đặc tính điện áp ngõ ra analog 62 Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống đa kênh đo và giám sát các tham số của chất lưu 63 Hình 3.8 Sơ đồ khối nguồn ni 63 Hình 3.9 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ 64 Hình 3.10 Sơ đồ khối mạch đo áp suất 64 Hình 3.11 Sơ đồ khối ADC 65 Hình 3.12 Sơ đồ khối xử lý 65 Hình 3.13 Sơ đồ ngun lý tổng thể 66 Hình 3.14 Sơ đồ ngun lý khối nguồn ni 67 Hình 3.15 Sơ đồ ngun lý khối biến đổi 67 Hình 3.16 Sơ đồ ngun lý khối ADC 69 Hình 3.17 Sơ đồ ngun lý khối giao tiếp máy tính 70 Hình 3.18 Sơ đồ ngun lý khối xử lý 71 Hình 3.19 Hình ảnh board điều khiển hồn chỉnh 71 Hình 3.20 Hình ảnh tổng thể sản phẩm hồn thiện 72 Hình 3.21 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính của thiết bị đo chế thử 73 Hình 3.22 Lưu đồ thuật tốn chương trình con xử lý dữ liệu nhiệt độ 74 Hình 3.23 Lưu đồ thuật tốn tìm nút nội suy thứ cấp 75 Hình 3.24 Thuật tốn chương trình con giải phương trình bậc nhất và bậc hai 76 Hình 3.25 Thuật tốn tìm nút nội suy sơ cấp 77 Hình 3.26 Thuật tốn chương trình con xử lý dữ liệu 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 9 Chun ngành kỹ thuật điện tử Hình 3.27 Thuật tốn giải phương trình bậc 3 79 Hình 3.28 Thuật tốn hiển thị dữ liệu trên LCD 80 /5678 ;# ef4 Hiện nay, để đo và giám sát các tham số của chất lưu rất quan trọng trong nhiều quy trình cơng nghệ thuộc các lĩnh vực ứng dụng khác nhau như nhiệt kỹ thuật, dầu khí, hóa chất, khai thác khống sản, … Đo được chính xác các tham số của chất lưu góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định, độ tin cậy và duy trì được tính năng của các trang thiết bị kỹ thuật trong dây chuyền cơng nghệ. Ví dụ như đo lưu lượng, vận tốc, nhiệt độ, áp suất của mơi chất lạnh trên đường ống dẫn của hệ thống điều hòa khơng khí cơng nghiệp để đánh giá hệ thống có làm việc đúng theo điều kiện cho phép khơng; đo nhiệt độ, áp suất của dầu trong máy ép nhựa; đo độ biến dạng và áp suất của lốp xe để kiểm tra độ an tồn khi hoạt động của xe tải nặng, máy bay; đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và vận tốc của nước trong hệ thống điều hòa water chiller để điều khiển máy nén và bơm đóng cắt theo đúng nhiệt độ đặt; đo nhiệt độ, độ ẩm của khí quyển giúp cho dự báo thời tiết và khí hậu; đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng luồng khí giúp cho cảnh báo cháy nổ trong hầm lò khai thác khống sản, Như vậy, lĩnh vực ứng dụng đo và giám sát các thơng số của chất lưu là rất đa dạng và cần thiết trong rất nhiều ngành khoa học khác nhau. J# <g'h4 a. Ý nghĩa khoa học Các tham số của chất lưu là nhóm các đại lượng khơng điện (đại lượng vec tơ hoặc vơ hướng). Trong thực tế để nâng cao độ chính xác của phép đo các đại lượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 10 Chun ngành kỹ thuật điện tử này, người ta sử dụng hai nhóm giải pháp: cơng nghệ, cấu trúc. Trong điều kiện Việt Nam hiện nay thì giải pháp cấu trúc là khả thi hơn cả, vì nó vừa nâng cao độ chính xác các phép đo, vừa giảm được chi phí đầu tư. Trong đo lường khơng điện, vấn đề giảm sai số phi tuyến của phương tiện đo là nhiệm vụ quan trọng. Đây là nội dung luận văn đi sâu nghiên cứu và phát triển nhằm đa dạng hóa các giải pháp giảm sai số của phương tiện đo. b. Ý nghĩa thực tiễn Trong thực tế hiện nay, lĩnh vực đo lường và điều khiển đòi hỏi tốc độ xử lý, độ chính xác cao và khả năng thay đổi linh hoạt phần cứng của hệ thống. Hiện nay các thiết bị đo lường, giám sát và điều khiển ở Việt nam đa số là nhập ngoại. Do đó, giá thành đắt và khơng chủ động về cơng nghệ nên sẽ khó xử lý khi gặp sự cố. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tạo ra các thiết bị đáp ứng được u cầu về độ chính xác, tốc độ cao và điều khiển linh hoạt để thay thế cho các thiết bị nhập ngoại là điều rất cần thiết hiện nay. €ng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, đề tài sẽ thiết kế, chế tạo thiết bị đo và giám sát các tham số của chất lưu. Ngồi việc minh chứng tính đúng đắn của hướng nghiên cứu, khẳng định độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu; đề tài còn là một đóng góp ban đầu làm cơ sở cho việc chế tạo phương tiện đo đa năng, thay thế một phần các thiết bị ngoại nhập. Như vậy, ta sẽ chủ động về cơng nghệ, thuận lợi trong việc vận hành khai thác và bảo trì, giá thành rẻ. U#$ iffj! Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn và mơ phỏng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu; thiết kế, chế tạo phương tiện đo thử nghiệm. - Lý thuyết: + Nghiên cứu cấu trúc của phương tiện đo khơng điện, sai số đo và các phương pháp xử lý sai số; + Nghiên cứu phương pháp kết hợp nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy Spline để xây dựng thuật tốn xử lý thơng tin đo; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ [...]... phương pháp để khẳng định kết quả nghiên cứu - Chương III: Thiết kế hệ thống đo đa kênh đo các tham số của chất lưu Thiết kế phương tiện đo đa kênh thử nghiệm ứng dụng các phương pháp hiệu chỉnh phi tuyến hàm biến đổi của phương tiện đo trên cơ sở nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế tiếp và nội suy spline bậc 3 Phương án thực hiện là xử lý số thứ cấp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận... nhiều cách khác nhau như sau:  Đo trực tiếp: Là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất Dụng cụ đo sử dụng để thực hiện phép đo thường tương ứng với đại lượng cần đo Cách đo này được sử dụng khá rộng rãi cho nhiều phép đo như: đo nhiệt độ dùng nhiệt kế, đo áp suất dùng áp kế, …  Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết quả của phép đo được suy ra từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp Ví dụ: Đo. .. thường xun và có hệ thống Nhiệm vụ này thường được thực hiện bằng các hệ thống điều chỉnh tự động Một hệ thống hiệu chỉnh tự động có thể được mơ tả bằng hai thành phần chính là đối tượng hiệu chỉnh (ĐTHC) và thiết bị hiệu chỉnh (TBHC) Khi khảo sát hệ thống chúng ta chỉ khảo sát cho một nhiễu cụ thể còn các nhiễu khác tính bằng khơng Hình 1.7 mơ tả hệ thống hiệu chỉnh tự động cho những tác động nhiễu... riêng hơi nước, độ nhớt của chất lỏng thơng qua các phép đo trực tiếp nhiệt độ, áp suất; đo lưu lượng thơng qua các phép đo áp suất chênh lệch, … Cách đo gián tiếp thường mắc phải sai số lớn là tổng sai số của các phép đo trực tiếp Tuy nhiên có một số đại lượng khơng thể đo trực tiếp được mà bắt buộc phải sử dụng cách đo gián tiếp Vì vậy, giảm và loại trừ sai số trong phép đo gián tiếp là vấn đề cần...  