www.tinhgiac.com de tai do ap suat su dung cam bien mpx5100 tu dong chuan do

Các cảm biên đo áp suât còn được sử dụng trong các nhà máy đề kiêm soát mức áp suât hợp lý cho các hệ thông, ví dụ trong các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy có hệ thông nung hay nén vật

Trang 1

VIEN DIEN

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC

DE TAI:

DO AP SUAT SU’ DUNG CAM BIEN MPX5100

TU DONG CHUAN DO

GV hướng dẫn : TS Nguyễn Thị Lan Hương

SVTH : Võ Tá Hoàng 20093469

Nguyén An Hoan 20091097

: 54

Hà Nội, 12/2013

Trang 2

MUC LUC LOT CAM O11 ccsscccsccscccscccsccssccnscesccnsccnscnsccnsscesccsccessensccssensccassensscascnsscesscascesccesccsscsceescees 3

Mở đầu . - (<< << S9 9 c9 c9 TH gu c9 Sư 84 3 Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất «- 5-5 55 << sescesssessesesess=see 4

1.1 Một số loại hình chuyển đổi áp Suất . - 5-5 << c«sese<eeseseesesessese 4

1.2 Phương pháp đo áp suất sử dụng nguyên lý đàn hôi . - 5

2 Cảm biến thông minh - << << s2 E<E S3 EeSEsEsESsEzESSESESSESESESsEsSEsszEssrsee 6

Chương 2 : Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX510( 5s c<scscesssessesesessesee 8

1 Giới thiệu MPX510( <- 5< c<ceS3SeSESESEESESESSESEE5 1505053550505 g2 8

2 Cac đặc trưng của MPXS5100 cc cọ HH TH g9 g0 09 9 00008 990 8

3 Bù nhiệt độ trên chíp - << << 9.9 900.00 000000014 808000000 10

4 Sai số do nhiệt độ (MPX5100D, MPX5100G, MPXV5100G) - 12 Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 - 13

1 Yêu Cầu - G- <G G9 9g 13

2 Giải quyết bài toán - ca ce co 4333 SE E33 14151515150 8510501507050 5x2 13

3 Thiết kế mô phỏng mạch sử dụng ARDUINO UNO 5 -<-<s<s<s<s 16

Tài liệu that KÏLdO úả occcc << < S00 ng 9 088 00008.9988000099988809999086806 17

Võ Tá Hoàng —- Nguyễn An Hoan - THCN _ KSCLC_K54

Trang 3

Loi cam on

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn

và truyền thụ những kiến thức cơ bản để chúng em có thể hoàn thành đồ án này Tuy vậy,

do những hạn chế về kiến thức thực tế cũng như điều kiện thời gian nên đồ án còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng gớp của cô để có thê hoàn thiện hơn

đồ án này ạ

`

Mo dau

Việc đo và xác định áp suât đóng vai trò quan trọng trong các hệ thông giám sát điêu khiên động cơ, điêu khiên quá trình hay chuyên đôi áp suât Các cảm biên đo áp suât còn

được sử dụng trong các nhà máy đề kiêm soát mức áp suât hợp lý cho các hệ thông, ví dụ trong các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy có hệ thông nung hay nén vật liệu đêu cần giám sát áp suât chặt chẽ

Với những ứng dụng rât phô biên như đã nêu trên, việc nghiên cứu về cảm biện nói chung, và cảm biên áp suât nói riêng rât quan trọng đôi với người kỹ sư Qua học phân

Thiét bi do va cam biên thông minh, chúng em được nhận dé tai “Do ap suat dung

cảm biên MPX5100 và tự động chuân độ” Đây là một loại cảm biên thông mình vì thê

việc thực hiện mạch đo mà không cân trải qua khâu khuêch đại tín hiệu

Đê tài được chia làm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất

Chương 2: Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100

Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100

Trang 4

Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép do áp suất

1 Áp suất

Trong vật lý học, áp suất (thường được viết tắt là p) là một đại lượng vật lý, thể hiện

cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi

thành phần bề mặt vật chất

_F

Pes

Với Š là diện tích

Don vi do cua ap suat: Trong hé SI: N/m’ hay con goi la Pa: 1 Pa=1 N/m?

