Ký hiệu Nội dung cơ ở ữ s d liệu Nguồn tra cứu Loại cảm biến
Đại lượng đo Tờn thương phẩm Nhón hiệu
Trang Web tra cứu
Tra cứu trờn mạng qua cỏc WebSite của cỏc hóng.
Do chuyờn gia cung cấp
Cỏc thụng số đầu vào Thang đo Đơn vị
Khả năng hoỏn rời đơn vị Khả năng đối thoại
Tài liệu kỹ thuật
Cỏc thụng số đầu ra
Dũng ỏp thống nhất hoỏ Tổng trở phụ tải ra
Tài liệu kỹ thuật
Đặc tớnh quan hệ
Khả năng phõn ly Tớnh khụng ổn định Tớnh phi tuyến Cỏc sai số
Tài liệu kỹ thuật
Nguyờn tắc hoạt động CĐSC
KC BĐTNH
Giao diện (ADC)
Tài liệu kỹ thuật Chuyờn gia cung cấp
Thời gian đỏp ứng Tài liệu CB(tờn cảm biến) Tuỳ theo sự sắp xếp của tỏc giả. Cú thể ắ s p xếp theo thứ tự A,B,C hoặc theo đại lượng đo. Đ ềi u ki n kỹệ thu t (mụi ậ trường) Tài liệu
2 .Lưu trỡnh chọn cảm biến và tớnh toỏn hệ số biến đổi.
Để đơn giản, tỏc gi chọả n quỏ trỡnh o bi n đổi th ng để xõy d ng l u trỡnh đ ế ẳ ự ư lựa chọn cảm biến. Việc lựa chọn cảm biến của quỏ trỡnh đo kiểu so sỏnh cũng được thực hiện tương tự. Cỏc bước được tiến hành như sau:
Xõy dựng cỏc yờu cầu k thuỹ ật: o Thang đo đầu vào –Xn
o Đặc tớnh kỹ thu t, sai s yờu cầu ( βậ ố yờu cầu) o Đầu ra (con số ầ c n hi n th ) ể ị
o Thời gian đỏp ứng
Chọn thụng số của cảm biến theo cỏc đ ềi u kiện: o X min <Xn <Xspan. o span cb yeucau min X X γ β = (2.1)
trong đú: Xspan – giỏ trị định mức của cảm biến được chọn Xmin – Giỏ trị nhỏ nhất X đảm bảo sai số βyờu cầu khi dựng với cảm biến trờn.
Chọn thụng số của ADC theo cỏc đ ềi u kiện: cb . R γ 1 10 > (2.2)
γcb – sai số quy đổi của cảm biến.
Độ phõn giả ủi c a ADC được tớnh toỏn 2n-1<R<2n Đ ệi n ỏp vào c a ADC theo tiờu chớ càng th p càng t t. ủ ấ ố
Tớnh toỏn hệ ố s biến đổi và ch n sơ đồ biến đổi thống nhất hoỏ ọ Hệ số biến đổi thẳng được tớnh
n n n X N K = KCB= KKC.KCĐSC.KBĐTN.KADC (2.3)
Trong đú: KCB, KKC,KCĐSC,KBĐTN,KADC lần lượt là h sốệ chuy n đổi c a ể ủ cỏc bộ: chuyển đổi c m biến, hệ số ế ấả k t c u, chuy n đổi s cấể ơ p, bi n đổi th ng ế ố nhất và chuyển đổi tương tự số ADC.
Sai số tương đối c a cảm biến sẽ là: ủ γCB=γKC+γCĐSC +γBĐTN+γADC
Trong đú: γCB, γKC, γCĐSC, γBĐTN, γADC lần lượt là sai số riờng của cỏc bộ: chuyển đổi cảm biến, kết cấu, chuyể đổi sơ cấn p, bi n đổi th ng nh t và ế ố ấ chuyển đổi tương tự số ADC.
Vớ dụ, nếu cần chọn và tớnh toỏn hệ số ế bi n đổi c a m t c m bi n o nhi t ủ ộ ả ế đ ệ độ cú dả đi o từ 4000C-10000C, sai số yờu cầu βyờu cầu=1%, theo kinh nghiệm của cỏc chuyờn gia, ta cú thể chọn mụ hỡnh đo biến đổi thẳng, đại lượng vào nhiệt độ khụng cú kết cấu, chuyể đổi sơ cấn p cú th là c p nhi t ho c nhi t ể ặ ệ ặ ệ đ ệi n tr ; ch n giỏ tr cựở ọ ị c đại c a thang o Xủ đ n=10000C ; khuyến cỏo nờn chọn cặp nhiệt ngẫ loạu i K (chromel/Alumel). Trong trường h p này, khụng ch n ợ ọ nhiệt đ ệi n trở vỡ nhiệt đ ệi n trở thường chỉ sử dụng để o nhi t độ cú d i o đ ệ ả đ cực đại tới 6500C.
