Tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu

Tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ



TIỂU LUẬN MÔN ĐO LƯỜNG THÔNG MINH

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LỚP CAO HỌC ĐIỆN TỬ 13B

Đề tài:

TÌM HIỂU HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU

GVHD: TS NGÔ VĂN THUYÊN

TP HCM, Tháng 06 năm 2014

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu (DAQ)

1.1 Các thành phần của hệ DAQ

1.1.1 Định nghĩa

Thu thập dữ liệu (data acquisition) là quá trình mà tín hiệu vật lý từ thế giới thực được chuyển thành tín hiệu điện để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho quá trình xử lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính

Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ) System) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn cả chức năng điều khiển Vì vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều khiển (Data Acquisition and Control)

1.1.2 Các thành phần của hệ DAQ

Một hệ DAQ được xây dựng trên cơ sở sức mạnh của máy tính bao gồm nhiều khối phần cứng từ các nhà sản xuất khác nhau Nhiệm vụ của các nhà tích hợp là kết hợp các khối phần cứng này thành một hệ thống hoàn chỉnh

Các thành phần cơ bản của một hệ DAQ là :

• Cảm biến và các bộ chuyển đổi

• Dây nối và truyền thông

• Khối xử lý tín hiệu

• Phần cứng thu thập dữ liệu

• PC (hệ điều hành)

• Phần mềm thu thập dữ liệu

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng của hệ DAQ

Chuyển đổi và cảm biến

Bộ chuyển đổi và cảm biến cung cấp một kết nối (thực) giữa thế giới thực và hệ DAQ nhờ vào việc chuyển đổi các đại lượng vật lý sang tín hiệu điện mà bộ xử lý tín hiệu và/hoặc hệ DAQ chấp nhận

Các bộ chuyển đổi hiện tại có thể sử dụng cho hầu hết các phép đo vật lý và cung cấp tín hiệu điện tương ứng Ví dụ: cặp nhiệt, nhiệt điện trở và IC nhiệt chuyển đổi nhiệt độ sang một tín hiệu điện analog, trong khi bộ đo lưu lượng (flow meter) cung cấp một tín hiệu chuỗi xung có tần số phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy

Trong mỗi trường hợp trên, tín hiệu điện đầu ra tỉ lệ với đại lượng vật lý được

đo lường theo quan hệ định trước

Dây nối và cáp truyền thông

Dây nối: Liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu hoặc từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu cách xa PC

Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu là

RS-232 hoặc RS-485 : cáp truyền thông

Đây thường là thành phần cồng kềnh nhất của hệ thống và thường dễ chịu tác động của nhiễu bên ngoài đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt vì vậy cần quan tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối và cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu.

ra tín hiệu điều khiển dạng số

Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau từ nhiều nhà sản suất, có thể là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards), intelligent stand-alone loggers and controllers (loại này có thể được định cấu hình, quan sát và điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoặc có thể hoạt động độc lập), hoặc các thiết bị độc lập từ xa có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE-488

Phần mềm thu thập dữ liệu: có ba lựa chọn

Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng: assembly, hoặc các ngôn ngữ cấp cao như Pascal, C/C++…

Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi nhà sản xuất.

Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập dữ liệu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ yêu cầu cho một ứng dụng cụ thể

PC: ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thu thập và xử lý dữ liệu.

1.1.2 Cấu trúc của hệ DAQ

1.1.2.1 Vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC

Các mạch vào/ra tập trung được cắm trực tiếp vào máy tính qua các bus mở rộng Chúng có đặc điểm là nhỏ gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất, chi phí thấp vì vậy thường được dùng Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng mà PC ở gần cảm biến và cơ cấu chấp hành

Hình 1.2: Sơ đồ vào/ra tập trung

1.1.2.2 Vào/ra phân tán

Sensor và cơ cấu chấp hành thường ở xa PC, thường trong môi trường sản xuất

CN, cảm biến và cơ cấu chấp hành ở trong môi trường khắc nghiệt và bao phủ trong một diện tích rộng cách xa PC hàng trăm mét.Trong môi trường có nhiễu, khó có thể nhận được tín hiệu nhỏ từ các cảm biến như cặp nhiệt, strain gauge qua đường truyền dài.Dây nối từ sensor về PC dài và có thể tốn kém

Giải pháp: Vào/ra phân tán, nghĩa là module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi sensor tương ứng Mỗi sensor cần có một module xử lý tín hiệu.Giải pháp này có thể

tốn kém nếu có nhiều sensors nhưng được bù đắp bởi chất lượng tín hiệu và độ chính xác.

Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số Bộ phát số này thực hiện tất

cả các chức năng xử lý tín hiệu cần thiết, có VXL và ADC để chuyển tín hiệucần đo sang dạng số Tín hiệu dạng số này được truyền về PC bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485.RS-232 (point to point) thì cồng kềnh khi có nhiều điểm.Đối với RS-485, nó giảm lượng cáp truyền, có thể kết nối đến 32 modules, khoảng cách truyền có thể lên đến 10km nếu dùng multi-drop network (RS-232: tối đa 15m) Thường cần bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 do hầu hết các PC không hổ trợ chuẩn RS-485

Hình 1.3: Sơ đồ khối vào/ra phân tán

1.1.2.3 Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán

Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán có ưu điểm giống của I/O phân tán với các bộ xử lý tín hiệu thông minh, đồng thời khả năng tự quyết định từ xa làm tăng độ tin cậy của hệ thống

Có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính dùng giao tiếp nối tiếp hoặc card PCMCIA Chúng có thể họat động độc lập mà không cần PC (đây là mục tiêu chính) vì vậy rất hữu ích khi phải đặt các bộ thu thập dữ liệu ở xa hoặc trong môi

trường khắc nghiệt hoặc các ứng dụng không cho phép sự kết nối liên tục tới máy tính ( ex: điều khiển nhiệt độ trong các xe tải đông lạnh).

Sử dụng card PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu độc lập

Hình 1.4: Card PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu độc lập

Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS - 232

Hình 1.5: Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS – 232

Kết nối bộ thu thập dữ liệu độc lập qua mạng điện thoại hoặc radio

Hình 1.6: Kết nối bộ thu thập dữ liệu độc lập qua mạng điện thoại hoặc radioPhương pháp tương tự của chương trình hoặc đăng nhập dữ liệu từ mỗi logger/controller là có sẵn hoặc thông qua mạng truyền thông nối tiếp hoặc thông qua

sử dụng di động và tái sử dụng thẻ nhớ

Hình 1.7: Mạng vào/ra phân tán

1.1.2.3 Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

Chuẩn truyền thông này còn được gọi là GPIB (General Purpose Interface Bus), được thành lậpnăm 1965 bởi Hewlett-Packard để kết nối và điều khiển các thiết bị đo thử lập trình được của hãng Chuẩn này nhanh chóng được thế giới chấp nhận và trở thành chuẩn IEEE-488 nhờ tốc độ, tính linh hoạt và hữu ích trong việc kết nối các thiết

bị trong phòng thí nghiệm.GPIB là chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao cho phép kết nối đồng thời 15 thiết bị trên bus truyền dữ liệu song song

Chuẩn IEEE-488 thường yêu cầu có bộ điều khiển GPIB để định địa chỉ cho từng thiết

bị và khởi tạo các thiết bị sẽ truyền thông với nhau.Tốc độ truyền thông tối đa, chiều dài cáp truyền tối đa, khoảng cách tối đa giữa các thiết bị phụ thuộc vào tốc độ và khả năng xử lý của bộ điều khiển GPIB và loại cáp truyền Các thiết bị theo chuẩn IEEE-

488 phù hợp cho các lab nghiên cứu hoặc đo thử trong công nghiệ và có hàng ngàn sản phẩm trên thị trường hỗ trợ chuẩn giao tiếp này

Hình 1.8: Cấu trúc hệ GPIB thông dụngCác dụng cụ lập trình được IEEE-488

Hình 1.9: Card thu thập dữ liệu hỗ trợ IEEE-488

Hình 1.10: Bộ điều khiển áp suất Druck DPI 515

1.1.3 Khâu điều hòa tín hiệu

Tín hiệu điện ngõ ra của chuyển đổi/sensor cần được biến đổi cho phù hợp với ngõ vào của phần cứng DAQ Một số chuyển đổi/sensor cần nguồn kích thích hoặc cầu Wheatstone và tuyến tính hóa để tín hiệu đo được chính xác Hầu hết các hệ DAQ đều bao gồm khâu xử lý tín hiệu dưới một hình thức nào đó

Các chức năng cơ bản mà khâu xử lý tín hiệu có thể thực hiện là:

Khâu xử lý tín hiệu của hệ DAQ phải thực hiện nhiệm vụ nào và cách thức thực hiện phụ thuộc vào số lượng và loại chuyển đổi/sensor, yêu cầu về nguồn kích thích và nối đất cho sensor, đồng thời không kém phần quan trọng là khoảng cách từ cảm biến tới

• Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) tín hiệu nhỏ ở ngõ ra của sensor cách xa phần cứng DAQ nếu được truyền trong môi trường nhiễu sẽ bị ảnh hưởng lớn của nhiễu Nếu tín hiệu nhỏ (bị nhiễu) này được khuếch đại tại phần cứng DAQ sau khi được truyền qua môi trường nhiễu thì nhiễu trong tín hiệu này cũng được khuếch đại như tín hiệu cần đo Nếu nhiễu so sánh được với tín hiệu cần đo ( SNR thấp) sẽ dẫn đến sai số lớn cho phép đo và phép đo là vô nghĩa

Tăng SNR bằng cách khuếch đại tín hiệu nhỏ ở đầu ra sensor trước khi truyền

VD: Cặp nhiệt loại J có độ nhạy 50uV/0C Nếu tín hiệu đầu ra cặp nhiệt được truyền trong môi trường có nhiễu lớn với khoảng cách 10m, nhiễu đặt lên tín hiệu của cặp nhiệt có thể lên đến 200uV dẫn đến sai số đến 4oC Nếu khuếch đại tín hiệu tại đầu ra cặp nhiệt lên 500 lần thì độ nhạy lúc này là 25mV/0C, sai số do nhiễu lúc này (hàng uV) là rất nhỏ

1.1.3.2 Cách ly

Cách ly giúp bảo vệ thiết bị phần cứng DAQ, PC cũng như người vận hành khỏi điện

áp cao trong quá trình quá độ, sét hay tĩnh điện cũng như hỏng hóc của các thiết bị cao áp.Các bộ bảo vệ quá áp được đặt ở đầu vào của khâu xử lý tín hiệu để bảo vệ khâu này Cách ly còn nhằm đảm bảo vòng nối đất, điện áp cách chung (xét ở phần sau) không ảnh hưởng đến tín hiệu đo

Có nhiều cách để cách ly

Cách ly dùng Opto thường dùng cho tín hiệu số

Cách ly bằng phương pháp từ trường/điện trường dùng cho tín hiệu tương tự: điều chế tín hiệu điện áp thành tần số, sau đó truyền tín hiệu tần số bằng biến áp/tụ và biến đổi tần số thành điện áp ở đầu ra

Lọc bằng phần cứng: các mạch lọc analog (passive and ative) là rẻ nhất, các thông số:

•Tần số cắt

•Roll-off: độ dốc của đường cong biên độ theo tần số tại tần số cắt

•Q-factor: quyết định độ lợi của mạch lọc tại tần số cộng hưởng và roll-off

Mạch lọc thông thấp

Mạch lọc thông cao

Mạch lọc Butterworth

1.1.3.4 Tuyến tính hóa

Quan hệ giữa ngõ ra của sensor và tín hiệu đầu vào cần đo thường là phi tuyến Phầm mềm của hệ DAQ thường thực hiện chức năng tuyến tính hóa.Nếu mối quan hệ phi tuyến là dự đoán được và có tính lặp lại thì có thể tuyến tính hóa bằng phần cứng Thông thường cần một bộ xử lý tín hiệu được lập trình dành riêng cho một bộ chuyển đổi riêng biệt, tuy nhiên sau khi đã được xử lý thì các tín hiệu đo lường này có quan hệ trực tiếp với đại lượng đang đo.

Trong hầu hết các ứng dụng về đo lường thì việc tuyến tính hóa bằng phần mềm được

sử dụng với 2 kỹ thuật chính là dùng bảng tra: thời gian thực hiện nhanh nhưng cần dung lượng bộ nhớ lớn hoặc bù bằng đa thức: các đa thức với bậc được lựa chọn tùy loại cảm biến

1.4 Chống nhiễu và nối dây cho ngõ vào analog

1.4.1 Phân loại nhiễu

Nhiễu là tín hiệu điện không mong muốn trong mạch Không thể triệt nhiễu hoàn tòan mà chỉ có thể giảm biên độ nhiễu cho đến khi biên độ của nó không gây ảnh hưởng lên tín hiệu đo

Các thành phần tham gia quá trình sinh nhiễu

Các hình thức gây nhiễu thường gặp trong hệ DAQ

•Ghép nối hỗ cảm (inductive coupling)

•Ghép nối điện dung (capacitive coupling)

•Ghép nối điện trở (conductive coupling)

Ghép nối điện trở

Ghép nối điện trở xảy ra khi hai hoặc nhiều mạch cùng chia sẻ tín hiệu hồi tiếp chung trong trường hợp như vậy, dòng điện hồi tiếp từ một mạch, chảy qua các trở kháng hữu hạn của tín hiệu hồi tiếp chung, kết quả là làm thay đổi điện thế nối đất Đề án kết nối hàng loạt nối đất dẫn đến khớp nối dẫn đến ghép nối điện trở Nếu điện trở của hồi tiếp chung là 0.1Ω và dòng điện hồi tiếp là 1A thì điện áp đo được từ cảm biến nhiệt độ là 0,1Ω×l=100 mV, tương ứng với sai số là 10 độ trong cảm biến nhiệt độ.

Ghép nối điện dung

Vùng điện từ xảy ra trong vùng lân cận của các nguồn điện áp khác nhau Ghép nối điện dung là việc truyền nhiễu bên ngoài thông qua điện dung chung giữa nguồn nhiễu

và mạch nhận Kết nối vật lý của ghép nối điện dung như hình 1.12

Hình 1.12: Kết nối vật lý của ghép nối điện dungMạch điện tương đương của ghép nối điện dung vào mạch tín hiệu

Hình 1.13: Kết nối vật lý của ghép nối hỗ cảmDây cáp cung cấp một dòng điện hồi tiếp dài nhất và mạnh nhất Tác động của ghép nối hỗ cảm là minh chứng tốt nhất khi xem xét mạch điện hình 1.14, trong đó tín hiệu

cáp được ghép lại bởi từ trường thay đổi dạng sin với mật độ thông lượng đỉnh là

Bφ

Hình 1.14: Mô hình mạch tương đương của ghép nối hỗ cảm giữa nguồn nhiễu và

mạch tín hiệuTrong đó :

2

V = πfMI

Lý tưởng nhất, điện áp trên tải là VS (tín hiệu điện áp nguồn) Tuy nhiên, từ thông gây

ra một điện áp trong vòng lặp, nó xuất hiện cùng với các mạch tín hiệu thu Điện áp xuất hiện trên tải là tổng của nguồn điện áp và từ trường cảm ứng điện áp không mong muốn (VN).Xoắn các dây dẫn cách điện của vòng lặp với nhau, như thể hiện trong hình 1.15, có thể làm giảm đáng kể số lượng ghép nối hỗ cảm trong đường tín hiệu

Hình 1.15: Giảm nhiễu ghép nối hỗ cảm bằng dây xoắn

Dùng cáp có vỏ bọc và xoắn đôi

Dùng cáp xoắn đôi

Dùng cáp đồng trục

2 Các loại cảm biến đo nhiệt độ, khối lượng

2.1Các loại cảm biến đo nhiệt độ

2.1.1 Thermocouples (TCs)

Cặp nhiệt ngẫu có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau được nối chung (về điện) một đầu và đầu còn lại được kết nối chung (về nhiệt) như được biểu diễn bên dưới

V = VA - VB

Để đơn giản hóa việc sử dụng TC, ngành công nghiệp đã tạo ra một số cặp nhiệt điện tiêu chuẩn, với chất hóa học tiêu chuẩn cung cấp phép đo lặp lại và dự đoán được Những TC thường được đại diện bởi một từ duy nhất Loại cặp nhiệt điện phổ biến bao gồm: J, K, T , E, R , S , và N Mặc dù rất nhiều các TC đưa ra dung lượng tương tự, mỗi cái có một sự kết hợp khác nhau của các yếu tố tỉ lệ, độ chính xác tổng thể, phạm vi nhiệt độ đo và chi phí

Bảng 1: Các tính chất cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt dựa trên đo nhiệt độ là mỗi hệ thống bao gồm nhiều hơn một cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện đo chính được tạo ra vào thời điểm mà hai kim loại khác nhau được cố

ý kết nối Tuy nhiên, hai cặp nhiệt điện thêm vào được tạo ra khi dây cặp nhiệt điện chính được gắn vào hệ thống DAQ.Những cặp nhiệt điện "không mong muốn" được gọi là "lạnh" Hình 1.16 mô tả một cấu hình đầu vào cặp nhiệt điện cho thấy cả hai chức năng cặp nhiệt điện là "đo" và "lạnh" Chức năng lạnh cũng tạo ra một điện áp đầu ra, nếu không bù, trở thành một tín hiệu lỗi

Loại bỏ các lỗi chức năng lạnh được gọi là bù lạnh

Hình 1.16: Việc kết nối cặp nhiệt điện với sự bù nguội

2.1.2 Resistance Temprature Detectors (RTDs)

Nhiệt điện trở RTDs là loại cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng kim loại nguyên chất (hoặc pha tạp nhẹ) mà điện trở của nó tăng khi nhiệt độ tăng (nhiệt điện trở dương) Hầu hết RTDs được chế tạo ở dạng vòng dây hoặc các miếng film kim loại

So với Thermocouple và Thermistors thì RTDs là cảm biến nhiệt có độ tuyến tính trong dải nhiệt độ rộng hơn và cho độ chính xác cao hơn.

Điện trở 2 đầu dây giữa thiết bị đo và RTD sẽ gây ra điện áp rơi trên mỗi đầu là IEX.RL

(volt).Điện áp rơi trên đầu dây với điện áp rơi trên RTD dẫn đến kết quả có thể sai số đáng kể trong tính toán nhiệt độ

Mạch đo 2 dây cho kết quả sai số lớn

Mạch đo 4 dây