KHÁI QUÁT về PHẦN mềm LABVIEW và các PHƯƠNG PHÁP đo NHIỆT độ

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ PHẦN MỀM LABVIEW VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Khái quát phần mềm 1.1.1 Phần mềm LabView LabView Hình 1.1 Biểu tượng phần mềm Labview LabView “ viết tắt nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering workbench phần mềm máy tính phát triển cơng ty National Instruments, Hoa Kì Labview biết đến ngơn ngữ lập trình hồn tồn khác so với ngơn ngữ lập trình truyền thống Pascal, C…Bằng cách diễn đạt ý tưởng thơng qua hình ảnh trục quan mơi trường soạn thảo, Labview gọi với tên khác lập trình G, nghĩa Graphical( đồ họa) Cũng khác biệt mà LabView giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hết, đặc biệt LabView phù hợp kĩ sư, nhà khoa học, hay giáo viên Chính đơn giản, dễ học, dễ nhớ giúp cho LabView trở thành công cụ phổ biến ứng dụng thu thập liệu từ cảm biến, phát triển thuật toán, điều khiển thiết bị phòng thí nghiệm giới Về mặt kỹ thuật, LabView dùng để lập trình chương trình máy tương tự ngơn ngữ lập trình dựa chữ C, Visual Basic, Pascal,… Đồng thời LabView hỗ trợ kỹ sư, nhà khoa học sinh viên,… xây dựng thuật toán cách nhanh, gọn, sáng tạo dễ hiểu nhờ khối hình ảnh có tính gợi nhớ cách thức hoạt động theo kiểu dòng liệu từ trái qua phải Các thuật tốn sau áp dụng lên mạch điện cấu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệ thống thật với LabView thông qua nhiều chuẩn giao tiếp chuẩn giao tiếp RS232, chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP…Vì LabView ngơn ngữ giao tiếp đa kênh ” (Nguyễn Bá Hải, Lập trình Labview) LabView hỗ trợ hầu hết hệ điều hành Windowns, Linux, MacOS,…và tiện cho người lập trình hệ điều hành khác Trong Labview có cửa sổ, cửa sổ Block Diagram cửa sổ Front Panel Trong đó: • Cửa sổ màu đen chứa điều khiển(controller) hiển thi(indicator) Hình 1.2 Front Panel(kiểu bảng trực quan) • 1.1.2 Cửa sổ màu trắng chứa Funcition Hình 1.3 Block Diagram( giao tiếp) Các ứng dụng LabView “LabView sử dụng lĩnh vực đo lường, tự động hóa, điện tử, robotics, vật lý, toán học… - LabView giúp kết nối cảm biến, cảm biến với máy tính - LabView sử dụng để xử lý kiểu liệu tín hiệu tương tự(analog), tín hiệu số(digital), hình ảnh(vision), âm thanh(audio) - LabView hỗ trợ giao thức giao tiếp khác RS232, RS485, TCP/IP, PCI,… Phát triển nhanh với cơng nghệ Express”.(Nguyễn Bá Hải, Lập trình Labview).) 1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ “Nhiệt độ thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính vật chất, q trình nên công nghiệp đời sống hàng ngày hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ Tùy theo nhiệt độ đo dùng phương pháp khác nhau, thường phân loại phương pháp dựa vào dải nhiệt độ đo, cách đo Thông thường nhiệt độ đo chia thành dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình cao Ở nhiệt độ trung bình thấp: phương pháp thường đo phương pháp tiếp xúc nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường cần đo(đo trực tiếp) Đối với nhiệt độ cao: đo phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ngồi mơi trường đo(khơng trực tiếp tiếp xúc với môi trường)”.