Thiết kế hệ thống đo mức nước sông tự động

Hệ thống giám sát một cách tự động mức nước sông, người quản lý có thể tiến hành đo bất kỳ lúc nào với chỉ một tin nhắn hoặc có thể thiết lập hệ thống đo theo chu kỳ, hệ thống sẽ phản hồ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HỒ AN NINH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO MỨC NƯỚC SÔNG

TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN VĂN ĐỨC

HÀ NỘI – 2010

Trang 2

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 14

1.1 Giới thiệu chung 14

1.2 Các yêu cầu về thiết kế của hệ thống 14

1.3 Các yêu cầu về chức năng của hệ thống 15

1.4 Sơ đồ khối của hệ thống 15

CHƯƠNG 2: KHỐI ĐO MỨC NƯỚC 17

2.1 Cảm biến siêu âm 17

2.1.1 Siêu âm là gì? 17

2.1.2 Giới thiệu cảm biến siêu âm 18

2.1.3 Ứng dụng của cảm biến siêu âm 18

2.1.4 Cấu tạo của cảm biến siêu âm 19

2.1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm 19

2.1.6 Nguyên lý đo mức nước bằng cảm biến siêu âm 20

2.1.6.1 Sai số lặp 22

2.1.6.2 Hiện tượng forecasting 22

2.1.6.3 Hiện tượng đọc chéo 23

2.1.7 Một số cảm biến siêu âm thông dụng 25

2.1.7.1 SRF485WPR - cảm biến siêu âm bù nhiệt độ 25

2.1.7.2 SRF06 - Cảm biến siêu âm vòng lặp dòng điện 4 – 20mA 25

2.1.7.3 SRF01- Cảm biến siêu âm loại nhỏ nhất trên thế giới 25

2.1.7.4 SRF08 - Cảm biến siêu âm hiệu suất cao 26

2.1.7.5 SRF02 - Cảm biến siêu âm hiệu suất cao, giá thành rẻ 26

Trang 3

2.1.7.6 SRF05 - Cảm biến giá rẻ 26

2.1.7.7 SRF235 - Cảm biến siêu âm “bút chì” 27

2.1.7.8 SRF10 - Cảm biến siêu âm biến năng kép nhỏ nhất thế giới 27

2.1.7.9 SRF04 - Cảm biến siêu âm thông dụng 27

2.1.8 Ứng dụng cảm biến siêu âm đo mức nước - SRF05 28

2.1.8.1 Giới thiệu 28

2.1.8.2 Các chế độ hoạt động 28

2.2 Cảm biến áp suất 31

2.2.1 Áp suất và đơn vị đo 31

2.2.2 Nguyên lý đo áp suất 32

2.2.3 Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh 34

2.2.3.1 Áp kế vi sai kiểu phao 34

2.2.3.2 Áp kế vi sai kiểu chuông 35

2.2.4 Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 37

2.2.4.1 Phần tử biến dạng 37

2.2.4.2 Các bộ chuyển đổi điện 42

2.2.5 Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến áp suất 48

2.2.5.1 Bộ chuyển đổi áp suất đầu ra millivolt 48

2.2.5.2 Bộ chuyển đổi đầu ra điện áp 49

2.2.5.3 Bộ chuyển đổi áp suất đầu ra dòng 4 – 20mA 49

2.2.6 Một số cảm biến áp suất thông dụng 49

2.2.6.1 Tổng quan về kỹ thuật 49

2.2.6.2 Các đặc điểm vượt trội 50

2.2.6.3 Phạm vi đo áp 50

2.2.6.4 Đầu ra và nguồn cấp 50

2.2.7 Ứng dụng cảm biến áp suất đo mức nước - Huba 511 50

2.2.7.1 Tổng quan kĩ thuật 50

2.2.7.2 Đặc điểm kỹ thuật 51

2.2.7.3 Cấu tạo 51

Trang 4

2.3 Vi điều khiển AVR ATmega8 52

2.3.1 Giới thiệu 52

2.3.2 Bộ nhớ trên AVR ATmega8 54

2.3.2.1 Bộ nhớ chương trình Flash 54

2.3.2.2 Bộ nhớ SRAM 55

2.3.2.3 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM 56

2.3.3 Timer/Counter trên AVR ATmega8 57

2.3.3.1.Timer/Counter1 58

2.3.4 Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 61

CHƯƠNG 3: KHỐI XỬ LÝ DỮ LIỆU 62

3.1 Vi xử lý PSoC 29466 62

