Đồ án tốt nghiệp Đo tự động hiệu áp suất khí

= - j I . MN . . e- j (V) ` Trong đó: I - cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp; = 2f với f là tần số nguồn cung cấp ( Hz ). Giá trị và pha của điện áp ra E phụ thuộc vào vị trí của lõi ferit so với vị trí trung gian. Mối liên hệ của E vào tỷ số được mô tả trên (hình 1.17b).ở đây khi lõi ferit dịch chuyển lên phía trên được biểu thị là dịch chuyển dương, còn dịch chuyển xuống phía dưới là dịch chuyển âm. Dấu ( - ) biểu thị điện áp khi dịch chuyển âm ngược pha so với điện áp khi dịch chuyển dương. Độ dịch chuyển XN của lõi ferit so với vị trí trung gian được chế tạo nhiều khoảng khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng (ví dụ có loại 1,6 mm, có loại 2,5 mm, và có loại 4 mm). Chuyển đổi tự động là bộ chuyển đổi góc quay sang điện áp xoay chiều có giá trị định mức. Chuyến đổi tự động. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và đặc tính của chuyể đổi từ động được mô tả Trên (Hình 1.18). Hình 1.18 Chuyển đổi từ động (a), Và đặc tuyến của nó (b). Cấu tạo của nó gồm khung dẫn từ 1 có vít 2 để hiệu chỉnh từ trở của khung dẫn từ. cuộn kích từ 3 được nối với nguồn xoay chiều tạo nên từ trường xoay chiều tần số 50HZ trong khung dẫn từ. Khung dây 4 nằm trong từ trường xoay chiều có thể quay quanh trục và có thể nối liên động với cảm biến đàn hồi. Hai lò xo 5 để nối điện với khung dây. Từ trường xoay chiều sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng trong khung dây. Sức điện động này phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy trong cuộn kích từ (cường độ từ trường) từ trở của khung từ, cấu trúc của khung dây và góc quay của khung so với phương nằm ngang. Khi giới hạn góc quay của khung tròn khoảng 200 thì mối liên hệ của E và được mô tả dạng tuyến tính : E = K . với K = 0,05 V / độ . Đồ thị mối liên hệ giữa E và được mô tả trên (hình 1.18b). Từ vị trí nằm ngang (vị trí 0) nếu khung dây quay ngược chiều kim đồng hồ thì góc là âm. Dấu âm điện áp khi góc âm thể hiện điện áp này được pha với điện áp khi dương. Trong cấu tạo của chuyển đổi tự động có thể có thêm cuộn xê dịch mà từ trường xoay chiều tạo ra sức điện động cảm ứng trong đó là 1 V. Điện áp cuộn xê dịch được mắc nối tiếp với điện áp E tạo nên đặc tuyến ra: U = UC + E. Theo giá trị định mức thì góc sẽ thay đổi từ - 200 đến 200 điện áp U sẽ thay đổi từ 0 đến 2 V. Cảm biến áp suất kiểu điện dung. (Hình1.19) Sơ đồ cảm biến kiểu điện dung. Màng kim loại 1 nhân áp suất đo là một bản cực động của biến đổi điện dung. Bản cực tĩnh 2 được cách điện với vỏ bằng thạch anh. Sự phụ thuộc của điện dung C vào độ dịch chuyển của màng 1 có rạng: C = .S / ( Trong đó: hằng số điện môi của cách điện điền đầy khe hở giữa các bản cực S : Diện tích bản cực, : khoảng cách giữa các bản cực khi áp suất bằng 0. Để biến đổi điện dung C thành tín hiệu đo lường, thường người ta dùng cầu xoay chiều hay mạch vòng cộng hưởng L-C. Bộ cảm biến áp suất kiểu điện dung để đo áp suất đến 120 MPa. Bề dày của màng từ 0,005 - 1 mm. Nó dùng trong trường hợp áp suất thay đổi nhanh. Hằng số thời gian biến đổi là 10- 4 s. Sai số là ±(0,2-5) %. Cảm biến áp suất kiểu điện trở tenxơ Bộ cảm biến áp suất này là các phần tử nhạy cảm với biến dạng thường là Các màng mỏng được dán các điện trở tenxơ. Nguyên lý làm việc chủ yếu của điện trở tenxơ là hiệu ứng tenxơ thực chất là tạo ra sự thay đổi điện trở của vật liệu dẫn hay bán dẫn khi chúng bị biến dạng. Sự biến thiên điện trở và biến dạng xác định theo quan hệ: Trong đó: - Sự biến thiên điện trở tương đối của điện trở tenxơ. k- là hệ số không đổi, được xác định bởi vật liệu bằng điện trở tenxơ. - Sự thay đổi chiều dài tương đối của điện trở tenxơ. Các lá điện trở tenxơ được chế tạo từ mangan, nicrôm và ngay cả vật liệu bán dẫn loại P và N. Điện trở tenxơ chế tạo từ vật liệu dẫn điện có điện trở từ 30-500 , còn điện trở tenxơ bán dẫn có giá trị từ 10- 2 đến 10 k. Với công nghệ hiện đại, người ta đã chế tạo các điện trở tenxơ trực tiếp trên các tinh thể silic hay đá quý. (Hình 1.20a) màng đá quý 3 có đặt một miếng phảng điện trở tenxơ loại P với độ nhạy dương ở vị trí 1 và âm ở vị trí 2. Độ nhạy dương có ở các tenxơ mà tỷ số > 0, còn khi < 0 có độ nhạy âm. Cấu tạo của một tenxơ phẳng trên(hình 1.20b) Điện trở tenxơ có thể đặt trên màng sao cho khi biến dạng điện trở gia tăng có dấu khác nhau. Điều đó cho phép tạo ra một sơ đồ cầu. Trong mỗi một nhánh được mắc với điện trở tenxơ tương ứng với giá trị và các phần tử bù nhiệt độ. bộ biến đổi đo áp suất kiểu áp điện. Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi này dựa trên cơ sở biến đổi áp suất đo thành ứng suất nhờ có sự biến dạng của các phần tử nhạy cảm. Nguyên lý tác dụng của các cảm biến áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện có trên một số tinh thể như: thạch anh, turmalin, titan, bari v.v... Bản chất của hiệu ứng áp điện là nếu có một lát cắt thạch anh theo trục x chịu nén một lực N, thì trên mặt cạnh của nó sẽ suất hiện các điện tích với các giá trị khác nhau. Giá trị điện tích Q phụ thuộc vào lực nén N theo quan hệ Q = kN. ở đây k là hệ số phụ thuộc vào kích thước của lát cắt và bản chất của tinh thể. Ví dụ đối với thạch anh k = 2,1.10-12 C/N. Trên ( hình 1.21) chỉ ra sơ bộ biến đổi áp suất bằng tinh thể áp điện. áp suất đo được biến đổi nhờ màng 4 thành ứng suất, tạo nên một lực nén lên miếng thạch anh 2, đường kính 5mm, có bề dày 1mm. Điện tích Q suất hiện ở cửa ra 1 được đưa tới bộ khuyếch đại điện tử 5 có tổng trở vào rất lớn cỡ 1013 . . Quan hệ giữa điện tích Q và áp suất P là : Q = k . F . P Trong đó : F là diện tích hữu ích của màng. Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi áp suất bằng tinh thể áp điện. Để giảm quán tính của bộ biến đổi, người ta giảm thể tích của buồng (3) . Rằng tần số dao động riêng của hệ thống màng - lát cắt thạch anh vào khoảng hàng trục KHz, nên bộ biến đổi đo loại này có đặc tính động học cao, do đó chúng được sử dụng rộng rãi để đo và kiểm tra áp suất trong hệ thống có quá trình dòng chảy nhanh. Độ nhạy của bộ biến đổi có thể nâng cao bắng cách mắc song song một số tinh thể thạch anh và diện tích hữu ích của màng. Giới hạn trên của bộ biến đổi áp suất kiểu áp điện với tinh thể thạch anh tư 2,5 - 100 MPa. Cấp chính xác 1,5 ; 2. bộ biến đổi này không dùng để đo áp suất tĩnh. bộ cảm biến áp suất kiểu biến dạng trên cơ sở của phương pháp cân bằng. Bộ cảm biến này được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghiệp. Chúng được nối với hệ thống truyền tín hiệu đo đi xa là dòng điện hay khí nén tiêu chuẩn. Đặc điểm của bộ biến đổi này là dùng cấu tạo sơ đồ khối của các bộ biến đổi tiêu chuẩn . “ Lực - áp suất “ hay “ Lực - dòng điện “ . Điều đó cho phép tạo ra trên gốc của chúng không những áp suất dư mà có cả sự chênh lệch áp suất và độ chân không. (Hình1.22) chỉ ra sơ đồ nối phần tử nhạy với biến dạng bộ biến đổi chuẩn “Lực - áp suất “. Cấp chính xác của bộ biến đổi đo khí nén : 0,5 ; 1 ; 1,5. Hình 1.22 Sơ đồ khối phần tử nhạy biến dạng với bộ biến đổi tiêu chuẩn “lực - áp suất “. 1.2.3 Chỉ thị đo . Trong tổ hợp thiết bị đo, mỗi chuyển đổi đo đi đồng bộ với một thiết bị chỉ thị của nó. Như vậy sẽ có thiết bị chỉ thị đo cho biến áp vi sai và chỉ thị đo cho chuyển đổi tự động. Chỉ thị đo cho biến áp vi sai: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của thiết bị đo đI đồng bộ với chuyển đổi kiểu Biến áp vi sai được mô tả trong (hình 1.23). Hình 1.23 Chuyển đổi và chỉ thị đo dùng biến áp vi sai. Hai biến áp vi sai b1 và b2 có cấu tạo hoàn toàn giống nhau. B0 là biến áp vi sai sử dụng để chỉnh không. Công tắc K để kiểm tra thiết bị chỉ thị đo. Khi ấn công tắc K điện áp U2 được đưa vào bộ khuyếch đại KĐ. Tính hiệu ra của bộ khuyếch đại sẽ điều chỉnh động cơ quay làm con cam C xê dịch vị trí của lõi ferit trong biến áp vi sai B2 về vị trí trung gian. Khi lõi ferit đạt đến vị trí trung gian thì U2 = 0, động cơ dừng lại, nếu thiết bị chỉ thị bình thường thì kim đồng hồ phải dừng lại ở vị trí đánh dấu trên thang chia độ. Để nghiên cứu quá trình làm việc của hệ thống, chúng ta giả sử lõi ferit của biến áp vi sai chỉnh không B0 nằm ở vị trí trung gian. Nếu vị trí của lõi ferit trong b1 và b2 khác nhau thì U1 U2, giá trị sai lệch U giữa hai điện áp này sẽ được khuyếch đại lên để điều khiển động cơ Đ làm việc. Động cơ quay sẽ quay con cam C làm di chuyển lõi ferit trong biến áp vi sai B2 về hướng lập lại trạng thái cân bằng của hệ thống, nghĩa là U2 = U1. Như vậy cứ mỗi vị trí của lõi ferit trong biến áp vi sai b1 hệ thống điều chỉnh luôn luôn đảm bảo một vị trí tương ứng của lõi ferit trong biến áp vi sai B2 , tức là một vị trí tương ứng của kim trên thang chia độ. Đây là một hệ thống theo dõi mà đại lượng đích của nó là biến dạng của các cảm biến đàn hồi dưới tác động của áp suất dẫn đến sự thay đổi của vị trí lõi ferit trong biến áp vi sai phát b1. Sơ đồ khối cấu trúc được mô tả trên (Hình 1. 