Ngoài ra còn có một số đơn vị khác: atmosphere, Torr, mmHg

1 Pa = 1,45.10 Ib/in? = 9,869.10 atm = 7,5.10' cmHg = 7,5.107 torr

Trong trường hợp chất lưu không chuyên động, áp suất chất lưu là ap suat tinh do

trong lượng chất lưu và áp suất khí quyển tác động lên mặt thoáng chất lưu Chất lưu

truyền đi nguyên vẹn áp suất theo mọi phương Trên cùng một mặt phẳng nam ngang

trong lòng chất lưu thì tất cả các điểm đều có áp suất như nhau

Áp suất ở những điểm có độ cao khác nhau thì áp suất cũng khác nhau

Công thức tính áp suất chất lưu: p = po + pgh

Trong đó:

Do là áp suất khí quyên

p là khối lượng lượng riêng chất lưu

g la gia tốc trọng trường

h là độ sâu tính từ điểm áp suất tới mặt thoáng chất lưu

Trong trường hợp chất lưu chuyển động, áp suất gồm 2 thành phần: áp suất tĩh (p,) và áp

suat dong (pa)

P=Pt + Pa

pv trong do: pg = 2

v là vận tôc chuyên động của chât lưu

1 Mật số loại hình chuyền đỗi áp suất

Cảm biến áp suất kiêu màng phẳng

Cảm biến áp suất kiểu màng gấp nếp

Cảm biến kiểu khoang kín

Cảm biến kiểu ống thắng

Cảm biến kiểu vành khuyên

Trang 5

1.2 Phương pháp đo áp suất sử dụng nguyên lý đàn hồi

Nguyên lý chung là dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi của một phần tử biến dạng

nhạy cảm với tác dụng của áp suất Các phần tử biến dạng thường dùng là lò xo, màng

mỏng, ống trụ

e© _ Áp kế kiêu màng: Màng phẳng hoặc màng uốn nếp

Khi áp suất tác động lên màng làm nó biến dạng Biến dạng của màng là hàm phi tuyến của áp suất và tùy thuộc điểm khảo sát Với màng mỏng độ phi tuyến là khá lớn khi

độ võng lớn, do đó thường chỉ sử đụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của

màng

2

P Hình 1: Kiểu màng phẳng

—

>

PI

rs

Hình 2: Kiêu màng uôn nêp

Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỉ hơn màng phắng nên có thể được sử dụng độ võng lớn hơn màng phẳng

Áp suất được truyền lên một màng đo, là một màng biến dạng trên ấy có một cầu đo bằng 4 điện trở lực căng bán dẫn Trên màng biến dạng này biến dạng e (ở tâm) được

tính:

e =-0,49 PR 5

Ed

2

ứng suất ở biên: 6, = -0,75 PR

d

4

Di chuyên tạo nên ở tâm mang: 5 = 0,17 a

V6 Ta Hoang — Nguyễn An Hoan — THCN _ KSCLC_K54

Trang 6

Hình 3: Biến dạng e dưới tác dụng của P

2 Cảm biến thông minh

Người ta sử đụng các bộ vi xử lý hay các vi điều khiển kết hợp với các loại cảm biến khác nhau để tạo ra cảm biến thông minh có các đặc tính mới như: tự động chọn thang

đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số

RS-232,485

BLO ne x i U, | TNH 4-20mA ADC || XL 4-20mA =

Hình 4: Sơ đồ kết cầu của một cảm biến thông minh

Các bộ cảm biến thông minh thường có một bộ chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là điện áp 0-5V hoặc 0-10 V hoặc dòng 0-20mA hoặc 4-20 mA

Bộ chuyển đổi này lấy tín hiệu từ cảm biến, biến đổi về dạng chuẩn trên rồi cho

chuyển đến bộ ADC rồi mới đưa đến Vi xử lý Khi qua bộ chuẩn hóa tín hiệu được biến

Trang 7

đổi tỷ lệ, nếu mẫu tín hiệu x nằm trong khoảng X;-ÄX; thì tín hiệu ra y phải nằm trong

khoảng 0-Y

Đặt tính của chuyển đổi chuẩn hóa thường là tuyến tính: y = yạ + kx (1)

Thay các giá trị đầu vào và đầu ra của CĐCH ta có:

0= Yot KX,

Y= Yo + KX,

Giải ra ta được:

Yo=-Y.X/(X¿— XI) ;K=Y/(XzX))

