2.2.5 .Tớnh hệ ốs biến đổi
2.2.6. Xỏc định lưu đồ phối hợp cỏc nguyờn cụng trong phương phỏp đo
Cú thể mụ tả ạ l i cỏc bước thực hiện bài toỏn m u: ẫ
Đặt đại lượng ỏp suất PX cần đo vào ỏp kế. Px tỏc động lờn chuyể đổi n đ ệi n tr lựở c c ng chuy n thành bi n d ng và làm thay đổi iă ể ế ạ đ ện ỏp ∆U trờn đường chộo cầu. ∆U được khuếch đại thành UX để đưa vào ADC. Đại lượng ra của ADC là giỏ trị số NX: NX =KCB .PX. Giỏ trị NX sau đú được đưa vào bộ xử lý số tớn hiệu thụng thường dưới dạng mó Hexa. Giỏ trị ỏp suất được chỉ thị sẽ là: Px= NX/KCB.
Trong thực tế việc tiến hành xỏc định KCB được thụng qua quỏ trỡnh khắc độ thiết b o đó được trỡnh bày như ởị đ phần t o mạ ẫu 2.2.2. Cụ thể với bài toỏn mẫu, nếu đặt vào đầu vào c a hệ ốủ th ng giỏ trị ỏp suất mẫu 1at thỡ s ch ố ỉ của đầu ra phải là 1024. Nếu giỏ trị nhận được khỏc 1024 thỡ phải chỉnh lại hệ thống để nhận được đỳng giỏ trị 1024. Sau đú, cần phải thực hiện đỏnh giỏ, kiểm định thiết bị đ o bằng cỏch kiểm tra lại hệ số K=1024/at t i cỏc giỏ tr ạ ị khỏc nhau của thang đo.
Qua phõn tớch trờn, cú thể túm tắt lưu trỡnh của quỏ trỡnh đo (phương phỏp đo) g m 4 bước (1) Kh c độ, (2) o, (3) Tớnh k t qu và (4) Hi n th . ng ồ ắ Đ ế ả ể ị Ứ dụng cho bài toỏn mẫu , cỏc bước thực hiện tương ứng sẽ là:
(1) Khắc độ: Đặt mẫu 1at vào đầu ỏp kế, chỉnh hệ số K cho ỳng thi t k đ ế ế (N0=1024)
(2) Đo: Đưa ỏp suất Px vào ỏp k thu được kết quả con số Nế x (3) Tớnh kết quả: 0 0 N P . N K N P X X X = =
(4) Đưa kết quả ra hiển thị Px= Nx/K ±∆P
2.2.7. Xỏc định sơ đồ khối của thiết bị đo thiết kế
Với bài toỏn mẫu, cỏc phần tử chức năng đó được lựa chọn để thực hiện cỏc nguyờn cụng và tổng hợp thành sơ đồ khối chức n ng c a thi t b o ă ủ ế ị đ được mụ tả trờnhỡnh 2.6:
Hỡnh 2. 6. Sơ đồ khối thiết bị đo ỏp suất bằng cảm biến đ ệi n tr l c c ng. ở ự ă NX PX R3 ∆U UCC R2 R R CB CB R3 ∆U UCC R2 R R CB CB ADS 900 àP KKC KCĐ KKĐ KADC P->ε ∆R->∆U U->KU U ->NX
Áp suất qua màng đàn hồi biến thành biến dạng, làm thay đổi iđ ện trở của đ ệi n tr lựở c c ng chuy n thành bi n đổi địờn ỏp thụng qua c u i n tr . i n ă ể ế ầ đ ệ ở Đ ệ ỏp sau đú được đưa vào qua khối khuếch đạ đểi khu ch đại tớn hiệu lờn K lần ế và được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự số ADS900 và được chuy n thành số ể NX.. Giỏ trị NX đưa vào bộ xử lý để tớnh toỏn hiển thị kết quả.
2.2.8. Tổ ch c ph n m m th c hi n l u đồ o lường. ứ ầ ề ự ệ ư đ
Thuật toỏn của cỏc chương trỡnh phần mề đ ềm i u khi n cỏc ch c n ng ể ứ ă hoạt động của thiết bị đ o bao gồm cỏc bước sau:
(1) Thu thập số liệ ừ ADC ứu t ng với giỏ trị đ o X. Thụng thường nội dung này gồm một số tớnh năng như đ ề i u khi n viể ệc lấy mẫu của ADC và lưu số liệu tạm thời.
