Hệ thống tự động kiểm sốt là hệ thống tập hợp các phần tử thực tế cĩ mối quan hệ với nhau một cách cĩ mục đích để thực hiện nhiệm vụ đo lường, kiểm sốt, điều chỉnh quá trình, giữ các đặc tính chất lượng trong giới hạn cho phép hay ở mức danh định, mong muốn mà khơng cần cĩ sự điều khiển của con người thì gọi là hệ thống tự động kiểm sốt.
Trong phạm vi luận văn hệ thống kiểm sốt là hệ thống kiểm tra hàm lượng dầu cĩ trong nước thải lacanh. Nếu như hàm lượng dầu trong nước thải lacanh nhỏ hơn 15ppm thì cho phép nước thải lacanh xả ra ngồi biển cịn ngược lại nếu vượt quá giới hạn cho phép 15ppm thì hệ thống sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành mở van tự động xả lại két bẩn trên tàu và phát ra tín hiệu cảnh báo.
Việc đọc dữ liệu và xử lý nĩ được thực hiện nhờ bộ phận cảm biến hồng ngoại rồi đưa tới mạch khuếch đại, tới mạch chuyển đổi AD, mạch vi xử lý sau đĩ đến mạch hiển thị số.
Hệ thống tự động kiểm sốt hàm lượng dầu mỏ trong nước thải lacanh đĩng một vai trị rất quan trọng trong quá trính bảo vệ sự ơ nhiễm của biển cũng như bảo vệ sự sống của sinh vật biển, bởi vì hệ thống như một cơ quan đăng kiểm và từ trước tới nay
cũng chưa cĩ các hệ thống trang bị để xử lý nước thải này nếu cĩ cũng chỉ là hình thức đối phĩ và giá thành đắt…
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống kiểm sốt
Tĩm lại:
Mạch kiểm sốt là mạch đo bao gồm các thiết bị đo ( trong đĩ kể cả cảm biến) cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo (nồng độ dầu trong nước lacanh) trong những điều kiện tốt nhất cĩ thể.
Ơû đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tín hiệu điện mang theo thơng tin về đại lượng cần đo.
Ơû đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng cĩ thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị chỉ thị ở đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch.
Dạng đơn giản của mạch đo bao gồm cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị. Tuy nhiên, điều kiện đo trên thực tế thường do mơi trường bao quanh địi hỏi, đồng thời do sự cần thiết của việc khai thác tín hiệu, mạch đo thường bao gồm nhiều thành phần trong đĩ cĩ các khối để tối ưu hố việc thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu, thí dụ như mạch khuếch đại, bộ chuyển đổi tương tự số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ… dưới hình 2.3.
Hình 2.3. sơ đồ mạch kiểm sốt tổng quát
Trong đĩ: 1 – Cảm biến, 2 - Mạch khuếch đại,
3 – Mạch chuyển đổi tương tự số,
1 2 3 4
5
4 - Mạch vi xử lý, 5 – Mạch hiển thị số,
6 – Cơ cấu chấp hành.
2.3. CẢM BIẾN VAØ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN 2.3.1. Khái niệm cơ bản về cảm biến
Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các trạng thái. Các trạng thái này thường là các đại lượng khơng điện. nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thơng tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và cơng nghệ của con người.
Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích.
Theo mơ hình mạch ta cĩ thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình vẽ) trong đĩ cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x.
Hình 2.4. Mơ hình mạch của bộ cảm biến
Phương trình mơ tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến cĩ dạng:
y=f(x) (2.1) Phương trình quan hệ này thường rất phức tạp vì cĩ quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng – kích thích.
Bộ cảm biến
Kích thích Đáp ứng
Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm.
Hình 2.5. Sự biến đổi của đại lượng cần đo m và phản ứng s theo thời gian
Một vấn đề quan trọng là khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm sao cho độ nhạy s của chúng khơng đổi, nghĩa là s khơng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay đổi của nĩ (dải thơng).
Thời gian sử dụng (độ già hố).
Aûnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (khơng phải là đại lượng đo) của mơi trường xung quanh.
Trong sơ đồ hình 2.6 quá trình được đặc trưng bằng các trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của bộ cảm biến được phối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. Đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác
Bộ vi xử lý Chương trình Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến Quá trình (các trạng thái) t1 t2 tn t t tn t2 t1 s m Cảm biến Đại lượng cần đo (nồng độ dầu, Cđ)
Đại lượng điện (s)
động lên quá trình. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, trong đĩ bộ cảm biến đĩng vai trị cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thơng số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thơng tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình.
