Phƣơng pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị. Các phƣơng pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phƣơng pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác nhƣ đại lƣợng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu…
Tùy thuộc vào đối tƣợng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo mà ngƣời quan sát phải biết chọn các phƣơng pháp đo khác nhau để thực hiện tốt quá trình đo lƣờng. Có thể có nhiều phƣơng pháp đo khác nhau nhƣng trong thực tế thƣờng phân thành 2 loại phƣơng pháp đo chính là phƣơng pháp đo biến đổi thẳng và phƣơng pháp đo kiểu so sánh.
Phương pháp đo biến đổi thẳng 2.2.3.1.
- Định nghĩa: là phƣơng pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng,
nghĩa là không có khâu phản hồi. - Quá trình thực hiện:
* Đại lƣợng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số NX, đồng thời đơn vị của đại lƣợng đo XO cũng đƣợc biến đổi thành con số NO.
* Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lƣợng đo và đơn vị (thực hiện phép chia NX/NO),
* Thu đƣợc kết quả đo: AX = X/XO = NX/NO .
Hình 2.2. Lƣu đồ phƣơng pháp đo biến đổi thẳng
Quá trình này đƣợc gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị XO sau khi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể đƣợc qua bộ biến đổi tƣơng tự - số A/D để có NX và NO , qua khâu so sánh có NX/NO.
Dụng cụ đo biến đổi thẳng thƣờng có sai số tƣơng đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy phƣơng pháp này thƣờng đƣợc sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm.
Phương pháp đo kiểu so sánh 2.2.3.2.
- Định nghĩa: là phƣơng pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi.
- Quá trình thực hiện:
+ Đại lƣợng đo X và đại lƣợng mẫu XO đƣợc biến đổi thành một đại lƣợng vật lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh.
+ Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá trình đo, khi hai đại lƣợng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có đƣợc kết quả đo.
Quá trình đo nhƣ vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù).
- Các phƣơng pháp so sánh: Bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lƣợng đo X và đại lƣợng tỉ lệ với mẫu XK, qua bộ so sánh có: ΔX = X - XK. Tùy thuộc vào cách so sánh mà sẽ có các phƣơng pháp sau:
+ So sánh cân bằng:
* Quá trình thực hiện: Đại lƣợng cần đo X và đại lƣợng tỉ lệ với mẫu XK = NK.XO đƣợc so sánh với nhau sao cho ΔX = 0, từ đó suy ra X = XK = NK.XO. Suy ra kết quả đo: AX = X/XO = NK. Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X thay đổi để đƣợc kết quả so sánh là ΔX = 0 từ đó suy ra kết quả đo.
* Độ chính xác: Phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết ΔX = 0).
+ So sánh không cân bằng:
* Quá trình thực hiện: Đại lƣợng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi và biết trƣớc, qua bộ so sánh có đƣợc ΔX = X - XK, đo ΔX sẽ có đƣợc đại lƣợng đo X = ΔX + XK từ đó có kết quả đo: AX = X/XO = (ΔX + XK)/XO.
* Độ chính xác: Độ chính xác của phép đo chủ yếu do độ chính xác của XK quyết định, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo ΔX, giá trị của ΔX so với X (độ chính xác của phép đo càng cao khi ΔX càng nhỏ so với X). Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc sử dụng để đo các đại lƣợng không điện nhƣ đo ứng suất, đo nhiệt độ…
+ So sánh không đồng thời:
* Quá trình thực hiện: Dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết bị đo khi chịu tác động tƣơng ứng của đại lƣợng đo X và đại lƣợng tỉ lệ với mẫu XK, khi hai trạng thái đáp ứng bằng nhau suy ra X = XK .
Đầu tiên dƣới tác động của X gây ra một trạng thái nào đo trong thiết bị đo, sau đó thay X bằng đại lƣợng mẫu XK thích hợp sao cho cũng gây ra đúng trạng thái nhƣ khi X tác động, từ đó suy ra X = XK. Nhƣ vậy rõ ràng là XK phải thay đổi khi X thay đổi.
* Độ chính xác: Phụ thuộc vào độ chính xác của XK. Phƣơng pháp này chính xác vì khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên. Thƣờng thì giá trị mẫu đƣợc đƣa vào khắc độ trƣớc, sau đó qua các vạch khắc mẫu để xác định giá trị của đại lƣợng đo X.