Theo tài liệu kỹ thuật của hóng Okaseri, cặp nhiệt ngẫu loại K (chromel/Alumel) cú sai số tương đối 0,25%, nhiệt độ cực đại cú th o ể đ được 12000C, hệ số ế bi n đổi nhi t độ 41,6 àV/ệ 0C. Theo cụng thức (2.1), giỏ trị nhiệ độ lớn nhất của thang đo thứ nhất được tớnh toỏn như sau: t
C % . % Xmin 12000 3000 25 0 1 = =
Chọn ADC cú độ phõn giải như sau: R> 1/1%=1000, cú thể chọn ADC 12 bit, đ ̣iờn ap vao 5V . ́ ̀
Hệ số biến đổi của cảm biến được tớnh theo cụng thức (2.3).
Theo tài liệu của cảm biến loại K ta cú hệ ố s biến đổi của CĐCS KCĐSC=41,6 . 10-6 V/đ ̣ụ.
Hệ số biến đổi của ADC là 819,2/V 5 4096 = Hệ số biến đổi thống nhất 122 10 6 41 5 3 = = − . , KBDTN . Hệ số biến đổi tổng sẽ là , / C . . , . . . , Kcb 3 0 6 096 4 5 10 6 41 4096 5 10 6 41 = = − − .
Giả sử kết qu o nhi t độ cho con s Nả đ ệ ố x =3837, thỡ nhiệt độ sẽ là C 0 7 , 936 096 . 4 3837 =
B, Cỏc bộ ử x lý tớn hiệu trong nguyờn cụng biến đổi
Thực chất là nghiờn cứu cỏc phộp biến đổi giữa cỏc dạng tớn hiệu và làm tương ứng nú với cỏc khối chức năng được xõy dựng từ cỏc phần tử đ ện tử và i cỏc phần mềm xử lý.
Cú 3 dạng tớn hiệ đu o: Tớn hiệu ti n nh ề đị Tớn hiệu chu kỳ Tớn hi u ngệ ẫu nhiờn Cỏc phộp biến đổi bao g m: ồ
Rời rạc hoỏ Lượng tử húa.
Cỏc hàm chức năng đại s : như cộố ng, tr nhõn chia, đạo hàm, tớch ừ phõn..
Cỏc hàm chức năng tạo hàm như ạ t o xung, tạo hàm sin.v.v... Cỏc phộp đ ềi u chế, giải đ ềi u ch , cỏc b l c. ế ộ ọ
Cỏc phộp biến đổi Fourier, phõn tớch ph .v.v... ổ
Cỏc phộp biến đổi được trỡnh bày chi ti t trong bảng 2.5 đến bảng 2.11 ế trong phụ ụ l c 2.
Việc phõn tớch cỏc phộp biến đổi trờn cho thấy rằng, nếu kết hợp sử dụng cỏc bảng túm tắt của cỏc hóng sản xuất cú thể xõy dựng được thư viện cỏc khối chức năng và cỏc cỏch lựa chọn cỏc khối chức năng này. Chỳ ý rằng th ư viện cỏc khối chức năng nờn được xõy dựng theo kiểu mở để người sử dụng cú thể ổ b sung, cập nhật tuỳ theo yờu cầu và mức độ s d ng c a h . ử ụ ủ ọ
2.1.3. Khối chức năng tạo mẫu, mẫu biến đổi:
Khối chức năng tạo mẫu, mẫu biến đổi tương ứng với nguyờn cụng tạo mẫu là đặc thự chỉ cú trong thiết bị đ o, dựng để khắc độ dụng c o. M u cú ụ đ ẫ thể phõn thành 2 loại : mẫu cố định và mẫu biến đổi cú đ ềi u khiển. Trong thực tế, cỏc mẫu cố định là cỏc chuẩn (reference), cũn cỏc mẫu biến đổi chớnh là cỏc thiết bị ạ t o mẫu (calibrator).