(2) Tra hệ số K t ng h p. Thụng thường, h sốổ ợ ệ K được l y t cỏc h số đấ ừ ệ ó được tớnh toỏn trong chương trỡnh chuẩn độ ho c tớnh toỏn h số ếặ ệ bi n đổi đó được lưư trong bộ nh c a thi t b . ớ ủ ế ị
(3) Tớnh toỏn giỏ trị đ o:
K N
X = X
(4) Hiển thị ế k t quả.
2.2.9. Thực hiện thiết bị trờn makột.
Đõy là bước th nghi m thi t b . Th c hi n thi t k lắử ệ ế ị ự ệ ế ế p đặt cỏc kh i ố chức năng, kết nối cỏc khối theo sơ đồ thiết kế, viết chương trỡnh đ ềi u khiển thử nghiệm từng chức năng. Khảo sỏt hoạt động c a thi t b . ủ ế ị
2.2.10. Bố trớ thang đo và bố trớ chuyển đơn vị đ o.
Giai đ ạo n tiến hành thử nghiệm là giai đ ạ đo n ỏnh giỏ kết quả của quỏ trỡnh tổng hợp thiết bị đ o. Nếu trong quỏ trỡnh thử nghiệm phỏt hiện được những phần tử/chức năng chưa thớch hợp, phải tiến hành thiết k lạế i và hi u ệ chỉnh lại cỏc thụng số của thi t b . M t trong nh ng v n đề quan tr ng khi ế ị ộ ữ ấ ọ
tớnh toỏn lại TBĐ là bố trớ lại thang đo của TBĐ cho thuận lợi cho việc sử dụng về sau.
Trong thực tế, thiết bị đ o cỏc đại lượng khụng đ ệi n rấ đt a dạng và sử dụng nhiều loại đơn vị rất khỏc nhau. Vỡ v y, c n ph i b trớ ph n m m ậ ầ ả ố ầ ề chuyển đơn vị và khoảng đo trong thiết bị đ o. Cỏc thang đo phải đảm bảo sai số yờu cầu c a phộp o khi thi t k TB . ủ đ ế ế Đ
Trong trường hợp TBĐ cú bố trớ bộ khuếch đại cú đ ềi u khiển PGA và cú tốc độ o đủ lớđ n, ta cú th bốể trớ vi c t động ch n thang o theo yờu c u ệ ự ọ đ ầ đề ra. Phần này s được trỡnh bày k chương 3 củẽ ỹ ở a lu n ỏn. ậ
2.2.11. Bự cỏc loại sai số trong phạm vi cú thể
Cỏc buớc tổng hợp thiết bị đ o ở trờn chưa đề cập đến cỏc bi n phỏp ệ nõng cao đặc tớnh kỹ thuật của TBĐ. Cụ thể là nõng cao tớnh chớnh xỏc của thiết bị đ o. Trong khi xõy dựng cơ sở lý lu n v kỹậ ề thu t o lường, cỏc tỏc gi ậ đ ả đều đưa ra lý thuyết v bự cỏc sai s cho TB . Ngày nay, cỏc TB thường ề ố Đ Đ được xõy dựng trờn c sởơ cỏc vi x lý, vỡ th ta cú thể sử ụử ế d ng độ d thừa khả ư năng phõn ly và tốc độ để bự loại sai số này (1.3). Sai số của TB bao g mĐ ồ sai số cộng tớnh, sai s nhõn tớnh, sai s ng u nhiờn, sai s hệ ốố ố ẫ ố th ng… Ngoài ra cú thể cũn cú thờm sai số phụ do mụi trường. Ph ng phỏp bự sai sươ ố cộng tớnh và nhõn tớnh cũng như sai số ngẫu nhiờn và sai số hệ th ng được trỡnh ố bày ở chương 3.
