Nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm labview

KHOA CÔNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG MODULE USB 6008 VÀ PHẦN MỀM LABVIEW Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS.. Một số kết quả

KHOA CÔNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

THUYẾT MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG MODULE USB 6008 VÀ PHẦN MỀM LABVIEW

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS TRẦN SINH BIÊN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 1

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu 1

5 Kết quả đạt được của đề tài 2

CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ ĐO VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ 3

1.1 Các phương pháp đo nhiệt độ 3

1.1.1 Cảm biến nhiệt điện trở 3

1.1.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu 4

1.1.3 Đo nhiệt độ dùng IC bán dẫn 5

1.2 Một số loại cảm biến nhiệt độ và thiết bị thường dùng 6

1.3 Vấn đề giám sát nhiệt độ 7

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW 8

2.1 Giới thiệu về phần mềm LabVIEW 8

2.1.1 Bảng giao diện 8

2.1.2 Sơ đồ khối 8

2.1.3 Biểu tượng và đầu nối 9

2.2 Lập trình trên LabVIEW 9

2.2.1 Khởi tạo chương trình 9

2.2.2 Các công cụ lập trình 10

2.3 Ứng dụng phần mềm LabVIEW 14

CHƯƠNG 3 GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG MODULE USB 6008 VÀ

PHẦN MỀM LABVIEW 16

3.1 Giới thiệu về module USB 6008 16

3.2 Xây dựng module đo nhiệt độ 17

3.2.1 Xây dựng module đo nhiệt độ với IC LM35 17

3.2.2 Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 18

3.2.2 Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu 19

3.2.3 Mô hình mạch hoàn chỉnh 20

3.3 Xây dựng chương trình giám sát trên LabVIEW 20

3.4 Một số kết quả giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm LabVIEW 21

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ mạch cầu (ba dây) nhiệt kế nhiệt điện trở 4

Hình 1 2 Một số cảm biến PT100 trong công nghiệp 4

Hình 1 3 Cảm biến nhiệt độ LM35 5

Hình 2.1 Bảng công cụ 10

Hình 2 2 Bảng điều khiển 10

Hình 2 3 Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị số 11

Hình 2 4 Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị kiểu logic 12

Hình 3 1 Module USB 6008 16

Hình 3 2 Cấu tạo module USB 6008 17

Hình 3 3 Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với IC LM35 17

Hình 3 4 Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 18

Hình 3 5 Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 19

Hình 3 6 Cầu bù nhiệt độ đầu tự do 19

Hình 3 7 Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ trên LabVIEW 20

Hình 3 8 Chương trình giám sát nhiệt độ trên LabVIEW 20

Hình 3 9 Kết quả giám sát có kênh số 2 và kênh số 4 đang báo động và tín hiệu của kênh số 1 chưa qua xử lý nhiễu 21

Hình 3 10 Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và tín hiệu của cả 4 kênh đã qua xử lý nhiễu 22

Hình 3 11 Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và nhiệt độ của các kênh số 2, kênh số 3 và kênh số 4 đang thay đổi 22

Hình 3 12 Kết quả giám sát có kênh số 3 và số 4 đang báo động 23

Hình 3 13 Kết quả giám sát có kênh số 2, số 4 đang báo động và nhiệt độ của kênh số 2 đang giảm 23 Hình 3 14 Kết quả giám sát có kênh số 2, số 3, số 4 đang báo động và nhiệt độ của kênh số 4 đang tăng 24 Hình 3 15 Kết quả giám sát giám sát nhiệt độ có cả 4 kênh đang báo động 24

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống kỹ thuật nói chung và các dây chuyền sản xuất nói riêng việc đo và giám sát nhiệt độ là một khâu quan trọng vì nhiệt độ là một trong các thông số có trong nhiều quá trình công nghệ Việc đo lường chính xác giá trị nhiệt độ trong các điều kiện khác nhau và giám sát chúng có ý nghĩa quan trọng góp phần cho hệ thống hoạt động ổn định hơn Việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới và phần mềm chuyên dụng cho phép việc đo lường và giám sát nhiệt độ linh hoạt hơn Vì vậy đề tài nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm LabVIEW là cần thiết