Thay vào công thức (1) ta có hàm đặc tính của CĐCH là:

Y =-Y.X1/(X;¿—-X¡) +YŸ/(Xz-X)).X

La một hàn tuyến tính theo x thỏa mãn yêu câu của một CĐCH

se CĐCH có đầu ra là một tín hiệu một chiều (là dòng hay áp) được thực hiện theo 2 bước:

** Bước l: Trừ đi giá trị ban đầu x=X; để tạo ra ở đầu ra của CĐCH giá trị y = 0

s* Bước 2: Thực hiện khuếch đại (K >l) hay suy giảm (K<l)

Để thực hiện việc trừ đi gia tri ban dau người ta thường sử dụng khâu tự động bù tín hiệu

ở đầu vào hoặc thay đổi hệ số phản hồi của bộ khuếch đại

Ta lẫy vi dụ sau day so dé CDCH str dung cap nhiét co dau ra la dién ap 1 chiéu

—'

C-K a

‘sie R

C-A 7 is 1

é | ——>

Hinh 5: Chuyén déi chuan hoa dau ra 1a 4p 1 chiéu

Để đo nhiệt độ ta sử dụng cảm biến cap nhiét Ở nhiệt độ tạ của môi trường ta luôn cố

ở đầu ra một cặp nhiệt một điện áp Uạ (tương ứng giá trị X¡ ở đầu vào CĐCH) nhưng yêu cầu ở đầu ra của CĐCH phải là y = 0 Vậy ta phải tạo được một điện áp — Uọ để bù lại bằng một cầu mà một nhánh bù nhiệt điện trở R, khi nhiệt độ ở đầu tự do tọ thay đối, Uạ

Trang 8

cũng thay đổi theo, nhiệt điện trở R, cũng thay đổi, xuất hiện điện áp —Uạ (ngược dấu với Uạ) ở đầu ra của câu và bù lại Kết quả điện áp ở đầu vào khuếch đại bằng 0 khi ở nhiệt

độ binh thường

Điện áp ở đầu ra của cầu được tính toán tương ứng với các loại cặp nhiệt khác nhau (P-P,

C-A,C-K)

Chương 2 : Tìm hiểu cảm biến ap suat MPX5100

1 Giới thiệu MPXS5100

MPX5100 được thiết kế từ nguyên khối silicon dành cho một loạt các ứng dụng,

nhưng đặc biệt người sử dụng có thể ghép nối với một vi xử lý hoặc vi điều khiển có kèm

theo một bộ A/D Bộ thiết kế tiên tiến với màng mỏng metallization, lưỡng cực để cung

cấp một tín hiệu tương tự với độ chính xác cao tỉ lệ với áp lực đặt vào

MPX5100 có thể ứng dụng vào: điều khiển quá trình, điều khiển động cơ, chuyển đổi áp

suât

2, Các đặc trưng của MPX5100

e Sai số tối đa là 2,5% ở nhiệt độ từ 0° đến 85°C

e_ Rất thích hợp cho hệ thống nền tảng vi xử lý hoặc vi điều khiển

Sau đây là một số dòng cảm biến MPX5100:

UNIBODY PACKAGES

v _

CASE 867-08 CASE 867B-04 CASE 857C-05

SMALL OUTLINE PACKAGES

V6 Ta Hoang — Nguyễn An Hoan — THCN _ KSCLC_K54

Trang 9

SMALL OUTLINE PACKAGES

CASE 482A-01 CASE 482C-03 CASE 1351-01 CASE 1369-01

Hình 6: Các dòng cảm bién MPX5100

e Các đặc tính hoạt động:

Bang 1: Dac tính hoạt d6ng (Vs= 5.0 Vdc, T, = 25°C, P1>P2, mach tach thé hién trong hình 5 yêu cầu đáp ứng thông số kỹ thuật điện)

Characteristic Symbol Min Typ Max Unit

Pressure Range!" Pop kPa

Gauge, Differential: MPX5100D/MPX5100G/MPXW5100G 0 — 100

Supply Voltage!) Ws 4.75 50 525 Voc

Supply Current lo — 7.0 10 mAdc

Minimnum Pressure Offset(3) (0 to 85°C) Vorr 0.088 0.20 0.313 Voc

@ V5 =5.0V

Full Scale Output"? Differential and Absolute (0 to 85°C) VFso 4.587 4.700 4.813 Voc