24). Hình 1.24 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống. K1 là hệ số chuyển đổi của lõi ferit sang điện áp dịch điện áp của các biến áp vi sai. K là hệ số khuyếch đại của bộ KĐ. Tc là thời gian lõi ferit của cảm biến vi sai B2 dịch chuyển từ vị trí đầu đến vị trí cuối hay kim chỉ dịch chuyển từ đầu đến cuối vị trí cuối chia độ. X là dộ dịch chuyển của lõi ferit trong biến áp vi sai. B1 còn y là lõi ferit trong biến áp vi sai B2. trong cấu trúc của hệ thống có một khâu tích phân nên khi X thay không đổi thay đổi thì y = X. Khi X thay đổi thì giữa y và X sẽ có sai lệch phụ thuộc vào phương trình thay đổi của X theo thời gian và tốc độ thay đổi. Chỉ thị đo tự động: Sơ đồ hệ thống chuyển đổi tự động thiết bị chỉ thị được mô tả trên (Hình 1.25). Hai chuyển đổi tự động T1 và T2 có cấu tạo hoàn toàn giống nhau. T1 là chuyển đổi đo, T2 là thiết bị so sánh nằm trong thiết bị chỉ thị đo. Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chuyển đổi từ động. Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: Điện áp phát ra từ chuyển đổi đo E1 được so sánh với điện áp ra E2. Giá trị sai lệch E giữa hai điện áp này được bộ khuyếch đại KĐ lên. tín hiệu ra của bộ khuyếch đại sẽ điều khiển động cơ D làm việc. Động cơ quay qua bộ truyền động sẽ làm quay khung dây của chuyển đổi từ động T2 về hướng lập lại trạng thái cân bằng của hệ thống. Như vậy với mỗi góc quay 1 của khung dây trong chuyển đổi tự động T1 của hệ thống điều khiển đảm bảo tạo ra góc quay 2 tương ứng (2 = 1 ), của khung dây trong chuyển đổi tự động T2 Đây là hệ thống điều khiển có sơ đồ khối cấu tạo tương đương như sơ đồ ( hình 1.25 ). Chỉ thị đo tự động còn có các loại như: Sensor áp suất với màng sọc co giãn kim loại (strain gauge). Màng sọc co giãn là loại sensor rất quan trọng dùng để đo áp suất ,lực ... đã được phát triển đầu tiên ở mỹ trong những năm cuối thập niên 40. Lợi điểm của màg sọc co giãn là có trị số đo chính xác, kích thước bé. Mạch đo hầu như được dùng với cầu wheatstone. Để có độ chính xác cao mạch điện cần nhiều điện trở bù trừ và sửa sai. Nguyên tắc thật đơn giản: Khi một sợi dây điện bị kéo căng ra, nó trở nên dài hơn và ốp hơn: Điện trở của nó gia tăng, khi nó bị nén co lại, nó trở nên ngắn hơn và mập hơn: Điện trở của nó giảm đi. Nếu ta giữ nó trong ranh giới đàn hồi, sau khi co giãn nó vẫn giữ nguyên kích thước và trị số điện trở như trước. Nếu ta gắn chặt dây điện này trên một phần tử đo đạc (ví dụ dán dính ...) chiều dài của dây điện thay đổi theo chiều dài, sự biến dạng của phần tử này. Sự thay đổi điện trở của dây điện tương ứng với lực, áp suất làm biến dạng phần tử mà ta cần khảo sát. Điện trở R của một dây dẫn điện tuỳ thuộc vào chiều dài l, mặt cắt ngang q và điện trở suất . R = . Trường hợp dây dẫn điện bi kéo giãn ra hay nén co lại, chiều dài, mặt cắt ngang và cả điện trở suất của nó bị thay đổi và do đó điện trở suất của nó bị thay đổi. Để khảo sát sự thay đổi điện trở suất R theo các đại lượng nằm bên phải của phương trình trên như thế nào, chúng ta dùng cách tính sai số để tính sự thay đổi tương đối của điện trở R / R: . Thay vì mặt cắt ngang q, chúng ta đưa vào phương trình trên đường kính D: . Phương trình trên được sắp xếp lại bằng cách ta chia nó với sự thay đổi chiều dài tương đối l / l hay là độ giãn nở : Phần phía bên phải của phương trình chứa đựng trị số poisson , đó là tỷ lệ giữa sự co ngang với sự thay đổi tương đối của chiều dài. Như vậy cuối cùng ta có: K = Màng sọc co giãn kim loại . Với sự biến dạng đàn hồi của kim loại , điện trở suất P của nó thay đổi rất ít . như thể phần tử của phương trình trên coi như không đáng kể. trị số Poisson của các vật liệu thông thường khoảng từ 0,2 đến 0,5. Như thế trị số K có giá trị lớn nhất là 2. K = 1 + 2 1 + 2. 0,5 = 2 . Vật liệu để làm màng sọc co giãn có thể là vật kim loại hay vật liệu bán dẫn thường là silic. Dưới tác dụng của áp suất màng sọc co giãn bị biến dạng. Sự thay đổi điện trở của nó gồm hai thành phần: Hình học và tính chất vật liệu của nó. Sự thay đổi thành phần sau là do điện trở suất của nó bị thay đổi. Senror áp suất với màng sọc co giãn bằng kim loại phần lớn dựa vào sự thay đổi của kích thước hình học. Trong khi đó sensor áp suất với màng sọc co giãn bán dẫn dự vào sự thay đổi của chính vật liệu của nó, ở đây là điện trở suất - đến 98 %. Phần còn lại đóng góp vào sự thay đổi điện trở là do sự biến dạng của kích thước hình học. Sensor áp suất với màng sọc co giãn kim loại được chia làm ba loại tuỳ theo phương pháp chế tạo: Màng sọc co giãn lá kim loại. Màng sọc co giãn màng mỏng. Màng sọc co giãn màng dày. Màng sọc co giãn lá kim loại. Cấu trúc thông thường cho ta K ≈ 2 với vật liệu kim loại. Màng sọc co giãn loại thông thường là những đường dẫn điện bằng kim loại rất mịn nằm trên một nền bằng chất dẻo. Người ta thực hiện bằng phương pháp in lụa hay quang khắc . Vì sự thay đổi chiều dài trong thực tế rất bé, cho nên đường dẫn điện này được chế tạo thành đường uốn khúc để có chiều dài khá lớn nằm trong một diện tích bé , từ đó ta có sự thay đổi điện trở đáng kể. Trong (hình 1.26) trình bày các loại màng sọc co giãn. Đường