Giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 và phần mềm LabVIEW

Bài báo nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ sử dụng các cảm biến khác nhau như: cặp nhiệt ngẫu, PT100 và LM35. Trên cơ sở đó bài báo đã xây dựng mô hình đo và giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 và máy tính. Chương trình giám sát nhiệt độ được thực hiện trên phần mềm LabVIEW. Kết quả đã xây dựng mô hình mô phỏng việc giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 và phần mềm LabVIEW.

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 phần mềm LabVIEW Monitor temperature using USB-6008 module and LabVIEW software Nguyễn Khắc Khiêm, Trần Sinh Biên Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, nkk@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong dây chuyền sản xuất việc đo giám sát nhiệt độ khâu quan trọng nhiệt độ thơng số có nhiều q trình cơng nghệ Việc đo lường xác giá trị nhiệt độ điều kiện khác giám sát chúng có ý nghĩa quan trọng góp phần cho hệ thống hoạt động ổn định Bài báo nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến khác như: cặp nhiệt ngẫu, PT100 LM35 Trên sở báo xây dựng mơ hình đo giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 máy tính Chương trình giám sát nhiệt độ thực phần mềm LabVIEW Kết xây dựng mơ hình mô việc giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 phần mềm LabVIEW Từ khóa: PT100, LM35, USB, LabVIEW Abstract In the manufacturing line, it is important to measure and monitor temperature because it is one of the available parameters in multiple technology processes Measuring temperature accurately under different conditions and monitoring temperature are necessary to make the operating system more stable This paper researches on the way of measuring temperature using various sensors such as thermometers, PT100 and LM35 On that basis, models to measure and monitor temperature using USB-6008 module and computers have been built Temperature monitoring program has been built on LabVIEW software The result has developed simulation models for monitoring temperature with USB-6008 module and LabVIEW software Keywords: PT100, LM35, USB-6008, LabVIEW Đặt vấn đề Trong hệ thống kỹ thuật nói chung dây chuyền sản xuất nói riêng, việc đo giám sát nhiệt độ khâu quan trọng nhiệt độ thơng số có nhiều q trình cơng nghệ Việc đo lường xác giá trị nhiệt độ điều kiện khác giám sát chúng có ý nghĩa quan trọng, góp phần cho hệ thống hoạt động ổn định Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ phần mềm chuyên dụng cho phép việc đo lường giám sát nhiệt độ linh hoạt Vì việc nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 phần mềm LabVIEW cần thiết Vấn đề nghiên cứu giám sát nhiệt độ nhiều cơng trình đề cập đến Tuy nhiên việc nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 phần mềm LabVIEW thể tính linh hoạt giải pháp phần cứng phần mềm Điều cho thấy việc nghiên cứu có tính ứng dụng cao khả thi môi trường công nghiệp Đo giám sát nhiệt độ 2.1 Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ vấn đề quan trọng lĩnh vực công nghiệp như: sản xuất hóa chất, sản xuất thép, sản xuất xi măng Tùy theo dải nhiệt độ cần đo ta sử dụng phương pháp đo nhiệt độ khác nhau: dải nhiệt độ thấp, dải nhiệt độ trung bình dải nhiệt độ cao Có phương pháp đo phổ biến là: phương pháp đo tiếp xúc phương pháp đo không tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc phương pháp đo có cảm biến nhiệt độ đặt trực tiếp môi trường cần đo Phương pháp đo không tiếp xúc phương pháp đo từ xa, thiết bị đo đặt HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 350 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 môi trường đo Với dải nhiệt độ thấp trung bình ta sử dụng phương pháp đo tiếp xúc Với dải nhiệt độ cao ta sử dụng phương pháp đo khơng tiếp xúc Trong công nghiệp ta thường sử dụng phương pháp đo tiếp xúc sử dụng cảm biến như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, IC bán dẫn Cảm biến nhiệt điện trở thường chế tạo từ dây platin, đồng, niken, bán dẫn Các dây quấn lõi cách điện đặt vỏ kim loại để bảo vệ Mạch cầu đo thường sử dụng cho cảm biến nhiệt điện trở Sử dụng mạch cầu đo kết hợp với mạch khuếch đại vi sai có ưu điểm ta giữ lại thành phần tín hiệu (điện áp ra) tỷ lệ với tín hiệu nhiệt độ cần đo Tuy nhiên ta sử dụng nguồn dòng để xây dựng mạch đo Trong cách tín hiệu (điện áp ra) bao gồm thành phần: phần tín hiệu tỷ lệ với tín hiệu nhiệt độ cần đo phần tín hiệu cố định (ví dụ 00C cảm biến nhiệt điện trở loại PT100 có điện trở 100 Ω) [1] Khi dùng mạch cầu đo, sử dụng hai dây dẫn mắc vào mạch cầu dụng cụ có sai số thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ mơi trường xung quanh thay đổi: t  Trong đó: Rd RT  T (1) Rd - thay đổi điện trở dây dẫn nối: Rd  Rd  Rd ; RT, T - điện trở ban đầu nhiệt điện trở hệ số nhiệt Để khắc phục sai số nhiệt độ môi trường làm thay đổi điện trở dây nối, ta sử dụng mạch cầu đo cho cảm biến nhiệt điện trở hình Hình Sơ đồ mạch cầu đo thường sử dụng cho cảm biến nhiệt điện trở Ở chế độ cầu cân bằng, R1 = R2 Rd1 = Rd2 sai số ảnh hưởng thay đổi điện trở dây nối loại trừ Ở chế độ cầu không cân bằng, sai số ảnh hưởng thay đổi điện trở dây nối giảm đáng kể so với sơ đồ cầu hai dây [2] Cảm biến nhiệt ngẫu có cấu tạo gồm hai dây kim loại hàn với đầu để đo nhiệt độ cao Để bảo vệ cho cảm biến ta thường đặt cảm biến nhiệt ngẫu vỏ thép không gỉ Việc cách điện hai dây thực cách luồn hai dây vào ống sứ vỏ cảm biến làm vật liệu cách điện Còn vỏ cảm biến làm kim loại hai dây luồn vào hai ống sứ Tín hiệu cảm biến nhiệt ngẫu điện áp từ vài mV đến vài vài chục mV [2] Các linh kiện điện tử bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ, sử dụng linh kiện diode tranzistor nối theo kiểu diode Điện áp hai cực diode hàm phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo Các cảm biến đo nhiệt độ sử dụng diode tranzistor thường tích hợp thành IC bán dẫn đo nhiệt độ Các cảm biến cho đầu điện áp dòng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản [7] Ví dụ số loại vi mạch (IC) đo nhiệt độ: LM35, LM335, AD592CN HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 351 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Độ nhạy loại IC đo nhiệt độ khoảng 2,5 mV/oC không cố định mà thường thay đổi theo nhiệt độ LM35 họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa chất bán dẫn dễ bị tác động thay đổi nhiệt độ, đầu cảm biến điện áp (V) tỉ lệ với nhiệt độ mà đặt mơi trường cần đo Họ LM35 có nhiều loại nhiều kiểu đóng vỏ khác 2.2 Vấn đề giám sát nhiệt độ Cùng với phát triển khoa học công nghệ, hệ thống máy tính với khả thực phép tính với số lượng lớn giây, loại cảm biến có độ xác cao làm cho hệ thống điều khiển giám sát ngày áp dụng rộng rãi nhà máy công nghiệp đại Q trình tự động giữ vai trò quan trọng ngành công nghiệp khai thác, chế biến, lượng dầu khí, lọc dầu, hố chất Một hệ thống điều khiển bao gồm hệ thống đo lường, hệ thống điều khiển giám sát Nhiệt độ thông số quan trọng dây chuyền sản xuất cần giám sát chặt chẽ Quá trình đo kiểm sốt nhiệt độ sản xuất cơng nghiệp đóng vai trò to lớn hệ thống điều khiển tự động, góp phần định chất lượng sản phẩm ngành công nghiệp như: chế biến thực phẩm, sản xuất thép, gốm sứ, chế tạo động Khi thu thập liệu cho trình điều khiển giám sát nhà máy nhiệt độ thông số bỏ qua Tùy theo yêu cầu tính chất q trình điều khiển mà ta cần sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp Tính xác ổn định nhiệt độ đặt nhiều vấn đề cần giải Giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 phần mềm LabVIEW 3.1 Giới thiệu module USB-6008 Hình Module USB-6008 Sơ đồ khối module USB-6008 thể hình Các tính kỹ thuật Module USB-6008 [8]: Có cổng USB kết nối với máy tính Có đếm 32 bit; kênh đơn (hoặc kênh vi sai) vào tương tự (độ phân giải 12 bit, 48 kS/s) với ngưỡng điện áp giới hạn lớn từ -10 đến 10V; kênh tương tự (độ phân giải 12 bit, 150 kS/s) với ngưỡng điện áp giới hạn lớn từ đến 5V; 12 kênh vào/ra hiệu số (digital I/O) Module USB-6008 có khả thu thập liệu tin cậy với kết nối USB Thiết bị đơn giản để thực đo lường nhanh, linh hoạt để thực ứng dụng đo HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 352 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 lường phức tạp Module USB-6008 sử dụng driver NI-DAQmx Người dùng sử dụng NIDAQmx để triển khai tùy ý ứng dụng thu thập liệu LabVIEW [3, 4, 5, 6] 3.2 Xây dựng module đo nhiệt độ Module đo nhiệt độ với IC LM35 Hình Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với IC LM35 Trên hình sơ đồ khối module đo nhiệt độ với IC LM35 Đầu cảm biến nhiệt độ LM35 đưa vào chân AI module USB-6008 Từ module USB-6008 nối với máy tính qua cổng USB Module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 Hình Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 Ta sử dụng mạch ổn định dòng với nguồn dòng để cấp nguồn cho cảm biến nhiệt độ PT100 Để phù hợp với giải đo module USB-6008, cần sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu Từ mạch khuếch đại, đưa vào chân AI module USB-6008 Từ module USB-6008 nối với máy tính qua cổng USB Module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu Hình Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu Phương trình cặp nhiệt ngẫu [2]: E AB = eAB(t) - eAB (t ) (2) Sử dụng cảm biến nhiệt ngẫu cần phải bù nhiệt độ đầu tự [2] Ở dùng cầu bù tự động nhiệt độ đầu tự hình Hình Cầu bù nhiệt độ đầu tự HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 353 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Vì giá trị điện áp đầu cảm biến nhiệt ngẫu thu nhỏ, nên cần mạch khuếch khuếch đại tín hiệu thu Để phù hợp với giải đo module USB-6008, cần sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu Từ mạch khuếch đại đưa vào chân AI module USB-6008 Từ module USB-6008 nối với máy tính qua cổng USB Khi xây dựng xong sơ đồ nguyên lý, tiến hành lắp ráp mạch đo kết nối với module USB-6008 Từ module USB-6008 nối với máy tính thơng qua cổng USB 3.3 Xây dựng chương trình giám sát LabVIEW Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ xây dựng LabVIEW thể hình hình [3, 4, 5, 6] Hình Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ LabVIEW Hình Chương trình giám sát nhiệt độ LabVIEW 3.4 Một số kết giám sát nhiệt độ Sau ghép nối phần cứng có số kết giám sát nhiệt độ thể từ hình đến hình 12 Trên hình kết giám sát nhiệt độ có kênh số 2, kênh kênh báo động nhiệt độ đặt Trên đồ thị thể tín hiệu kênh chưa qua xử lý nhiễu Hình Kết giám sát tín hiệu kênh chưa qua xử lý nhiễu HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 354 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Trên hình 10 kết giám sát nhiệt độ có kênh số báo động nhiệt độ đặt Trên đồ thị thể tín hiệu kênh qua xử lý nhiễu Trong phần mềm LabVIEW có nhiều cơng cụ hỗ trợ việc xử lý nhiễu Tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà ta sử dụng cơng cụ xử lý nhiễu khối Amplitude and Level Measurements khối Filters Khi kênh đo nhiệt độ với nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khơng q lớn nên ta lựa chọn khối Amplitude and Level Measurements phù hợp Báo động thông báo đèn hiệu âm Các kênh nhiệt độ hiển thị nhiều cách khác lưu trữ dạng file với định dạng dễ sử dụng như: Excel Hình 10 Kết giám sát tín hiệu kênh qua xử lý nhiễu Trên hình 11 kết giám sát nhiệt độ kênh báo động nhiệt độ đặt Trên đồ thị ghi lại thời điểm nhiệt độ kênh số 2, kênh tăng, kênh 1, kênh giảm Hình 11 Kết giám sát kênh báo động Trên hình 12 kết giám sát nhiệt độ có kênh số kênh số báo động nhiệt độ đặt Hình 12 Kết giám sát có kênh 3, kênh báo động HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 355 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Kết đạt Bài báo xây dựng module phần cứng chương trình giám sát nhiệt độ phần mềm LabVIEW ứng dụng module USB-6008 Mơ hình hoạt động ổn định ứng dụng thực hành - thí nghiệm cho sinh viên chuyên ngành Kết nghiên cứu áp dụng việc đo giám sát nhiệt độ thực tế Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo: tăng số lượng kênh đo nhiệt độ giám sát để phù hợp với hệ thống lớn hơn; sử dụng nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ với giải đo khác nhau; phát triển mô hình để giám sát nhiều thơng số khác ngồi thơng số nhiệt độ Tài liệu tham khảo [1] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lí Nhà xuất Giáo Dục 2006 [2] Nguyễn Tấn Phước Cảm biến đo lường điều khiển NXB Khoa học Kỹ thuật 2006 [3] Nguyễn Bá Hải Lập trình LabVIEW NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh 2010 [4] LabVIEW Basics I Development Course Manual Course Software Version 8.0 October 2005 Edition [5] LabVIEW Basics II Development Course Manual Course Software Version 8.0 October 2005 Edition [6] LabVIEW Graphical Programming Course Collection edited by: National Instruments: Malan Shiralkar 2007 [7] http://www.alldatasheet.com/?gclid=CODc67LV0c4CFU1cfgodcswNpQ [8] http://sine.ni.com/psp/app/doc/p/id/psp-117 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 356 ... Tính xác ổn định nhiệt độ đặt nhiều vấn đề cần giải Giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB-6008 phần mềm LabVIEW 3.1 Giới thiệu module USB-6008 Hình Module USB-6008 Sơ đồ khối module USB-6008 thể... độ LabVIEW 3.4 Một số kết giám sát nhiệt độ Sau ghép nối phần cứng có số kết giám sát nhiệt độ thể từ hình đến hình 12 Trên hình kết giám sát nhiệt độ có kênh số 2, kênh kênh báo động nhiệt độ. .. trình giám sát LabVIEW Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ xây dựng LabVIEW thể hình hình [3, 4, 5, 6] Hình Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ LabVIEW Hình Chương trình giám sát nhiệt độ