BÁO cáo CHUYÊN đề đo LƯỜNG đề tài THIẾT kế hệ THỐNG đo và GIÁM sát KHỐI LƯỢNG

Định nghĩa mới sẽ chỉ sử dụng các địa lượng bất biến của tự nhiên như: tốc độ ánh sáng, tần số siêu mịn Caesium và hằng số Planck Các đơn vị khác được chấp nhận để sử dụng trong SI: + T

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ ĐO LƯỜNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT KHỐI LƯỢNG

Giáo viên: TS Đoàn Thị Hương Giang

Lớp: CLC.D13CNTKDK

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ ĐO LƯỜNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT KHỐI LƯỢNG

Giáo viên: TS Đoàn Thị Hương Giang

Lớp: CLC.D13CNTKDK

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Đại lượng đo khối lượng 2

1.1.1 Khái niệm khối lượng 2

1.1.2 Đại lượng đo 2

1.2 Các phương pháp đo khối lượng 4

1.2.1 Đo khối lượng bằng lực tương tác 4

1.2.2 Đo lường bằng phép cân 6

1.3 Một số cảm biến đo khối lượng 8

1.3.1 Cảm biến loadcell biến dạng 8

1.3.2 Cảm biến loadcell áp điện 9

1.3.3 Cảm biến loadcell thủy lực 9

1.3.4 Cảm biến loadcell khí nén 10

1.4 Kết luận 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ HIỂN THỊ KHỐI LƯỢNG 11

2.1 Sơ đồ khối tổng thể 11

2.2 Giới thiệu phần cứng 11

2.2.1 Cảm biến loadcell 11

2.2.2 Giới thiệu module HX711 14

2.2.3 Tổng quan về ARM 18

2.2.4 Giới thiệu về ARM-Cortex-M3 STM32F1 20

2.2.5 Khối hiển thị 22

2.2.6 Kết nối hệ thống 23

2.3 Kết luận 23

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hình ảnh quả cân có khối lượng 2kg 2

Hình 1.2: Hình ảnh khối lượng trong hệ SI 4

Hình 1.3: Cân kỹ thuật một đĩa 6

Hình 1.4: Cân kỹ thuật hai đĩa 6

Hình 1.5: Thành phần lò xo của cảm biến tải trọng thanh đẩy-kéo 8

Hình 2.1: Loadcell HS000252 50kg 11

Hình 2.2: Loadcell HS000211 5kg 11

Hình 2.3: Mạch cầu điện trở Wheatstone 12

Hình 2.4: Sự thay đổi điện trở trên loadcell 12

Hình 2.5: Sơ đồ minh họa cách bố trí bàn cân 14

Hình 2.6: Sơ đồ mạch khuếch đại 14

Hình 2.7: Module HX711 15

Hình 2.8: Sơ đồ khối ứng dụng cân nặng 16

Hình 2.9: Sơ đồ chân trong module HX711 16

Hình 2.10: Dữ liệu đầu ra, đầu vào và thời gian lựa chọn và kiểm soát 17

Hình 2.11: Kiến trúc của vi xử lý ARM Cortex-M7 20

Hình 2.12: Kiến trúc của vi xử lí ARM Cortex-M3 21

Hình 2.13: Màn hình LCD 2.8 inch 23

Hình 2.14: Sơ đồ kết nối hệ thống 23

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của loadcell HS000252 50kg 13

Bảng 2.2: Mô tả sơ đồ chức năng các chân HX711 16

Bảng 2.3: Quá trình hoạt động của dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra 17

Bảng 2.4: Các chế độ BOOT của STM32F1 21

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của giáo viên giảng dạy môn Chuyên đề đo lường, sau

một thời gian học tập và tìm hiểu chúng em đã hoàn thành báo cáo môn học với

nội dung về “Nghiên cứu hệ thống đo và giám sát nhiệt độ” Để hoàn thành báo

cáo được giao, ngoài sự nỗ lực học hỏi vủa bản thân còn có sự hướng dẫn tận tình

của giáo viên và bạn bè Vì vậy, trong lời đầu tiên của bài báo cáo, chúng em muốn

dành lời cảm ơn chân thành đến cô giáo Đoàn Thị Hương Giang và bạn bè đã đồng

hành và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt nhiệm vụ được

giao Nhóm em đã cố gắng trong quá trình tìm hiểu và thực hiện báo cáo nhưng vì

kiến thức còn hạn chế khiến bài báo cáo chưa được hoàn hảo Nhóm rất mong được

sự góp ý, nhận xét đánh giá về nội dung và hình thức trình bày từ cô để nhóm có

thể hoàn thiện bài báo cáo tốt hơn

Chúng em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội ngày… tháng 03 năm 2021

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đại lượng đo khối lượng

1.1.1 Khái niệm khối lượng

Khối lượng vừa là một đặc tính của cơ thể vật lý vừa là thước đo khả năng chống lại gia tốc của nó (sự thay đổi trạng thái chuyển động của nó) khi một lực ròng được áp dụng Khối lượng của một vật thể cũng xác định sức mạnh của lực hấp dẫn của nó đối với các vật thể khác

Trong vật lí, khối lượng khác trọng lượng Mặc dù, khối lượng thường được

đo bằng cách cân lò xo hơn là cân thằng bằng đòn bẩy so với một vật mẫu Một vật

sẽ nhẹ hơn khi ở trên mặt trăng so với Trái Đất Tuy vậy, nó sẽ có cùng một lượng vật chất Điều này là do trọng lượng là một lực, còn khối lượng là một tính chất (cùng với trọng lực) quyết định độ lớn của lực này

Trong cơ học cổ điển, khái niệm khối lượng có thể hiểu là số vật chất có trong một vật Mặc dù vậy, trong trường hợp vật di chuyển rất nhanh, thuyết tương đối hẹp phát biểu rằng động năng sẽ trở thành một phần lớn khối lượng Do đó, tất cả các vật ở trạng thái nghỉ sẽ có cùng một mức năng lượng và tất cả các trạng thái cản trở gia tốc và các lực hấp dẫn Trong vật lí hiện đại, vật chất không phải là một khái niệm cơ bản vì định nghĩa của nó khá khó nắm bắt

Hình 1.1: Hình ảnh quả cân có khối lượng 2kg

1.1.2 Đại lượng đo

Đơn vị khối lượng tiêu chuẩn của hệ thống quốc tế (SI-Standard International)

là kilogram (kg) Kilogram lần đầu được xác định vào năm 1795 là một mét khối nước tại điểm nóng chảy của băng Tuy nhiên, do việc đo chính xác của một mét khối nước ở nhiệt độ và áp suất phù hợp là khó khăn, năm 1889, kilogram được xác định lại là khối lượng của nguyên mẫu quốc tế của kilogram được làm bằng gang và do đó trở nên độc lập với đơn vị mét và tính chất của nước

Tuy nhiên, khối lượng của nguyên mẫu quốc tế và các bản sao quốc gia được phát hiện là đang giảm dần theo thời gian Việc định nghĩa lại kilogram và một số đơn vị khác đã diễn ra vào ngày 20 tháng 5 năm 2019, sau cuộc bỏ phiếu cuối cùng của CGPM vào tháng 11 năm 2018 Định nghĩa mới sẽ chỉ sử dụng các địa lượng bất biến của tự nhiên như: tốc độ ánh sáng, tần số siêu mịn Caesium và hằng số Planck

Các đơn vị khác được chấp nhận để sử dụng trong SI:

+ Tấn (t) bằng 1000 kg

+ Electronvolt (eV) là một đơn vị năng lượng, nhưng do sự tương đồng năng lượng khối lượng, nó có thể dễ dàng được chuyển đồi thành đơn vị khối lượng và thường được sử dụng như một đơn vị khối lượng Trong bối cảnh này, khối lượng

có đơn vị eV / 𝑐2 (trong đó c là tốc độ ánh sáng) Electvolt và bội số của nó, như MeV (megaelectronvolt), thường được sử dụng trong vật lý hạt

+ Đơn vị khối lượng nguyên tử (u) bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử carbon-12, xấp xỉ 1.66 × 10−27 kg Đơn vị khối lượng nguyên tử và phân tử thuận tiện cho việc thể hiện khối lượng của các nguyên tử và phân tử

Ngoài hệ thống SI, các đơn vị khối lượng khác bao gồm:

+ Slug (sl) là một đơn vị khối lượng của Hoàng gia (khoảng 14,6 kg)

+ Pound (lb) là một đơn vị của cả khối lượng và lực, được sử dụng chủ yếu

ở Hoa Kỳ (khoảng 0,45kg hoặc 4,5N) Trong bối cảnh khoa học, nơi phân biệt pound (lực) và pound (khối lượng), đơn vị SI thường được sử dụng thay thế + Khối lượng Planck (𝑚𝑝) là khối lượng tối đa của các hạt điểm (khoảng 2.18 × 10−8 kg) Nó được sử dụng trong vật lý hạt

+ Khối lượng mặt trời (M☉) được định nghĩa là khối lượng của Mặt Trời Nó chủ yếu được sử dụng trong thiên văn học để so sánh các khối lượng lớn như sao hoặc thiên hà (≈ 1.99 × 1030)

+ Khối lượng của một hạt rất nhỏ có thể được xác định bằng bước sóng Compton nghịch đảo của nó (1 𝑐𝑚−1 ≈ 3.52 × 10−41 kg)

+ Khối lượng của một ngôi sao hoặc lỗ đen rất lơn có thể được xác định bằng bán kính Schwarschild của nó (1 cm ≈ 6.73 × 1024 kg)

Hình 1.2: Hình ảnh khối lượng trong hệ SI

1.2 Các phương pháp đo khối lượng

1.2.1 Đo khối lượng bằng lực tương tác

Định luật III Newton: lực tương tác giữa hai vật là hai lực trực đối, nghĩa là cùng độ lớn, cùng giá nhưng ngược chiều

Định luật III Newton cho ta một phương pháp đo khối lượng đó là: đo khối lượng bằng tương tác Muốn đo khối lượng của một vật, trước hết phải chọn một vật có khối lượng bằng đơn vị gọi là khối lượng chuẩn Sau đó ta cho vật cần đo khối lượng m tương tác với khối lượng chuẩn 𝑚0 Khối lượng chuẩn thu được gia tốc 𝑎0, còn vật m thu được gia tốc a Ta sẽ có:

𝑎

𝑎0 = 𝑚

𝑚0 => m = 𝑎

𝑎0𝑚0Phương pháp này được dùng để đo khối lượng của cá hạt vi mô (electron,proton,nortron), cũng như của các vật siêu vĩ mô (mặt trăng, trái đất…)

a Lý thuyết về cân kỹ thuật

Là loại cân cho phép cân chính xác đến 0.01g, đôi khi đến 0.001g Có nhiều loại cân kỹ thuật: cân hai đòn, cân một đòn, cân kỹ thuật, cân kỹ thuật hóa học Cân

kỹ thuật hóa học chính xác hơn và có độ trọng tải từ 200g đến vài kilogram

Khác các loại cân thô, cân kỹ thuật có khóa hãm và ốc điều chỉnh Nhờ khóa hãm, những bộ phận quan trọng nhất như đòn cân và gối cân khi không làm việc thì tách khỏi nhau; không tỳ sát bề mặt Điều này giữ cho cân không bị mất độ nhạy

Khi bắt đầu cân, người ta xoay khóa hãm để đưa cân trở lại vị trí làm việc Khi làm việc, nếu mở khóa hãm mà cân chưa thăng bằng, thì chỉnh bằng ốc điều chỉnh

để đạt được thăng bằng Đối với những cân kỹ thuật (trừ cân tay), người ta đặt cố định ở vị trí nhất định của phòng thí nghiệm Thường xuyên phải lau chùi cân kỹ thuật hóa học

b Phương pháp cân bằng cân kỹ thuật

Có 2 cách khác nhau để cân một vật:

+ Cách cân trực tiếp được thực hiện bằng cách đặt vật trực tiếp lên đĩa cân rồi đọc được khối lượng chỉ trên cân

+ Sai số do cân gây nên có thể loại trừ được bằng cách cân hai lần được gọi

là cách cân lặp (weighting by difference) Khi muốn cân một vật bằng cách cân lặp đầu tiên ta cân vật chứa, sau đó đặt vật muốn cân vào vật chứa và vật muốn cân rồi cân cả vật chứa và vật muốn cân Khối lượng của vật muốn cân là hiệu số giữa hai giá trị khối lượng đó

Sau khi cân bỏ vật cân ra khỏi cân Đóng khóa hãm lại Làm vệ sinh cân sạch

sẽ

c Cân phân tích

Cân dùng cho các thí nghiệm đòi hỏi độ chính xác cao thường là cân phân tích Trước đây cân phân tích thường có hai loại: cân dao động tuần hoàn và cân dao động không tuần hoàn

Cân phân tích dao động tuần hoàn: có nhược điểm là sự tắt dần dao động của đòn cân xảy ra rất chậm Vì vậy cân trên loại cân hay mất nhiều thời gian và rất mệt

Cân phân tích dao động không tuần hoàn: hiện đại hơn, dao động không điều hòa, cân nhanh, bời vì nó có bộ phận hãm đòn cân và kim cân bằng từ

Sau này, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, loại cân phân tích dao động tuần hoàn bị loại bỏ, chỉ còn sử dụng cân dao động không tuần hoàn Đồng thời có một loại cân mới xuất hiện đó là cân phân tích điện tử Với loại cân này có thể cân nhanh, chính xác, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài hơn hai loại cân trên

Độ chính xác 10−4 - 10−6 gam Phạm vi ứng dụng dùng để cân những chất gốc

để pha những dung dịch tiêu chuẩn (từ lượng cân người ta tính trực tiếp ra nồng độ)

d Vị trí đặt cân

Bao giờ người ta cũng đặt cân phân tích trong hòm kín có cửa trước kéo lên

và hai cửa mở bên sườn Bên trái bàn cân phân tích (thấp hơn một chút) là chiếc bàn khác đặt bình hút ẩm chứa vật cân Để tránh ảnh hưởng rung động có hại khi làm việc trên cân phân tích, đặc biệt trên vi lượng, người ta thay miếng đệm dưới

chân cân bằng đĩa polyetylen đường kính 40mm và dày 6mm, ép giữa các đĩa bằng chì, polyetylen ưu việt hơn các vật liệu khác có tác dụng khử rung động (nút, dạ, cao su…)

Khi không dùng cân, phải đóng tất cả các cửa cân lại Không để cho hơi axit

và cá chất độc khác lọt vào phòng cân Không khí phòng cân phải hoàn toàn trong sạch Phải thường xuyên chỉnh cân phân tích, không di chuyển cân từ chỗ này đến chỗ khác Để tránh cho cân khỏi bụi, đậy hòm cân bằng bao vải dày

1.2.2 Đo lường bằng phép cân

Trong thực tế đời sống hằng ngày người ta thường dùng phép cân để đo khối lượng Nguyên tắc của phép cân là so sánh khối lượng m của một vật với khối lượng chuẩn thông qua so sánh trọng lực tác dụng lên chúng Phân loại cân theo độ chính xác của cân:

- Cân thô (độ chính xác đến gam)

+ Cân siêu vi lượng (độ chính xác đến 10−6 - 10−9g)

a Phương pháp cân bằng cân kỹ thuật

Trước hết phải kiểm tra độ sạch sẽ của cân Xem xét cân có làm việc tốt không Dùng núm hãm hạ đòn cân, quan sát sự dao động của kim Nếu kim cân dao động lệch khỏi điểm không sang trái, sang phải cùng một giá trị độ chia, tức là có thể dùng cân được

Hình 1.3: Cân kỹ thuật một đĩa Hình 1.4: Cân kỹ thuật hai đĩa

b Cách cân trên cân kỹ thuật điện tử

Cắm điện, khởi động cân (bấm nút on/off) trước 10 phút để cân có chế độ làm việc ổn định Kiểm tra độ sạch của chén cân Đưa chén cân lên bàn cân Ghi khối lượng chén cân (có thể dùng nút TARR để trừ bì) Cân khối lượng mẫu cần thiết Nhớ là khối lượng mẫu + chén nhỏ hơn khối lượng cân cho phép Đưa chén ra khỏi bàn cân và tắt cân bằng nút on/off không được rút trực tiếp từ ổ cắm

đi lại…

d Cách cân trên cân phân tích điện tử

+ Cắm điện, khởi động cân (bấm bút on/off) trước 10 phút đẻ cân có chế độ làm việc ổn định

+ Bấm nút C (calibration) để cân tự hiệu chỉnh nút này mỗi ngày chỉ bấm 1 lần sau khi khởi động

+ Kiểm tra độ sạch của chén cân

+ Đưa chén cân lên bàn cân

+ Ghi khối lượng chén cân (có thể dùng nút TARR để trừ bì nếu được)

+ Cân lần lượt khối lượng mẫu cần thiết trên cân kỹ thuật (nhớ là khối lượng mẫu + chén nhỏ hơn khối lượng cân cho phép)

+ Đưa chén cân có chứa mẫu lên cân phân tích, đọc khối lượng 𝑀1

+ Tính khối lượng mẫu đo chính xác (m = 𝑀1 - 𝑀0)

+ Đưa chén ra khỏi bàn cân và tắt cân bằng nút on/off không được rút trực tiếp

từ ổ điện

1.3 Một số cảm biến đo khối lượng

1.3.1 Cảm biến loadcell biến dạng

Cảm biến tải trọng kiểu biến dạng là loại được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp Cảm biến tải trọng loại này đặc biệt cứng, có giá trị cộng hưởng rất tốt và tuổi thọ sử dụng cao Cảm biến tải trọng kiểu biến dạng kế hoạt động theo nguyên tắc: biến dạng kế (điện trở phẳng) sẽ bị biến dạng khi vật liệu của cảm biến tải trọng bị biến dạng thích hợp Sự biến dạng của biến dạng kế khiến điện trở của

nó thay đổi tỷ lệ thuận Sự thay đổi điện trở của biến dạng kế làm thay đổi giá trị điện (đã được hiệu chuẩn cho tải) đặt trên cảm biến

Cảm biến loadcell biến dạng trong đó một tổ hợp máy đo biến dạng được đặt bên trong cảm biến để chuyển đổi tải trọng lên chúng thành tín hiệu điện Trọng lượng trên thực tế vào tải được đo bằng dao động điện áp gây ra trong máy đo biến dạng

Một cảm biến tải trọng thường bao gồm bốn biến dạng kế được mắc theo sơ

đồ Wheatstone Cảm biến tải trọng dùng một biến dạng kế (cầu một phần tư) hoặc hai biến dạng kế (cầu một nửa) cũng có thể được sử dụng Đầu ra tín hiệu điện thường có giá trị vài milivolt (mV) và cần được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại trước khi nó có thể được sử dụng Đầu ra của bộ chuyển đổi có thể được khuếch đại để tính toán lực tác dụng lên bộ chuyển đổi Đôi khi một bộ ADC có độ phân giải cao, thường là 24 bit, có thể được sử dụng trực tiếp

Hình 1.5: Thành phần lò xo của cảm biến tải trọng thanh đẩy-kéo

1.3.2 Cảm biến loadcell áp điện

Cảm biến tải trọng kiểu áp điện hoạt động trên nguyên tắc biến dạng giống như các cảm biến tải trọng biến dạng kế, nhưng một đầu ra điện áp được tạo ra bởi vật liệu áp điện cơ bản - tỷ lệ thuận với độ biến dạng của cảm biến tải trọng Loại cảm biến này rất hữu dụng cho các phép đo lường lực động/thường xuyên Hầu hết các ứng dụng của cảm biến tải trọng dựa trên nguyên lý áp điện đều ở trong các điều kiện tải động, nơi các cảm biến tải trọng biến dạng kế có thể thất bại với các chu kỳ tải động cao Phải nhớ rằng hiệu ứng áp điện là động, có nghĩa là, đầu ra điện của một đồng hồ là một hàm xung và không phải là tĩnh Đầu ra điện áp chỉ hữu ích khi biến dạng đang thay đổi và không đo các giá trị tĩnh

Tuy nhiên, tùy thuộc vào hệ thống điều hòa được sử dụng, hoạt động "quasi static" (bán tĩnh) có thể được thực hiện Sử dụng cái gọi là "Bộ khuếch đại Charge" với hằng số thời gian "Dài" cho phép phép đo chính xác kéo dài nhiều giờ cho các tải lớn cho tới nhiều phút cho các tải nhỏ Một ưu điểm khác của cảm biến tải trọng kiểu áp điện, điều kiện đi kèm với bộ khuếch đại Charge, là có thể đạt được dải đo rộng Người dùng có thể chọn một cảm biến tải trọng với dãi đo hàng trăm kN và

sử dụng nó để đo lực chỉ có vài N với cùng một tỷ lệ Tín hiệu/nhiễu, một lần nữa điều này chỉ có thể với việc sử dụng bộ điều chỉnh "khuếch đại Charge"

1.3.3 Cảm biến loadcell thủy lực

Loadcell thủy lực là các thiết bị cân bằng lực, đo trọng lượng như một sự thay đổi áp suất chất lỏng làm đầy bên trong Khi lực tăng, áp suất của chất lỏng thủy lực tăng Áp suất này có thể được chỉ định cục bộ hoặc điều khiển từ xa Đầu ra là tuyến tính và tương đối không bị ảnh hưởng bởi chất lỏng làm đầy hay nhiệt độ của

nó

Các cảm biến tải trọng thủy lực sử dụng một piston và xy-lanh thông thường

và phối hợp với piston được đặt trong một màng đàn hồi mỏng Piston không thực

sự tiếp xúc với cảm biến tải trọng Các điểm dừng cơ học được đặt để ngăn chặn

sự căng quá tải của màng đàn hồi khi tải vượt quá giới hạn nhất định Cảm biến tải trọng loại này được đồ đầy dầu Khi tải được đặt lên trên piston, chuyển động của piston và màng dẫn đến sự gia tăng áp suất dầu Áp lực này sau đó được truyền đến một đồng hồ đo áp suất thủy lực thông qua một ống cao áp lực cao Ống Bourdon của đồng hồ cảm nhận áp lực và hiển thị lên trên mặt đồng hồ Bởi vì cảm biến này không có các thành phần điện, nó trở thành lý tưởng để sử dụng trong các khu vực nguy hiểm Các ứng dụng cảm biến tải trọng thủy lực điển hình bao gồm cân bình