3.1.1 Tính năng của vi xử lý PsoC 29466 62

3.1.1.1 Các đặc tính chung 64

3.1.1.2 Có thể cấu hình các khối trong chip 64

3.1.1.3 Giao thức truyền 64

3.1.2 Các cổng vào ra đa chức năng 64

3.1.2.1 Vào ra số 65

3.1.2.2 Vào ra toàn cục 65

3.1.2.3 Vào ra tương tự 65

3.1.2.4 Các ngắt của khối GPIO 66

3.1.3 Các thanh ghi của GPIO 66

3.1.3.1 Thanh ghi PRTxDR 67

3.1.3.2 Thanh ghi PRTxIE 67

3.1.3.3 Thanh ghi PRTxGS 67

3.1.3.4 Thanh ghi PRTxDM2x 67

3.1.3.5 Thanh ghi PRTxICx 68

3.1.4 Các bộ truyền thông trên PsoC 68

3.1.4.1 Bộ truyền thông không đồng bộ UART, TX, RX 68

3.1.4.2 Bộ truyền thông SPI Master 68

Trang 5

3.1.4.3 Bộ truyền thông SPI Slave 69

3.1.5 Công cụ phát triển 69

3.2 LCD 69

3.2.1 Giới thiệu LCD 69

3.2.2 Đặc tính làm việc các chân LCD 71

3.3 Bàn phím 71

3.3.1 Bàn phím Keypad 72

3.3.2 Bàn phím keyboard 72

3.3.2.2 Cơ chế hoạt động 73

3.3.2.3 Các mã lệnh đặc biệt 75

3.3.2.4 Giao thức truyền của keyboard 76

3.4 Module GSM Q24 78

3.4.1 Giới thiệu 78

3.4.2 Giao tiếp trên module Q24 78

3.4.2.1 Giao tiếp nối tiếp 78

3.4.2.2 Giao tiếp với bàn phím 81

3.4.2.3 Giao tiếp với SIM 82

3.4.2.4 Giao tiếp audio 83

3.4.3 Kết nối với anten 84

3.4.4 Câu lệnh AT 84

3.4.4.1 Cú pháp lệnh AT 84

3.4.4.2 Các lệnh AT thường dùng 85

3.5 Bộ thu phát không dây HM-TR 86

3.5.1 Giới thiệu 87

3.5.1.1 Đặc điểm kỹ thuật 87

3.5.1.2 Ứng dụng của module HM-TR 88

3.5.1.3 Sơ đồ chân ra của module HM-TR 88

3.5.1.4 Các chế độ hoạt động của module HM-TR 89

Trang 6

3.5.2 Kết nối module với hệ thống 91

3.6 Phần mềm 92

3.6.1 Giao tiếp RS232 93

3.6.1.2 Sơ đồ chân RS232 94

3.6.1.3 Các đặc trưng điện áp logic 96

3.6.1.4 Quá trình truyền dữ liệu 97

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A/D Analog to Digital conversion

ADC Analog to Digital Converter

ASCII American Standard Code for Information Interchange ACK Acknowledgment code

CLK Clock

EN Enable

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory FSK Frequency Shift Keying

FDMA Frequency Division Multiple Access

GPIO General Purpose Input/Output

GND Ground

GSM Global System for Mobile Communications

LED Light Emitting Diode

LPT Line Print Terminal

ICP Input Capture Pin

I2C Inter-Integrated Circuit

LCD Liquid Crystal Display

MCU Microcontroller

MISO Master Input Slave Output,

MOSI Master Ouput Slave Input

OCR Ouput Compare Register

PWM Pulse Width Modulation

PsoC Programmable System on Chip

Trang 8

ROM Read Only Memory

RX Receive

RS Register select

R/W Read/Write

SRAM Static random access memory

SMS Short Message Service

SCL Serial Clock

SDA Serial Data

SIM Subscriber Identification Module

SPI Serial Peripheral Interface

SCLK System Clock

SS Slave Select

SCK Serial Clock

TX Transmit

TIMSK Timer/Counter Interrupt Mask Register

UART Universal Asynchronous Receiver and Transmitter USB Universal Serial Bus

VCC Common Collector Voltage

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Bảng các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi 32