Hình 2.6. Hệ thống điều khiển tự động quá trình
Theo quan điểm mơ hình mạch ta coi bộ cảm biến như một hộp đen, cĩ quan hệ đáp ứng – kích thích được biểu diễn bằng phương trình (2.1). Quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến. Ta cĩ thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau:
2.3.2. Hàm truyền
Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến cĩ thể cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức tốn học. Gọi x là kích thích, y là tín hiệu điện áp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền cĩ thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ.
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích cĩ dạng: Y = a + bx
ở đây a là hằng số bằng tính hiệu ra khi tín hiệu vào bằng khơng, b là độ nhậy, y là một trong những đặc trưng của tín hiệu ra của bộ cảm biến.
Hàm truyền logarit cĩ dạng: Y = 1+ blnx dạng mũ: y = aekx dạng luỹ thừa: y = a0 + a1xk ở đây k là hằng số.
2.3.3. Độ lớn của tín hiệu vào
Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số khơng vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến cĩ đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số cơng suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào:
1 2 1 2 20lg lg 10 1 u u P P dB 2.3.4. Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng giống như là các dụng cụ đo lường khác, ngồi đại lượng cần đo cịn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị đo và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:
100 . % x x
x là sai số tuyệt đối.
Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Hình 2.7. Xác định sai số và hàm truyền của bộ cảm biến
Sai số hệ thống là sai số khơng phụ thuộc vào số lần đo, cĩ giá trị khơng đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch khơng đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng khơng tốt.
Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống cĩ thể là:
Do nguyên lý của cảm biến
y y' 100% Kích thích x Đường cong hàm truyền thực tế Hàm truyền lý tưởng Đường giới hạn chính xác 100% Đ a ùp ư ùn g y
Giá trị đại lượng chuẩn khơng đúng,
Do đặc tính của bộ cảm biến,
Do điều kiện và chế độ sử dụng.
Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện cĩ độ lớn và chiều khơng xác định. Cĩ thể dự đốn được một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng khơng thể dự đốn độ lớn và dấu của nĩ. Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên cĩ thể là:
Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị,
Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên,
Do các đại lượng ảnh hưởng như các thơng số mơi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điện từ trường, độ rung….) khơng được tính đến trong khi chuẩn cảm biến. Cĩ thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuơi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ.
2.3.5. Chuẩn bộ cảm biến
Chuẩn bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải tích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến cĩ tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng.
Các thơng số ảnh hưởng cĩ thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đáp ứng như độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngồi ra chúng cũng cĩ thể là các đại lượng vật lý khơng liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hồi đáp. Thơng thường các đại lượng vật lý này là các thơng số mơi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… và các thơng số của nguồn như biên độ, tần số, điện áp làm việc của bộ cảm biến.
2.3.6. Độ tuyến tính của cảm biến
Bộ cảm biến được gọi là tuyến tính trong dải kích thích nếu trong dải đĩ độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị của kích thích tức là độ nhạy là một hằng số.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tính và hoạt động của bộ cảm biến là tuyến tính khi các kích thích tác động cịn nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự khơng đổi của độ nhạy tĩnh, đồng thời các thơng số quyết định hồi đáp như tần số dao động riêng, hệ số suy giảm cũng khơng phụ thuộc vào kích thích.
2.3.7. Nhiễu trong bộ cảm biến và mạch
Nhiễu trong bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số mà ta phải tìm các biện pháp khắc phục. Giống như bệnh tật nhiễu khơng thể loại trừ hồn tồn mà chỉ cĩ thể phịng ngừa, làm giảm ảnh hưởng của chúng và việc khắc phục nhiễu địi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp. Ta cĩ thể phân nhiễu làm hai loại: nhiễu nội bộ và nhiễu tác động trên mạch truyễn dẫn tín hiệu.
Nhiễu nội tại phát sinh do sự khơng hồn thiện trong việc thiết kế, cơng nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của bộ cảm biến…, do đĩ đáp ứng cĩ thể bị méo so với dạng lý tưởng. Sự méo của tín hiệu ra cĩ thể cĩ tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên. Dạng tín hiệu ra liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của cảm biến.
Từ bộ cảm biến đến tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi thành dạng số khơng biểu thị bằng độ lớn và đặc tính phổ mà theo độ phân giải số.
Điện áp lệch đầu vào và dịng điện phân cực cĩ thể bị trơi. Tín hiệu nhiễu (điện áp và dịng điện) do cơ chế vật lý xảy ra trong các điện trở và tranzito sử dụng để chế tạo mạch.