Thiết bị đo theo phƣơng pháp này là các thiết bị đánh giá trực tiếp nhƣ Vôn kế, Ampe kế chỉ thị kim.
+ So sánh đồng thời:
* Quá trình thực hiện: So sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại lƣợng đo X và đại lƣợng mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị của đại lƣợng đo.
Trong thực tế thƣờng sử dụng phƣơng pháp này để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng.
Từ các phƣơng pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép đo là:
- Đo trực tiếp: Kết quả có chỉ sau một lần đo.
- Đo gián tiếp: Kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp.
- Đo hợp bộ: Nhƣ gián tiếp nhƣng phải giả một phƣơng trình hay một hệ phƣơng trình mới có kết quả..
- Đo thống kê: Đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả. 2.3. TÌM HIỂU ĐO LƢỜNG NHIỆT ĐỘ
2.3.1.Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho mức chuyển động hỗn loạn của các phân tử trong các vật thể.
Để đo đƣợc nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo, thông thƣờng trong công nghiệp nhiệt độ đƣợc đo bằng cảm biến và phƣơng pháp này tiện lợi là có thể truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa, không ảnh hƣởng tới sự làm việc của hệ thống khi cần xác định nhiệt độ.
Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số Tx - T là cực tiểu với Tx là nhiệt độ môi trƣờng cần đo, T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trƣờng cần đo.
Khi cảm biến đƣợc đặt trong môi trƣờng cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lƣợng cảm biến hấp thụ từ môi trƣờng tỷ lệ với độ chênh nhiệt giữa cảm biến và môi trƣờng theo biểu thức: dQ = a.A(Tx - T)dt (2.13)
Với a là độ dẫn nhiệt, A là diện tích bề mặt truyền nhiệt .
Mặt khác nếu cảm biến có khối lƣợng là m và nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt) là c thì nhiệt lƣợng hấp thụ đƣợc là: dQ = m.c.dt (2.14)
Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt môi trƣờng, kết cấu kiểu giá đỡ thì ta có: a.A(Tx - T)dt = m.c.dT (2.15) Gọi τ là hằng số thời gian nhiệt:
Vậy ta có phƣơng trình vi phân cân bằng nhiệt:
(2.16) Nghiệm của phƣơng trình (2.16) là:
(2.17) với k là hằng số.
Từ phƣơng trình (2.17) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian:
a) b)
Hình 2.4. Đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian
Hình 2.4a: Không tính tổn thất nhiệt từ môi trƣờng cần đo truyền vào cảm biến Hình 2.4b: Có tính tổn thất nhiệt từ môi trƣờng cần đo truyền vào cảm biến và (Tx – T1 = ΔT) luôn luôn tồn tại.
2.3.2.Thang đo nhiệt độ
Thang đo nhiệt độ là một dãy các mốc nằm trong khoảng nhiệt độ giới hạn bởi hai điểm sôi và nóng chảy cố định của một vật chất tinh khiết, hai điểm này gọi là điểm gốc để phân độ toàn thang. Có 3 loại thang đo nhiệt độ: Thang nhiệt độ động học tuyệt đối (oK), bách phân (oC) và Fahrenheit (oF ).
Thang nhiệt độ động học tuyệt đối
Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là oK. Do nhà vật lý ngƣời Anh là Thomson đề ra năm 1852. Trong thang nhiệt độ này ngƣời ta lấy 3 trạng thái của nƣớc ở điểm cân bằng nƣớc, nƣớc đá và hơi nƣớc một giá trị số bằng 273,15 oK.
Từ thang nhiệt độ Kelvin ngƣời ta xác định các thang nhiệt độ mới là thang
Celsius và thang Fahrenheit.
Thang đo nhiệt độ Bách phân 2.3.2.2.
Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là oC. Do nhà vật lý ngƣời Thụy Điển
Celsius đƣa ra năm 1742 dựa vào điểm tan của nƣớc đá và điểm sôi của nƣớc chia ra 100 khoảng. Quan hệ giữa thang Celsius và thang Kelvin đƣợc xác định bởi biểu thức : t (oC) = t (oK) - 273,15 (2.18)
Thang đo nhiệt độ Fahrenheit 2.3.2.3.
Đơn vị nhiệt độ là oF. Do nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đƣa ra năm 1706. Đổi từ thang oC ra nhiệt độ oF và ngƣợc lại theo công thức:
t (oF) = ( t (oC) × 1.8) + 32 (2.19)
Năm 1948 hội nghị đo lƣờng quốc tế thứ 19 đã lấy thang nhiệt độ bách phân (Celsius) là thang nhiệt độ quốc tế.
Bảng 2.1. Nhiệt độ ở một số trạng thái
Trạng thái oK oC oF
Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,6
Hòa hợp nƣớc – nƣớc đá 273,15 0 32
Cân bằng nƣớc – nƣớc đá – nơi nƣớc 273,16 0,01 32,108
Nƣớc sôi 373,15 100 212
2.3.3.Phân loại hệ thống đo nhiệt độ
Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách, nếu theo nguyên tắc làm việc của máy đo nhiệt độ thì có thể phân thành các nhóm :
+ Nhiệt kế giãn nở: Dựa trên sự biến đổi thể tích của chất lỏng hay chiều dài của chất rắn khi nhiệt độ thay đổi.
+ Nhiệt áp kế: Dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích chất lỏng, chất khí, hơi trong hệ thống kín khi nhiệt độ môi trƣờng thay đổi.
+ Nhiệt kế cặp nhiệt điện: Dựa trên nguyên tắc thay đổi sức điện động khi cặp nhiệt điện thay đổi.
+ Nhiệt kế điện trở: Dựa trên sự phụ thuộc giữa nhiệt độ của dây dẫn, bán dẫn với điện trở của chúng.
+ Hỏa kế bức xạ, hỏa kế phát quang: Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi khi nhiệt độ vùng cần đo thay đổi.
+ Siêu âm nhiệt độ: Nguyên lý hoạt động dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trƣờng truyền âm.
2.4. CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ DS18B20
2.4.1.Giới thiệu
Họ IC cảm biến nhiệt độ DS18B20 có những tính năng rất phù hợp với yêu cầu sản phẩm là lò sấy:
Cảm biến này là một nhiệt kế số, giao tiếp với IC sử dụng chuẩn giao tiếp 1 Dây duy nhất, kết quả đo trả về theo kiểu số.
Không cần sử dụng thêm linh kiện phụ trợ nào khác. Không cần sử dụng bộ ADC để chuyển đổi kiểu dữ liệu nhƣ họ cảm biến LM35 nên dùng cảm biến này tiện lợi và độ chính xác cao hơn.
Kết quả đo có độ phân giải 9- 12bit, tùy thiết lập và mục đích mà ngƣời dùng chọn độ phân giải phù hợp. Số bit càng lớn thì độ chính xác cao hơn. Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit.
Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55°C đến +125°C. Với khoảng nhiệt độ từ -10°C đến +85°C thì độ chính xác ±0,5°C.
Có chức năng cảnh báo nhiệt độ vƣợt qua giá trị đặt trƣớc.
Mỗi cảm biến DS18B20 có một mã danh định( Serial code) 64bit duy nhất chứa trong bộ nhớ ROM trên chip, nhƣ vậy cho phép sử dụng song song nhiều cảm biến DS18B20 trên cùng đƣờng bus.
2.4.2.Cấu tạo
Sơ đồ, chức năng các chân:
DS18B20 có 3 kiểu đóng vỏ sản phẩm, kiểu TO92 3 Chân, Kiểu SO(150 mils) 8 chân và kiểu uSOP 8 chân.
Bảng 2.2. Chức năng các chân của IC DS18B20
Hình 2.5. IC DS18B20
Sơ đồ khối:
Hình 2.6. Sơ Đồ Khối DS18B20
Tổ chức bộ nhớ:
Mỗi IC DS1820 có một mã 64bit riêng biệt bao gồm:
8 bit Family code, 48 bit serial code và 8 bit CRC code đƣợc lƣu trong Rom. Các giá trị này giúp phân biệt giữa các IC với nhau trên cùng 1 bus. Giá trị Family code của DS1820 là 28h và giá trị CRC là kết quả của quá trình kiểm tra 56 bits trƣớc đó.
KIỂU ĐÓNG GÓI TÊN CHỨC NĂNG SO uSOP TO92 1, 2, 6, 7, 8 2, 3, 5, 6, 7 - N.C. Không kết nối 3 8 3 VDD Cấp nguồn(+5v)
4 1 2 DQ Dữ liệu vào – ra.