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Vấn đề nghiên cứu giám sát nhiệt độ đã được nhiều công trình đề cập đến Tuy nhiên việc nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm LabVIEW thể hiện tính linh hoạt hơn trong cả giải pháp về phần cứng cũng như phần mềm Điều này cho thấy đề tài nghiên cứu có tính ứng dụng cao và khả thi trong cả môi trường công nghiệp

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát nhiệt độ ứng

dụng module USB 6008 và phần mềm LabVIEW

Đối tượng nghiên cứu: các cảm biến đo nhiệt độ; module USB 6008 và

phần mềm LabVIEW

Phạm vi nghiên cứu: xây dựng mô hình mô phỏng việc giám sát nhiệt độ

ứng dụng module USB 6008

4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp đo và giám sát nhiệt độ

Trên cơ sở đó xây dựng mô hình giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008

và đánh giá kết quả

Kết cấu của công trình nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu gồm 3 chương:

Chương 1 Vấn đề đo và giám sát nhiệt độ;

Chương 2 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW;

Chương 3 Giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phàn mềm

LabVIEW

5 Kết quả đạt được của đề tài

Ứng dụng kết quả nghiên cứu phục vụ thực hành, thí nghiệm cho sinh viên chuyên ngành thuộc khoa Điện - Điện tử

Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong việc đo và giám sát nhiệt độ trong thực tế

CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ ĐO VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ

1.1 Các phương pháp đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ là nhiệm vụ thường gặp trong các ngành nhiệt, hóa và luyện kim Tùy theo nhiệt độ đo ta sử dụng các phương pháp đo khác nhau Thông thường, nhiệt độ đo được chia thành 3 dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ thấp và trung bình thì phương pháp đo thường là phương pháp

đo tiếp xúc, tức là các cảm biến nhiệt độ được đặt trực tiếp trong môi trường cần

đo Đối với nhiệt độ cao cần đo bằng phương pháp đo không tiếp xúc, dụng cụ

đo đặt ngoài môi trường đo

Phương pháp đo nhiệt độ thường được sử dụng trong công nghiệp là phương pháp đo tiếp xúc Sử dụng các cảm biến tiếp xúc như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, các IC bán dẫn

1.1.1 Cảm biến nhiệt điện trở

Cảm biến nhiệt điện trở có cấu tạo từ dây platin, đồng, niken, bán dẫn

quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối ra ngoài Cảm

biến nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thường

được dùng là mạch cầu không cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở [1]

Khi dùng mạch cầu cân bằng, nếu chỉ sử dụng hai dây dẫn mắc vào mạch cầu thì dụng cụ sẽ có sai số do sự thay đổi nhiệt điện trở của đường dây khi nhiệt

độ môi trường xung quanh thay đổi:

T T

d R

R t







 (1.1)

trong đó: R d- sự thay đổi điện trở dây dẫn nối: R d R d1 R d2

RT, T - điện trở ban đầu của nhiệt điện trở và hệ số nhiệt của nó

Để giảm sai số do nhiệt độ môi trường, ta sử dụng cầu ba dây như hình 1.1

Hình 1 1 Sơ đồ mạch cầu (ba dây) nhiệt kế nhiệt điện trở

Trong sơ đồ này, hai dây mắc vào các nhánh kề của mạch cầu, dây thứ ba mắp vào nguồn cung cấp Khi cầu làm việc ở chế độ cân bằng, nếu R1 = R2 và

Rd1 = Rd2 thì sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây được loại trừ Khi cầu làm việc không cân bằng, sai số giảm đáng kể so với sơ đồ cầu hai dây [2]

Hình 1 2 Một số cảm biến PT100 trong công nghiệp

1.1.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

Cặp nhiệt ngẫu gồm hai dây kim loại hàn với nhau ở 1 đầu và luồn vào ống để có thể đo được nhiệt độ cao Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không rỉ Để cách điện giữa hai dây, một trong hai dây được lồng

vào ống sứ nhỏ Nếu vỏ làm bằng kim loại cả hai dây đều đặt vào ống sứ Tín hiệu ra của cặp nhiệt ngẫu là điện áp từ vài mV đến vài vài chục mV [2]