Cỏc mẫu thương phẩm cú thể được phõn loại nh sau: ư
Mẫu đ ện ỏp. Mẫ đ ệi u i n ỏp là cỏc i n ỏp chu n và cỏc m ch n ỏp. đ ệ ẩ ạ ổ Trong cỏc tài liệu tra cứu linh kiệ đ ện i n tử, cỏc hóng thường chỉ xõy dựng cỏc mẫu đ ện ỏp một chiều. Mẫu dũng đ ệi i n cú thể được xõy dựng từ cỏc mẫu đ ệi n ỏp bằng một mạch biến đổi ỏp dũng dựng khuếch đại thuật toỏn. Cơ sở ữ ệ d li u của nguồn ỏp mẫu được trỡnh bày trong phụ lục 3, bảng 2.12.
Mẫu đ ện ỏp biến thiờn cú thể đ ều khiển. Cỏc thiếi i t b tạị o m u được ẫ xõy dựng để ch nh định thiết bỉ ị đ o. Đại diện cho cỏc mẫ đ ệu i n ỏp thay đổi cú thể đ ề i u khiển được là cỏc đ ệi n thế kế và cỏc bi n đổi s tương tựế ố , vớ d nh ụ ư bộ DAC cú độ phõn giải cao đó được thương phẩm hoỏ của hóng Burr-Brown được trỡnh bày trong phụ ụ l c 3, b ng 2.13. ả
Căn cứ vào cỏc mẫu chuẩn đ ện ỏp được xõy dựng trong phụ lụi c 3, cú th ể thành lập cơ sở dữ ệ li u và th c hi n cỏc m u bi n thiờn dựng vào cỏc thiết bị ự ệ ẫ ế cú khả ă n ng tự động so sỏnh với mẫu (tự động khắc độ).
Mẫu tần số và thời gian. Trong thực tế cỏc mẫu t n sầ ố được thực hiện bằng cỏc mạch phỏt thạch anh.Tớnh ổn định và tớnh chớnh xỏc của cỏc mẫu tần số do tinh thể thạch anh quyết định.
Mẫu tần số và thời gian biến đổi. Từ mỏy phỏt th ch anh v i cỏc b ạ ớ ộ đếm, chia tần ta cú th tạể o ra cỏc kho ng th i gian khỏc nhau. õy chớnh là ả ờ Đ xung nh p cị ủa mỏy tớnh mà trong cỏc VI cú thể ậ t n dụng được, tạo nờn một ưu thế của mỏy tớnh.
Bài toỏn tự động chuẩn độ. Hệ ố s kh c độ được tớnh theo cụng th c ắ ứ
M N
KM = M với M là mộ ố ất s b t bi n hay cũn g i là m u. Nế ọ ẫ M là giỏ trị bằng số của mẫu đọc được trờn thiế ịt b .
Cú thể coi KM là hằng số khi =0
M M
K
dK . Đ ềi u này chỉ đ ỳng khi thiết bị mới
được khắc độ. Trờn th c t , do nh hưởng c a mụi trường và do đ ềự ế ả ủ i u ki n làm ệ
việc khụng chuẩn 0
K dK
M
M ≠ .
Quỏ trỡnh tự động kh c độ được tiến hành theo 3 bước: ắ Bước 1: ra mẫu chuẩn M
Bước 2: đo đại lượng mẫu qua hệ thống đo đó được thiết kế. Ghi lại giỏ trị NM.
Bước 3: Tớnh toỏn giỏ trị chuyển đổi theo cụng thức C=1/KM=M/NM và nhớ lại giỏ trị chuyển đổi. Để loại bỏ sai số ngẫu nhiờn cú thể thực hiện phộp đo nhiều lầ để tớnh toỏn giỏ trị trung bỡnh Nn M. Chỳ ý phải đảm bảo sự ổ n nh đị của quỏ trỡnh tạo mẫu.
Quỏ trỡnh tự động chuẩn độ sẽ cho m t h số ếộ ệ bi n đổi m i c a thi t b o. ớ ủ ế ị đ Lỳc này giỏ trị ủ c a phộp đo sẽ được tớnh theo cụng th c: X=C.Nứ x với Nx là giỏ trị bằng số ủa đại lượng đo X. c
2.1.4. Khối chức năng so sỏnh.
Để xõy dựng c sở dữ ệơ li u tr giỳp cho vi c th c hi n nguyờn cụng so ợ ệ ự ệ sỏnh, cỏc hỡnh thức so sỏnh được trỡnh bày túm tắt trờn Hỡnh 2. 3
C{(0,1); (0,1); (0,1); (0,6); (0,4)}
Hỡnh 2. 3. Cỏc cỏch hỡnh thức hoỏ của phộp so sỏnh
Với cỏch biểu diễn bằng phương phỏp hỡnh thức trờn, nếu chỳng ta phối hợp cỏc biến số, cỏc cỏch đ ều khiển so sỏnh và cỏch tớnh hiệu quả của phộp i so sỏnh sẽ thu được rất nhiều kiểu so sỏnh khỏc nhau, mỗi ki u cú nh ng l u ể ữ ư đồ phố ợi h p cỏc nguyờn cụng o lườđ ng và/hoặc cỏc ph ng phỏp đo cụ ểươ th .