Tổ chức bộ nhớ Scratchpad:
Bộ nhớ Scratchpad DS1820 gồm 9 thanh ghi 8 bit: - Byte 0 và 1 lƣu giá trị nhiệt độ chuyển đổi. Byte 2 và 3 lƣu giá trị ngƣỡng nhiệt độ. ( giá trị này đƣợc lƣu khi mất điện).
- Byte 4 là thanh ghi cấu hình cho hoạt động của DS1820.
- Byte 5,6 và 7 không sử dụng.
- Byte 8 là thanh ghi chỉ đọc lƣu giá trị CRC từ byte 0 đến byte 7.
Dữ liệu trong byte 2,3,4 đƣợc ghi thông qua lệnh Write Scratchpad [4Eh] và dữ liệu đƣợc truyền đến. DS18B20 với bit LSB của byte 2, sau khi ghi dữ liệu có thể đƣợc đọc lại thông qua lệnh Read Scratchpad [BEh] và khi đọc Scratchpad thì bit LSB của byte 0 sẽ đƣợc gửi đi trƣớc tất cả các byte đều đƣợc đọc, nhƣng chỉ ghi đƣợc byte 2,3 và 4. Để chuyển giá trị TH và TL từ bộ nhớ vào EEPROM thì
cần gửi lệnh Copy Scratchpad [48h] đến DS18B20. Dữ liệu từ EPROM cũng có thể đƣợc chuyển vào thanh ghi TH, TL thông qua lệnh Recall E2 [B8h].
2.4.3.Tập lệnh điều khiển DS18B20
READ ROM (33h): Cho phép đọc ra 8 byte mã đã khắc bằng laser trên ROM, bao gồm: 8 bit mã định tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xƣởng, 8 bit kiểm tra CRC. Lệnh này chỉ dùng khi trên bus có 1 cảm biến DS1820, nếu không sẽ xảy ra xung đột trên bus do tất cả các cảm biến cùng đáp ứng.
MATCH ROM (55h): Lệnh này đƣợc gửi đi cùng với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép bộ điều khiển bus chọn ra chỉ một cảm biến cụ thể khi trên bus có nhiều cảm biến cùng nối vào. Chỉ có DS1820 nào có 64 bit trên ROM trùng khớp với chuỗi 64 bit vừa đƣợc gửi tới mới đáp ứng lại các lệnh về bộ nhớ tiếp theo. Còn các cảm biến có 64 bit Hình 2.7. Bộ nhớ Scratchpad
ROM không trùng khớp sẽ tiếp tục chờ một xung reset. Lệnh này đƣợc sử dụng cả trong trƣờng hợp có một cảm biến một dây hoặc nhiều cảm biến một dây.
SKIP ROM (CCh): Lệnh này cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến các lệnh bộ nhớ của DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM. Nhƣ vậy sẽ tiết kiệm đƣợc thời gian chờ đợi nhƣng chỉ mang hiệu quả khi trên bus chỉ có một cảm biến.
ALARM SEARCH (ECh): Tiến trình của lệnh này giống hệt nhƣ lệnh Search ROM, nhƣng cảm biến chỉ đáp ứng lệnh này khi xuất hiện điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt độ cuối cùng. Điều kiện cảnh báo ở đây đƣợc định nghĩa là giá trị nhiệt độ đo đƣợc lớn hơn giá trị TH và nhỏ hơn giá trị TL là hai giá trị nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất đã đƣợc đặt trên thanh ghi trong bộ nhớ của cảm biến.
SEARCH ROM (F0h): Lệnh này cho phép bộ điều khiển bus có thể dò tìm đƣợc số lƣợng thành viên tớ đang đƣợc đấu vào bus và các giá trị cụ thể trong 64 bit ROM của chúng bằng một chu trình dò tìm.
WRITE SCRATCHPAD (4Eh): Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS1820. Byte đầu tiên đƣợc ghi vào thanh ghi TH còn byte thứ hai đƣợc ghi vào thanh ghi TL. Dữ liệu truyền theo trình tự đầu tiên là bit có ý nghĩa nhất và kế tiếp là những bit có ý nghĩa giảm dần. Cả hai byte này phải đƣợc ghi trƣớc khi thiết bị