1.1.3 Đo nhiệt độ dùng IC bán dẫn

Các linh kiện điện tử bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như điốt hoặc tranzito nối theo kiểu điốt (nối bazơ với colectơ), khi đó điện áp giữa hai cực là hàm của nhiệt độ Các cảm biến

đo nhiệt độ sử dụng điốt hoặc tranzito đã được tích hợp thành các IC bán dẫn đo nhiệt độ Các cảm biến này cho đầu ra là điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ với nhiệt

độ cần đo với độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản [4]

Ví dụ một số loại IC đo nhiệt độ: LM35, LM335, AD592CN…

Độ nhạy của các loại IC bán dẫn đo nhiệt độ thường có giá trị cỡ 2,5mV/oC và không cố định mà thường thay đổi theo nhiệt độ IC bán dẫn có độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản và có độ nhạy cao

LM35 là một họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa trên các chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ, đầu ra của cảm biến là điện áp (V) tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trường cần

đo Họ LM35 có rất nhiều loại và nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau

Hình 1 3 Cảm biến nhiệt độ LM35

1.2 Một số loại cảm biến nhiệt độ và thiết bị thường dùng

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ cũng như thiết

bị đo nhiệt độ được sử dụng khá phổ biến Dưới đây là một số loại cảm biến và thiết bị đo thường dùng

Máy đo nhiệt độ PCE-T317 (PT-100)

Cảm biến nhiệt độ LM335 (tương tự LM135, LM235, LM335A) [4]

Dải đo : - 40 100o

C

Độ nhạy : 10mV/o

K Sai số : 0.5oC (ở 25o

C) Dòng tiêu thụ : 400A 5mA

Cảm biến nhiệt độ LM35 (tương tự LM335)

Dải đo : - 55 150o

C

Độ nhạy : 10mV/o

C Sai số : 0.5oC (ở 25o

C) Dòng tiêu thụ : 60 A

Thiết bị đo nhiệt độ cầm tay chuyên nghiệp P400 / P410

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý, nó hiện diện ở khắp nơi, cả trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày Quá trình đo và kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất công nghiệp đóng một vai trò to lớn trong hệ thống điều khiển tự động, góp phần quyết định chất lượng sản phẩm trong các ngành như: thực phẩm, luyện kim, gốm sứ, chế tạo động cơ… Khi thu thập dữ liệu cho quá trình điều khiển và giám sát trong nhà máy thì nhiệt độ là một thông số không thể bỏ qua

Tùy theo yêu cầu và tính chất của quá trình điều khiển mà ta cần sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp Tính chính xác và ổn định nhiệt độ cũng đặt

ra nhiều vấn đề cần giải quyết

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM

LABVIEW

2.1 Giới thiệu về phần mềm LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) là một ngôn ngữ lập trình đồ họa mà sử dụng các biểu tượng thay vì các hàng văn bản để tạo ra các ứng dụng LabVIEW là một phần mềm nhằm mục đích phát triển những ứng dụng trong đo lường và điều khiển giống như ngôn ngữ lập trình C hoặc Basic, tuy nhiên LabVIEW khác so với các ngôn ngữ trên là các trình ứng dụng của nó đặt trong các VI (Virtual Instrument) nằm trong thư viện của LabVIEW, một số ứng dụng đặc biệt của LabVIEW là tạo các giao diện để người dùng quan sát một cách trực quan các hiện tượng vật lý trên thực tế [3]

Labview gồm có 3 thành phần chính đó là: bảng giao diện (The Front Panel), sơ đồ khối (The Block Diagram) và biểu tượng và đầu nối (The icon/connect)

2.1.1 Bảng giao diện

Front Panel là giao diện mà người sử dụng hệ thống nhìn thấy Các VI bao gồm một giao diện người dùng có tính tương tác, mà được gọi là bảng giao diện, vì nó mô phỏng mặt trước của một dụng cụ vật lý Bảng giao diện có thể bao gồm các núm, các nút đẩy, các đồ thị và các dụng cụ chỉ thị và điều khiển khác [3]

