cutie_fowl
New Member
Download miễn phí Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hóa - Cảm biến thông minh và phương pháp xử lý kết quả
Khi tính toán sai số ngẫu nhiên,người ta thường sửdụng các đặc tính của
chúng, đó là kỳ vọng toán họcvà độ lệch bình quân phương. Các đặc trưng thống kê
này đủ để đánh giá sai số của kết quả đo. Việc tính các đặc tính số này là nội dung
cơ bản trong quá trình gia công kết quả đo.
Để tính kỳ vọng toánhọc và độ lệch bình quân phương ta phải có số lượng
phép đo rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế số lượng các phép đo n làcó hạn, vì thế ta
chỉ tìm được ước lượng của kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương mà thôi.
Thường các ước lượng này đối với các đại lượng đo vật lýcó các tính chất cơ bản là
các ước lượng có căn cứ, không chệch và có hiệu quả.
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
ệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn,th−ờng là điện áp từ 0 - 5V hay 0 - 10V để đ−a vào bộ dồn kênh MUX. Bộ dồn
kênh MUX làm nhiệm vụ đ−a các tín hiệu vào bộ chuyển đổi t−ơng tự - số A/D
tr−ớc khi vào bộ vi xử lý àP.
Việc thực hiện một bộ cảm biến thông minh có thể tiến hành theo hai cách:
+ Cách 1: nếu bộ cảm biến ở đầu vào là loại cảm biến thông th−ờng thì đầu ra
của chúng đ−ợc đ−a vào một vi mạch công nghệ lai, bao gồm các CĐCH, MUX,
A/D và àP trong một khối có đầu ra qua bộ ghép nối để truyền thông tin đi xa hay
vào máy tính cấp trên hay bộ ghi ch−ơng trình cho EPROM.
+ Cách 2: nếu bản thân cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị
sau đều đ−ợc để trong một khối công nghệ lai.
- 109 -
Cấu trúc trên là cấu trúc phổ biến của một cảm biến thông minh. Sự hoạt động
của cảm biến là do àP đảm nhận, nó tổ chức sự tác động lẫn nhau giữa các khâu
theo một thuật toán chọn tần suất xuất hiện của tín hiệu, xác định giới hạn đo của
từng kênh, tính toán sai số của phép đo ... Trong quá trình hoạt động xẩy ra sự trao
đổi lệnh giữa các khâu thông qua một ngôn ngữ chung (th−ờng là hợp ngữ
ASSEMBLY).
Các ch−ơng trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động của cảm biến bao gồm:
- Ch−ơng trình thu thập dữ liệu: khởi động các thiết bị nh− ngăn xếp, cổng
thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào ADC, điều khiển hoạt động của MUX.
- Ch−ơng trình biến đổi và xử lý thông tin đo: biến đổi các giá trị đo đ−ợc
thành mã BCD, mã 7 thanh, mã ASCII, các ch−ơng trình xử lý số liệu đo.
- Ch−ơng trình giao diện: đ−a hiển thị ra LED hay màn hình, máy in, đọc bàn
phím và xử lý ch−ơng trình bàn phím, đ−a kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào
mạng, hay gửi cho máy tính cấp trên.
8.2. Các khâu chức năng của cảm biến thông minh
Ngoài các thành phần của cảm biến thông th−ờng đã đề cập, cảm biến thông
minh còn bao gồm các khâu cơ bản sau: các chuyển đổi chuẩn hoá (CĐCH), bộ dồn
kênh (MUX), chuyển đổi t−ơng tự số (A/D) và bộ vi xử lý (àP).
8.2.1. Chuyển đổi chuẩn hoá
Chuyển đổi chuẩn hoá làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành
tín hiệu chuẩn th−ờng là áp từ 0 - 5V hay 0 - 10V hay dòng 0 - 20 mA hay 4 - 20
mA.
Giữa các cảm biến và chuyển đổi A/D rồi vào àP tín hiệu nhất thiết phải qua
các CĐCH sao cho bất kể khoảng đo nào của các đại l−ợng đo thì cũng t−ơng ứng
với một giới hạn đo của CĐCH. Các chuyển đổi chuẩn hoá có thể phục vụ riêng cho
từng cảm biến và đặt tr−ớc MUX hay cho một nhóm cảm biến giống nhau về loại và
khoảng đo đặt sau MUX.
Khi qua CĐCH tín hiệu đ−ợc
biến đổi tỷ lệ, nếu tín hiệu vào x nằm
trong khoảng từ X1 ữ X2 thì tín hiệu ra
y phải là 0 ữ Y (hình 8.2)
CĐCH
yx
Hình 8.2 Sơ đồ nguyên lý
- 110 -
Đặc tính ra của chuyển đổi chuẩn hoá th−ờng là tuyến tính, tức là có dạng:
(8.1) kxyy 0 +=
Thay các giá trị đầu vào và đầu ra của CĐCH ta có:
⎩⎨
⎧
+=
+=
20
10
kXyY
kXy0
Giải ra ta đ−ợc:
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
−=
−=
12
12
1
0
XX
Y
k
XX
X
Yy
Thay vào (8.1) ta có đặc tính của CĐCH:
x
XX
Y
XX
X
Yy
1212
1
−+−−= (8.2)
Chuyển đổi chuẩn hoá có đầu ra là tín hiệu một chiều (là dòng hay áp) đ−ợc thực
hiện qua hai b−ớc:
- B−ớc 1: Trừ đi giá trị ban đầu x = X1, để tạo ra ở đầu ra của CĐCH giá trị
y = 0.