dẫn điện phình ra ở các điểm uốn để giảm sai số đo ở các đường giãn nở ngang. Thường người ta chế tạo nhiều màng sọc co giãn trên cùng một nền để đo được cùng một lúc sự co giãn nhiều hướng khác nhau. Điện trở định mức từ vài trục đến vài trăm W. Điện trở của màng sọc bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ . để giải quyết vấn đề này người ta nối hai hay bốn màng sọc thành một nửa hay một cầu điện trở, nhưng chỉ một hoặc hai trong số đó chịu tác động của lực. Nhờ thế sự ảnh hưởng của nhiệt độ được loại bỏ một phần lớn. Màng soc co giãn không chỉ được chế tạo để trần ta còn có các loại tế bào cân, đo lực hình khối với nhiều hình dạng khác nhau để dùng trong công nghiệp cơ khí. Màng sọc co giãn có thể được gắn trên một màng đàn hồi hay trên một lưỡi gà (hình 1.26), các lưỡi gà được chọn sao cho những vùng trên bề măt có sự biến dáng âm và dương. Hình 1.26: Các loại màng sọc co giãn trong công nghiệp Một số đặc trưng kỹ thuật tiêu biểu của sensor áp suất màng sọc co giãn lá kim loại: áp suất làm việc 10…5.103 bar Tin hiệu đo 1… 2 mV/V Sai số tuyến tính 0,1 … 0,3 % Sự ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10K 0,05 … 0,3 % Dải nhiệt độ hoạt động - 40 0C … + 120 0 C Quá tải 200 … 1000 % áp suất làm việc. Tần số riêng 73… 200kHz Nguồn điện 0,8 …18 V Khả năng chống lại sự ăn mòn Tốt. Sensor áp suất loại màng sọc co giãn với kỹ thuật màng dày trên nền gốm. Sensor loại này không được dùng rộng rãi so với loại kỹ thuật màng mỏng Màng sọc co giãn được chế tạo trên một nền gốm (AL2 O3 ) với kỹ thuật in lụa.Lợi điểm của kỹ thuật màng dầy: Ta có thể chế tạo sensor áp suất và mạch khuếch đại với kỹ thuật mạch hỗn hợp. Một số đặc trưng kỹ thuật: áp suất làm việc 1… 2 . 102 bar Trị số đo 2… 10 mV/V Sai số tuyến tính 0,3 … 0,5 % ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10K 0,1… 0,3 % Dải nhiệt độ làm việc - 50 0 C … + 150 0 C Quá tải 130 % áp suất làm việc Khả năng chống lại sự ăn mòn Tốt. Tần số riêng 1… 20 kHz. Sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện. Ngoài việc đo áp suất với cảm biến màng sọc co giãn kim loại, thời gian Sau này loại cảm biến áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện bán dẫn được sản xuất nhiều cho việc đo áp suất và hiệu áp. Với kỹ thuật bán dẫn ngươi ta có thể chế tạo màng đo áp suất hoàn toàn bằng vật liệu silic. Điều này đưa đến việc toàn bộ kỹ thuật để chế tạo một cảm biến áp suất có thể thực hiện trên cùng một chip silic. Hiệu ứng điện trở áp điện trong bán dẫn. Dưới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể, các nguyên tử bị đẩy lệch đi đối với nhau. Điều này làm thay đổi các hằng số mạng và cả cấu trúc các vùng năng lượng, vùng dẫn và vùng hoá trị. Các ứng suất nén và kéo làm thay đổi điện trở suất của bán dẫn silic p như sau: -ứng suất nén sẽ hạ thấp các điểm cực đại của năng lượng vùng hoá trị và vì thế ta có sự gia tăng các điện tích theo hướng nén trong tinh thể. Và ngược lại, ứng suất kéo sẽ tác động sự nâng lên các điểm cực đại của năng lượng theo hướng của nó , do đó giảm đi các điện tích, điện trở gia tăng. - Trong một sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện, sự thay đổi điện trở do sự thay đổi kích thước hình học dưới tác dụng của áp suất chỉ đóng vai trò thứ cấp (chiếm 2 % sự thay đổi điện trở). Hiệu ứng được dùng ở đây là sự thay đổi điện trở suất theo các ứng suất cơ học trong tinh thể. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điền trở áp điện được mô tả như trên và được viết với phương trình như sau: . : hệ số điện trở áp điện. : Điện trở suất. : ứng suất cơ học. Hệ số điện trở áp điện tuỳ thuộc vào hướng tinh thể và điều kiện đo đạc. Các điện trở được đặt ở các điểm cực đại của ứng suất nén và kéo (hình 1.27). Tương ứng với các hướng tương đối của các thành phần của ứng suất cơ học, điện trường E và mật độ dòng điện j người ta phân biệt: Hiệu ứng cơ học E// j // Hiệu ứng ngang E // j ^ Hiệu ứng trượt ( E ^ j ) // Chỉ số đo cường độ của hiệu ứng áp điện là hệ số K tuỳ thuộc vào vật liệu. đó là hệ số tỉ lệ của sự thay đổi điện trở và độ dài một cách tương đối. . Hình 1.27 Vị trí màng sọc co giãn. = . Vậy hệ số K được viết với phương trình. K = Trong đó : là hệ số điện trở áp điện. E là mô đun dàn hồi của vật liệu. K có trị số bằng 2 cho kim loại và lớn gấp 50 đến 100 lần cho bán dẫn tuỳ độ pha tạp. Các sensor áp suất với kỹ thuật bán dẫn có những lợi điểm so với loại màng sọc co giãn như sau: Độ nhạy cao hơn. Sự tuyến tính tốt hơn. Sự trễ của áp suất và nhiệt độ đều bé. Độ tin cậy cao sau khi được làm trơ. Thời gian hồi đáp ngắn. Chịu đựng sự thay đổi tải cao do không có sự mỏi của màng silic đơn tinh thể. Cấu trúc nhỏ gọn. Dẻ tiền do sự sản xuất rất tinh tế với công nghệ planar của kỹ thuật bán dẫn. Cầu điện trở và biện pháp hiệu chỉnh các thông số. Tế bào đo áp suất của một cảm biến đo áp suất loại điện trở áp điện là một chíp silic vuông với khoảng 6 mm2 và có bề dày sau khi được ăn mòn khoảng 6 mm2 và có bề dày sau khi được ăn mòn khoảng . Hình 1.28 Cảm biến điện trở áp điện. Màng silic tác dụng như một mặt phẳng căng ra, khi bị uốn cong trên bề mặt nó xuất hiện những nơi bị căng và nơi bị co vào. ở những nơi này qua công nghệ khuyếch tán hay cấy ion. các điện trở được cấy vào. Các điện trở này cũng được căng ra hay co vào một cách tương ứng (hình 1.28). Ngoài ra các điện trở để bù trừ nhiệt độ cũng được bù trừ trên cùng một chíp hay trên một mạch hỗn hợp với cầu điện trở. Nhờ đó điện thế của cầu điện trở được khuyếch đại ngay trên cảm biến. (Hình 1.29). Ta có cầu điện trở của cảm biến với 4 điện trở giống nhau khi màng silic bị uốn cong R1 và R3 gia tăng trị số trong khi đó trị số điện trở R2 và R4 giảm đi. Do đó độ nhạy của cầu được gia tăng. Điện áp ra U4 của cầu được tính như sau: U4 = Uc c . Với R1 .(P) = R1 + R1 (P) Với một kỹ thuật thích ứng người ta có thể chế tạo sao cho các điện trở R1 có trị số giống nhau và sự thay đổi R1 cũng bằng nhau. Phương trình cho UA có thể được rút gọn như sau: UA = Ucc . Trong đó: là độ uốn cơ học. K là hệ số tỉ lệ. Hình 1.29 Cầu điện trở. Hàm số cho độ uốn cơ học của màng silic theo phép tính gần đúng bậc một có sự tuyến tính, do đó giữa điện áp ra và áp suất cũng có sự liên hệ tuyến tính: UA = U c c .K . . Khi độ uốn ra tăng khá cao ta không còn sư tuyến tính nữa. Với hai điện trở do sự gia tăng của độ uốn, một có trị số gia tăng và một có trị số giảm đi. Với sự chọn lựa trị số Ri giảm đi hơn khác một tí, hiệu ứng này có thể được triệt tiêu một phần nào. Các hiệu ứng nhiệt độ và nguồn điện thích ứng. Các cầu điện trở loại bán dẫn đều bị ảnh hưởng của nhiệt độ khá mạnh. Do đó việc bù trừ nhiệt độ cho cảm biến áp suất loại điện trở áp điện là rất cần thiết Sự thay đổi tương đối của điện trở đối với nhiệt độ. Sự thay đổi này tương ứng với sự gia tăng điện áp qua cầu điện trở và tương ứng với sự thay đổi trị số của từng điện trở. Với một điện thế không đổi, hiệu thế của cầu điện trở (độ nhạy) giảm mạnh khi nhiệt độ gia tăng. Độ nhạy được định nghĩa là điện thế định mức. ở ngả ra (mV) cho mỗi volt của nguồn điện cấp cho cầu điện trở và từng đơn vị áp suất. Độ nhạy có hệ số nhiệt độ âm, trị số của nó giảm khi nhiệt độ tăng. Khi cầu điện trở được cấp điện với một nguồn điện có cường độ dòng điện cố định, ta có sự triệt tiêu lẫn nhau của hai hiệu ứng a và b và ta được đường biểu diễn. Do đó để cấp điện cho các sensor áp suất điện trở áp điện nguồn dòng cố định là một giải pháp khá tốt để bù trừ sự ảnh hưởng của nhiệt độ nhờ hiệu ứng bù trừ tự động nêu trên (hình 1.30). Trình bày mạch điện với nguồn dòng 2 mA cho cảm biến 120 PC và 130 PC . Hình 1.30 Mạch điện. Chỉnh điểm sensor và khoảng đo. Khi hai bên màng đo áp suất có áp suất giống nhau, cảm biến áp suất loại điện trở áp điện vẫn có một điện thế offset cần phải được hiệu chỉnh về zero. Điện thế offset t này còn được gọi là điện thế offset- zero. Điện thế này gia tăng khi nhiệt độ tăng. Tuỳ theo điện thế âm hay dương mà biến trở P1 hay P2 (hình 1.31) được dùng đến. Độ nhạy của mạch đo được chỉnh với P3. Vì khi chỉnh điểm zero, độ nhạy cũng bị ảnh hưởng, nhưng không ngược lại. Do đó độ nhạy cần được chỉnh sau hết. Nếu cần mở rộng khoảng đo của cảm biến áp suất, ta có thể dùng mạch điện. Với khuyếch đại và mạch chống nhiễu. Khi ta chọn R1 = R3, điện áp ở ngõ ra có thể được chỉnh với biến trở R2 và ta có: Ua = U0 ( 1 +2 Hình 1.31 Điểm chỉnh không và độ nhạy. Mạch điện để bù trừ nhiệt độ chính xác. Như đã nói ở trên sự thay đổi của điện trở và độ nhạy của mạch điện theo Nhiệt độ tự bù trừ lẫn nhau với nguồn điện thế. Tuy nhiên với những đòi hỏi cao hơn để trị số đo thực ổn định đối với nhiệt độ ta cần có những biện pháp sau: (hình 1.32) là một mạch điện bù trừ nhiệt độ với 1 NTC và hai điện trở. Trường hợp sự ổn định của phép đo đối với nhiệt độ cao hơn nữa, ta có thể dùng mạch điện đó là mạch bicking. ở 25 0 C giữa hai điểm 1 và 3 ta có dòng điện ổn định 2 mA. Khi có sự thay đổi nhiệt độ ở cảm biến, do sự phản hồi của dòng điện qua R3 ta có sự khuyếch đại của hệ số nhiệt độ dương của cầu điện trở, dòng điện qua hai điểm 1 và 3 thay đổi theo: . Hình 1.32 Mạch điện bù trừ nhiệt độ. Chương II Hệ thống đo hiệu áp suất khí tự động 2.