2.2.12. Thiết kế sản xu t. ấ
Sau khi tổng hợp được thiết bị đo và tiến hành cỏc biện phỏp nõng cao đặc tớnh kỹ thu t v i ỏp ng kỹậ ớ đ ứ thu t c a cỏc linh ki n và ph n m m cú th ậ ủ ệ ầ ề ể cú, bước tiếp theo là thi t kế sảế n xu t. õy là khõu quan tr ng trong vi c s n ấ Đ ọ ệ ả xuất một thiết bị mới, nú ũi h i ph i cú nhi u kinh nghi m v thi t k chi đ ỏ ả ề ệ ề ế ế tiết, xõy dựng mạch in, lắp rỏp, ti n hành nhiều lần thử nghiệm. Cỏc bước tiến ế
thiết kế cú thể được thực hiện theo mụ hỡnh chữ V được tỏc giả trỡnh bày ở [11]
2.2.13. Đỏnh giỏ thiết bị đ ó được tổng hợp.
Sau khi tổng hợp và thiết kế xong một thiết bị đ o, cần phải đỏnh giỏ đặc tớnh kỹ thuật của TBĐ mà chủ yếu là ỏnh giỏ cỏc sai s củđ ố a thi t b . õy là ế ị Đ cụng việc rất quan trọng và khụng thể thiếu được trong quỏ trỡnh t ng h p ổ ợ thiết bị đ o nhằm giỳp cho người thiết kế hiểu rừ thiết bị đ o được tổng hợp cú đạt yờu cầu kỹ thu t ó t ra hay khụng. ậ đ đặ
Chương 4 của luận văn sẽ trỡnh bày kỹ vấn đề này, đề xuất và xõy dựng phương phỏp sử dụng d th a v thụng tin c a TB để tự động tớnh toỏn sai ư ừ ề ủ Đ số ngẫu nhiờn, sai số hệ th ng, sai s phi tuy n c a thi t b o ó t ng h p ố ố ế ủ ế ị đ đ ổ ợ được.
2.3. Xõy dựng cỏc khối chức năng thực hiện việc tổng hợp thiết b ị đo b ng cụng c VI. ằ ụ
2.3.1. Khối chức n ng bi n đổi ă ế
Chức năng của nguyờn cụng biến đổi cũn được gọi là xử lý tớn hiệu. Xử lý tớn hiệu cú thể thực hiệ ởn khụng gian vật lý (xử lý tớn hiệu tương tự) ho c ặ ở khụng gian s (x lý tớn hi u s ). Xửố ử ệ ố lý tớn hi u tương t bao g m cỏc ệ ự ồ chuyển đổi sơ cấp, th cấứ p (bi n đổi gi a cỏc đại lượng i n, cỏc phộp l c ế ữ đ ệ ọ tương tự). Phộp xử lý tớn hiệu số bao gồm cỏc phộp xử lý như lọc s , phõn ố tớch tớn hiệu, phõn tớch ph , xỏc định cỏc thụng số đặc trưng của tớn hiệu ... ổ
Khi nghiờn cứ ứu ng dụng cụng nghệ thụng tin (thiết bị đ o “ảo” – VI) để xõy dựng cỏc khối chức năng biến đổi, tỏc giả nh n th y cỏc hóng ch tạo ậ ấ ế thiết bị ả o chỉ quan tõm đến cỏc tớn hiệu õm thanh và hỡnh ảnh ó biến thành đ tớn hiệ đ ệu i n, mà chủ yếu là tớn hi u s . K thu t x lý tớn hi u số củệ ố ỹ ậ ử ệ a VI t p ậ trung vào đ ềi u chế, phõn tớch phổ (FFT), lọc số và một số xử lý khỏc nh tớnh ư
mật độ phổ cụng suất… VI đó khụng quan tõm tới một phần khỏ lớn những vấn đề liờn quan đến cỏc cảm biến đo lường, thống nhất húa cảm biến, thống nhất hoỏ tớn hiệu và đặc biệt khụng xột tớ ửi x lý tớn hiệ đu o lường cú k t qu ế ả là một con số so với đơn v . Để khắị c ph c cỏc nhược i m trờn, lu n ỏn ó ụ đ ể ậ đ xõy dựng một chương trỡnh VI trợ giỳp cho việc tớnh toỏn cỏc bộ biến đổi (tức là tỷ số Kx/KM) và trợ giỳp việc l a chự ọn cỏc phần tử thương phẩm trong h ệ thống đo.
Khối chức năng trợ giỳp việc tớnh toỏn hệ số bi n đổi được xõy d ng ế ự trờn cơ ở s cụng thức 2.3 theo cỏc bước sau:
(1) Tớnh hệ ố s biến đổi KX
Kx=KKC.KCD.KTNH.KAD.