(www.tailieu.vn, Các phương pháp đo nhiệt độ) Bảng 1.1 Cho biết dụng cụ phương pháp đo nhiệt độ với dải khác nhau: Dụng cụ phương pháp Nhiệt độ oC Sai số đo Nhiệt điện trở: - Bằng vật liệu quý Vật liệu không quý Bán dẫn -273 đến 1500 0,001 -273 đến 900 0,5 đến -273 đến 500 đến 1000 đến 2000 0,1 -273 đến 1500 đến 1000 đến 3000 -273 đến 600 -273 đến 1000 đến 0,05 0,1 1000 đến 3000 Nhiệt kế nhiệt điện - Bằng vật liệ quý Vật liệu không quý Vật liệu khó chảy Điện âm Nhiệt nhiễu Hỏa quang kế - Bức xạ Màu sắc - Cường đọ sáng Quang phổ kế 1000 đến >3000 đến 1000 đến 2900 đến đến 100000 đến 10 1.2.1 Các phương pháp đo tiếp xúc “ Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường sử dụng nhiệt xúc Có hai loại nhiệt xúc, gồm: - Nhiệt kế nhiệt điện trở(theo nguyên lý thay đổi điện trở) - Nhiệt kế nhiệt ngẫu Ngoài ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550C ÷ 2000C hiệnnay ta thường ứng dụng IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt điốt, tranzito để đo nhiệt độ(phương pháp bán dẫn) Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với môi trường đo: - Đối với mơi trường khí nước: chuyển đổi đặt theo hướng ngược lạivới dòng chảy - Với vật rắn, khí: đặt nhiệt kế sát vào nơi cần đo nhiệt độ, nhiệt lượng truyền trực tiếp từ môi trường sang chuyển đổi dễ gây tổn hao vật, với vật dẫn nhiệt Do diện tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt - Khi đo nhiệt độ chất dạng hạt (cát, đất, đá ): cần phải đưa sâu đầu đo vào môi trường cần đo thường dùng đầu đo có cáp nối ngồi.” (www.tailieu.vn, Các phương pháp đo nhiệt độ) 1.2.1.1 Nhiệt kế nhiệt điện trở “ Nhiệt kế nhiệt điện trở tạo thành dây platin, đồng, niken, bán dẫn quấn lõi cách điện đặt vỏ kim loại có đầu nối ngồi Nhiệt kế nhiệt điện trở dùng mạch đo để đo điện trở hay dùng mạch cầu không cân bằng, thị lôgômmét từ điện cầu tự động cân bằng, nhánh nhiệt điện trở a) Bù sai số thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ môi trường thay đổi: nhiệt điện trở mắc vào mạch cầu hai dây dẫn Rd1 Rd2(cầu hai dây), đầu đo có sai số thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi, sai số tính: Vt = ∆Rd Rtα (1.1) với: ΔRd - thay đổi điện trở dây nối Rd =R1 +R2 RTvà αT - điện trở ban đầu nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ (với T=00C) Để giảm sai số nhiệt độ môi trường thay đổi người ta sử dụng cầu ba dây hình 1: Hình 1.4 Sơ đồ cầu dây Trong sơ đồ hai dây mắc vào nhánh kề mạch cầu, dây thứ mắcvào nguồn cung cấp Khi cầu làm việc chế độ cân R1=R2 ; Rd1=Rd2 sai số thay đổi điện trở đường dây loại trừ Khi cầu làm việc chế độ không cân sai số giảm đáng kể so với cầu haidây Thực chất cầu làm việc chế độ không cân sai số chủ yếu thayđổi điện áp nguồn cung cấp gây nên b) Sơ đồ nguyên lý nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu không cân bằng, thị cấu lôgômmét từ điện: hình 1.5: Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu không cân bằng, thị cấu