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống đo áp suất khí tự động. Hệ thống đo hiệu áp suất khí tự động thay thế áp kế chữ U gồm các yêu cầu sau: Độ chính xác đo 1mm. Kết quả đo được hiển thị bằng số. Có ghép nối với máy tính để điều khiển quá trình đo bằng chương trình và lưu chữ kết quả sau mỗi phép đo. Có thể đo hiệu áp suất tại 4 điểm cùng một lúc. Do đó đề tài xác định sơ đồ khối chức năng như sau: Hình 1.1 Sơ đồ khối của máy đo hiệu áp suất khí tự động. Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: Sự thay đổi áp suất làm biến dạng đàn hồi cảm biến dạng màng. Hoạt động của cảm biến dạng màng cho ta biết được sự thay đổi áp suất. Các sự thay đổi của cảm biến dạng màng được đo thông qua một cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện cho tín hiệu xung vuông hai pha lệch nhau 900. Để tăng độ phân giải của thiết bị, hai thiết bị này được qua mạch chia 4 để khuếch đại tín hiệu lên 4 lần. Tín hiệu được đưa vào bộ đếm sau đó qua mạch giải mã để hiển thị trên LED 7 thanh, cả sự thay đổi của màng được hiển thị bằng số. Cùng với mạch giải mã tín hiệu được chuyển qua mạch ghép nối đo để ghép nối với máy tính. Máy tính điều khiển quá trình đo, thu thập tín hiệu đo, xử lý và lưu lại. Để đo hiệu áp suất tại nhiều điểm khác nhau, ta sử dụng van phân kênh với bốn kênh đo. Chương trình điều khiển van đến vị trí cần đo hiệu suất để mở van, vị trí này được phát hiện nhờ các cảm biến quang điện. Khi van đã mở đùng vị trí, chương trình điều khiển phát lệnh dừng động cơ và đọc tín hiệu các thay đổi của màng sử lý sau một thời gian trễ để ổn áp. 2.2 Cảm biến đo hiệu áp suất khí. 2.2.1 Lựa chọn vật liệu làm cảm biến đo. Để làm cảm biến đo áp suất nhỏ cỡ mmH20 có thể dùng các vật liệu như: đồng, cao su, giấy, polymer, thép.v.v…Trong quá trình tìm hiểu đề tài đã thử nghiệm với hai loại vật liệu giấy và cao su đã thu được kết quả như sau: Với màng cao su 150, dày 2mm, chiều cao sóng tam giác 5mm, bán kính tâm cứng r0 = 10.5 mm đã thu được kết quả như dưới đây và đường đặc tuyến như (hình 2.2). Màng loại này mềm nhưng có độ trễ rất lớn không thể đạt được độ chính xác đó. PT(mmH2O) W0(mm) PN(mmH2O) W0(mm) 0 0 150 226 10 24 160 231 20 43 170 238 30 65 180 245 40 85 190 268 50 100 200 283 60 120 210 283 70 135 220 288 80 150 230 294 90 163 240 301 100 175 250 308 110 187 260 316 120 199 270 322 130 209 280 324 140 217 Hình 2.2 Đặc tính độ võng của màng cao su. Với vật liệu làm bằng giấy 150, dày 0,9mm, chiều cao tam giác 2,9mm, bán kính tâm cứng r0 = 10,5mm, bước sóng 11,58mm. Thu được kết quả như dưới đây và có đường đặc điểm tuyến như (hình 2.3). Màng này tương đối mềm nhưng có độ trễ lớn không thể làm cảm biến đo chính xác được. PT(mmH2O) W0(mm) PN(mmH2O) W0(mm) 0 0 190 102 10 7 180 100 20 12 170 99 30 18 160 97 40 23 150 95 50 29 140 91 60 36 130 88 70 41 120 85 80 45 110 81 90 50 100 76 100 55 90 73 110 61 80 69 120 65 70 64 130 70 60 59 140 75 50 54 150 80 40 48 160 85 30 42 170 90 20 36 180 95 10 30 190 100 0 16 200 103 Hình 2.3 Đường đặc tính của màng giấy. Vậy các vật liệu cao su và giấy không phù hợp để làm cảm biến đo áp suất. Vì vậy đã lựa chọn vật liệu làm cảm biến là đồng. 2.2.2 Tính toán cảm biến bằng vật liệu đồng. Với yêu cầu đo hiệu áp suất rất nhỏ đảm bảo độ chính xác cao đề tài đã lựa chọn cảm biến dạng màng sóng, hình tam giác và tâm cứng. Đặt bài toán màng: áp suất lớn nhất 300mmH20 Vật liệu đồng thanh, có môđun đàn hồi E = 100 Gpa. Chiều dày h = 0,1. Chiều cao sóng 1,78 mm. Bước sóng 11,58 mm. Hệ số Poisson = 0,3. Bán kính tâm cứng r0 = 10,5 mm. Yêu cầu: Xác định bán kính làm việc của màng sao cho độ phân giải của dụng cu đo tương ứng 1 mm H20 ? Tính toán: Do cảm biến quang dùng để đo chuyển vị của màng có độ phân giải 0,02 mm. Để đo được áp suất 300 mmH20 có độ phân giải 1 mmH20 thì màng phải biến dạng đàn hồi một lượng 6 mm. Tức là độ võng tại tâm màng là 6 mm. Phương trình đặc tính của màng sóng: (2.1) Trong đó: a, b, Ap là các hệ số. a = (2.2) b = (2.3) W0 là độ võng của tâm màng; P là áp suất lớn nhất; E là môđun đàn hồi; là hệ số Poát xông; h là chiều dày màng; r0 là bán kính tâm cứng; c = (2.4) là thông số thứ nguyên: ; (2.5) k1 và k2 phụ thuộc vào hình dạng của prôphin. Đối với prôphin hình tam giác ta có: k1 = và k2 = (2.6) Thay các giá trị đã cho vào phương trình trên ta tính được: R = 351,22 mm; Do kích thước R = 350 mm là quá lớn không thể lựa chọn được. Ta chọn kích thước của màng có bán kính làm việc R = 57,5 mm; ị Tính độ võng của màng bán kính R = 57,5 mm. Độ võng của màng được xác định theo công thức: W0 = Thay số vào tính được W0 = 0,83 mm. Như vậy sau khi chọn bán kính của màng R = 57,5 thì không đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Vì vậy phải nâng cao bán kính của màng lên bằng cách ghép nhiều màng lại thành hộp màng. Thực nghiệm đã tính toán được khi ghép thành hộp