Thiết kế mô hình điều tiết nhiệt độ trong nhà lưới
3.2.2.1. Tế bào quang dẫn
Đặc tr−ng của các cảm biến điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông l−ợng bức xạ và phổ của bức xạ đó. Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện t−ợng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng điện nôi: hiện t−ợng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu.
3.2.2.1.1. VËt lý quang dÉn
Dưới đây xét mô hình đơn giản để rút ra các mối quan hệ định lượng giữa các đại l−ợng.
Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại n với nồng độ các donor Nd có mức năng l−ợng nằ d−ới vùng dẫn một khoảng bằng Wd
( hình 2.2.1 ). Giả sử năng lương ion hóa nguyên tử donor Wd đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong bóng tối nồng độ n0 của các donor bị ion hóa do nhiệt là nhỏ.
ở trong tối, nồng độ điện tử đ−ợc giải phóng trong một đơn vị thời gian nào do kích
Khoa cơ điện - 99 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội thích nhiệt từ các nguyên tử donor tỷ lệ thuận với nồng độ của các tạp chất ch−a bị ion hóa(Nd-n0) trong đó:
a ≈ exp(-q Wd/k.T) (3.17)
Biểu thức của a cho ta thấy nhiệt độ có vai trò ảnh hưởng quan trọng. Số điệ tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hóa trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với nồng độ các nguyên tử đã bị ion hóa n0 và với nồng độ điện tử cũng chính bằng n0, nghĩa là tỷ lệ với r.n0.
Trong đó r là hệ số tái hợp.
Hình 2.16.: Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng l−ợng của điện tử
Phương trình độnh học của quá trinh tái hợp biểu diễn sự thay đổi của mật độ
điên tử tự do có dạng:
dt
dn0 = a(Nd - n0) – r.n0. (3.18) ở trạng thái cân bằng ta có:
dt
dn0 = 0 (3.19)
Khoa cơ điện - 100 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
Kết hợp với (2.2) ta đ−ợc:
n0 = -
r a
2 + 2
1
2 2
4 ⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ +
r aN r
a d
(3.20)
Độ dẫn trong tối đ−ợc biểu diễn bởi biểu thức:
σ0= qμn0 (3.21)
Trong đó μ là độ linh động của điện tử và q là giá trị tuyệt đối của điện tích của điện tử. Khi nhiệt độ tăng độ linh động giảm nh−ng mật độ n0 tăng bởi vì sự kích thích nhiệt rất lớn và ảnh hưởng của nó là quyết định đối với độ dẫn.
Khi chất bán dẫn bị chiếu sáng, các photon (năng l−ợng hν Wd) sẽ ion hóa các nguyên tử donor giải phóng ra g điện tử trong một giây trong một đơn vị thể tích. Các điện tử này sẽ bổ sung thêm vào số các điện tử đ−ợc giải phóng do kích thích nhiệt. Số điện tử g đ−ợc tính theo biểu thức:
g =
V G =
L A.
1 . ν η
h ) 1
( −R .φ (3.22)
Trong đó V = A.L, ý nghĩa của A và L thể hiện trên hình 2.16, G là số điện tử được giải phóng trong một đơn vị thời gian. Phương trình động học của tái hợp trong tr−ờng hợp này có dạng:
dt
dn = a(Nd – n) + g - r.n2 (3.23)
Thông thường bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử do các photon giải phóng sẽ lớn hơn rất nhiều so với số điện tử đ−ợc giải phong do nhiệt:
g >> a(Nd – n) và n >> n0 (3.24)
Trong những điều kiện như vậy có thể rút ra phương trình động học cho mật
độ của điện tử ở điều kiện cân bằng dưới tác dụng của chiếu sáng:
n = 2
1
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ r
g (3.25)
Độ dẫn tương ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng σ0= qμn0.
Khoa cơ điện - 101 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
Nếu tính đến biểu thức của g có thể nhận thấy rằng độ dẫn là hàm không tuyến tính của thông l−ợng ánh sáng: nó thay đổi theo φ1/2. Kết quả này rất quan trọng, thực nghiệm đã chứng minh số mũ của φ nằm giữa 0,5 và 1. Nếu tính toán kỹ l−ỡng hơn thì cần phải xét đến ảnh hưởng của các tâm bắt hạt dẫn trên thực tế các tâm này luôn tồn tại trong vật liệu.
3.2.2.1.2. Vật liệu để chế tạo cảm biến
Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ:
- Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTe.
- Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe.
3.2.2.1.3. Các đặc tr−ng 3.2.2.1.3.1.Điện trở
Giá trị điện trở tối RC 0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích th−ớc, nhiệt
độ và bản chất hóa lý của vật liệu quang dẫn. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn (từ 104 Ω ữ 109 Ω ở 250 C ), trong khi đó SbIn, SbAs, CdHgTe lại có
điện trở tối tương đối nhỏ (từ 10 Ω ữ 103 Ω ở 250 C ). Điện trở RC của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Trên hình 2.2.1.3.1 là một thí dụ cu thể về sự thay đổi của điện trở của một tế bào quang dẫn nh− là hàm của độ rọi sáng.
Khoa cơ điện - 102 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
Hình 2.17: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
Các tính chất của một tế bào quang dẫn có thể đ−ợc biểu diễn bằng một mạch tương đương, trong đó điện trở tối RC 0 mắc song song với một điện trở RC P xác định bởi hiệu ứng quang điện do chiếu ánh sáng và có dạng:
RC P = a.Φ−γ (3.26)
Trong đó a phụ thuộc mạnh vào vật liệu, nhiệt độ và phổ bức xạ ánh sáng, γ có giá trị từ 0,5 ữ 1.
Vì vậy khi chiếu sáng điện trở sẽ là:
RC =
P RC 0 RC
P 0.RC RC
+ = γ
γ - -
a.
0 RC
.a.
0 RC
Φ +
Φ (3.27)
Thông th−ờng RCP << RC 0 cho nên RC = a.Φ −γ. Sự phụ thuộc của điện trở vào thông l−ợng ánh sáng không tuyến tính . Tuy nhiên có thể tuyến tính hóa nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn.
Điện trở RC (khi bị chiếu sáng) phụ thuộc vào nhiệt độ:Độ nhạy nhiệt của tế bào quang dẫn càng nhỏ khi bị độ rọi sáng càng lớn. Giá trị của điện trở sẽ bị giảm tuy rất chậm ở những đièu kiện làm việc giới hạn khi độ rọi sáng và điện áp đặt vào quỏ lớn. Người ta rỳt ra kết luận rằng hiệu ứng già húa này tương đối rừ ràng ở những vật liệu có hệ số nhiệt cao.
3.2.2.1.3.2.Độ nhạy
Khoa cơ điện - 103 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
Theo sơ đồ tương đương của một tế bào quang dẫn, độ dẫn điện của tế bào là tổng thể của độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng:
GC =GC 0 + GC P (3.28)
Trong đó:
+ GC 0 =1/RC 0 là độ dẫn trong tối.
+ GC P =1/RC P =1/ a.Φ −γ là độ dẫn quang.
Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, sẽ có dòng điện I chạy qua nó:
I = GC.V = GC 0.v+ GC P.V = I0 + IP (3.29)
Trong điều kiện sử dụng thông thường thì I0 << IP do đó dòng quang điện của tế bào quang dẫn đ−ợc xác định bởi biểu thức:
IP =
a
V .Φ −γ (3.30)
Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỷ lệ chuyển đổi tĩnh:
Φ 1 =
a
V .Φy−1 (3.31) Và độ nhạy:
ΔΦ ΔI =
a
γV .Φy−1 (3.32) Từ hai biểu thức này ta có thể thấy:
+ Nếu tính đến các giá trị của γ thì tỷ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhay có cùng
độ lớn.
+ Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy của nó giảm khi bức xạ tăng( trừ trường hợp đặc biệt khi γ = 1).
+ Độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào quang dẫn.Điều này chỉ
đúng khi điện áp đủ nhỏ để hiệu ứng joule không làm thay đổi nhiệt độ (vì nhiệt độ cao sẽ làm giảm độ nhạy)
3.2.2.1.4. ứng dụng của tế bào quang dẫn
Tế bào quang dẫn đ−ợc chú ý sử dụng bởi chúng có tỷ lệ chuyển đổi tĩnh và
độ nhạy cao cho phép đơn giản hóa trong việc ứng dụng.
Nh−ng tế bào quang dẫn cung có một số nh−ợc điểm nh−:
Khoa cơ điện - 104 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
- Hồi áp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông l−ợng . - Thời gian hồi đáp lớn.
- Các đặc tr−ng không ổn định(già hóa).
- Một số loại đòi hỏi phải làm nguội.
Trong thực tế, các tế bào quang dẫn th−ờng đ−ợc ứng dụng trong hai tr−ờng hợp :
- Điều khiển rơ le: Khi có thông l−ợng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở R của nó giảm xuống đáng kể đủ để cho dòng điện I chay qua tế bào. Dòng điện này đ−ợc sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuếch đại để đóng mở rơ le.
a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua Tranzito khuếch
đại
Hình 3.18: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển RơLe
- Thu tín hiệu quang: tế bào quang dẫn có thể đ−ợc sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ đ−ợc phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng mang đến sẽ được thể hiện trên xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa.
3.2.2.1.5. ứng dụng của cảm biến quang để đo cường độ ánh sáng.
Khoa cơ điện - 105 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
Hình 3.19: Sơ đồ mạch nguyên lý mạch đo c−ờng độ ánh sáng.
Nguyên lý mạch do:
Dựa vào nguyên lý thay đổi điện trở của quang trở R1 theo cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặt ta có thể xác định được cường độ ánh sáng thông qua thông số điện trở của quang trở.
Các linh kiện D1,C1,C2,C3,U3 7805 nhằm tạo ra một điện áp 5V từ nguồn 24V để cung cấp cho mạch so sánh.
Trong mạch so sánh, một điện áp biến đổi từ 0 ữ 5V ứng với cường độ ánh sáng đ−ợc tạo ra nhờ R2,R3,R1...Điện trở R2,R3 nhằm giảm dòng qua quang trở.
Điện áp lấy ra giữa R1,R2 đ−ợc đ−a vào một đầu so sánh thuật toán LM324 khi không có ánh sáng chiếu vào thì điện áp ở chân 3 của thuật toán ~5V, khi có ánh sáng chiếu vào thì R1 tiến dần tới 0 Ω, do đó áp tại chân 3 tiến dần tới 0 V tùy vào cường độ ánh sáng.
Biến trở R6 để tạo ra một điện áp (0 ữ 5V), là điện áp đặt để so sánh với điện
áp tạo ra từ chân của quang trở. Như vậy để xác định một điểm cường độ sáng nào
đó thì ta đặt một điện áp tương ứng trên chân 2, khi ánh sáng xuống dưới ngưỡng
Khoa cơ điện - 106 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
thì trên chân 3 sẽ có một điện áp lớn hơn điện áp đặt, ở đầu ra của so sánh thuật toán sẽ có mức điện áp cao (5V). Điện áp này sẽ kích mở transistor C828 qua điện trở bảo vệ R4, khi transistor mở sẽ có một điện áp 24V vào cuộn dây Relay, ở chân tiếp điểm của Relay ta có thể cấp nguồn 24V để đ−a vào PLC xử lý
Phần mạch in:
Hình 3.20: Sơ đồ mạch in mạch đo c−ờng độ ánh sáng.
3.2.2.1.6. Kết quả thí nghiệm với cảm biến quang.
Dụng cụ thí nghiệm:
+ Cảm biến quang.
+ Máy đo cường độ ánh sáng EXTECH.
- Máy có thể đo cường độ ánh sáng từ 0 ữ 100000 lux.
- Máy có hai thang đo:
Nếu ta đo từ 0 ữ 19999 lux thì đặt ở thang đo x10.
Nếu ta đo từ 20000 ữ 500000 lux thì ta đặt ở thang đo x 100.
+ Đồng hồ vạn năng. (Chỉ thị số).
+ ổn áp, có thể điều chỉnh điện áp từ 0 ữ 220 V. Để điều chỉnh sự sáng tối của bóng đèn làm thí nghiệm.
+ Đèn sợi đốt công suất 60 W.
Do trong bài ta cần đo ánh sáng từ 30000 ữ 80000 lux nên ở máy đo c−ờng
độ ánh sáng ta đặt ở thang đo x 100.
Trong quá trình làm thí nghiệm ta thu đ−ợc kết quả cho ở bảng sau:
Sè lÇn thÝ nghiệm
Điện áp ra
Đơn vị (mV)
Cường độ ánh sáng x 100
Đơn vị (lux)
è lÇn hÝ
ghiệm
Điện áp ra
Đơn vị (mV)
Cường độ ánh sáng x100
Đơn vị (lux)
1 574 8 13 49 526
Khoa cơ điện - 107 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
2 473 23 14 48,8 530
3 242 100 15 47,5 597
4 226 172 16 47,3 610
5 196 184 17 47,1 630
6 125 220 18 46 660
7 103 224 19 45,2 693
8 91,2 254 20 45 675
9 82,4 295 21 44,9 686
10 78,5 360 22 44,4 700
11 76 392 23 44,2 710
12 73 400 24 44 720
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm với cảm biến quang.
