CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
II.1.5. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
II.1.5.1. Sơ đồ khối cơ bản và phương hướng giải quyết converter:
Hình 10 – Sơ đồ khối của Transmitter pH.
Điện cực của đầu đo pH được nối vào một khuếch đại đo lường với điện trở đầu vào:
Rv = Rđc .
yc
1 γ
Rv : điện trở vào của thiết bị đo pH.
Rdc : điện trở trong của đầu đo.
γyc : sai số yêu cầu.
Với điện cực của pH–20 ta có: Rv > 750.106. 103 = 750.109 Rv > 1012
Để đảm bảo điện trở vào R > 1012 ta phải dùng các IC đo lường với điện trở đầu vào ≥ 1012 Ω. Một mặt khác để chống nhiễu đồng pha tốt ta phải mắc thêm một mạch lặp lại và một cực đất. của dung dịch điện phân như ở (hình 11a).
+ -A
+ -B
A-B
Đất dung dịch
Hình 11 - Mạch tiền khuếch đại.
Mạch tiền khuếch đại này có thể tích hợp trong đầu đo pH. Sau khi khuếch đại (chủ yếu khuếch dòng điện), điện áp được đưa vào ADC biến thành số và các xử lý về sau đều ở trong không gian số.
Mặt khác cũng để đo nhiệt độ của dung dịch vừa lấy số liệu nhiệt độ, đồng thời tiến hành bù nhiệt độ, ta tiến hành đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở Pt-1000. Mạch đo này dựa trên nguyên tắc đo biến thiên điện áp trên Pt- 1000.
Dòng điện là 0,25 mA cho nên biến thiên điện áp trên Pt-1000 là 0,25mA x 3,985Ω/oC ≈ 1 mV/0C.
Để đảm bảo các đặc tính kỹ thuật của converter, ta phải thực hiện : - Bù nhiệt độ cho đầu đo pH được thực hiện ở phần mềm trong vi xử
lý.
- Bù zero, bù trôi, xác định chiều của sức điện động đầu vào của đầu đo pH được giải quyết bằng phần mềm.
- Chống nhiễu, giảm bớt sai số ngẫu nhiên, thực hiện bằng phần mềm.
- Bù sai số hệ thống được thực hiện bằng việc chuẩn độ định kỳ.
- Bù zero cho mạch đo nhiệt độ thực hiện ở phần cứng cũng như phần mềm.
a) b)
II.1.5.2. Tính toán mạch đo độ pH : Mạch khuếch đại được tính như sau :
Điện áp vào ở 14pH là Uv = 7 x 58 = + 402mV.
Điện áp vào của ADC (ADC 87H – D) là 5V, 12 bit.
Hệ số khuếch điện áp được tính là G = 5V 0, 4 = 12.
Trong thực tế, do khắc độ, tức xác định hệ số biến đổi của thiết bị đo pH được thực hiện bằng phần mềm nên hệ số G chỉ cần là gần đúng 12 (không cần chỉnh chính xác).
Hình 12 - Mạch đo vi sai chống nhiễu.
Do điện trở trong của đầu đo pH lớn, mạch đầu vào của pH mét rất lớn nên vấn đề chống nhiễu và cách điện phải hết sức quan tâm khi thiết kế mạch in và lắp mạch. Chống nhiễu được sử dụng ở đây là mắt lọc RLC nối theo kiểu 2T ở trên mạch phản hồi. Ngoài ra, trong phần mềm có xây dựng thêm phần lọc số.
Phía sau là một khuếch đại đo lường bình thường, điện áp cung cấp cho khuếch đại là +5V và -5V.
II.1.5.3. Mạch đo nhiệt độ :
Đầu đo nhiệt độ là Pt-1000 là điện trở màng mỏng Pt tích hợp trong đầu đo pH.
Sơ đồ nguyên lý của mạch đo nhiệt độ như sau :
Hình 13 – Sơ đồ mạch đo nhiệt độ.
Một nguồn dòng cung cấp dũng điện 780 - 790àA cho nhiệt điện trở Pt-1000. Điện áp trên Pt- 1000 thay đổi theo nhiệt độ của nhiệt điện trở từ 780mV đến 1086mV khi nhiệt độ thay đổi 1000C.
Việc bù zero và khắc độ được thực hiện bằng phần mềm.
Mạch nguồn dòng cung cấp cho Pt1000 cho ở hình trên.
Ở trong mạch này điện áp 2.5V được nối trên điện trở 3.2 kΩ.
Dũng điện chạy trong điện trở là 2.5/3200 = 780àA.
Điện áp 2.5V ổn định, dòng chạy qua Pt1000 không đổi. Điện áp rơi trên Pt1000 thay đổi sẽ phản ánh nhiệt độ môi trường.
II.1.5.4. Vi xử lý và các phụ kiện:
Để xử lý các vấn đề đã nói trên ta có thể sử dụng bất kỳ một bộ vi xử lý nào.
Ở đây ta chọn vi xử lý CY8C29566, bộ giải mã hiển thị cho LCD.
HT1621B, LCD28PIN giải mã SN74HC598 LCD. Bộ biến đổi truyền thông MAX232 để nối với máy tính và DS75176 để truyền thông theo chuẩn RS485, XTR110 để biến đổi điện áp từ DAC thành dòng chuẩn hoá 4 –
Các đặc tính kỹ thuật của các IC dùng trong mạch này được mô tả trong tài liệu kèm theo.
II.1.5.5. Nguồn ổn áp:
Điện áp cung cấp cho các mạch đo lường và xử lý có các điện áp sau:
+5V 0 -5V; +5V; +24V 0 -24V (hình 14) Các IC và vi xử lý sử dụng ở tài liệu kèm theo.
Hình 14 – Sơ đồ nguồn ổn áp cung cấp cho thiết bị đo pH.