- B−ớc 2: thực hiện khuếch đại (K > 1) hay suy giảm (K < 1).
Để thực hiện việc trừ đi giá trị ban đầu ng−ời ta th−ờng sử dụng khâu tự động bù tín
hiệu ở đầu vào hay thay đổi hệ số phản hồi của bộ khuếch đại.
Ta xét ví dụ sau đây sơ đồ CĐCH sử dụng cặp nhiệt, có đầu ra là áp một chiều
(hình 8.3).
R3R2
R1
Rt
Đ-P
C-A
C-K
V0
-V0
tx Vra=0ữVx
Hình 8.3 Bộ chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là áp một chiều
- 111 -
Để đo nhiệt độ ta sử dụng cặp nhiệt ngẫu. ở nhiệt độ t0 của môi tr−ờng ta luôn
có ở đầu ra của cặp nhiệt một điện áp V0 (t−ơng đ−ơng giá trị X1 đầu vào CĐCH)
nh−ng yêu cầu ở đầu ra của CĐCH phải là y = 0, ta phải tạo đ−ợc một điện áp - V0
để bù. Mặt khác khi t0 thay đổi thì V0 cũng thay đổi theo, do vậy ta phải sử dụng
một cầu điện trở có một nhánh bù là nhiệt điện trở Rt để khi nhiệt độ đầu tự do t0
thay đổi thì nhiệt điện trở Rt cũng thay đổi theo sao cho điện áp xuất hiện ở đầu ra
của cầu đúng bằng -V0. Kết quả là điện áp ở đầu vào khuếch đại bằng 0 khi ở nhiệt
độ bình th−ờng. Điện áp ở đầu ra của cầu đ−ợc tính toán t−ơng ứng với các loại cặp
nhiệt khác nhau (Đ-P, C-A, C-K).
Trong thực tế, để truyền đi xa ng−ời ta dùng nguồn dòng nên khi truyền tín
hiệu trên đ−ờng dây, điện trở của dây có thay đổi cũng không gây ảnh h−ởng đáng
kể đến kết quả phép đo. Tín hiệu đầu ra của CĐCH là dòng từ 0 - 20mA hay 4 -
20mA. Với dòng 4 -20mA thì 4mA dùng để cung cấp cho mạch điện tử còn từ 0 -
16mA là tín hiệu đo. Nguồn dòng đ−ợc tạo bởi bộ biến dòng (ví dụ dùng tranzito
chẳng hạn). Sơ đồ một bộ chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là dòng một chiều đ−ợc trình
bày trên hình 8.4.
CĐCH
4 - 20 mA 4 mA
ổn áp
S
Hình 8.4 Chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là dòng một chiều
Từ cảm biến qua bộ CĐCH tín hiệu đầu ra sẽ thay đổi theo độ lớn của tín hiệu
sau cảm biến (0 - 16mA). Mạch điện tử đ−ợc cấp dòng 4 mA qua bộ ổn áp. Dòng
thay đổi từ 4 - 20 mA đ−ợc đo bằng cách cho dòng rơi trên một điện trở mẫu và đo
điện áp đó suy ra đại l−ợng đo.
8.2.2. Bộ dồn kênh MUX (multiplexer)
Nhiệm vụ của MUX là dồn kênh, biến tín hiệu song song từ các cảm biến
thành nối tiếp để d−a vào A/D và àP. Để dảm bảo độ tác động nhanh, ng−ời ta phải
- 112 -
sử dụng các khoá điện tử, tức là thực hiện việc đổi nối không tiếp xúc. Đổi nối này
có −u điểm là độ tác động nhanh cao (tần số đổi nối có thể đạt hàng chục MHz).
Tuy nhiên chúng có nh−ợc điểm là khi đóng mạch điện trở thuận khác 0 (có thể đến
hàng trăm Ω) còn khi hở mạch điện trở ng−ợc khác ∞ (cỡ vài trăm kΩ). Vì vậy các
bộ dồn kênh th−ờng đ−ợc bố trí sau CĐCH, ở đó tín hiệu đã đ−ợc chuẩn hoá.
Bộ đổi nối có hai chế độ làm việc:
- Chế độ chu trình: tín hiệu các cảm biến sẽ lần l−ợt đ−a vào A/D theo một
chu trình. Tần số lặp lại của tín hiệu sẽ đ−ợc lựa chọn tuỳ từng trường hợp sai số của phép đo
cho tr−ớc.
- Chế độ địa chỉ: bộ đổi nối làm việc theo một ch−ơng trình đã định sẵn.
Do sai số của bộ dồn kênh tăng khi số l−ợng kênh tăng nên đối với các cảm
biến thông minh ng−ời ta th−ờng hạn chế số kênh sử dụng.
Trên hình 8.5 là sơ đồ nguyên lý của một bộ đổi nối điện tử MUX 8 bit loại
CD 4051.
Bộ
biến đổi
mức
logic
Thanh
ghi
Đầu ra đến A/D
0 1 2 7 . ..
Đầu vào
K0
K1
K2
K7
23
22
21
20
Bit điều khiển
từ àP
Hình 8.5 Bộ dồn kênh MUX 8 bit
Các bit điều khiển từ àP đ−ợc đ−a đến bộ biến đổi mức logic để điều khiển
thanh ghi cho ra xung đóng mở tám khoá K0, K1, ..., K7 đ−a t...