Bảng 2.2: Chức năng các chân của AVR ATmega8 53

Bảng 2.3: Xung nhịp trong Timer/Counter 1 59

Bảng 2.4: Các bit trong TIMSK 60

Bảng 3.1: Bảng chức năng các chân của vi xử lý PsoC 29466 63

Bảng 3.2: Địa chỉ bit của thanh ghi bên trong 67

Bảng 3.3: Mô tả chi tiết các chân của LCD 71

Bảng 3.4: Các thông số giới hạn của LCD 71

Bảng 3.5: Miền làm việc bình thườngcủa LCD 71

Bảng 3.6: Sơ đồ chân chuẩn P/S 2 73

Bảng 3.7: Các mã đặc biệt gửi từ máy đến keyboard 76

Bảng 3.8: Các chân SPI của Q24 79

Bảng 3.9: Chân I2C trên Q24 80

Bảng 3.10: Các chân UART 81

Bảng 3.11: Các chân giao tiếp bàn phím 82

Bảng 3.12: Chân kết nối SIM 82

Bảng 3.13: Lệnh xem nhà sản xuất 85

Bảng 3.14: Lệnh xem IMEI 85

Bảng 3.15: Lệnh xem trạng thái kết nối của SIM 85

Bảng 3.16: Lệnh kết nối cuộc gọi 85

Bảng 3.17: Lệnh định dạng tin nhắn SMS 85

Bảng 3.18: Lệnh gửi tin nhắn 86

Bảng 3.19: Lệnh liệt kê tin nhắn 86

Bảng 3.20: Lệnh xóa tin nhắn 86

Bảng 3.21: Chức năng các chân module HM-TR 89

Bảng 3.22: Chức năng các chân chuẩn RS232 96

Bảng 3.23: Mức điện áp của chuẩn RS-232 96

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo mức nước 15

Hình 2.1: Sơ đồ khối đo mức nước 17

Hình 2.2: Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm 18

Hình 2.3: Nguyên lý TOF 20

Hình 2.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm 21

Hình 2.5: Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật liệu 23

Hình 2.6: Hiện tượng Forecasting 23

Hình 2.7: Hiện tượng đọc chéo 24

Hình 2.8: Cảm biến siêu âm SRF485WPR 25

Hình 2.9: Cảm biến siêu âm SRF06 25

Hình 2.17: Sơ đồ kết nối SRF05 chế độ 1 29

Hình 2.18: Giản đồ định thời của SRF05 chế độ 1 29

Hình 2.19: Sơ đồ kết nối SRF05 chế độ 2 30

Hình 2.20: Giản đồ định thời của SRF05 chế độ 2 30

Hình 2.21 Đo áp suất động bằng ống Pilot 33

Hình 2.22: Đo áp suất động bằng màng 34

Hình 2.23: Áp kế vi sai kiểu phao 35

Hình 2.24: Áp kế vi sai kiểu chuông 35

Hình 2.25: Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ 37

Hình 2.26: Lò xo ống 38

Trang 11

Hình 2.27: Sơ đồ cấu tạo ống xiphông 40

Hình 2.28: Sơ đồ màng đo áp suất 41

Hình 2.29: Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng 42

Hình 2.30: Bộ chuyển đổi kiểu cảm ứng 43

Hình 2.31: Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai 44

Hình 2.32: Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 45

Hình 2.33: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp trở 46

Hình 2.34: Cảm biến kiểu áp trở 47

Hình 2.35: Một số cảm biến áp suất thông dụng 49

Hình 2.36: Cấu tạo Huba 511 51

Hình 2.37: Sơ đồ chân AVR ATmega8 dạng PDIP 52

Hình 2.38: Bản đồ bộ nhớ chương trình của AVR ATmega8 54

Hình 2.39: Bản đồ bộ nhớ SRAM 55

Hình 2.40: Thanh ghi EEARH và EEARL 56

Hình 2.41: Thanh ghi EEDR 56

Hình 2.42: Thanh ghi EECR 57

Hình 2.43: Thanh ghi TCNT1 58

Hình 2.44: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B 59

Hình 2.45: Thanh ghi TIMSK 60

Hình 2.46: Thanh ghi OCR1A và OCR1B 60

Hình 2.47: Thanh ghi ICR1 61

Hình 3.1: Sơ đồ khối xử lý dữ liệu 62

Hình 3.2: Sơ đồ chân ra của vi xử lý PsoC 29466 63

Hình 3.3: Sơ đồ chân LCD 70

Hình 3.4: Bàn phím keypad 4 x 4 72

Hình 3.5: Sơ đồ chân keyboard P/S 2 73

Hình 3.6: Mã quét các phím 74

Hình 3.7: Mã quét các phím mở rộng 75

Hình 3.8: Khung truyền 11 bits từ bàn phím đến máy 77

Trang 12

Hình 3.9: Khung truyền từ máy đến bàn phím 77

Hình 3.10: Module GSM Q24 78

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối Q24 với chip slave qua SPI 79

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối Q24 với thiết bị I2C 80

Hình 3.13: Sơ đồ kết nối Q24 với qua chuẩn UART 1 80

Hình 3.14: Sơ đồ nối bàn phím keypad với Q24 82

Hình 3.15: Sơ đồ kết nối Q24 với khe SIM 83

Hình 3.16: Kết nối anten 84

Hình 3.17: Module HM-TR 87

Hình 3.18: Module HM-TR loại RS232 và TTL 88

Hình 3.19: Sơ đồ chân HM-TR 89

Hình 3.20 Chế độ config (module RS232) 90

Hình 3.21 Chế độ config (module TTL) 90

Hình 3.22: Giao diện phần mềm config 90

Hình 3.23: Sơ đồ kết nối của module ở chế độ thông thường 91

Hình 3.24: Kết nối với khối xử lý dữ liệu 92

Hình 3.25: Kết nối với khối đo mức nước 92

Hình 3.26: Sơ đồ chân DB9 94

Hình 3.27: Sơ đồ chân DB25 95

Hình 3.28: Khung truyền RS-232 (1 start bit, 8 bit data, no parity, 1 stop bit) 97

Hình 3.29: Kết nối trong RS232 kiểu bắt tay 99

Trang 13

MỞ ĐẦU

Hiện nay do sự biến đổi phức tạp của khí hậu trái đất gây nên tình trạng lũ lụt hoặc hạn hán trên diện rộng, trong khi đó việc đo đạc mức nước sông cũng như hồ thủy điện còn thô sơ, hệ thống trang thiết bị phục vụ công tác đo đạc được nước ngoài tài trợ đã cũ và không còn thích hợp với điều kiện thực tế Qua nghiên cứu hệ thống đo mức nước sông Đà của Nhà máy Thủy điện Hòa Bình, tôi nhận thấy các thiết bị phục vụ công tác đo mức nước do Nga cung cấp hiện nay đã cũ kỹ, thường xuyên hỏng hóc và cần được theo dõi liên tục để tránh xảy ra những sự cố đáng tiếc Việc này gây tốn kém rất nhiều về thời gian, nhân lực và khi hệ thống đo mức nước không có độ chính xác cao sẽ khó khăn trong việc điều tiết nước phục vụ tưới tiêu, phát điện, dự trữ và xả nước

Xuất phát từ những khó khăn đó, tôi đã làm luận văn “Thiết kế hệ thống đo mức nước sông tự động” nhằm đáp ứng một cách tốt nhất cho công tác đo đạc mức nước Hệ thống sử dụng các thiết bị có độ chính xác cao, dùng được với cả hai loại cảm biến siêu âm và áp suất tùy theo lựa chọn của người sử dụng Ngoài ra, hệ thống còn được kết hợp với hệ thống GSM, việc đo đạc được tiến hành một cách nhanh chóng thông qua chỉ một tin nhắn và số liệu được gửi trực tiếp về trung tâm điều hành

Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Văn Đức đã tận tình giúp đỡ tôi

rất nhiều về kỹ thuật để hoàn thành luận văn này Nhưng do hạn chế về kiến thức cũng như thời gian nên luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi xin ghi nhận những đóng góp quý báu để có thể hoàn thiện tốt hơn nữa luận văn này

Trang 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung:

Trước đây, để đo đạc mức nước sông, người đo phải đến từng điểm cần đo

và tiến hành đo, đồng thời ghi lại kết quả vào sổ tay sau đó mang về máy tính cá nhân để xử lý số liệu Việc làm này tốn rất nhiều công sức và thời gian, đồng thời kết quả mang lại có độ chính xác thấp và độ trễ rất lớn Hệ thống đo mức nước sông

tự động ra đời đã giải quyết được những khó khăn nói trên Hệ thống giám sát một cách tự động mức nước sông, người quản lý có thể tiến hành đo bất kỳ lúc nào với chỉ một tin nhắn hoặc có thể thiết lập hệ thống đo theo chu kỳ, hệ thống sẽ phản hồi kết quả mức nước một cách nhanh chóng và chính xác đến máy tính của người quản

lý, giúp người quản lý đưa ra các quyết định hợp lý mà không phải quan tâm đến độ chậm trễ của dữ liệu Hệ thống được thiết kế tối ưu, có thể đưa ra các cảnh báo tức thời khi mức nước trên hoặc dưới ngưỡng, do hệ thống xảy ra sự cố hay do các yếu

tố khác tác động bên ngoài

Không chỉ có tác dụng đo mức nước sông tự động, hệ thống còn có thể được

sử dụng trong các hệ thống đo mức khác như các trạm bơm, kho xăng dầu… Hệ thống có thể sử dụng với cả cảm biến siêu âm và cảm biến áp suất nên còn có thể áp dụng cho các hệ thống đo khoảng cách như cửa tự động, hệ thống lùi của xe ô tô… Kết quả thu nhận được một cách nhanh chóng và chính xác, hỗ trợ tối đa cho người

sử dụng

1.2 Các yêu cầu về thiết kế của hệ thống:

- Hệ thống được thiết kế nhỏ gọn, kết cấu chắc chắn, chịu được thời tiết và các tác động bên ngoài

- Kết quả thu được có độ chính xác cao, thời gian trễ nhỏ

- Dữ liệu đầu ra có định dạng file txt hoặc xls, thuận tiện cho việc xử lý số liệu và vẽ đồ thị

- Đảm bảo độ an toàn và tin cậy khi thu nhận kết quả từ xa

- Cảnh báo bằng loa và có nhiều chế độ thiết lập cảnh báo

Trang 15

1.3 Các yêu cầu về chức năng của hệ thống:

- Hệ thống đo mức nước sông tự động

- Hiển thị kết quả lên màn hình LCD

- Hiển thị trạng thái hệ thống thông qua các đèn LED

- Cảnh báo bằng loa

- Điều khiển thông qua tin nhắn, máy tính

- Lưu trữ kết quả trên máy tính

- Vẽ đồ thị thể hiện sự thay đổi của mức nước

1.4 Sơ đồ khối của hệ thống:

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo mức nước

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

- Khối đo mức nước đo đạc kết quả và truyền dữ liệu qua khối phát tín hiệu

Có thể quan sát trực tiếp kết quả đo của khối đo mức nước qua LED

- Khối xử lý dữ liệu nhận kết quả thông qua khối thu tín hiệu, hiển thị dữ liệu thu được trên màn hình LCD

- Người quản lý dùng bàn phím để quan sát dữ liệu thu được, thiết lập các thông số cảnh báo, cập nhật kết quả đến máy tính và cập nhật số điện thoại thực hiện tin nhắn qua mạng GSM

Vi điều khiển

Thu tín hiệu

Nguồn Bàn phím

Trang 16

- Nếu kết quả thu được nằm ngoài các thiết lập cảnh báo thì hệ thống loa sẽ kêu và đèn LED sẽ nhấp nháy

- Khi khối xử lý dữ liệu được kết nối với PC, có thể xuất dữ liệu ra dạng txt hoặc xls, thuận tiện cho việc theo dõi và vẽ đồ thị

- Có thể đặt chế độ đo liên tục theo chu kỳ định sẵn hoặc đo khi có tin nhắn

từ người quản lý

Trang 17

CHƯƠNG 2: KHỐI ĐO MỨC NƯỚC

Khối đo mức nước là khối đo đạc và tính toán thông số để đưa ra mức nước Khối này trao đổi dữ liệu với khối xử lý dữ liệu thông qua bộ thu phát không dây Khối này bao gồm nguồn cung cấp, các cảm biến, vi điều khiển AVR Atmega8, LED 7 thanh và bộ phát tín hiệu không dây

Hình 2.1: Sơ đồ khối đo mức nước

Mức nước sông được đo đạc thông qua cảm biến siêu âm hoặc cảm biến áp suất, sau đó được đưa vào vi điều khiển AVR Atmega8 Tại vi điều khiển này, dữ liệu có thể xuất ra LED 7 thanh để quan sát trực tiếp hoặc phát không dây về khối

xử lý dữ liệu để hiển thị trên LCD hoặc lưu trữ và xử lý trên PC

2.1 Cảm biến siêu âm:

Vi điều khiển AVR ATmega8

Trang 18

đến các âm thanh rất cao (gần 20KHz), một số loài vật như ong, dơi mới có thể cảm nhận được siêu âm