lôgômmét từ điện Với sơ đồ có khả loại trừ sai số điện áp nguồn cung cấp thay đổi Ba nhánh mạch cầu R1, R2 R3 điện trở làm manganin Nhánh thứ tư điện trở nhiệt Rt, bốn nhánh điện trở mắc theo sơ đồ mạch cầu ba dây Trong sơ đồ, điện trở R4 dùng để chỉnh không thang đo (chỉnh cho cầu cân trước bắt đầu đo) Điện trở Rp dùng bù với điện trở đường dây để đạt giá trị khắc độ (5Ω 15Ω) rt điện trở bù nhiệt độ cho cấu lôgômmét Khi hiệu chỉnh Rp người ta sử dụng điện trở Rk (có giá trị điện trở nhiệt điện trở) Rk mắc vào nhánh cầu sau điều chỉnh điện trở Rp kim lôgômmét dừng vị trí xác định thang dừng lại, Rk ngắn mạch đo Nếu chọn R1 =R3 ; R0= R'0= R (điện trở khung dây lơgơmmét) tỉ số dòng điện chạy cuộn dây lôgômmét xác định công thức: Itb1 = Itb R+ R1 ∆Rt R + R1 + ( R1 + R + R 4) R2 R 't R1 ∆Rt R+ R + R1 − R4 R2 R 't (1.2) với: ΔRt - Sự thay đổi điện trở nhiệt điện trở nhiệt độ lệch khỏi giá trị trung bình R't=R0+Rp+RTtb (1.3) RTtb : điện trở nhiệt điện trở với giá trị nhiệt độ trung bình đo dụng cụ Từ phương trình thấy tỉ số dòng điện phụ thuộc vào ΔRt lôgômmétchỉ giá trị nhiệt độ cần đo Trong ngành công nghiệp để đo nhiệt độ nhiệt điện trở người ta thực mạch cầu tự động tự ghi Phương pháp đo nhiệt độ điểm số điểm nhờ cấu chuyển mạch Cấp xác đạt đến 0,5 ”(www.tailieu.vn, Các phương pháp đo nhiệt độ) 1.2.1.2 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (cặp nhiệt) “ Phương pháp đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu phương pháp phổ biến thuận lợi Cấu tạo nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu hình 1.6: Hình 1.6 Cấu tạo nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu a) Cấu tạo nguyên lý hoạt động nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu: gồm hai dây hàn với điểm 1, luồn vào ống để đo nhiệt độ cao Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế làm thép chống rỉ Để cách điện hai dây, hai dây lồng vào ống sứ nhỏ Nếu vỏ làm kim loại hai dây đặt vào ống sứ Đầu cặp nhiệt ngẫu nối vào đầu nối Mạch đo cặp nhiệt ngẫu miliVônmét điện kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ ÷100mV Nếu đo sức điện động nhiệt điện miliVônmét gây sai số nhiệt độcủa mạch đo thay đổi Dòng điện chạy qua thị lúc : I= E Rt + Rd + Rdc (1.4) đó: E - Sức điện động; Rt - điện trở cặp nhiệt ngẫu Rd- điện trở đường dây; Rdc-điệntrở miliVônmét Điện áp rơi miliVônmét là: U = E − I ( Rd + Rt ) = E Rdc Rt + Rd + Rdc thường Rd + Rt hiệu chỉnh khoảng 5Ω, điện trở miliVơnmét lớn nhiều lần (40÷50 lần), sai số chủ yếu điện trở miliVônmét Rdc thay đổi Đo sức điện động điện kế loại trừ sai số dòng điện tiêu thụ không tiến hành phép đo b) Khắc phục sai số nhiệt độ đầu tự thay đổi: cách dùng mạch bù sai số nhiệt độ hình 1.7: Hình 1.7 Mạch bù sai số nhiệt độ nhiệt độ đầu tự thay đổi nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu chiều điểm A B,trong Rt - nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu Điện trở Rt mắc vị trí với đầu tự cặp nhiệt ngẫu có nhiệt độ t0 Cầu tính tốn cho nhiệt độ t0 = 0C điện áp đường chéo cầu ΔU = Khi nhiệt độ đầu tự thay đổi đến t'0 ≠ t0 điện áp cầu ΔU ≠ bù vàosức điện động nhiệt độ thay đổi Với phương pháp bù sai số giảm xuống đến 0,04% 100C Nhược điểm phương pháp phải dùng nguồn phụ sai số nguồn phụ gây ra.”