2.1.2 Sơ đồ khối

Sơ đồ khối chứa đựng mã nguồn đồ thị, thường biết như là mã G hoặc

mã sơ đồ khối, cho đến VI chạy như thế nào Mã sơ đồ khối sử dụng đồ thị biểu diễn các chức năng để điều khiển các đối tượng trên giao diện Các đối tượng trên giao diện xuất hiện như biểu tượng các thiết bị trên sơ đồ khối Kết nối điều khiển và các đầu của dụng cụ chỉ thị tới Express VIs, VIs, và các chức năng Dữ liệu chuyển thông qua dây dẫn từ các điều khiển đến các VI và các hàm chức năng, từ các VI và các hàm chức năng đến các VI và các hàm chức năng khác,

và từ các VI và các hàm chức năng đến các dụng cụ chỉ thị Sự di chuyển của dữ liệu thông qua các nút trên sơ đồ khối xác định mệnh lệnh thực hiện của các VI

và các hàm chức năng Sự di chuyển dữ liệu này được biết như lưu đồ lập trình

2.1.3 Biểu tượng và đầu nối

Ngoài ra trong LabVIEW còn có biểu tượng và đầu nối (The icon/connect) Sau khi xây dựng một VI, ta phải tạo icon và connector pane cho

nó để có thể sử dụng được như một subVI Mỗi VI đều có một icon, nó nằm ở góc trên bên phải của cả 2 cửa sổ Front panel và Block diagram

Để tạo icon thì ta click phải vào biểu tượng ở góc phải bên trên của Front panel hoặc Block diagram Sau đó bảng Icon Editor xuất hiện như hình dưới, trong đó có các công cụ dùng để vẽ tương tự trong Paint

2.2 Lập trình trên LabVIEW

2.2.1 Khởi tạo chương trình

LabVIEW có hai cửa sổ là bảng giao diện (The Front Panel), sơ đồ khối (The Block Diagram) Người dùng thao tác trên cả hai cửa sổ trên Giao diện của Front Panel giống như giao diện sử dụng của các thiết bị vật lý, Front Panel chủ yếu là một tổ hợp các Control và Indicator Control mô phỏng các thiết bị đầu vào của máy và cung cấp dữ liệu cho Block Diagram Indicator mô phỏng các thiết bị đầu ra của máy để hiển thị các dữ liệu thu được hay được phát ra từ Block Diagram của VI Có thể đặt các Control hay Indicator lên Front Panel thông qua bảng Control Cửa sổ Diagram có các Block Diagram của VI là mã nguồn đồ họa cho VI Xây dựng Block Diagram bằng cách nối với nhau các đối tượng gửi hay nhận dữ liệu, thực hiện các hàm cụ thể, điều khiển quá trình truyền Phần Diagram thể hiện những đối tượng chính của chương trình: các Node, Terminal và dây nối Để khởi tạo một chương trình trong LabVIEW ta có

thực hiện như sau: chọn File, lựa chọn NEW VI, đây là cách nhanh chóng và dễ

thao tác nhất, khi đó sẽ xuất hiện đồng thời hai cửa sổ The Front Panel và The Block Diagram khi đó ta sẽ thao tác trên hai cửa sổ trên để lập chương trình hoặc giải quyết các yêu cầu bài toán [3]

2.2.2 Các công cụ lập trình

Các công cụ lập trình trên LabVIEW bao gồm các công cụ để tạo ra các thiết bị ảo Nó bao gồm các công cụ trong bảng giao diện (The Front Panel) và các công cụ trong sơ đồ khối (Block Diagram)

Tools Palette là một bảng mà ta có thể sử dụng để soạn thảo và gỡ lỗi các

VI Ta sử dụng phím <Tab> tới bảng thông qua các công cụ sử dụng thông

thường trên bảng mẫu Nếu Tools Palette không xuất hiện, ta chọn View >>

Show Tools Palette để hiển thị

Hình 2.1 Bảng công cụ Bảng điều khiển (Controls Palette) bao gồm một đồ thị, bảng nổi và tự

động mở ra khi khởi động LabVIEW Ta sử dụng bảng này để đặt các điều khiển

và các dụng cụ chỉ thị trên bảng giao diện của một VI Mỗi biểu tượng lớp trên chứa đựng các bảng mẫu con Nếu Controls Palette không xuất hiện, ta có thể

mở bằng cách lựa chọn View >> Show Controls Palette từ menu của bảng giao

diện