2.1.2 Giới thiệu cảm biến siêu âm:

- Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm

- Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc phi kim, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong suốt hay mờ đục (những vật thể có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Hình 2.2: Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm

2.1.3 Ứng dụng của cảm biến siêu âm:

- Radar siêu âm (sonar) dùng để phát hiện các mục tiêu dưới nước như thăm

dò đáy biển, phát hiện đàn cá, tàu ngầm Ưu điểm của siêu âm là ít bị suy giảm trong môi trường nước

- Phát hiện phóng điện cục bộ trong máy biến áp Khi xảy ra phóng điện cục

bộ trong máy biến áp sẽ phát sinh sóng siêu âm lan truyền trong dầu, nhờ bộ cảm biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản xạ của nguồn phóng điện và định vị chính xác vị trí dây quấn của máy biến áp có phóng điện cục bộ

- Trong ngành y tế, radar siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấu trúc nội tạng của cơ thể bệnh nhân chẩn đoán chính xác khối u, thai nhi

- Siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật gia công kim loại, sóng siêu

âm là sóng cơ đàn hồi mang năng lượng, có thể làm sạch bề mặt các chi tiết trước khi gia công như mạ, hàn

- Trong kỹ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội khi chùm siêu âm được chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp chúng ta phát hiện được trạng thái bề mặt và các khuyết tật bên trong cấu trúc

Trang 19

- Một ứng dụng quan trọng của cảm biến siêu âm là dùng để đo mức nước trong công tác đê điều, thủy lợi, phục vụ tốt cho công tác khí tượng thủy văn

- Ngoài ra, cảm biến siêu âm còn rất nhiều ứng dụng khác như phát hiện chiều cao, cảm biến lùi cho xe ô tô và các ứng dụng quan trọng khác trong cuộc sống

2.1.4 Cấu tạo của cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm gồm 4 phần chính:

2.1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm:

- Kỹ thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số, thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quãng đường, do đó cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách

- Tần số hoạt động: cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số từ 25KHz đến 500KHz, cảm biến siêu âm trong y khoa hoạt động với tần số từ 5MHz trở lên Tần số của cảm biến tỷ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của cảm biến: với tần

số 50KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc cao hơn, với tần số 200KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở mức 1m

- Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn nhất và khoảng cách nhỏ nhất

Trang 20

- Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần cảm biến gọi là khu vực mù

- Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoảng cách phát hiện lớn nhất: vật xốp < bìa các tông < kim loại

- Cảm biến siêu âm có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện: một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện, sau một khoảng thời gian xác định, khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng

- Ngoài ra để cảm biến siêu âm không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến, người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng chống lại sóng âm thanh

2.1.6 Nguyên lý đo mức nước bằng cảm biến siêu âm:

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, đồng thời đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật theo hướng phát của sóng siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF (Time Of Flight)

Nguyên lý TOF:

Hình 2.3: Nguyên lý TOF

Trang 21

Nguyên lý TOF là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian truyền của sóng Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí)

Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điện từ,

vì vận tốc sóng điện từ rất cao, bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s)

Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng:

2

.t v

d  (2.1) Trong đó: d: khoảng cách cần đo

v: vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền sóng

t: thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại

Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm một cách gián tiếp cho

ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến Khi đó, dường như trên quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất

cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cảm biến ghi nhận được, có một chướng ngại vật Và vì thế, cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó

Hình 2.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm

Trang 22

Như vậy, khi phát và thu về sóng siêu âm, ta ghi nhận được một vector định

vị với hướng là hướng của cảm biến và độ lớn là khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật Và khi đó, nếu ta nói cảm biến ghi nhận một vector 100cm, theo hướng theta, có nghĩa là trong khoảng từ cảm biến tới chướng ngại vật ở hướng theta dường như không có vật cản nào, và chướng ngại vật nằm ở đâu đó, cách cảm biến theo hướng phát của cảm biến (theta) một khoảng 100cm

Hình 2.4 chỉ ra rằng nếu có vật cản nằm trong tầm quét của cảm biến siêu

âm, thì vùng quét của siêu âm có thể được phân phân ra làm 3 vùng Vùng 1 là vùng phía ngoài hình quạt, là vùng dường như có vật cản nào đó Vùng 2 là vùng gần tâm quạt, dường như không có vật cản nào Và vùng 3 là vùng còn lại sau vật cản, cho đến vị trí xa nhất trong tầm quét của siêu âm, đây là vùng chưa biết, vì siêu âm không thể “nhìn” xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này

Phương pháp này có một nhược điểm là khi sóng được phát ra, ta không quản lý được các sóng tán xạ và phản xạ, chỉ biết rằng đa số năng lượng sóng phản

xạ tập trung vào tia phản xạ theo nguyên lý góc tới bằng góc phản xạ Mặt khác, ngoại trừ các thiết bị siêu âm chuyên dụng, các cảm biến siêu âm thông thường có góc mở lớn, sẽ dẫn đến nhiều sai số mà chúng ta sẽ đề cập trong phần này

Các sai số nhiễu phổ biến với cảm biến siêu âm:

2.1.6.1 Sai số lặp:

Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường nào, trong đó

có cả cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm Polaroid 6500 được nhà sản xuất cung cấp sai số lặp là 3% so với khoảng cách trả về của cảm biến

2.1.6.2 Hiện tượng forecasting:

Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến Do nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc với bề mặt chướng ngại vật cần đo Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ

là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới Các chùm tia phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó,