(www.tailieu.vn, Các phương pháp đo nhiệt độ) Bảng 1.2 Đặc tính số cặp nhiệt thông dụng: 10 điện áp đưa vào modul 6008, từ kết nối với máy tính thơng qua phần mềm chun dụng.(LabView) + Card NI-USB 6008: phần tử trung gian để kết nối cảm biến với máy tính Modul có sẵn, mua chúng(giá 200 la) + Giao diện người-máy: Là máy tính để ban(deskop) máy tính cá nhân(PC) có cài đặt phần mềm labview kết nối với card NI USB6008 qua cổng USB Từ giao diện, ta thấy nhiệt độ đo từ cảm biến- trực quan người dùng 2.2.2 Các hàm dùng Labview a, Điều khiển(Control): Các control thường dùng gồm dạng: numeric, fill slide, pointer slide, knod, dial, constant, string, simulated signal,… Để lấy control, ta vào thư viện theo đường dẫn: FB>Express>Numeric control hình Hình2.6 Lấy control Ta sau: 31 Hình2.7 Control Numeric Ta đặt tên control numeric thành tên mà ta thích để người khác dễ hiểu ý muốn Ta đặt sau A1 Hình2.8 Đặt tên lại control B, Các Indicator(hiển thị) Tương tự control, ta có indicator numeric, string, slide, Để lấy Indicator, ta vào thư viện theo đường dẫn: Front Panel> Express>Numeric Indicator> Thermometer hình sau: 32 Hình2 Chọn hiển thị nhiệt độ Ta sau: Hình2.10 Hiển thị nhiệt độ Với yêu cầu đề tài ta có kênh hiển thị nhiệt độ Ta đặt tên lại hiển thị Hình2.11 Hiển thị nhiệt độ kênh C, Vòng lặp while “ Vòng lặp while vòng lặp có điều kiện Ý nghĩa vòng lặp cho phép chạy chương trình tới nút Stop nhấn dừng lại Để lấy while ta vào Block Diagram>Express>Execution>While loop Hình2 12 Vòng lặp while loop While loop lặp lại chương trình đặt vòng lặp này, tới ấn nút Stop giao diện Ngoài ra, while loop có chân (i) đếm 33 số lần lặp Giá trị lớn (i) 2147483647 giữ sau Nếu cần giá trị lớn 2147483647 dùng Shift register có miền giá trị Interger lớn D, DAQmx NI- DAQmx thiết bị mô ảo, từ đây, ta mơ thiết bị card 6008, 6009, PCI,… NI-DAQmx không cung cấp cho người lập trình LabVIEW chức Driver thiết bị thơng thường mà bao gồm nhiều tính ưu việt khác để hỗ trợ tối đa người dùng lập trình LabVIEW Một tính thú vị mẻ NI-DAQmx cho phép người dùng mô hoạt động thiết bị DAQ Ta biết có nhiều lí để khơng phải lúc bỏ tiền mua thiết bị DAQ để tạo nên ứng dụng truyền nhận liệu Bên cạnh thiết bị DAQ nhiều model, tốn tiền công dụng khác Tuy nhiên ta sử dụng mơ chức năng, hoạt động đặc tính chất lượng thiết bị DAQ cơng việc nghiên cứu phát triển ứng dụng thu nhập liệu trở nên đơn giản Ta phát triển chương trình truyền nhận liệu mà khơng cần phần cứng bao gồm card DAQ thiết bị kèm sensor, cảm biến… Ta tìm Labview sau Mở Measurement & Automation Explorer (MAX) Đây mơi trường ứng dụng cho phép tạo thiết bị mô Right-click Mystem»Devices and Interfaces chọn lựa Create New… Chọn Simulated NI-DAQmx Device or Mudular Instrument, chửa sổ Create Simulated NI-DAQmx Device cho phép bạn lựa chọn model thiết bị DAQ mà bạn muốn mơ 34 Hình 