KKC- hệ số chuy n đổi c a ph n t kế ấể ủ ầ ử t c u, được tra c u trong c sở ứ ơ dữ liệu kết cấu cảm biến.
KCD- hệ số chuy n đổi c a c m bi n, được tra c u trong c sở dữ ệể ủ ả ế ứ ơ li u của CĐSC
KTNH- hệ ố s thống nhất hoỏ, được tra cứu trong cơ sở ữ ệ d li u c a TNH ủ KAD- hệ số của b chuy n đổi tương t /s , được ch n t cơ sở dữ ệộ ể ự ố ọ ừ li u
của cỏc bộ biến đổi ADC.
Cỏch tổ ch c cỏc cứ ơ sở dữ ệ li u núi trờn ó được trỡnh bày chi ti t trong đ ế phần 2.1.2 và trong cỏc phụ lục liờn quan.
Để tớnh toỏn hệ ố ế s bi n đổi c a m t khõu nào ú, vớ d nh khõu k t c u, c n ủ ộ đ ụ ư ế ấ ầ phải biết được tỷ số giữa giỏ trị đại lượng ra và đại lượng vào của khõu đú.
KC
X
KC
KC Y
K =
Tương tự, ta cú thể tớnh toỏn được hệ số của cỏc khõu chuyển đổi khỏc. Hệ số biến đổi tổng sẽ tớnh được nh cụng th cư ứ (2-3)
Qua phộp biến đổi Kx ta nhận được giỏ trị ằ b ng số Nx X . K . K . K . K Nx = KC CD TNH AD
Kết quả thu được sẽ được viết dưới dạng
X X
K N X =
Cú thể tổng quỏt hoỏ cỏch tớnh h sốệ chuy n đổi c a m t h th ng o bao ể ủ ộ ệ ố đ gồm một tổ hợp n khõu như sau:
KX=K1.K2…Ki…Kn X . K .... K ... K . K Nx = 1 2 i n
T ừ đú ta sẽ xõy dựng được cụng thức tổng quỏt đặc trưng cho quỏ trỡnh đo theo định nghĩa đo lường:
= = conso donvi C N X K ... K . K 1 x n 2 1 (2.4) Hay X=Nx.C
C gọi là hằng số của thi t b o ó được trỡnh bày t i m c 2.1.2. Khi thiờ́t kờ́ ế ị đ đ ạ ụ thiờ́t bị đ o ta phải xác đ ̣inh được hằng sụ́ của thiờ́t bị đ o. Sau khi gia cụng xong đ ̉ờ có kờ́t quả đ o, con sụ́ có đươc phải nhõn với hằng sụ́ TBĐ. ̣
(2) Tớnh hệ ố s khụng ổn định hay sai s nhõn tớnh c a khõu bi n đổi ố ủ ế
AD AD TNH TNH CD D C KC KC X X K dK K dK K dK K dK K dK = + + +
hay cú thể viế ướ ạt d i d ng γX=γKC + γCD + γTNH + γAD
Một cỏch tổng quỏt, sai sụ́ tổng của khõu biến đổ được tính i γtụ̉ng = γK1 + γK2 + γK3 + ....̣ + γKn Tức γtụ̉ng = n n K dK K dK K dK + +...+ 2 2 1 1
Để tớnh toỏn hằng s c a thi t b , lu n ỏn ó xõy d ng m t subVI ô Hệ ốố ủ ế ị ậ đ ự ộ s biến đổi - Coeff-transformer ằ được tổ chức như sau:
Đầu vào : người sử dụng khai bỏo cỏc thụng s vềố đơn v đại l ng o, ị ượ đ kho ng ả đo của đầu vào của thiết b , hệ sốị bi n đổi th ng nh t hoỏ, ế ố ấ khoảng giỏ tr đầu ra của cảm biếị n, đơn v đầu ra của cảm biếị n, kho ng ả đầu vào của b bi n i tương tự ốộ ế đổ /s ADC, s bit c a ADC. ố ủ
Tương ứng với cỏc thụng số đầu vào đó được khai bỏo trờn, đầu ra ở của subVI ô Hệ số ế bi n đổiằ s chớnh là h s bi n đổi C được tớnh theo ẽ ệ ố ế cụng thức (2.4)
Hỡnh 2.7 minh hoạ giao di n (mệ ặt mỏy) c a kh i ch c n ng tớnh toỏn h số ủ ố ứ ă ệ bi n ế đổi.