Từ bảng kết quả trên ta tổng hợp và xử lý số liệu ta tổng hợp hàm số về sự phụ thuộc của điện áp vào cường độ sáng:
Để việc tìm hàm phụ thuộc đ−ợc đơn giản ta xử lý và lấy 10 số liệu nh− ở bảng sau đây:
Sè lÇn thí nghiệm
Điện áp ra (y)
Đơn vị (mV)
Cường độ ánh sáng (x) x 100
Đơn vị (lux)
1 574 8 2 473 23
3 242 100
4 196 184
5 91.2 254
6 76 392
7 49 530
8 46 660
9 45 675
10 44 720
∑y = 1836,2 ∑x = 3546
62 ,
=183
y x=354,6
∑ y2=672756,44 ∑x2= 1953154
σy= 183,19 σy=263,77
y2=33716,3 x2=125741,16 Tính toán hệ số t−ơng quan ρ ta có:
ρ =
y xσ σ
μ .
11 (3.33)
Khoa cơ điện - 108 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
víi μ11 =
n
1.∑n xk yk −xy
1
) . .
( (3.34)
Thay số vào ta có:
⇒ μ11 =
10
1 .(247076,8 – 65111,65)
⇒ μ11 =18196,51.
Và σx. σy =263,77.183,19 = 48320,02.
Vậy hệ số t−ơng quan ρ là:
ρ = 1819648320,,5102 = 0,37.
Nh− vậy ta thấy giữa x và y có quan hệ không tuyến tính. Qua số liệu ta thu
đ−ợc ta dự báo hàm của hai đại l−ợng x và y trên có dạng hyperbol với x>0 và y>0.
Hàm có dạng y =
x
a, với x>0 và y>0.
Đặt Y = y và X =
x
1 ta cã: Y = a.X Tính toán với Y = y và X =
x
1 ta đ−ợc số liệu cho ở bảng 2.3.1.6c sau:
Sè lÇn thí nghiệm
Điện áp ra
Đơn vị y (mV)
Cường độ ánh sáng x 100
Đơn vị x (lux)
1 574 0,125
2 473 0,043
3 242 0,01
4 196 0,0054
5 91.2 0,0039
6 76 0,006
7 49 0,002
8 46 0,0015
9 45 0,0048
10 44 0,0014
∑Y = 1836,2 ∑X = 0,203
62 ,
=183
Y X =0,0203
∑Y2=672756,44 ∑X2= 0,0177
σY= 183,19 σX=0,037 Y2=33716,3 X2 =0,00041
áp dụng ph−ơng pháp bình ph−ơng cực tiểu ta có điều kiện:
Khoa cơ điện - 109 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
∑= n −
k
k
k aX
Y
1
) .
( = S = min. (3.35)
LÊy vi ph©n theo a ta cã:
-2∑
= n −
k
k
k aX
Y
1
) .
( .Xk = 0 (3.36)
⇒ a. 2
1 k
n
k
∑X
=
= ∑
= n
k k kY X
1
.
⇒ a = ∑
= n
k k kY X
1
. /
2
1 k
n
k
∑X
=
víi Xk.Yk = 96,82.
Thay số vào ta có: a =
0177 , 0
82 ,
96 = 5470.
VËy ta cã: Y = 5470.X . Thay y = Y và x =
X
1 ta có hàm số biểu diễn sự tương quan của hai đại l−ợng x và y là:
y = x 5470
Từ hàm trên ta vẽ được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp vào cường
độ ánh sáng chiếu vào quang trở, hình 3.21.
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp của quang trở vào c−ờng độ ánh sáng.
0 100 200 300 400 500 600 700
0 200 400 600 800 cường độ sáng (X100) lux
điện áp (mV)
Khoa cơ điện - 110 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Néi
Do đề tài của ta chỉ nghiên cứu về một số loại cây rau thuộc loại C3 cho nên cường độ ánh sáng phù hợp cho các loại cây này là từ 30000ữ80000 lux.
Nh−ng do trong đề khi tài ta làm thí nghiệm ta chỉ làm với bóng đèn sợi đốt có công suất là 60W nên cường độ ánh sáng không đủ được 80000 lux
3.3. thuật toán điều khiển mô hình