2.4. CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẬN BIẾT DẦU MỎ
Căn cứ vào bản chất phản xạ của dầu mỏ ta nhận thấy dầu cĩ bước sĩng từ 0.8m cho đến 1m cho nên dưạ vào tính chất này ta chế tạo cảm biến cho phù hợp với bước sĩng của dầu mỏ.
Ta cĩ:
Từ 0,9m 1,0m (hồng ngoại) thì chỉ cĩ hệ số phản xạ của dầu thơ cịn nước biển khơng cĩ hệ số phản xạ như vậy căn cứ vào hệ số phản xạ trên ta tiến hành chọn các linh kiện điện tử cho phù hợp.
Theo F.F.Sabins, Jr., 1978: Hệ số phản xạ quang phổ của nước biển và dầu thơ.
Hình 2.8. Đồ thị hệ số phản xạ quang phổ của nước biển và một lớp mỏng dầu thơ
Mặt khác căn cứ vào tính chất bức xạ ánh sáng là những khoảng bức xạ điện từ: Cực tím cĩ bước sĩng từ 100nm380nm.
Aùnh sáng thấy được cĩ bước sĩng từ 380nm 780nm. Hồng ngoại cĩ bước sĩng từ 780nm 1mm.
Như vậy ta nhận thấy dầu mỏ cĩ bức sĩng bức xạ thuộc trong dải bước sĩng hồng ngoại.
2.4.1. Phân tích lựa chọn cảm biến.
Ta cĩ cơng thức tính bước sĩng: W c h . trong đĩ:
h là hằng số planck (h=4,16.10-15 eVs) (eV= electron Volt).
c là vận tốc ánh sáng (c=3.108m/s)
W là năng lượng photon.
Bảng 2.1: Các thơng số kỹ thuật của vật liệu
Nước biển Dầu thơ P h ản xạ Cực tím Ánh sáng nhìn thấy Hồng
Vật liệu Năng lượng W (eV) Bước sĩng (nm) Germanium Siliczium Gallium – Arsenid Gallium – Arsenid – Phosphid Gallium – Phosphid Siliczium – Karbid Gallium - Nitrit 0,66 1,09 1,38 1,43 1,91 2,24 2,5 3,1 1890 1144 870 900 650 550 500 400
Qua bảng 1 ta nhận thấy Gallium – Arsenid cĩ bước sĩng từ 870nm 900nm rất phù hợp và thoả mãn nên ta chọn Gallium – Arsenid làm vật liệu cảm biến (Gallium – Arsenid là nguyên tố ở nhĩm III của bảng phân loại tuần hồn).
Hình 2.9. Hiệu suất tương đối của nguồn sáng
) ( 900 38 . 1 10 . 3 . 10 . 16 , 4 . 15 8 nm W c h
Gallium – Arsenid là một vật liệu bán dẫn lý tưởng cho điện phát quang. Sự tái hợp giữa vùng dẫn và vùng hố là trực tiếp. Tuỳ theo sự pha tạp mà bức xạ do sự tái hợp trong GaAs cĩ cực đại giữa 880 và 940nm trong hồng ngoại gần, mắt khơng thể nhìn thấy được.
Bức xạ phát sinh chủ yếu là qua sự tái hợp. Năng lượng photon khoảng 1,4eV.
2.4.2. Đặc tính của cảm biến 350 400 500 600 700 800 900 950 H ie äu s u ấ t tư ơ ng đ o ái Đèn wo nfram M ắt ngư ời Mặt trời Photodiot Si GaAs Led Bước sĩng (nm) 0,358 0,4350,490 0,575 0,580 0,650 0,760 Cực tím Tím Lam Lụ c Vàn g Da cam Đỏ Hồng ngoại m Ánh sáng nhìn thấy
Hình 2.10. Phổ ánh sáng
Aùnh sáng lan truyền trong chân khơng cĩ vận tốc v= 299792 km/s và cĩ phổ ánh sáng và giải màu của phổ như hình 2.9.
Trong phần nghiên cứu của đề tài này tơi chọn linh kiện thu điện trở quang CdS, linh kiện phát là led hồng ngoại IR.
2.4.2.1. Đặc điểm của led hồng ngoại
Hình 2.11. Bước sĩng phát xạ của Led
Led cĩ những đặc điểm như sau:
Khơng bị lệ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Tuyến tính.
Cĩ hiệu suất lượng tử cao.
Đời sống cao, cĩ thể đạt tới 100.000 giờ. Rẻ tiền.
Kích thước nhỏ.
Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, cĩ khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuơi.
Tiêu thụ cơng suất thấp. Quang thơng tương đối nhỏ.