2.13 Chọn thiết bị DAQ Chọn lựa thiết bị mà bạn muốn mô Lưu ý có tới hàng trăm thiết bị mà bạn mơ NI-DAQmx Hình 2.14 Chọn thiết bị DAQ mô 35 Click OK để đóng cửa sổ Create Simulated NI-DAQmx device lại Tên thiết bị mà bạn vừa chọn lựa xuất cửa sổ MAX Chú ý thiết bị thật kết nối cài đặt máy tính có biểu tượng màu xanh thiết bị mơ có biểu tượng màu vàng Hình2.15 NI-DAQmx xuất máy Hoàn thành thao tác phần trước để thiết lập thiết bị mô NI-DAQmx (không cần phần cứng) MAX Thao tác tác vụ NI-DAQmx DAQ Assistant 36 * Nháy chuột phải My System»Data Neighborhood»NI-DAQmx Task chọn Create New NI-DAQmx Task Một cửa sổ cho phép bạn lựa chọn loại phép đo Hình2.16 Chọn kiểu đo * Chọn lựa Acquire Signals»Analog Input»Voltage (Đo điện áp) Một cửa sổ bạn lựa chon kênh đo c Chọn lựa kênh đo từ thiết bị mô NI-DAQmx mà ta tạo từ trước Như nói trên, thiết bị ảo (Mơ phỏng) thực nhiệm vụ chức thiết bị thật DAQ Assistant khơng phân biệt hai loại thiết bị Giữ phím Ctrl để chọn lựa lúc nhiều kênh đo cách riêng lẻ phím Shift để chọn loạt kênh.” (www.hocdelam.org) 37 Hình2 17 Chọn kênh đo Ta tìm DAQmx labview sau: Hình2.18 NI- DAQmx E, Các lệnh cộng trừ nhân chia Các lệnh cho phép ghép nối điều khiển để kết nối với cáchiển thị Các lệnh đường nối thành phần thiếu 38 2.3 Kết nối hệ thống Card USB 6008 ?ng USB Máy Tính ?CH GHÉP N? I S? D? NG USB 6008 Hình 2.24 Mạch ghép nối sử dụng USB6008 LM35 39 CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH TRÊN LABVIEW 3.1 Thuật tốn giám sát 3.1.1 Thuật toán Bắt đầu Cấp nguồn +5V cho LM35 6008 LM35 có tín hiêu, xuất điên áp vào CardUSB 6008 Đ Card 6008 cắm vào máy tính Card 6008 LM35 đồng điện áp nối đất Hiển thị giao diện lập hiển thị nhiệt độ Stop 40 S \Hình 3.1 Sơ đồ thuật tốn giám sát 3.1.2 Giao diện giám sát Hình 3.2 Giao diện giám sát 3.2 Chương trình giám sát 41 Hình 3.3 Chương trình giám sát 3.3 Kết + Khi chạy chương trình nhiệt độ phòng, ta thấy nhiệt độ khoảng 330C, đèn báo động chưa sáng chưa vượt ngưỡng cảnh báo 400C 42 Hình 3.4 Khi ta chạy chương trình nhiệt độ phòng + Khi ta có nguồn nhiệt máy sấy đèn cảnh báo sáng vượt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo 400C 43 Hì nh 3.5 Khi có nguồn nhiệt tác động đến đầu đo LM35 vượt ngưỡng cảnh báo 400C(đèn sáng, kênh 1,2,4) + Ta xuất file excell: Hình 3.6 Nhiệt độ lưu vào file exell 44 45 ... cầu đo nhiệt độ Tùy theo nhiệt độ đo dùng phương pháp khác nhau, thường phân loại phương pháp dựa vào dải nhiệt độ đo, cách đo Thông thường nhiệt độ đo chia thành dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ. .. ”(www.tailieu.vn, Các phương pháp đo nhiệt độ) 1.2.1.2 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (cặp nhiệt) “ Phương pháp đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu phương pháp phổ biến thuận lợi Cấu tạo nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu hình... nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng nửa nhiệt độ môi trường nhiệt độ tính có sai số khơng q hai lần sai số nhiệt kế nhiệt ngẫu đo trực tiếp Phương pháp thường dùng để đo nhiệt độ