Hỡnh 2.7. M t mỏy cặ ủa subVI hệ ố s biến đổi của hệ
Chương trỡnh tớnh toỏn hệ số ế bi n đổi c a m t h th ng o được trỡnh bày ở ủ ộ ệ ố đ phụ lục 5.
Để tăng c ng hiệườ u qu củả a kh i ch c n ng bi n đổi, lu n ỏn xõy d ng thờm ố ứ ă ế ậ ự khối chức năng tớnh toỏn hệ số kh c độ (subVI-coeff-calib). õy chớnh là quỏ ắ Đ
trỡnh chỉnh định thi t bị đế o, cú thể được dựng cho bài toỏn tự động chuẩn độ. Cỏc bước tiến hành chỉnh định thi t bị đ đế o ó được trỡnh bày trong mục 2.1.2.
Sau quỏ trỡnh tự động chuẩn độ ta s cú mộẽ t h sốệ bi n đổi m i c a ế ớ ủ thiết bị đ o K= NM/M, giỏ trị của phộp o lỳc này s được hi u ch nh theo h đ ẽ ệ ỉ ệ số mới: X=C.N'x. Hỡnh 2.8 mụ t giao di n ch nh định thi t b o, trờn ú ả ệ ỉ ế ị đ đ ngườ ửi s dụng khai bỏo cỏc thụng s nh : s i m ch nh định, s lầ đố ư ố đ ể ỉ ố n o c a ủ m t iộ đ ểm chỉnh định, giỏ trị mẫu M tương ng v i m i i m ch nh định. K t ứ ớ ỗ đ ể ỉ ế quả của chương trỡnh là cỏc hệ ố chỉ s nh định K được ghi nhớ lại.
Hỡnh 2.8. Chương trỡnh chỉnh định thiế ịt b .
Phần mềm tớnh toỏn chương trỡnh chỉnh định thiế ị đt b o được trỡnh bày chi tiết trong phụ ụ l c 5.
2.3.2. Khối chức năng xỏc định đơn vị, tạo mẫu, tạo mẫu làm việc:
Nguyờn cụng xỏc định n vị, tạo mđơ ẫu và tạo mẫu làm vi c là nguyờn ệ cụng đặc thự của kỹ thuậ đt o lường. Để cú kết quả đ o bằng số so với đơn v , ị ta phải xỏc định n vị và mẫu. Mẫu là đại lượng đại diện cho đơn vị đđơ o trong quỏ trỡnh đo lường. Để đảm bảo phộp đo được chớnh xỏc thỡ mẫu phải là một đại lượng chớnh xỏc và b t bi n, vi c xỏc định mẫu, lấy m u kiấ ế ệ ẫ ểm tra theo chuẩn mẫu là rất quan trọng.
Khắc độ và kiểm định thiế ị đt b o phụ thuộc vào việc xỏc định cỏc hệ số bi n ế đổi KX và KM và đỏnh giỏ tớnh bất biến của nú (đó được trỡnh bày tại 2.1.3).
Để xõy dựng được cỏc m u b t biếẫ ấ n và t o m u, ph i gi i quy t được ạ ẫ ả ả ế ba vấn đề : (1) xõy d ng thứ nguyờn chuyểự n đơn v ; (2) xõy dựng cỏc chuẩn ị mẫu đủ mạnh, và (3) xõy d ng cỏc b chu n m u i n/khụng i n giỳp cho ự ộ ẩ ẫ đ ệ đ ệ việc khắc độ tại chỗ cho thiết bị.
Về vấn đề th (1), do VI ch a quan tõm t i vi c xõy d ng cỏc th ứ ư ớ ệ ự ứ nguyờn chuyển đơn v và tớnh toỏn cỏc cụng thức thứ nguyờn nờn luận ỏn đề ị xuất xõy dựng cỏc khối chức năng SubVI cú thể tớnh toỏn cỏc thứ nguyờn chuyển đổi trờn cơ ở s xõy dựng cơ s dở ữ liệu và thư viện tạo mẫu.
Cỏc SubV tớnh toỏn cỏc thứ nguyờn chuyển đổi được tổ chức như sau: