Đo lường và điều khiển bằng máy tính docx

HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Bài giảng : ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH BIÊN SOẠN : ThS.. Giáo trình gồm 10 chương : Khái niệm chung, cảm biến và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Bài giảng :

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH BIÊN SOẠN : ThS HUỲNH MINH NGỌC

LƯU HÀNH NỘI BỘ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9-2009

LỜI NÓI ĐẦU

Môn học Đo lường và điều khiển bằng máy tính là một môn học chuyên ngành dùng giảng dạy cho sinh viên năm cuối ngành Điện tử tự động Môn học đề cập đến vấn đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính công nghiệp , và PLC) vào hệ thống điều khiển và đo lường Xu hướng phát triển là dùng Điều khiển dựa vào máy tính (PC-based Control) với hệ điều hành mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát triển và giá thành hợp lí

Để học tốt môn học này sinh viên cần phải học qua môn Lý thuyết điều khiển tự động và Vi xử lí Giáo trình gồm 10 chương : Khái niệm chung, cảm biến và chuyển đổi, giao tiếp qua rãnh cắm máy tính, lập trình cho máy tính điều khiển, card thu thập

dữ liệu và điều khiển, giao tiếp qua cổng song song, giao tiếp qua cổng nối tiếp và giao

tiếp qua cổng USB, lập trình giao tiếp nối tiếp, các bộ chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A , điều khiển tuần tự, hệ thống điều khiển số và mạng truyền thông công nghiệp

Bài giảng này tác giả đã đọc và giảng dạy cho lớp ĐHĐT2ALT, ĐHĐT3ALT, và ĐHĐT1TC, ĐHĐT2TC và ĐHĐT2A Bài giảng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, và tôi chân thành cảm ơn các nhận xét góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn điều khiển tự động, các bạn đồng nghiệp và bạn đọc để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn Thư góp ý xin gửi về bộ môn điều khiển tự động, Khoa Công nghệ Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Tp HCM Địa chỉ :số 12 Nguyễn Văn Bảo, P.4 Q Gò vấp, TP HCM, ĐT: 38940390; email: huynhminhngoc@hui.edu.vn

Ngày 15 tháng 7 năm 2010 Tác giả

Huỳnh Minh Ngọc

MỤC LỤC

1.1.Máy tính trong điều khiển quá trình 1.1 Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống 1.3 Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển số 1.4 Nội dung giáo trình và ứng dụng

Câu hỏi

Chương 2: Cảm biến và chuyển đổi 19

2.0 Cơ bản đo lường

2.1.Cảm biến nhiệt độ 2.2.Cảm biến lực và trọng lượng 2.3 Cảm biến dịch chuyển và khỏang cách Câu hỏi

Chương 3: Giao tiếp qua rãnh cắm máy tính 67

3.1.Giao tiếp qua Rãnh cắm ISA, EISA, Rãnh cắm Vesa local bus 3.2 Giao tiếp qua Rãnh cắm PCI, VMEbus (IEEE 1014), S-100, STD 3.3 Giới thiệu một số IC thường dùng

Câu hỏi và bài tập

Chương 3A: Vi điều khiển

Vi điều khiển PIC16F877A Tập lệnh của PIC16F877A

Chương 4: Lập trình cho máy tính điều khiển 100

4.0 Các ngôn ngữ lập trình Hợp ngữ 8086, Qbasic, Pascal, C, Visual Basic , Delphi, C++, Visual C++/BorlandC++

Builder

4.1.Lập trình xuất nhập ngọai vi 4.1.1.Lập trình xuất nhập 4.1.2.Viết file liên kết động 4.2.Sử dụng ngắt trong điều khiển , DMA, PCI/ PCI Exp (PC104 Slot VME)

4.3 Vi điều khiển 8051 và lập trình C 4.4 Nền tảng phần cứng và phần mềm Câu hỏi và Bài tập

Chương 5A: Card thu thập dữ liệu và điều khiển 123

5.1 Đặc tính của card PCI-1711 5.2 Những đặc điểm kỹ thuật của PCI-1711 5.3 Sơ đồ kết nối I/O của PCI-1711

5.4 Sơ đồ khối của card PCI-1711

5.5 Cách thanh ghi của card PCI 1711:

5.6 Chuyển đổi A/D, D/A và DO, DI:

5.7 Lập trình cho card PCI 1711 Câu hỏi và Bài tập

Chương 5: Giao tiếp qua cổng song song 145

5.1.Tổng quan về cổng song song 5.2.Cấu trúc của cổng song song 5.2.1.Cổng SPP

5.2.2.Cổng EPP 5.2.3.Cổng ECP 5.3.Ghép nối hai máy tính bằng cổng song song 5.4 Mạch ứng dụng

-Mạch đèn nháy

-Tạo xung vuông góc ở chân D0 của thanh ghi dữ liệu

-Điều khiển đèn giao thông

Câu hỏi và Bài tập

Chương 6: Giao tiếp qua cổng nối tiếp và USB 163

6.1.Tổng quan về cổng nối tiếp 6.2.Cấu trúc của cổng nối tiếp 6.3.IC thu phát vạn năng bất đồng bộ UART 6.4.Các chuẩn và phương thức truyền qua cổng nối tiếp -RS232

-RS485 6.5.Mạch giao tiếp cổng nối tiếp và các chương trình mẫu

6.6 Modem 6.7.Mạch lập trình vi điều khiển ATmel 89C51 Câu hỏi và bài tập

6.8.1.Tổng quan về USB 6.8.2.Đặc tính cổng USB -Đặc tính cổng USB

- Mạch chuyển đổi USB-RS232

6.8.3.Trao đổi tin 6.8.4.Lập trình giao tiếp thiết bị ngọai vi qua cổng USB Câu hỏi

Chương 7: Lập trình giao tiếp nối tiếp 195

7.1 Lập trình trong DOS Ngôn ngữ QBasic, Pascal, C, lệnh trong MSDOS

7.2.Lập trình dùng ngôn ngữ Visual Basic 6.0

7.3.Lập trình dùng ngôn ngữ lập trình Delphi 5.0 và Visual C++ 6.0

7.4 Lập trình dùng Matlab Câu hỏi và bài tập

Chương 8: Các bộ chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A Hệ thu thập dữ liệu 201

8.0 Hệ thống thu thập dữ liệu

8.1.Biến đổi tương tự – số (ADC)

-Biến đổi A/D -Các kỹ thuật biến đổi A/D -Giao tiếp ADC với vi xử lí -Giới thiệu ADC 0809 8.2 Biến đổi số- tương tự ( DAC) -Biến đổi D/A

-Giao tiếp DAC với vi xử lí -Giới thiệu DAC 0808

Câu hỏi

Chương 8B: Bộ điều khiển logic lập trình được PLC (Điều khiển tuần tự ) 234

-Lý thuyết chuyển mạch cơ bản -Khái niệm chung về PLC Câu hỏi

Chương 9 : Hệ thống điều khiển số 249

9.0 Điều khiển hồi tiếp

9.1 Đặc tính hệ thống điều khiển số

9.2.Thuật toán điều khiển 9.3 Biến đổi C(s) ra C(z) 9.4 Thuật toán PID số 9.5 Ảnh hưởng của khâu bão hòa 9.6 Bộ phận chấp hành và truyền động điện Động cơ servo và điều khiển vị trí 9.7 Điều khiển số bằng máy tính CNC

9.8 Thí dụ về đo lường và điều khiển bằng máy tính 291

9.8.1.Hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng máy tính PC/vi xử lí

9.8.2.Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều (DC) dùng vi xử lí 9.8.3.Bộ định thời các thiết bị được điều khiển bằng vi xử lí

9.8.3.2 Hệ thống điều khiển đèn giao thông dùng AT89C51

9.8.4 Bộ điều khiển cường độ sáng dùng vi xử lí 9.8.5 Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh 9.9 Thiết kế đặt cực: tiếp cận không gian trạng thái

9.10 Thiết kế điều khiển tối ưu: tiếp cận không gian trạng thái

9.11.Hệ thống với sự không chắc chắn (Hệ mờ) Câu hỏi và Bài tập

Chương 10: Mạng truyền thông công nghiệp 348

10.1 Khái niệm 10.2.Mạng Ethernet và bus trường -Mạng Ethernet

-Bus trường

-Điều khiển dùng PC

10.3 Mạng I2C

Câu hỏi

Tài liệu tham khảo 371 Phụ lục A: Máy tính công nghiệp 373 Phụ lục B: Visual Basic 6.0

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Máy tính trong điều khiển quá trình

1.1.1 Máy tính trong điều khiển quá trình : khái niệm cơ bản

Ngày nay việc sử dụng máy tính nói riêng và vi xử lí nói chung trong các day chuyền sản xuất hiện đại đã là yêu cầu bắt buộc để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Trong các sản phẩm dân dụng việc sử dụng vi xử lí góp phần tăng tính thông minh của sản phẩm và tạo tiện lợi cho người sử dụng

Để mô tả cụ thể của máy tính trong điều khiển quá trình, chúng ta cần định nghĩa quá trình là gì Quá trình vật lý (a physical process) là tổ hợp các tác vụ được thực thi để tác động lên, thay đổi, một điều gì đó trong thế giới thực Sự chuyển động, phản ứng hóa học và truyền nhiệt là các quá trình Sản phẩm (materials) và năng lượng (energy) là thành phần cơ bản hiển nhiên của quá trình vật lí

Nhiễu Sản phẩm vào sản phẩm ra Năng lượng vào Năng lượng ra

Thông tin Thông tin Vào ra

H1.1 : Mô hình quá trình vật lý tổng quát Máy tính số là thiết bị quan trọng xử lí thông tin (H1.2)và có thể tác động lên thông tin liên quan đến quá trình (H1.3)

Thông tin vào Thông tin ra

Hình 1.2: Hoạt động của máy tính số

Quá trình vật lý Môi trường

Máy tính số

Vi xử lí được sử dụng trong điều khiển và đo lường dưới ba dạng:

-Máy tính điều khiển (Máy vi tính-MVT)

-Vi xử lí điều khiển nhúng (còn gọi là vi điều khiển-VĐK), nghĩa là vi điều khiển là một bộ phận không tách rời của thiết bị được điều khiển

-Bộ điều khiển logic lập trình được

MVT : Personal computer VĐK: embedded microcontroller/embedded microprocessor PLC : Programmable logic controller

Cả ba dạng trên được thiết kế dựa trên cơ sở hoạt động của vi xử lí với chức năng xử lí thông tin theo sơ đồ H1.3

Nhiễu Sản phẩm vào Sản phẩm ra Năng lượng vào Năng lượng ra Tín hiệu đo lường Và điều khiển

H1.3 Máy tính trong điều khiển quá trình

1.1.2.Lịch sử phát triển:

Một thí dụ thực tiễn đầu tiên của ứng dụng máy tính điều khiển quá trình là vào năm 1959; nó liên quan đến một số chức năng ở nhà máy hóa dầu tại Port Arthur, Texas(UAS) Công trình đầu tiên kết hợp giữa công ty Thomson ramo Woolridge và Texaco RW300, máy tính dùng đèn điện tử, kiểm soát dòng chảy, nhiệt độ, áp suất và phân tử trong nhà máy lọc (hóa dầu) Máy tính tính toán tín hiệu điều khiển mong muốn

Môi trường

Quá trình vật lí

Máy tính Thiết bị nhập

(bàn phím) Thiết bị xuất (màn hình)

dựa trên dữ liệu vào và thay đổi điểm đặt của bộ hiệu chỉnh analog và chỉ thị người vận hành các điều khiển được thực hiện bằng tay

Vấn đề kinh tế không chỉ là vấn đề Độ tin cậy phần cứng thấp vì dùng đèn điện tử Phần mềm được viết bằng lập trình hợp ngữ

Phương pháp toán học cổ điển dựa trên phân tích thời gian liên tục không thể dùng trực tiếp cho thiết kế vòng lặp điều khiển để hiện thực trên máy tính Điều khiển máy tính ban đầu minh họa sự cần thiết cho lý thuyết điều khiển lấy mẫu, cung cấp nền tảng cho sự phát triển Chương trình không gian của Mỹ trong thập niên 1960 và đặc biệt dự án Apollo đã hiện thực cho công trình lý thuyết và thực tiễn

Vào năm 1962, ICI (Imperial Chemical Industries) giới thiệu khái niệm điều khiển số trực tiếp DDC(Direct digital control) ; ý tưởng là thay vòng điều khiển analog thông thường bằng máy tính trung tâm Ý tưởng của DDC vẫn còn được áp dụng trong nhiều hệ thống điều khiển máy tính ngày nay

Tên gọi điều khiển số trực tiếp nhằm nhấn mạnh rằng máy tính điều khiển quá trình một cách trực tiếp Tính linh hoạt là thuận lợi của hệ thống DDC

Sự phát triển bán dẫn trong thập niên 1960 dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của máy tính Ba yếu tố: phần cứng máy tính tốt hơn, quá trình ít phức tạp hơn, và lý thuyết điều khiển phát triển , được kết hợp lại gia tăng sự thành công của điều khiển máy tính Đây là thời kì máy tính mini Các đòi hỏi về máy tính điều khiển quá trình gắn chặt với sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp Có thể thiết kế hiệu quả hệ thống điều khiển quá trình bằng máy tính mini Máy tính quá trình tiêu biểu thời kì này có độ dài từ 16 bit Bộ nhớ chính là 8-124 K words Ổ đĩa được sử dụng thông thường là bộ nhớ phụ CDC 1700 là máy tính tiêu biểu thời kì này

Các ứng dụng máy tính thông dụng trong điều khiển công nghiệp là bus mở Giao tiếp (bus) giữa các mođun vận hành được nhấn mạnh

Phần cứng máy tính phát triển mạnh mẽ, năng lực tính toán mạnh, lý thuyết điều khiển phát triển: điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh(hệ mờ và mạng nơrôn) Các ứng dụng điều khiển máy tính gia tăng Phi thuyền thám hiểm mặt trăng Apollo 11 vào năm 1969 có máy tính với 64 KByte bộ nhớ chính

Thời kỳ máy vi tính và sử dụng đa năng của điều khiển máy tính

Việc sử dụng dễ dàng của điều khiển máy tính bị giới hạn trong hệ thống công nghiệp lớn vì máy tính số chỉ dùng trong các máy đắt tiền, lớn, chậm và không tin cậy Sự phát triển của công nghệ vi điện tử tiếp tục cùng tiến bộ trong công nghệ VLSI; năm 1990s bộ vi xử lý trở nên thông dụng với giá vài USD Thị thường lớn như là điện tử ô tô đã dẫn đến sự phát triển của máy tính chuyên dụng được gọi là vi điều khiển, trong đó chip máy tính chuẩn có sẵn A/D và D/A, thanh ghi và các đặc điểm khác làm cho nó giao tiếp dễ dàng với thiết bị vật lý Điều khiển quá trình hiện thực dùng kỹ thuật khí nén hay điện tử nhưng luôn là điều khiển dựa vào máy tính Điều khiển số với thuật toán PID Máy điều khiển số NC và điều khiển số bằng máy tính CNC cũng được phát triển

Hệ thống điều khiển số phát triển , cả phần cứng và phần mềm Cấu trúc của toàn thể giải pháp gồm đơn vị phần cứng, môđun phần mềm và truyền thông là thách thức chính

Logic, tuần tự và điều khiển

Hệ thống tự động hóa công nghiệp truyền thống có hai thành phần là bộ điều khiển và logic role Bộ điều khiển logic lập trình được PLC được dùng nhiều trong các dây chuyền công nghệ vì khả năng làm việc liên tục và trong môi trường khắc nghiệt Điều khiển phân bố

Công nghệ vi xử lí đã nhấn mạnh vào cách máy tính áp dụng vào điều khiển toàn bộ nhà máy sản xuất Thật là hiệu quả kinh tế để phát triển hệ thống gồm nhiều máy vi tính giao tiếp nhau chia xẻ tài nguyên Những hệ thống như vậy gồm trạm quá trình, điều khiển quá trình; trạm vận hành ở đó người vận hành quá trình giám sát các hoạt động; và nhiều trạm khác nữa, chẳng hạn cho cấu hình hệ thống và lập trình, lưu trữ dữ liệu,vv… Hệ thống đầu tiên loại này là Honeywell TDC 2000 vào năm 1975 và nhanh chóng được phát triển bởi các hãng khác Thuật ngữ điều khiển phân bố được nhấn mạnh

Hệ thống điều khiển và giám sát diện rộng (SCADA) Máy tính công nghiệp mạnh (IPC) làm nhiệm vụ giám sát, kết nối với PLC hay bộ điều khiển thu thập vào ra hiện

trường, các module I/O thông qua mạng Ethernet-TCP/IP hay bus trường Phần mềm giao diện người máy (HMI) cùng điều khiển và giám sát hệ thống Tương lai tiến đến là CIM, sản xuất tích hợp dùng máy tính

Điều khiển dựa vào máy tính (PC based Control) là xu hướng phát triển

1.1.3.Hệ thống:

Hệ thống hiểu theo quan điểm hộp đen, chỉ cần biết quan hệ vào ra của hệ, không quan tâm bên trong hệ hoạt động ra sao Mục đích của hệ là đạt được kết quả về định tính và định lượng cao hơn tổng kết quả của từng thành phần đơn

Vào Ra

Hệ thống có nhiều loại: điện, hóa học, cơ khí và sinh học Máy tính cá n hân là hệ thống được xây dựng với các thành phần cơ bản gồm đơn vị xử lí trung tâm CPU, bộ nhớ và thiết bị ngoại vi, bus hệ thống Cùng với phần mềm thêm vào(phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng) chúng ta có máy tính mà nó có thể thực hiện nhiều thứ Cơ thể con người là hệ thống rất phức tạp được xây dựng với các phần hữu cơ mà thực hiện các chức năng khác nhau

Một khía cạnh quan trọng của tri thức hệ thống là hệ thống động

Mô hình cho điều khiển : gồm có -Mô tả hệ liên tục

-Mô tả hệ lấy mẫu

- Hệ tuần tự hay sự kiện rời rạc

-Hệ thống với sự không chắc chắn (thông tin khắc chắc chắn)

Rõ ràng, có các cách tiếp cận khác nhau phụ thuộc vàomô hình hệ được sử dụng như thế nào Bộ điều khiển khác nhau cần mô hình đối tượng khác nhau Chúng ta xem xét hệ cả tiếp can miền thời gian và tiếp cận miền tần số

1.1.4.Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống điều khiển máy tính:

Hệ thống (hộp đen)

Ứng dụng điều khiển máy tính quá trình rất nhiều : công nghệ cơ khí chế tạo:

NC, CNC , FMS, robot; công nghệp xử lí hóa, dầu khí, nhựa, giấy…; hệ thống năng lượng điện; điều khiển đèn giao thông ,vv…

Các quá trình có sử dụng máy tính điều khiển rất đa dạng, thí dụ:

- Hệ thống điện

- Dàn khoang dầu khí, nhà máy hóa dầu

- Nhà máy hóa chất, xi măng, giấy, nhựa

- Nhà máy cơ khí chế tạo và lắp ráp (NC, CNC, robot ), FMS

- Hệ thống điều khiển giao thông

Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển bằng máy tính ở H1.4, và gồm có các bộ phận sau :

-Bộ xử lí trung tâm (bao gồm vi xử lí, bộ nhớ )

-Các kênh truyền thông liên lạc giữa người-máy tính và máy-máy

-Các thiết bị ghép nối và chuyển đổi tương tự-số, số – tương tự

-Cảm biến (cảm biến nhiệt, áp suất, dịch chuyển, vận tốc )

-Chấp hành(Relay, động cơ, van khí và thủy lực, xy lanh )

-Quá trình vật lý

Người Vận hành

Tín hiệu Tín hiệu nhị phân nhị phân

H1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính Tùy theo độ phức tạp của đối tượng điều khiển ta có thể sử dụng một công cụ máy tính hoặc là hệ thống nhiều máy tính ghép với nhau theo mạng phân bố và phân cấp Việc giao tiếp giữa các máy tính thường là giao tiếp tuần tự không đồng bộ Giao tiếp người-máy thực hiện qua bàn phím(keyboard, touch panel), màn hình (CRT, LCD) hay kênh âm thanh

Tín hiệu đo lường điều khiển có 2 dạng : nhị phân(on/off) và tương tự Đối với những tín hiệu tương tự từ cảm biến, cần sử dụng các bộ chuyển đổi ra dạng điện áp hay dòng rồi chuyển từ tương tự sang số(ADC) Tín hiệu điều khiển dạng số cần chuyển sang tương tự (DAC) Tùy theo loại cơ cấu chấp hành ta cần các bộ khuếch đại công suất phù hợp (KĐCS lớp B, điều rộng xung, điều khiển pha, biến tần, khóa bán dẫn, role)

Máy tính trung tâm

Máy vi tính

Giao diện

Đổi TT-số Đổi số - TT

Khuếch đại công suất Khuếch đại công suất

Cảm biến Chấp hành

Quá trình

Do bản chất làm việc của máy tính là tuần tự nên máy tính chỉ giao tiếp với bên ngoài theo những khoảng thời gian rời rạc vì vậy hệ thống điều khiển dùng máy tính là hệ thống điều khiển rời rạc(lượng tử) và các vấn đề phát sinh như thời gian lấy mẫu, thời gian trễ do tính toán xử lý, sai số do lượng tử vì độ phân giải có hạn của chuyển đổi A/D và D/A cần phải được xét đến

1.2 Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống

Hệ thống điều khiển quá trình thực tế thường là hệ thống phức tạp baogồm Nhiều vi xử lí thể hiện dưới ba dạng MVT, VĐK và PLC Lấy thí dụ máy CNC tức là máy công cụ điều khiển số bằng máy tính gồm các phần sau :

*Mức thấp nhất là các bản mạch điều khiển truyền động điện động cơ bước hay động

cơ chấp hành dùng để tạo chuyển động theo ba chiều Các bản mạch này sử dụng VĐK làm nhiệm vụ đo và điều khiển vị trí theo trị số đặt từ mức trên đưa xuống

*Trên một mức là bộ điều khiển số NC sử dụng VĐK có màn hình tinh thể lỏng và bàn phím ghép với các bản mạch điều khiển và ấn định độ dịch chuyển các trục Các khoảng dịch chuyển theo ba trục có thể đưa vào bằng bàn phím(điều khiển bằng tay), băng đục lỗ hoặc từ máy tính chạy chương trình CAD/CAM đưa xuống Quỹ đạo dao(hai hay ba chiều ) được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng còn các toạ độ hiển thị dưới dạng nhị phân

*Bên cạnh bộ điều khiển số có thể thêm một PLC làm các nhiệm vụ có tính chất lặp và đơn điệu như phun chất giải nhiệt thay dao, điều khiển truyền động chính liên laic với VĐK ở mức hai

*Trên cùng là máy vi tính lập ra đường đi của dao cắt dựa trên yêu cầu gia công và công nghệ cắt gọt Máy vi tính sẽ chuyển xuống cho bộ điều khiển số chương trình gia công

H1.6 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC Mở rộng ra cho quá trình phức tạp thí dụ như nhà máy Mức thấp nhất là các máy và các đơn vị sản xuất tiếp xúc trực tiếp với quá trình (dây chuyền) Ở mức trên là các tế bào sản xuất gồm nhiều máy kết hợp (phân xưởng) Lịch sản xuất của các phân xưởng

do phòng kế hoạch sản xuất đưa xuống trên cơ sở kế họach của hội đồng quản trị và giám đốc (hình 1.7)

Giao diện người- máy

Máy vi tính

Bộ điều khiển số PLC

Bản mạch điều khiển Bản mạch điều khiển

Máy công cụ

cục bộ

H1.7: Điều khiển phân cấp xí nghiệp

Do tính chất đa dạng của các thiết bị về chủng loại và nhãn hiệu vấn đề ghép nối các thiết bị nói trên (tích hợp hệ thống- system intergrator) đòi hỏi phải có tiêu chuẩn chung về cơ (kích thước), điện (điện áp, dòng, cáp nối), truyền thông

Hệ thống sản xuất phức tạp thường cấu trúc theo mạng, thấp nhất là mạng PLC gồm nhiều PLC kết nối qua mạng MPI, Profibus trong mạng có máy tính hay màn hình HMI Cấp cao hơn là mạng PLC+ máy tính SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition), máy tính làm nhiệm vụ chẩn đoán hư hỏng, hiển thị, thay đổi thông số hoạt động của hệ thống, lưu trữ và tường trình, có thể có nhiều máy tính kết nối theo mạng LAN Một dạng phân cấp khác là hệ thống điều khiển phân bố DCS(Distributed Control System), trong mạng có máy tính giám sát, máy tính điều khiển quá trình, PLC, RTU(Remote Terminal Unit), FCU(Field Control Unit) hoạt động dưới một chương trình bảo đảm năng suất, chất lượng sản phẩm, tránh ngừng dây chuyền sản xuất

1.3.Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển số Điều khiển vòng hở:

Hệ thống điều khiển vòng hở (Hệ thống không hồi tiếp)

Thành phần của hệ thống điều khiển vòng hở thường được chia làm hai phần: bộ điều khiển và quá trình bị điều khiển (còn gọi là đối tượng điều khiển)

r(t) u(t) c(t)

Hình

Trong đó : r(t) là tín hiệu vào, c(t) là tín hiệu ra, u(t) là tín hiệu điều khiển

Điều khiển vòng kín (Điều khiển hồi tiếp):

Hệ thống điều khiển vòng kín (Hệ thống điều khiển có hồi tiếp)

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín :

ĐTĐK Bộ điều

khiển

r(t) e(t) u(t) c(t) +

- Bộ so sánh c*(t) ĐK

Hệ thống điều khiển số:

Hệ thống điều khiển bằng máy tính chứa cả tín hiệu liên tục và tín hiệu lấy mẫu hay rời rạc theo thời gian Những hệ thống như vậy về truyền thống được họi là hệ thống lấy mẫu dữ liệu

Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer-controlled system) còn được gọi là hệ thống lấy mẫu dữ liệu (sampled-data system) Sơ đồ khối hệ như sau

Máy tính

y(t) {y(tk)} {u(tk)} u(y)

Hình 1.8: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính

Thuật toán điều khiển: PID, đặt cực, tối ưu tuyến tính dạng toàn phương (LQ)

Các thí dụ của hệ thống điều khiển bằng máy tính:

-Điều khiển vị trí

-Điều khiển tốc độ

-Điều khiển nhiệt độ

-Điều khiển dòng (lưu lượng)(Flow control)

Quá trình (đối tượng) Clock

Bộ điều khiển Đối tượng, quá trình điều khiển

Cảm biến, thiết bị

đo lường

-Điều khiển áp suất

-Điều khiển công suất, dòng điện, điện áp

-Điều khiển cường độ sáng

1.4 Nội dung giáo trình và ứng dụng

Mục đích chính của giáo trình là thể hiện quan điểm tích hợp của điều khiển máy tính trong các quá trình công nghiệp

Các kiến thức lý thuyết nền tảng cần thiết mà người đọc cần biết : Tính toán cơ bản

.Lý thuyết mạch điện cơ bản

.Lý thuyết điều khiển hồi tiếp cơ bản

.Nguyên lý cơ bản về cấu trúc máy tính và hoạt động

Ngôn ngữ lập trình cấp cao như là Basic, Pascal, Fortran, C/C++, Visual Basic, Delphi, Visual C++/Visual C#

Khi sử dụng máy tính điều khiển quá trình ta phải giải quyết các vấn đề sau: Ghép nối máy tính với ngoại vi(cảm biến và chấp hành)

Lập trình điều khiển thời gian thực bao gồm các chương trình con đo, xử lí số, thuật toán điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển

.Truyền thông và mạng công nghiệp

Giáo trình môn học có mục đích trình bày các kiến thức cần thiết khi sử dụng

vi xử lí vào điều khiển và đo lường, và gồm có các chương sau : -Khái niệm chung

-Cảm biến và chuyển đổi

-Giao tiếp qua rãnh cắm máy tính

-Lập trình máy tính điều khiển

-Giao tiếp với cổng song song

-Giao tiếp với cổng nối tiếp

-Giao tiếp với cổng USB

-Chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A

-Hệ thống điều khiển số

-Mạng truyền thông công nghiệp

Câu hỏi : Chương 1: Khái niệm chung

1 Máy tính trong điều khiển quá trình

2 Lịch sử phát triển của điều khiển máy tính quá trình

3 Hệ thống là gì? Cho ví dụ

4 Trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính

5 Trình bày hệ thống thu thập dữ liệu

6 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC

7 Bài toán điều khiển máy tính quá trình tiêu biểu

8 Trình bày hệ thống điều khiển : liên tục và số

Tham khảo : [1].TS Nguyễn Đức Thành, Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB

ĐHQG Tp HCM, 2002 (lần 1) và 2005( lần 2)

[2] Gustaf Olsson and Gianguido Piani, Computer systems for automation and control,

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI

Cấu trúc tồng quát của vào ra máy tính quá trính :

Hình 2.1 Cấu trúc tồng quát của vào ra máy tính quá trính

Các thành phần của giao tiếp quá trình gồm có : -Đo lường

-Chấp hành -Băng thông và nhiễu

-Truyền tín hiệu

Dụng cụ đo lường

đại lượng cần đo Hệ thống điện (tín hiệu analog)

Hình 2.2 Sơ đồ khối của dụng cụ đo lường

Quá trình công nghiệp

Cảm biến

Chấp hành

Gia công ngõ vào

Gia công ngõ ra

Giao tiếp ngõ vào máy tính

Giao tiếp ngõ ra máy tính

Bộ xử lí

Vận hành

Cảm biến tín hiệu Chuyển đổi

Có rất nhiều loại cảm biến đo các đại lượng khác nhau nhưng chúng ta chỉ xét các cảm biến thông dụng trong điều khiển quá trình như nhiệt độ, lực, dịch chuyển, vận tốc, áp suất, lưu lượng

2.0.Cơ bản đo lường:

Trong đo lường ta phải thực hiện các phép đo giá trị của đại lượng như là nhiệt độ, điện áp, nên có sai số Theo hình thức mà hệ thống xảy ra sai số:

-Sai số hệ thống: sai số được duy trì ở kết quả đo lường, khi sự đo lường được lập đi lập lại trong cùng moat điều kiện làm việc Sai số này có thể do dụng cụ đo, do việc định chuan thang đo, do ảnh hưởng môi trường như : nhiệt độ, độ ẩm, từ trường hoặc điện trường nhiễu

-Sai số ngẫu nhiên: sai số này hoàn toàn khác hẳn sai số hệ thống, khi sự đo lường được lập đim lập lại thì trị số sai số này lại khác nhau Muốn tính toán sai số ngẫu nhiên thì phải dùng đến lý thuyết xác suất và thống kê

Cách tính toán sai số:

-Sai số tuyệt đối: được định nghĩa bằng biểu thức sau nay:

a a

a= '−

δ

trong đó : a’: là trị số đo được do thiết bị đo

a: trị số that của đại lượng đo

Thực tế ta chỉ xác định trị số giới hạn lớn nhất của sai số tuyệt đối

max

' a a

a= −

∆

do đó δ a≤∆a -Sai số tương đối:

Sai số tương đối của đại lượng đo được xác định như sau:

'

a

a r

a

a r

2.1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Cảm biến nhiệt độ là phần tử quan trọng trong bất kỳ một hệ thống đo nhiệt độ nào

Cảm biến nhiệt độ có khả năng cảm nhận được tín hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo lường được như điện áp , điện trở, điện tích, thể tích , áp suất vv

2.1.1 Các thông số của cảm biến :

2.1.1.1 Thông số cấu tạo : tùy thuộc vào từng loại cảm biến 2.1.1.2 Thông số sử dụng : gồm các yếu tố sau :

a) Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng ghi nhận được, các giá trị chưa bị bão hòa Khoảng làm việc phụ thuộc tính chất cấu tạo, lý hóa của từng loại cảm biến

b) Độ nhạy : Độ nhạy của cảm biến được định nghĩa

dX

dF

S = Trong đó, dF : sự thay đổi của đại lượng đo

dx : sự thay đổi của đại lượng vật lý

Nếu S = const trong suốt khoảng thời gian làm việc thì cảm biến đó tuyến tính với nhiệt độ làm việc Nếu S thay đổi trong các khoảng làm việc thì phải tuyến tính bằng cách chia tầm đo của cảm biến ra nhiều đoạn nhỏ, có thể xem như tuyến tính

Do đó cảm biến sẽ hoạt động trong một tầm giới hạn nhất định c) Ngưỡng độ nhạy : là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được

d) Tính trễ : Tính trễ còn được gọi là quán tính của cảm biến Tính trễ của cảm biến tạo nên sai số của phép đo

Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm biến Nếu đại lượng đo thay đổi nhanh, mà quán tính của cảm biến lớn thì không thể đo chính xác được Mọi cảm biến nhiệt đều có tính trễ

2.1.2 Phân loại cảm biến :

Cảm biến nhiệt độ được phân thành nhiều loại dựa trên các nguyên lý hoạt động khác nhau của cảm biến và được phân ra thành những loại sau :

- Nhiệt kế dựa trên áp suất đẳng tích

- Nhiệt kế dựa trên sự giãn nở về thể tích

- Nhiệt kế dựa trên sự thay đổi điện trở

- Nhiệt kế dựa trên sự thay đổi sức điện động nhiệt

- Hỏa kế quang học

Bảng 2.1 cho phạm vi đo nhiệt độ của các loại cảm biến thông thường

Nhiệt kế chất lỏng Nhiệt kế điện trơ Nhiệt kế bán dẫn Cặp nhiệt điện Hỏa kế quang học Kiểu bức xạriêng phần Kiểu quang học

Kiểu bức xạ màu

Trên 400 °C Bảng 2.1 : Phạm vi đo của các loại cảm biến

2.1.3 Một số loại cảm biến thông dụng : 2.1.3.1 Cặp nhiệt điện:

a) Cấu tạo : +

Hình 2.3 Ký hiệu cặp nhiệt điện Đầu đo

Hình trên là ký hiệu của cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện có cực dương được đánh màu đỏ, cực âm không sơn màu Cực tính của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào vật liệu kim loại chế tạo Ngoài ra còn sơn các màu khác để phân loại cặp nhiệt điện khi sử dụng

- Đồng - Constantan : sơn màu nâu

- Sắt - Constantan : sơn màu xanh da trời

- Platin - Platin Rhodi : sơn màu trắng

Cặp nhiệt điện gồm hai sợi dây kim loại khác nhau có một đầu được hàn dính với nhau Đầu hàn dính được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ, đó chính là đầu đo Hai đầu còn lại của hai dây kim loại được giữ ở nhiệt độ cố định gọi là hai đầu ra của cặp nhiệt điện Nó sẽ tạo ra một sức điện động phụ thuộc vào hiệu số của hai nhiệt độ của hai thanh kim loại, hai đầu này được nối với bộ chỉ thị đo

Khi ta đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ nào thì cũng đều phát sinh ra sức điện động giữa hai thanh Nhưng trong thực tế, tất cả những kim loại, với hợp kim của chúng mà được dùng làm cặp nhiệt điện cần phải thỏa mãn các điều kiện sau :

- Độ tinh khiết cao

- Tính chống ăn mòn tốt

- Độ nóng chảy lớn hơn môi trường cần đo

- Tính dẫn nhiệt , dẫn điện tốt

- Tính lập lại tốt trong khoảng thời gian dài

Độ chính xác của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào độ chính xác khi chế tạo

b) Nguyên tắc làm việc :

Ta a

T1 T2

Tb b

Hình 2.4 :Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện

Khi nung nóng một dây kim loại hay một phần của đoạn dây, tại đó có tập trung điện tử tự do và điện tử có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung ít, nghĩa là điện tử khuếch tán từ đầu nóng ( + ) sang đầu nguội ( - ) Ở đoạn dây xuất hiện một sức điện động phụ thuộc vào bản chất của dây

Nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất nối với nhau qua hai điểm có nhiệt độ T1và T2 thì trong mạch sẽ xuất hiện hai sức điện động bằng nhau nhưng nghịch chiều nhau, và tổng sức điện động bằng 0

Nhưng nếu mạch kín được tạo bởi hai dây dẫn khác nhau a và b thì tổng sức điện động xuất hiện trong mạch này có giá trị khác 0 và phụ thuộc vào hiệu số giữa T1 và T2

ở mối ghép dây dẫn

Do sức điện động phụ thuộc vào nhiệt độ nên khi một đầu hàn có nhiệt độ cao hơn thì có sự khuếch tán của các electron ở đó lớn hơn ở mối hàn kia Điều này làm cho sức điện động ở mối hàn đầu nóng lớn hơn ở đầu lạnh nên sức điện động tổng khác 0

Ngoài ra năng lượng electron ở đầu nóng cao hơn đầu lạnh nên dòng electron cũng theo chiều đó khuếch tán Đầu lạnh tích điện âm, đầu nóng tích điện dương và sự chuyển động của nó ảnh hưởng đến chiều dòng điện

Eab ( T1, T2 ) = Eab ( T2 ) - Eab ( T1 )

Eab ( T1, T2 ) : sức điện động tổng

Eab ( T2 ) : sức điện động ở mối nối có nhiệt độ T2

Eab ( T1 ) : sức điện động ở mối nối có nhiệt độ T1 Người ta dựa vào công thức trên để chế tạo cặp nhiệt điện

Nếu chọn chuẩn ở 0 °C thì sức điện động ở hai đầu cặp nhiệt điện khi làm việc ở nhiệt độ T có dạng :

E0 ( T ) = A + B.T + CT2 + DT3

A, B, C, D là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo

E0(µV)

t (°C) Hình 2.5 : Đặc tuyến của cặp nhiệt điện

Như vậy sức điện động E0 là hàm phi tuyến theo nhiệt độ Nói cách khác độ nhạy của cặp nhiệt điện thay đổi trong từng khoảng đo Về mặt toán học hàm E0 được xem như tuyến tính đối với nhiệt độ khi C, D rất lớn so với A, B

Như vậy sức điện động được xem như tuyến tính đối với nhiệt độ trong từng khoảng làm việc nào đó của cặp nhiệt điện

c) Phạm vi làm việc :

Phạm vi sử dụng của cặp nhiệt điện rất rộng từ - 50 °C ÷ 2500 °C Cặp nhiệt điện đuợc sử dụng nhiều trong các dụng cụ đo nhiệt độ vì nó có những ưu điểm sau :

- Khi đo nhiệt độ đến 700 °C thì độ chính xác cao

- Có thể đo ở những vùng có thể tích nhỏ

- Khoảng nhiệt độ rộng mà ở đó nhiều chất không tồn tại ở thể rắn

- Có thể lắp đặt cặp nhiệt điện trong các thiết bị đo tự động, nhất là đo nhiệt độ từ xa

Tổ chức IEC (International Electrotechnical Commission) phân loại các cặp nhiệt điện như sau:

Bảng 2.2 cho biết các loại cặp nhiệt điện và các thông số của nó

Cặp nhiệt điện

V/°

C) Cu–

Constantan Loại T(rẻ, sđđ lớn)

)

-330÷660F -200÷350 C

42,8

Fe–

Constantan Loại J(rẻ, sđđ lớn)

K(chống oxi hóa)

Bảng 2.2 : Các loại cặp nhiệt điện và thông số

Thang nhiệt độ được đánh dấu bởi các điểm chuẩn theo ITS 1948 (International Temperature Scale)

Khi sử dụng đo tầm hẹp có thể tuyến tính hóa đặc tính cặp nhiệt điện theo biểu thức:

T k

k: hệ số nhiệt, đơn vị μV/oC

Bảng thông số chi tiết một số loại cặp nhiệt điện (Tham khảo nguồn website :www.pyromatron.com)

Hình 2.6 : Hình dạng một số Thermocouple (cặp nhiệt)và RTD(nhiệt điện trở)

Hình vẽ được trích dẫn từ sách [1] Nguyễn Đức Thành, Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB ĐHQG Tp HCM, 2002

Nếu dây của cặp nhiệt điện không đủ dài để nối đến dụng cụ đo và ta dùng day đồng để nối thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số nhiệt độ đo T và nhiệt độ chỗ nối

To, nhiệt độ To không ổn định

Kim loại A Đồng

V

T Kim loại B Đồng

Hình 2.7: Ảnh hưởng dây nối

Dụng cụ

đo

Để khắc phục phải dùng day nối dài cùng loại với vật liệu của cặp nhiệt điện để bù

trừ nhiệt độ To, lúc này ta có :

)(T T1k

Nhiệt độ T1 ổn định và đo được

Điện áp từ cặp nhiệt điện khá nhỏ nên cần phải được khuếch đại, ngoài ra còn cần có thiết bị đo nhiệt độ đầu lạnh để bù trừ Mạch bù trừ và khuếch đại sẽ được đề cập trong phần sau

2.1.3.2 Nhiệt điện trở :

a) Cấu tạo : Nhiệt điện trở bằng kim loại nguyên chất hiện nay được sử dụng rộng rãi, thông thường được chế tạo dưới dạng cuộn Nó được quấn với dây nhỏ xung quanh một đế cách điện

Để bảo vệ dây điện trở khỏi hư hỏng và khỏi tiếp xúc với môi trường đo, người ta bọc chúng trong một ống bảo vệ

Vật liệu để chế tạo nhiệt điện trở đòi hỏi những yêu cầu sau :

- Hệ số nhiệt lớn

- Điện trở suất lớn

- Tính ổn định cao

- Tính thuần khiết

Các kim loại thích hợp với yêu cầu trên : Platin, Đồng, Niken Trong đó Pt

đo tới tầm đo rộng Còn Cu, Ni dùng cho tầm đo thấp hơn Vài chất khác như Fe, Tungsten, Molylsden dùng ở tầm nhiệt độ giới hạn hơn

Trong thực tế, dây kim loại được dùng làm nhiệt trở được quấn khít nhau trên ống sứ tròn, dẹp hay xuyến Để bảo vệ chúng, người ta bọc chúng bởi thủy tinh , thạch anh

b) Nguyên lý làm việc - Đặc tuyến : Nguyên lý làm việc của nhiệt điện trở dựa vào sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ của các vật liệu dẫn điện, cuộn dây điện trở, hay chất bán dẫn nằm trong ống

bảo vệ được truyền nhiệt từ ngoài vào Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ theo công thức sau :

R ( T ) = R0 ( 1 + α T + β T2 + γ T3 + ) (2-2)

R ( T ) :Điện trở vật liệu ở T °C

R0 : Điện trở vật liệu ở 0 ° C

α, , γ : Các hệ số phụ thuộc vào vật liệu Có thể sử dụng phương trình kém chính xác hơn:

)1

0 AT BT R

Nhiệt điện trở bạch kim thông dụng nhất, có điện trở suất cao( ρ =0,105µΩm), chống oxýt hóa, có thể đo trong khoảng -220oC ÷+850oC, độ phi tuyến khoảng 0,4% trên

100oC Trị số Ro của nhiệt điện trở bạch kim thường là 100; 200; 500; 1000Ω Đặc tuyến nhiệt độ : phụ thuộc vào kim loại làm nhiệt điện trở Phần lớn nhiệt điện trở kim loại có hệ số nhiệt dương, nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng Về đặc tuyến, lúc đầu có dạng tuyến tính nhưng khi nhiệt độ tăng cao thì điện trở R tăng nhanh hơn làm cho đặc tuyến có dạng phi tuyến hơn Đối với kim loại Pt , ở nhiệt độ cao, điện trở tăng chậm nên có khoảng tuyến tính rộng

R(Ω)

Ni

Pt

t (°C)

Hình 2.8 : Đặc tuyến của nhiệt điện trở

c) Các thông số của nhiệt điện trở :

Trong đó, α : hệ số nhiệt của nhiệt điện trở

R0 : điện trở ở nhiệt độ 0 °C

+ Hệ số nhiệt : Hệ số nhiệt được xác định như sau :

dT

dR x R R

S

0 0

1

=

=

α

Hệ số nhiệt α phụ thuộc rất nhiều vào tính đồng nhất của kim loại Hệ số nhiệt

α của kim loại nguyên chất luôn lớn hơn hệ số nhiệt α của hợp kim của chúng

Một vài trị số α ở nhiệt độ phòng

αCu = 4,3 10-3 / °C

αNi = 6,7 10-3 / °C d) Phạm vi sử dụng :

Nhiệt điện trở kim loại thường được dùng để đo nhiệt độ các lò phản ứng hóa học, khí than đường ống, nồi hơi, lò điện trở, nhiệt độ phòng Trong công nghiệp người

ta dùng các nhiệt điện trở sau :

- Nhiệt điện trở Ni để đo nhiệt độ lớn hơn 200 °C

- Nhiệt điện trở Pt để đo nhiệt độ từ - 200 °C ÷ 300 °C Khi sử dụng nhiệt điện trở, không nên dùng nhiệt điện trở kim loại ở nhiệt độ

cao quá hay thấp quá, làm cho cơ cấu tinh thể của kim loại thay đổi Không nên đặt nhiệt điện trở nơi quá ẩm, nơi có chấn động , rung động mạnh

Khi sử dụng cần chú ý đến những thông số sau :

- Cường độ dòng cho phép qua dây điện trở không vượt quá 8 mA

- Thời gian mẫn cảm nhiệt không quá 10 phút

- Độ dài làm việc tối thiểu của đầu đo 150 mm

- Sai số cho phép tối đa không vượt quá trị số tính ra từ công thức quy định sau :

Phạm vi đo nhiệt độ ( ° C ) Sai số tối đa cho phép

0 ÷ 500 ∆ t = ± [ 0,3 ± 4,5 10-3 (t) ]

- 120 ÷ 0 ∆ t = ± [ 0,3 ± 6 10-3 (t) ]

Với t : nhiệt độ của nhiệt kế

∆ t : sai số cho phép

- Độ cách điện giữa điện trở đo và lớp bọc ngoài trong điều kiện nhiệt độ không khí ( 20 ± 5 ) °C và độ ẩm 8% không được dưới 20 MΩ

e)Khi ghép cảm biến nhiệt trở với mạch đo sẽ có dòng qua cảm biến gay ra tăng nhiệt và sai số , do đó cần giới hạn dòng này

f.Cảm biến PT100 (E52MY-PT10C) Hình dạng PT100

HHình 2.9: hình dạng của PT100(E52MY)

Thơng số kỹ thuật

• Cảm biến nhiệt độ E52MY-PT10C

• Dải đo: 0 - 400 độ C

• Loại can: DIN PT 100W

• Chiều dài can: 10 cm

• Cấp chính xác: B

• Cách điện cho dây dẫn bên trong: ceramic

• Vật liệu đầu bao dây: Khuơn nhơm đúc màu xanh

• Vật liệu ống bảo vệ: SUS 316 ống đúc

• Nhiệt độ mơi trường cho đầu đấu dây: 0 - 80 độ C

• Loại dây dẫn: hệ thống 3 dây dẫn

• Tiếp xúc nhiệt: loại khơng nối đất

Cách đo PT100

Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại platinum dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ(phương trình Callendar –van dusen) như sau:

(2-3) Với: RT: điện trở ở nhiệt độ T

R0 = 100 ohms điện trở ở 0oC α: hệ số nhiệt độ ở T=0o

C ( kiểu +0.00385 Ω/Ω/ºC) δ=1.499( kiểu +0.00385 Ω/Ω/ºC)

β=0 khi T>0 Với bạch kim ta có các trị số sau :

β 0,16000 0,10863 0,110000

+Cảm biến Pt100 hoạt động ở 0oC thì điện trở là 100 ohms

+Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính như sau: RT=R0(1+0.385%T) (2-4) với sai số nhiệt độ ±0.5 oC Tức là

cứ tăng 1oC thì điện trở Pt100 tăng 0.385 Ω

Bảng 2.4: bảng thơng số giá trị điện trở và nhiệt độ của Pt100

Ta cĩ ba cách đo Pt100 như sau:

Sơ đồ mạch hai dây:

Hình 2.10 : Sơ đồ hai dây

Sơ đồ mạch 2 dây kết nối theo kiểu cầu Wheatstone

Ở 0o

C thì thì giá trị điện trở của PT100 là RT=100 Ω, nên để cầu Wheatstone cân bằng thì các điện trở R1, R2, R3 ta chọn là 100 Ω L là điện trở dây nối Es là điện áp nguồn cung cấp, Eo là điện áp ngõ ra

Sơ đồ 3 dây cĩ độ chính xác cao hơn sơ đồ 2 dây

Hình 2.11 : Sơ đồ ba dây

Với sơ đồ mạch 3 dây cĩ thể nối dây dài tới 30.48m

Sơ đồ mạch bốn dây nguốn dịng:

Hình 2.12 Sơ đồ bốn dây nguồn dòng +Is là nguồn dịng cung cấp cho mạch, Eo là điện áp ngõ ra, L là điện trở dây nối, RT là cảm biến nhiệt PT100

+Eo phải cĩ trở kháng cao để ngăn lưu lượng dịng trong điện thế dây dẫn Mạch 4 dây cĩ thể sử dụng ở khoảng cách dài hơn ba dây nhưng phải sử dụng máy phát nguồn dịng trong mơi trường nhiễu về điện

+Sơ đồ bốn dây nguồn dịng cho độ chính xác tốt nhất: Eo=Is RT (2-7)

2.1.3.3 Nhiệt kế bán dẩn :

a) Cấu tạo :

Đây là loại nhiệt kế mà phần tử nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ được chế tạo bằng chất bán dẫn thường gọi là Tec-mix-to ( Thermistor ) Đặc điểm của Tec-mix-to là điện trở của nó biến đổi rất lớn theo nhiệt độ Thành phần chính của Tec-mix-to là bột của các oxyt kim loại như Mangan, Sắt, Niken hoặc các hỗn hợp tinh thể MnAlO 4, và ZnTiO 4 Nhiệt kế Tec-mix-to được chế tạo bằng cách ép định hình, sau đó nung đến trên 1000 °C trong môi trường oxy hóa Việc chọn tỉ lệ bột hỗn hợp các oxyt hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung giữ vai trò quan trọng, nó quyết định chất lượng của Tec-mix-to Độ tin cậy của Tec-mix-to phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu chế tạo

Nhiệt kế Tec-mix-to được dùng nhiều vì có những ưu điểm sau :

- Độ nhạy cao

- Tính ổn định cao, tin cậy

- Kích thước nhỏ và hình dạng thích hợp

b) Quan hệ giữa điện trở của Tec-mix-to và nhiệt độ : Sự thay đổi của điện trở R của chất bán dẫn ( dùng làm nhiệt kế ) theo nhiệt độ có dạng hình cong như sau :

R(Ω)

t(°K)

Hình 2.13 : Đặc tuyến R ( T ) của nhiệt kế bán dẫn

Từ đó ta thấy R giảm nhanh khi nhiệt độ tăng Về mặt toán học, quan hệ giữa

điện trở R và nhiệt độ được biểu diễn như sau :

R (T) = a eβ /T (2-8) Trong đó , R (T) : điện trởcủa chất bán dẫn ở nhiệt độ T ( ° K )

a : hệ số nhiệt phụ thuộc kích thước và hình dáng

β : Hệ số phụ thuộc vật liệu chế tạo (từ 3000 đến 50000)

T : nhiệt độ tuyệt đối

Nếu gọi R0 là trị số điện trở của Tec-mix-to ở nhiệt độ T0 ( ° K ) thì biểu thức có thể viết dưới dạng :

0

0 1

.)(T R e T T

Với loại Tec-mix-to đo nhiệt độ thấp, giá trị của b trong khoảng ( 3000 ÷ 5000 ), với loại Tec-mix-to đo nhiệt độ cao, b trong khoảng ( 6000 ÷ 13000 ) Hệ số nhiệt α của Tec-mix-to được tính theo biểu thức sau :

2

T RdT

c) Đặc tuyến điện áp - dòng điện ( U - I ) của Tec-mix-to : Khi đặt một điện áp U cố định vào hai đầu của Tec-mix-to có điện trở R0 cân bằng với nhiệt độ môi trường xung quanh T0 , thì dòng điện I đi qua sẽ đốt nóng Tec-mix-to lên nhiệt độ T Khi đó điện trở Tec-mix-to có giá trị là R ( R < Ro ) và tuân theo định luật Ohm :

I

U

R= Với I là cường độ dòng diện khi đã đạt đến sự cân bằng nhiệt

Cho U biến thiên ta sẽ vẽ được công thức thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ, điện áp và dòng điện như hình vẽ sau ( Hình 2.8 ) Đường cong này có một giá trị cực đại Nếu nhiệt độ môi trường xung quanh là T0’ thì đường cong khác với T0

U(V) (T0) (T0’)

I(mA)

Hình 2.14 : Đặc tuyến Vôn - Ampe của Tec-mix-to

2.1.3.4 Cảm biến nhiệt độ vi mạch

Cảm biến nhiệt độ vi mạch chế tạo từ chất bán dẫn có nhiệt độ tỉ lệ độ C, F hay K tùy loại Tầm đo nhiệt độ giới hạn từ -55oC đến 150oC, độ chính xác từ 1oC đến

2oC tùy loại

Sau đây là mộ số cảm biến của hãng National Semiconductor

Tên Tầm nhiệt độ Độ chính xác Tín hiệu ra

+ + Vo M Vo=10mV/oC

Hình 2.15: Sơ đồ chân và mạch áp dụng LM335

Bù nhiệt độ đầu tự do cặp nhiệt

Ta biết điện áp trên đầu tự do cặp nhiệt là:

)(T T0

+

M

Vo +

M

Hình2.16: Bù nhiệt độ bậc tự do cặp nhiệt

2 3 1

3 1 4 2 1

3 0

2 3 1

3 1 4 2 1

3 0

//

//

1)(

R V R R R

R T

T

R

R V R

R V R R R

R V

V

ref

ref th

2,273(

10 0

2 3 1

3 1

3 0 2

4 2 1

3 0

4 2 1

3 0

732,210

//

//

1//

//

1

R

R V R

R R

R T

R R R

R T

R R R

R T

V

ref

−+

=

−

α α

Chọn nguồn chuẩn là IC ổn áp LM 329A có Vref=6,9V, hệ số nhiệt 10 ppm/oC=0,069 mV/oC

//

10//

//

4 2 1 2

4 2 1

3 1

3 0 2 4

2 1

R R

R T R

R R

R T

α