Trang 23

cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này Kết quả, thông số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn

Hình 2.5: Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật liệu

Hình ảnh về hiện tượng Forecasting như sau:

Hình 2.6: Hiện tượng Forecasting

Ngoài ra, vì góc mở rộng, nên không chỉ sai về nhận dạng vị trí chướng ngại vật, mà khoảng cách ghi nhận cũng bị sai lệch Tuy vậy, sai số này không đáng kể như sai số do hiện tượng đọc chéo gây ra Vì sai số này là sai số có thể quản lý được, trong khi đó, sai số do hiện tượng đọc chéo không thể quản lý được

2.1.6.3 Hiện tượng đọc chéo:

Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến một cách không mong muốn

Trang 24

Hình sau đây mô tả hiện tượng đọc chéo của cảm biến siêu âm:

Hình 2.7: Hiện tượng đọc chéo

Phân loại hiện tượng đọc chéo: Hiện tượng đọc chéo có thể phân loại thành hai loại chính:

- Loại 1: là hiện tượng nhiều robot hoạt động trong cùng một môi trường, và cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc do sóng siêu âm di chuyển trong không gian sau một thời gian ngẫu nhiên nào đó quay trở lại cảm biến

- Loại 2: là hiện tượng cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia trên cùng robot sau quá trình phản xạ

Cần phải phân biệt hai quá trình đọc chéo này, bởi vì ta thấy rằng đối với hiện tượng đọc chéo loại một, rõ ràng sóng siêu âm sai lệch là ngẫu nhiên, không dự đoán được Tuy nhiên, vì tính ngẫu nhiên này, việc xử lý nhiễu (tín hiệu sai từ cảm biến khác) trở nên dễ dàng hơn Trong khi đó với loại hai, tín hiệu sai khi hai cảm biến gắn trên cùng robot và gặp một chướng ngại vật có khả năng gây ra hiện tượng đọc chéo, thì dường như các kết quả ghi nhận sẽ khiến cho cảm biến nhận không thể nào phân biệt được đâu là nhiễu, đâu là tín hiệu của bản thân nó phát ra

Thuật toán EERUF (Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing) cho phép xử

lý cả hai loại của hiện tượng đọc chéo trên Ý tưởng cơ bản của thuật toán này nằm

ở chỗ, xem các tín hiệu ghi nhận được là nhiễu và sử dụng những quy định phát và thu để loại bỏ được các nhiễu không hợp lý

Trang 25

2.1.7 Một số cảm biến siêu âm thông dụng:

2.1.7.1 SRF485WPR - cảm biến siêu âm bù nhiệt độ:

SRF485WPR với bộ điều khiển

- Đơn vị đo: S, cm hoặc inch

- Dải đo: 18cm – 600cm (chỉ tiêu kỹ thuật

công nghiệp, không cần hiệu chuẩn)

- Dải đo: 0cm – 600cm (chỉ tiêu Hobby

sau khi tự động hiệu chuẩn)

- Kết nối: với bus nối tiếp, tốc độ 9600 Baud

- Có thể kết nối 16 SRF đến 1 chân trên bộ điều khiển

- Đơn vị: cm hoặc inch

Hình 2.8: Cảm biến siêu âm SRF485WPR

electronics.co.uk/acatalog/Ultrasonic_Rangers.html]

[http://www.robot-Hình 2.9: Cảm biến siêu âm SRF06

Trang 26

- Kết nối: Chuẩn bus I2C

- Đơn vị: S, mm hoặc inch

- Khuếch đại tương tự: Tự động

điều khiển khuếch đại theo 64 bước

- Các chế độ kết nối:

+ 1: Chuẩn bus I2C

+ 2: Bus nối tiếp: có thể kết nối với 16 thiết bị đến bất kỳ bộ P hoặc cổng nối tiếp UART nào

- Hoàn toàn tự động hiệu chỉnh: không cần hiệu chuẩn, chỉ cần bật nguồn và đo

Trang 27

[http://www.robot Kích thước: 43 x 20 x 17mm

- Hai chế độ hoạt động: 1 chân kết nối trig/echo hoặc 2 chân tương thích với SRF04

- Xung phát đầu vào tối thiểu 10S, xung mức TTL

- Xung âm thanh là tín hiệu mức TTL dương, độ rộng xung tỷ lệ với kích thước vật thể

2.1.7.7 SRF235 - Cảm biến siêu âm “bút chì”:

- Kết nối: chuẩn bus I2C

- Kết nối: Chuẩn bus I2C

Trang 28

[http://www.robot Kích thước: 43 x 20 x 17mm

- Xung phát đầu vào tối thiểu 10S, xung mức TTL

- Xung âm thanh là tín hiệu mức TTL dương, độ rộng xung tỷ lệ với kích thước vật thể

2.1.8 Ứng dụng cảm biến siêu âm đo mức nước - SRF05:

2.1.8.1 Giới thiệu:

- SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí SRF hoàn toàn tương thích với SRF04, khoảng cách đo được tăng từ 3m đến 4m

- SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi,

do đó tiết kiệm giá trị trên chân điều khiển Khi chân chế độ không kết nối thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và chân hồi tiếp như SRF04 SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại việc điều khiển chậm hơn, chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh

- Cảm biến gồm 2 mạch thu phát: mạch phát ra sóng siêu âm tần số 40Khz, mạch nhận sẽ xử lý tín hiệu phản xạ lại và xuất ra giá trị xung thời gian cho khối vi điều khiển xử lý