@ Vs =5.0V

Full Scale Span!) Differential and Absolute (0 to 85°C) Vpss = 4.500 = Voc

@ Ve =5.0V

Accuracy"? — — — +25 oVESS Sensitivity VIP =— 45 — mVikPa

Output Seurce Current at Full Scale Output low — 01 — mAdc

Warm-Up Time!® _ = 20 _~ ms Offset Stabiliny®) _ _ +0.5 — %aVrss

Bang 2: Chi tiêu định mức

Trang 10

Rating Symbol Value Unit Maximum Pressure (P'1 > P2) Prax 400 kPa

Storage Temperature Tstg 40° to +125° *C

Operating Temperature Ta 40” to +125° °C

e_ Một sơ đồ khối của mạch tích hợp trên một chip cảm biến áp suất trong gói Unibody

Vg

3

FT TT TT TT TT TT TT T1

|

3 —' — :— '— :—.— se ä

Pins 4, 5, and 6 are NO CONNECTS

GND

Hình: So đồ của mạch tích hợp trong cảm biến áp suất cho g6i Unibody

e_ Sơ đồ khối của mạch tích hợp trên 1 cảm biến áp suất trong gói Small Outline

Sensing

Element

Pins 1 and 5-8 are NO CONNECTS

Vg

2

|

Hình : Sơ đồ mạch tích hợp cảm biến áp suất cho gói Small Outline

3 Bù nhiệt độ trên chíp

e_ Quan hệ giữa tín hiệu ra của cảm biên và áp suât đâu vào được biêu diễn theo đường đặc tính dưới đây:

Võ Tá Hoàng —- Nguyễn An Hoan - THCN _ KSCLC_K54 10

Trang 11

5 Vays = Vg"(0.009°P+0 sheets Esax° Timobrtlse Factor*0.009"Ve) | Z‡ZÏÍJ § 04 —

LIÊN R oa = TYP Sl§

ae MIN vr o

CSR 8 << & Sk Se S SL oy)

Pressure (kPa) Offset Hình 7: Đường đặc tính của cảm biến MPX5100

Đường đặc tính của tín hiệu ra chuẩn, minimum và maximum được biểu diễn trên hình trên trong vùng nhiệt độ từ 0 đến 85 độ C

e _ Nguồn cấp và tín hiệu ra

+8.0 V

_ Vour

“i

X

Hình §: Sơ đô nguôn câp được tách và loc tín hiệu ra

e Mặt cất của các loại cảm biên vì sai và cảm biên tuyệt đôi

OUTPUT

Fluorosilicone Gel

Epoxy Plastic \ a _, Epoxy Plastic Case = Case

Lead Frame Differential/Gauge Element thung Lead Frame Absolute Element

Hinh 9: Mat cat ngang cua 2 loai cam bién

Một chất keo thành phần silic và flo dùng để cách ly bề mặt chết và dây điện từ môi

trương, trong lúc đó vẫn cho phép tín hiệu áp suất truyền tới màng cảm biến

Các dòng cảm biến MPX5100 sử dụng không khí khô làm phương tiện truyền dẫn áp suât

11

Trang 12

4 Sai số do nhiệt độ (MPX5100D, MPX5100G, MPXV5100G)

Break Points Tem Multiplier 4.0 —— e | P

- 40 3

0 to 85°C 1

30 ———] +128° 3

a

1.0 —

-40 -20 0 20 40 80 80 100 120 140

Temperature in °C

Hệ số nhiệt độ là một đáp ứng tuyến tình từ 0 đến 40 độ C và từ 85 đến 125 độ C

e Mức sai số cho phép

30 Error Limits for Pressure

2.0 — J

Pressure in kPa

Pressure Error (max)

Oto100kPa | +25 kPa

e Kích thước chân phục vụ cho làm mạch

4 t [#@] 0.25 (0.010) @] TỊ B ® | A ®] a am ÖNxxnng PER ANSI

CONTROLLING DIMENSION: INCH

DIMENSION A AND B DO NOT INCLUDE MOLD

PROTRUSION

MAXIMUM MOLD PROTRUSION 0.15 (0.006)

ALL VERTICAL SURFACES 5° TYPICAL DRAFT

J

F

Hình 10: Trường hợp 482A — 01 gói Small Outline

12

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	3,14 MB