Sai số ∆ là do sai lệch giữa hàm biến đổi danh định và hàm biến đổi thực tế và cũng là một hàm của tín hiệu vào: ∆ = F(X) (1.10) Đây là một tham số quan trọng đánh giá chất lượng của PTĐ Tham số này phụ thuộc rất lớn vào bộ BĐĐLSC vì độ chính xác của PTĐ phụ thuộc lớn vào bản chất vật lý của việc chuyển đổi Sai số của BĐĐLSC gồm hai thành phần chính tạo nên là sai số cơ bản và sai số phụ Sai số cơ... đến hệ số tương quan Ví dụ với thành phần sai số ngẫu nhiên δ1 và δ2 ta có sai số tổng được tính: δ nn = δ 12 + 2rδ 1δ 2 + δ 22 (1.22) Trong đó: r là hệ số tương quan Xét một cách tổng qt thì việc cộng các sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên phải thực hiện theo tổng hình học có tính đến hệ số tương quan Để giảm sai số hệ thống có thể sử dụng phương pháp loại bỏ các ngun nhân gây sai số trước khi đo. .. THUYẾT VỀ ĐO THƠNG SỐ CHẤT LƯU, SAI SỐ ĐO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH SAI SỐ 1.1 Tổng quan về phương pháp đo lường các đại lượng khơng điện 1.1.1 Phép đo các đại lượng khơng điện Các đại lượng khơng điện và theo xu hướng chung hiện nay, chúng thường được đo bằng phương pháp điện Khi đó cần có các bộ biến đổi đo lường sơ cấp (BĐĐLSC) để biến đổi chúng thành đại lượng điện và sử dụng các thiết bị đo điện... khơng điện rất đa dạng và phức tạp Theo quy luật xuất hiện trong q trình thực hiện phép đo (với PTĐ có cấu trúc tổng qt như hình 1.1), thường được phân ra thành hai nhóm chính là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên [2], [4], [5] Sai số hệ thống là một hàm xác định của các tham số khơng ngẫu nhiên và gây ra sự sai lệch giữa hàm biến đổi thực tế và hàm biến đổi danh định Về ngun tắc, sai số hệ thống có thể... định của các đối số ngẫu nhiên ξ Thực tế, chúng là các tham số khơng mang thơng tin của q trình vào ảnh hưởng lên các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 22 Chun ngành kỹ thuật điện tử tham số của hàm biến đổi thực tĩnh; ví dụ như điện áp nguồn ni, các tham số mơi trường xung quanh PTĐ, Nhóm thứ ba là sai số gây ra do sự thay đổi ngẫu nhiên của tham số hàm... để đưa ra kết quả đo trên BCT và PTĐTC phải thực hiện theo cách nào đó để mối quan hệ chung giữa N và X là tuyến tính: N = KX (1.4) với K là hệ số PTĐ thường được phân thành hai loại chính là PTĐ tương tự và PTĐ số Chúng được phân biệt qua phương pháp xử lý thơng tin đo bằng kỹ thuật xử lý tương tự hay xử lý số Hiện nay, các PTĐ số đang được ứng dụng rộng rãi và dần thay thế các PTĐ tương tự bởi chúng . so sánh các phương pháp để khẳng định kết quả nghiên cứu. - Chương III: Thiết kế hệ thống đo đa kênh đo các tham số của chất lưu. Thiết kế phương tiện đo đa kênh thử nghiệm ứng dụng các phương. thay thế cho các thiết bị nhập ngoại là điều rất cần thiết hiện nay. €ng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, đề tài sẽ thiết kế, chế tạo thiết bị đo và giám sát các tham số của chất lưu. Ngồi. 62 Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống đa kênh đo và giám sát các tham số của chất lưu 63 Hình 3.8 Sơ đồ khối nguồn ni 63 Hình 3.9 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ 64 Hình 3.10 Sơ đồ khối mạch đo áp suất 64 Hình