- Chế độ 1: Tương ứng SRF04, tách biệt kích hoạt và phản hồi

Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc

Trang 29

cho SRF05 ở chế độ này Để sử dụng chế độ này, chỉ cần không kết nối chân số 4 của SRF05 (mặc định)

Hình 2.17: Sơ đồ kết nối SRF05 chế độ 1

Hình 2.18: Giản đồ định thời của SRF05 chế độ 1

- Chế độ 2: Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi

Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp,

và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối sẽ được nối với chân Mass Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất

Nguồn 5V Ngõ ra phản hồi

Ngõ vào kích hoạt

Chế độ không kết nối

Mass 0V

Chân được sử dụng 1 lần duy nhất trong quá trình sản xuất Chân không kết nối

Tách biệt kích hoạt và phản hồi

Xung kích hoạt

SRF05

Xung kích hoạt tối thiểu 10S

Sóng siêu âm được

Xung phản hồi -100S đến 25mS Định thời dừng sau

30mS nếu không phát hiện đối tượng

Trang 30

hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700s sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt

Hình 2.19: Sơ đồ kết nối SRF05 chế độ 2

Hình 2.20: Giản đồ định thời của SRF05 chế độ 2

Giản đồ thời gian SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ cho thấy chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10S kích hoạt vào chân TRIGGER để bắt đầu đo khoảng cách SRF05 sẽ gửi cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao chân Echo Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện phản hồi nó tắt xung chân Echo Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch hay centimet hoặc bất cứ điều gì khác Nếu không phát hiện gì cả SRF05 sẽ tạo

ra 1 xung rộng khoảng 30mS

Nguồn 5V Chân không kết nối Ngõ vào kích hoạt, ngõ ra phản hồi

Chế độ (thấp - nối đất)

Mass 0V

Chân được sử dụng 1 lần duy nhất trong quá trình sản xuất

Chân không kết nối

Kết nối chung cho cả kích hoạt và phản hồi

Xung kích hoạt cho

SRF05 và xung

phản hồi đến bộ

điều khiển

Xung kích hoạt tối thiểu 10S

Sóng siêu âm được

truyền từ SRF05

8 chu kỳ dừng sóng âm Xung phản hồi -100S đến 25mS Định thời dừng sau

30mS nếu không phát hiện đối tượng

Trang 31

SRF05 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoảng cách Nếu độ rộng của xung được đo trong hệ S, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm, hoặc chia cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch S/58 = cm hay S/148 = inch

SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mỗi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây Nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn Điều này là để đảm bảo cảm biến hoạt động tốt nhất và không gây ra nhiễu

2.2 Cảm biến áp suất:

Trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay, cảm biến áp suất được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực Đó là vì trong các thiết bị cung cấp năng lượng thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân, cần phải đo và theo dõi áp suất một cách liên tục Nếu áp suất vượt ngưỡng sẽ gây nhiều hậu quả nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và tính mạng con người chính, vì vậy cảm biến áp suất rất quan trọng trong đời sống kinh

tế và xã hội

2.2.1 Áp suất và đơn vị đo:

Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó:

ds

dF

p  (2.2) Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu), áp suất là một thông số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết

bị có sử dụng chất lưu

Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất là pascal (Pa): 1 Pa là áp suất tạo bởi một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m2 theo hướng pháp tuyến Đơn vị Pa tương đối nhỏ nên trong công nghiệp người ta còn dùng đơn

vị áp suất là bar (1 bar = 105 Pa) và một số đơn vị khác

Trang 32

Bảng sau trình bày các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng:

kg/cm2

atmotsphe (atm)

Bảng 2.1: Bảng các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi

2.2.2 Nguyên lý đo áp suất:

* Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh (p t):

p = p t (2.3)

Do vậy đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt

thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng (h) xác định

theo công thức sau:

p = p o + gh (2.4)

Trong đó: p o - áp suất khí quyển

 - khối lượng riêng chất lưu

g- gia tốc trọng trường

Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các phương pháp sau:

- Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp

- Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình Trong trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thuỷ tỉnh do cột chất lỏng

Trang 33

mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do

áp suất gây ra Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất

để đo biến dạng của thành bình Biến dạng này là hàm của áp suất

* Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (p t)

và áp suất động (p d):

p = p t + p d (2.5)

Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động, được đo bằng một trong các phương pháp trình bày ở trên Áp suất động do chất lưu chuyển động gây nên và có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc chất lưu:

Trong đó:  là khối lượng riêng chất lưu

Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy, áp suất động được đo thông qua đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Thông

thường việc đo hiệu (p - p t) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống Pilot, trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng còn cảm biến (2) đo áp suất tĩnh

Hình 2.21 Đo áp suất động bằng ống Pilot

Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặt sau của một màng đo, như vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

Trang 34

Hình 2.22: Đo áp suất động bằng màng 1) Màng đo 2) Phần tử áp điện

2.2.3 Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh:

Nguyên lý chung của phương pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất lưu với áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế

2.2.3.1 Áp kế vi sai kiểu phao:

Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và bình nhỏ có tiết diện f Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp Khi đo, áp suất lớn (p 1 ) được đưa vào bình lớn, áp suất bé (p 2) được đưa vào bình nhỏ Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác động về một phía người

ta mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng van (4) được khoá lại

Khi đạt sự cân bằng áp suất, ta có:

p 1 - p 2 = g( m - )(h 1 + h 2 ) (2.7) Trong đó: g - gia tốc trọng trường

 m - trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

 - trọng lượng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo

Mặt khác từ cân bằng thể tích ta có:

F.h 1 = f.h 2 (2.8) Suy ra:

) )(

/ 1 (

1

2 1

g f

Trang 35

Hình 2.23: Áp kế vi sai kiểu phao

Khi mức chất lỏng trong bình lớn thay đổi (h 1 thay đổi), phao của áp kế dịch chuyển và qua cơ cấu liên kết làm quay kim chỉ thị trên đồng hồ đo Biểu thức trên

là phương trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu phao

Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa Khi

thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi được phạm vi đo

Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao (1; 1,5) nhưng chứa chất lỏng độc hại mà khi áp suất thay đổi đột ngột có thể ảnh hưởng đến đối tượng đo và môi trường

2.2.3.2 Áp kế vi sai kiểu chuông:

Cấu tạo của áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng trong chất lỏng làm việc chứa trong bình (2)

Hình 2.24: Áp kế vi sai kiểu chuông 1) Chuông 2) Bình chứa 3) Chỉ thị

Trang 36

Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân

bằng (hình 2.24a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p 1 -p 2 ) >0 thì chuông được nâng

lên (hình 2.24b) Khi đạt cân bằng ta có:

d(p1 p2).F  (dHdy) f.g( m ) (2.10) Với:

dh = dx + dy d(p 1 - p 2 ) = dh( m - )g fdy = f.dH + ( - F)dx

Trong đó:

F - tiết diện ngoài của chuông

dH - độ di chuyển của chuông

dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông

dx - độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông

f - diện tích tiết diện thành chuông

F - diện tích tiết diện trong của bình lớn

dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông

f - diện tích tiết diện trong của chuông

Giải các phương trình trên ta có:

) (

f

f dH

Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p 1 - p 2 ) nhận được phương trình đặc tính

tĩnh của áp kế vi sai kiểu chuông:

)(

f

f H

Trang 37

2.2.4 Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng:

Nguyên lý chung của cảm biến áp suất loại này dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất Các phần tử biến dạng thường dùng là ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng

Đối với ống dài (L>>r), khi áp suất chất lưu tác động lên thành ống làm cho ống biến dạng, biến dạng ngang (  1 ) và biến dạng dọc ( 2 ) của ống xác định bởi biểu

thức:

p k e

r Y

p v

1 1

r Y

Trang 38

Để chuyển tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện người ta dùng bộ chuyển đổi điện (thí dụ cảm biến lực)

b) Lò xo ống

Cấu tạo của các lò xo ống dùng trong cảm biến áp suất trình bày trên hình 2.26

Lò xo là một ống kim loại uốn cong, một đầu giữ cố định còn một đầu để tự

do Khi đưa chất lưu vào trong ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng và đầu tự do dịch chuyển

Trên hình (2.26a) là sơ đồ lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình trái xoan Dưới tác dụng của áp suất dư trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dưới tác dụng của áp suất thấp nó sẽ co lại

Hình 2.26: Lò xo ống

Đối với các lò xo ống thành mỏng biến thiên góc ở tâm () dưới tác dụng của

áp suất (p) xác định bởi công thức:

2 2

2 1 1

x a

b bh

R Y

v p

a, b - các bán trục của tiết diện ôvan

α, β - các hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống

Trang 39

x = Rh/a 2 - tham số chính của ống

Lực thành phần theo hướng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b =

0,6 - 0,7) ở đầu tự do xác định theo theo biểu thức:

x

s a

b pab

2

cos sin sin 4 3

sin 48

b pab

2

cos sin

cos 48

Trong đó s và ε các hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a

Giá trị của k 1 , k 2 là hằng số đối với mỗi lò xo ống nên ta có thể viết được biểu thức xác định lực tổng hợp:

N  k12k22.pkp (2.17) Với:

Để tạo ra góc quay lớn người ta dùng lò xo xoắn có tiết diện ô van hoặc hình răng khía như hình 2.26c, góc quay thường từ 40o - 60o, do đó kim chỉ thị có thể gắn trực tiếp trên đầu tự do của lò xo

Lò xo ống chế tạo bằng đồng thau có thể đo áp suất dưới 5 MPa, hợp kim nhẹ hoặc thép dưới 1.000 MPa, còn trên 1.000 MPa phải dùng thép gió

c) Xiphông:

Cấu tạo của xiphông trình bày trên hình 2.27

Trang 40

Hình 2.27: Sơ đồ cấu tạo ống xiphông

Ống xiphông là một ống hình trụ xếp nếp có khả năng biến dạng đáng kể dưới tác dụng của áp suất Trong giới hạn tuyến tính, tỉ số giữa lực tác dụng và biến dạng của xiphông là không đổi và được gọi là độ cứng của xiphông Để tăng độ cứng thường người ta đặt thêm vào trong ống một lò xo Vật liệu chế tạo là đồng, thép cacbon, thép hợp kim Đường kính xiphông từ 8 - 100mm, chiều dày thành 0,1 - 0,3 mm

Độ dịch chuyển (δ) của đáy dưới tác dụng của lực chiều trục (N) xác định

theo công thức:

2 2 1

2

/

1

b o o

n Yh

v N

R ng , R tr - bán kính ngoài và bán kính trong của xi phông

r - bán kính cong của nếp uốn

Lực chiều trục tác dụng lên đáy xác định theo công thức:

p R R

N  ng  tr 2

)(

5



(2.19)

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	4,02 MB