Xõy dựng cơ sở dữ ệ li u và thư viện cỏc phương phỏp đo cụ thể là một vi c ệ làm lõu dài được rỳt ra từ quỏ trỡnh t ng h p lý thuy t ph i h p v i cỏc ổ ợ ế ố ợ ớ phương phỏp đo cỏc đại lượng cụ thể. Phụ lục 4 t ng k t cỏc b so sỏnh ổ ế ộ thường được sử dụng trong cỏc thiết bị đ o.
S ơ đồ khối của cỏc bộ so sỏnh được trỡnh bày trờn hỡnh 2.4. Để xõy dựng mụ hỡnh chung của phương phỏp đo kiểu so sỏnh, cần phải xỏc định tớn hiệu vào so sỏnh và xỏc định cỏc kiểu so sỏnh: đồng thời hoặc khụng đồng thời, cõn bằng hoặc khụng cõn bằng... Bộ so sỏnh cõn bằng cú u ra là tớn hiđầ ệu logic (0,1). Bộ so sỏnh khụng cõn b ng cú đầu ra là sai l ch ∆. Phộp so sỏnh ằ ệ khụng đồng thời cú thể thực hiện trong khụng gian đại lượng vật lý và khụng gian số. Khụng gian so sỏnh (0,1) Đồng thời Khụng đồng thời Cõn bằng Khụng cõn bằng Đại lượng so sỏnh (0,6) Dạng tớn hi u ệ
(1) Sơ đồ khối của thiế ị so sỏnh khụng đồng thời cõn bằng. t b
(2) Sơ đồ khối của thiế ị so sỏnh đồng thời khụng cõn bằng (vi sai) t b
(3) Sơ đồ khối của phộp so sỏnh đồng thời cõn bằng
(4) Sơ đồ khối của của thiết bị so sỏnh khụng đồng thời khụng cõn bằng. So sỏnh (àP) Xδ(t) BĐ (K) Mδ(t-τ) M U X ĐK h BĐ (∆) Đo ∆ So sỏnh ( ∆) B Đ (KX) Xδ(t) B Đ (KM) Mδ(t) So sỏnh (àP) BĐ (KX) X BĐ (KM) M Ghi giữ So sỏnh B Đ (KX) X.δ(t) B Đ (KM) M.δ(t-τ) BĐ ĐK h (∆) Đo ∆ MUX
2.1.5. Khối chức năng giao tiếp.
Cựng với sự phỏt triển mạnh mẽ của cụng ngh thụng tin, cỏc thi t b ệ ế ị đo hi n nay ph n l n được thi t k , ch t o v i nhi u ch c n ng “thụng minh” ệ ầ ớ ế ế ế ạ ớ ề ứ ă (ID -Intelligent Device) trong đú chức năng giao tiếp là chức năng chủ yếu được thực hi n b ng cụng c c a cụng ngh thụng tin. ệ ằ ụ ủ ệ
Cú hai loại giao tiếp chớnh: giao ti p thế ực hiện với người sử dụng và giao tiếp với hệ thống. Trong luận ỏn chỉ đặt vấn đề xõy dựng cỏc giao tiếp với người sử dụng. Cỏc giao tiếp với hệ thống khụng đặt vấn đề nghiờn cứu vỡ đó được cỏc hóng ch tạế o chu n hoỏ và ó cú r t nhi u chương trỡnh h tr để ẩ đ ấ ề ỗ ợ thực hiện.
Giao tiếp giữa người và mỏy (HMI) thực hiện thụng qua cỏc phương thức chớnh: hiển thị (Display), theo dừi (Monitoring), đối thoại giữa người và mỏy, đều khiển, giỏm sỏt, trao i cỏc chứđổ c n ng trớ tu nhõn t o... ă ệ ạ
Thực hiện hiển thị (Display):
Phương thức hiển thị: cỏc phương thức hiển thị trong đo lường đ ềi u khiển bao gồm: ngoài hiển thị kết qu o, hi n th số ệả đ ể ị li u, hi n th số ệể ị li u 2 tr ng thỏi ạ như "đúng"/"m ", l n/nh , hay tr ng thỏi ho t động/d ng … Cỏc hinh th c ở ớ ỏ ạ ạ ừ ̀ ứ hiờ̉n thị rṍt phong phú dưới nhiờu d ng khac nhau, vớ d hi n th bằ̀ ạ ̣ ́ ụ ể ị ng con s ố 0/1, đốn bỏo bật/tắt, hay màu sắc xanh/đỏ, nhấp nhỏy/liờn tục….
Nụ̣i dung thụng báo cũng rṍt phong phú như thụng bỏo cỏc trạng thái iờđ ̀u khiờ̉n của hợ̀ thụ́ng, thụng báo trạng thỏi thiờ́t bi vượ̣ t ra khoi ho t ụng binh ̉ ạ ̣ đ ̣ ̀ thường hay thụng báo cỏc nhọ̃n dạng và chuõ̉ đ ́n oan ky thuõt. ̃ ̣
Hiờ̉n thị bản tin: Nụ̣i dung mọi thụng tin đ ̀ờu có thờ̉ tụ̉ chức hiờ̉n thị đ ̉ ờ người sử dụng n m v ng tr ng thỏi v n hành c a m t h th ng. õy la phương th c ắ ữ ạ ậ ủ ộ ệ ố Đ ̀ ứ hiờ̉n thị tụ̉ng hợp tình hình xảy ra trong hợ̀ thụ́ng qua cỏc hỡnh thức:
* Mụ̣t văn bản tom tắ́ t qua trí ̀nh xảy ra.
* Cá đ ̀c ụ thị tĩnh và đ ̣ ụng biờ̉u diờ̃n quan hợ̀ theo th i gian cua cac hiờn tương ờ ̉ ́ ̣ ̣ và giữa các đ ̣ai lượng với nhau.
* Các bản vẽ đ ̀ ụ hoạ mụ tả quá trình xảy ra v i cac sụ liờu phan anh tinh trạng ớ ́ ́ ̣ ̉ ́ ̀ hoạt đ ̣ụng của quá trình (sơ đ ̀ ụ flowsheet) có sụ́ liờu. ̣
* Bản vẽ cṍu tạo của mụ̣t thiờ́t bị. * Bản vẽ ắ l p ráp, sơ đ ̀ ụ nụ́i dõy. * Giải thích hướng dõ̃n sử dụng.
* Mụ hỡnh hoá quá trình và trợ giúp kỹ thuọ̃t. * Nụ̣i dung củ đ ́a ụi thoai gi a người và máy. ̣ ữ
Thu thập và lưu gi sụ liờu : Cỏc số ệữ ́ ̣ li u, d li u hi n th cú th dưới dạữ ệ ể ị ể ng s ố (giỏ trị) hoặc là đại lượng liờn tục theo thời gian (tương tự). Việc thu thập số liệu cú th dựng thụng qua một số chức năng về thu thập số liệu (Data ể Acquisition).
Tụ́c đ ̣ụ thu thập và lưu giữ ố liệu phụ thuụ̣c chủ yờ́u vào tụ́ đ ̣ụ của cá s c c bụ̣ biờ́n đ ̉ụi tương tự sụ́. Với mục đ ́ich cụ thờ̉ của người sử dụng, cú th tụ ể ̉ chức mụ̣t lịch trình thu thập và lưu gi sụ liờu nh : ghi nhanh, ghi theo giõy, ữ ́ ̣ ư phút, giờ, ngày, tháng, năm, ghi khi cú yờu cầu. Mụ̃i nhóm sụ́ liợ̀u đươc lưu ̣ giữ theo những quy đ ̣inh theo yờu cõ̀u sử dụng.
Quản lý sụ́ liợ̀u hay quản lý thụng tin (MIS –Managerment Information System) : Sụ́ liợ̀u thu được sẽ cú thể đươc dùng vạ ̀o nhiờ̀u mục đ ́ich khác nhau. Để tụ̉ chức lưu giữ sụ́ liợ̀u mụ̣t cách có hợ̀ thụ́ng, phuc vụ tộ́ t cho cac ́ nhiợ̀m vụ cần ph i t ch c t t vi c quan ly sụ liờu. Cú nhi u lo i số ệả ổ ứ ố ệ ̉ ́ ́ ̣ ề ạ li u khỏc nhau: sụ́ liợ̀ đ ̣u ụng, sụ́ liợ̀u lịch sử, sụ́ liợ̀u vờ̀ bỏo hiợ̀u báo đ ̣ụng, sụ́ liợ̀u cực