màng thì độ cứng sẽ giảm đi rất nhiều ( bằng 1/3 so bvới màng đơn ) Dưới đây là các kết quả thực nghiệm khi chế tạo màng R = 57,5 mm, chiều cao sóng tam giác 1,78 mm, bán kính tâm cứng r0 = 10,5 mm, bước sóng 11,5 mm. PT(mmH2O) W0(mm) PN(mmH2O) W0(mm) 0 0 370 52 10 2 360 51 20 3 350 49 30 4 340 48 40 6 330 46 50 7 320 45 60 9 310 43 70 10 290 42 80 12 280 40 90 14 270 39 100 15 260 38 110 16 250 37 120 19 240 35 130 20 230 34 140 21 220 33 150 23 210 32 160 24 190 30 170 26 180 28 180 28 170 27 190 29 160 26 200 30 150 24 210 32 140 23 220 33 130 22 230 34 120 20 240 36 110 18 250 37 100 17 260 38 90 15 270 39 80 14 270 41 70 12 290 42 60 10 300 43 50 9 310 45 40 8 320 46 30 6 330 48 20 4 340 48 10 3 350 50 0 0 360 51 370 52 380 53 Hình 2.4 Đặc tính của màng đồng. Nhận xét: Màng này có độ cứng lớn nhưng đường đặc tuyến của nó gần như tuyến tính và không bị trễ khi về ‘0’. Để giảm độ cứng của màng phải ghép các màng lại thành màng hộp. Kết quả khi ghép hai màng lại thành hộp màng như ( hình 2.5). PT(mmH2O) W0(mm) PN(mmH2O) W0(mm) 0 0 290 110 10 3 280 107 20 7 270 104 30 11 260 99 40 15 250 96 50 19 240 93 60 23 230 89 70 27 220 85 80 31 210 81 90 35 200 77 100 39 190 73 110 43 180 69 120 47 170 65 130 51 160 61 140 55 150 57 150 59 140 53 160 63 130 49 170 67 120 45 180 71 110 41 190 75 100 37 200 79 90 34 210 83 80 30 220 86 70 27 230 89 60 23 240 93 50 19 250 96 40 15 260 99 30 11 270 103 20 7 280 106 10 3 290 109 0 0 300 113 Hình 2.5 Đặc tính của màng hộp. Chương iii Xử lý tín hiệu và hiển thị 3.1 Cảm biến đo chuyển dịch màng. Để đo chuyển dịch của màng đề tài đã lựa chọn bộ cảm biến 8930 của hãng Omron và thước có độ phân giải 0,08 mm. Cảm biến được cấp cho nguồn điện 0V và +5V. Khi thước dịch chuyển cho hai xung vuông có mức điện áp tương ứng là 0V và +5V lệch pha ±900. 3.2 Thiết kế mạch chia 4 và đếm gia số tuyệt đối. 3.2.1 Phân tích tín hiệu đo. Đặc điểm của tín hiệu thu được từ cảm biến: Độ lệch pha 2 tín hiệu là ±p/2 (tương ứng với 2 trạng thái tiến và lùi). Được biểu diễn trên (Hình 3.1). - Khi thay đổi chiều dịch chuyển thì có sự sớm pha hoặc chậm pha giữa hai tín hiệu, nghĩa là giữa đường tín hiệu có sự thay đổi vai trò cho nhau. Với đặc điểm tín hiệu như trên, vấn đề đặt ra là xác định chính xác số xung phát ra từ máy giao thoa từ đó chuyển đổi ra đơn vị chiều dài và đồng thời phải xác định được dấu dịch pha tức là chiều dịch chuyển khi kích thước cần đo có sự biến thiên. Ngoài ra luôn có yêu cầu nâng cao độ phân giải đối với thiết bị đo chính xác nên một vấn đề nữa đặt ra là chia nhỏ xung. Sin Coss Hình 3.1 Các vấn đề trên đã được giải quyết bằng phần mềm máy tính. Sau đây em đã sử dụng một giải pháp giải quyết các vấn đề trên bằng phần cứng mạch điện tử. Được biểu diễn trong (hình 3.2). X1 X 2 Hình 3.2 Giả thiết qui định dịch chuyển tín hiệu như sau: Thước cố định đầu đo dịch chuyển. Gốc toạ độ là vị trí chưa bị biến dạng của màng, tại một thời điểm đầu đo dịch chuyển theo chiều tiến dương, tín hiệu X1 sẽ sớm pha hơn X2. Khi đầu đo dịch chuyển ngược lại thì tín hiệu X1 sẽ trễ pha hơn X2. Nhận xét: -Trong một chu kì, cả hai tín hiệu có 4 sườn xung như vậy đếm theo sườn xung cho phép ta chia nhỏ một chu kỳ xung ra làm 4 lần. -ở một trạng thái dịch chuyển xác định, sự tương ứng của sườn tín hiệu này với mức của tín hiệu kia là xác định, điều này cho phép ta xác định xác định chiều dịch chuyển trong từng 1/4 chu kỳ xung. 3.2.2 Nguyên lý mạch. Hình 3.3 Từ những nhận xét trên ta đưa ra nguyên lý mạch chia 4 xung và xác định dấu pha như sau: Để đếm được sườn xung tín hiệu xung vuông cần được vi phân. Tín hiệu xung vuông sau khi vi phân như sau: Với sườn lên ta được xung vi phân với điện áp dương, với sườn xuống ta được xung vi phân với mức điện áp âm. Tuy nhiên các phần tử logic không làmviệc với mức điện áp âm, với mức điện áp âm không qúa lớn để đánh hỏng các phần tử logic thì nó coi như mức 0. Do đó để đếm được sườn xuống ta cần đảo tín hiệu xung vuông rồi lại cho qua bộ vi phân. Công việc nay được thực hiện đối với cả 2 tín hiệu như vậy trong một chu kì xung vuông ta nhận được 4 xung vi phân. Sơ đồ biến đổi tín hiệu được cho trong (hình 3.4)cho cả hai trường hợp tiến và lùi. Từ sơ đồ biến đổi tín hiệu ta lập được bảng trạng thái của hai tín hiệu đó như sau: X1 X2 X’1 X’1 X’2 X’2 Ftiến X1 X2 X’1 X’1 X’2 X’2 FLùi 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 Trạng thái tiến Trạng thái lùi Hình 3.4Trạng thái tiến(a) và trạng thái lùi(b) Ftiến = X’2X1 + X’1X2 + X’2X1 + X’1X2 Ftiến = X’1X2 + X’2X1 + X’1X2 + X’2X1 Từ hàm trạng thái trên ta có được sơ đồ nguyên lý mạch như trong (hình 3.5). Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch chia 4 3.3 Mạch đếm thuận nghịch và hiển thị. Đếm và Mã hoá mã hoá Giải mã Hiển thị Thuận Nghịch 3.6 Sơ đồ mạch đếm thuận nghịch và hiển thị Mạch này có nhiệm vụ đếm số xung nhận vào hai đầu thuận và nghịch sau đó hiển thị kết quả đếm. Nếu xung được đưa và đầu đếm thuận thì mạch sẽ đếm tăng lên ngược lại nếu đầu nghịch có xung thì mạch đếm giảm đi. Tại một thời điểm chỉ có một đầu vào có xung, đầu vào kia phải ở trạng thái treo. Đối với IC được lựa chọn trong thiết kế này, trạng thái treo ở mức điện áp cao. 3.3.1 Bộ đếm và mã hoá. Bộ đếm và mã hoá với hai đầu vào U, D và 4 đầu ra A, B, C, D. Trạng thái ban đầu được thiết lập khi bộ đếm được Reset, trạng thái ban đầu có thể được đặt tuỳ theo yêu cầu, thông thường đặt là 0. Khi một xung được đưa vào đầu U thì bộ đếm cộng thêm 1 và ngược lại khi một xung được đặt vào đầu D thì bộ đếm trừ đi 1. Số đếm được mã hoá dưới dạng nhị phân (BCD) 0 và 1 tương ứng với hai mức điện áp thấp và cao được đưa ra 4 đầu A, B, C, D. Một IC bộ đếm và mã hoá đếm trong phạm vi từ 0 đến 9 do đó cần 4 con số nhị phân tương ứng là 4 đầu ra. Khi số đếm vượt quá 9 thì bộ đếm quay về trạng thái ban đầu và một xung báo tràn được gửi ra, xung này thường được đưa vào bộ đếm tiếp theo để đếm ở hàng cao hơn. Trong thiết kế này sử dụng IC đếm và mã hoá 40192B. 3.3.2 Bộ giải mã. Bộ giải mã có chức năng chuyển đổi mã nhị phân nhận được ở đầu vào sang dạng có thể hiển thị số ở cơ số 10. ở đây xét bộ giải mã cho hiển thị bằng LED 7 đoạn. Bộ giải mã này có 4 đầu vào A, B, C, D tương ứng với 4 bit nhị phân và 7 đầu ra a, b, c, d, e, f, g tương ứng với 7 thanh LED. Sau đây là bảng giải mã: Mã vào BCD Hàm ra D C B A a b c d e F g 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 6 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 7 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 9 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 Bảng 3.7 Bảng giải mã của led 7 thanh. Hình 3.8 3.3.3 Bộ hiển thị số. Có nhiều loại các thiết bị hiện số quang học khác nhau chẳng hạn các bộ hiện số bằng đèn sợi đốt, đèn điện tích (đèn khí), LED, tinh thể lỏng. Phổ biến hơn cả là các bộ hiện số bằng LED 7 thanh bởi vì chúng phù hợp với các vi mạch TTL và tin cậy hơn cả. ở đây dùng loại LED 7 đoạn anốt chung. Để đảm bảo dòng anốt không quá lớn làm cháy LED đồng thời điều chỉnh được mức độ sáng của LED ta lắp thêm một biến trở ngoài. Để đếm 4 chữ số cần 4 LED 7 đoạn tương ứng là 4 IC mã hoá và 4 IC giải mã. IC mã hoá không làm việc với sô âm, khi đếm lùi quá 0 thì sẽ quay lại 9. Do yêu cầu đếm gia số tuyệt đối nên LED thứ 5 được dùng để hiển thị dấu ‘ - ‘ . LED này được điều khiển bằng mạch xử lí đếm gia số tuyệt đối. Mạch này cần nhận tín hiệu báo mạch đếm đã ‘về 0’, khi đó 4 chân ra của các IC mã hóa đều ở mức điện áp thấp. Để đưa ra tín hiệu ‘về 0’ các diod được sử dụng với chức năng phần tử đệm nối với các chân ra này. Sơ đồ mạch đếm và hiển thị được cho trong hình 3.9. 3.4 Mạch quét tín hiệu đo. Sơ đồ 3.10 Sơ đồ chân IC74LS373 Trước khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch điện này, ta tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt đông của một số linh kiện trong mạch: Vi mạch này chứa tám chốt loại D “truyền qua” (Transparent). Khi đầu vào CHO Phép (ENABLE) cao (H), đầu ra lặp lại đầu vào. Khi đầu vào CHO Phép thấp (L), dữ liệu ở đầu vào được tải đi. Vi mạch này có các đầu ra 3 trạng thái được điều khiển bởi chân 1 (OUTPUT CONTROL), nên còn được gọi là thanh ghi 3 trạng thái. Vcc = +5 V. Đây là thanh ghi lưu trữ vạn năng. Bảng chân trị như sau: Điều khiển đầu ra Cho phép D Q L H H H L H L L L L X Q H X X Hi-Z Vi mạch 74LS245. Hình 3.11 Sơ đồ chân IC74LS245 Vi mạch này cho phép dữ liệu truyền giữa hai BUS theo cả hai hướng. Đầu ra ở trở kháng cao (Hi-Z) khi đầu vào cho phép (enable) ở mức cao (H). Vcc = +5V. Nguyên lý hoạt động: Để điều khiển và thu thập số liệu đo thông qua bộ đệm và bộ chốt ta sử dụng thanh ghi dữ liệu từ D4 đến D7 và thanh ghi trạng thái của cổng máy in. Tín hiệu đo sau khi qua bộ đếm BCD được đưa đến đầu vào của vi mạch 74LS373 (còn được gọi là bộ đệm). Để đầu ra của vi mạch 74LS373 lặp lại dữ liệu đầu vào ta cho máy tính phát lệnh cho D7 = 1 (giả sử đầu vào cho phép được nối với bit 7 của thanh ghi dữ liệu), sau đó dữ liệu đầu vào của vi mạch này phải được tải đi để lấy dữ liệu tại vị trí đo kế tiếp, muốn vậy máy tính phải phát lệnh cho D7 = 0. Tại đầu ra của vi mạch 74LS373 dữ liệu được đưa đến BUS A của vi mạch 74LS245. Ta cần chú ý ở các cổng máy in chỉ có 5 đường dẫn tín hiệu vào, mà mạch quét trên lại có tới 12 tín hiệu (ứng với 3 bộ đếm BCD). Do đó ta chỉ có thể đưa lần lượt từng bộ BCD vào một. Để đưa tín hiệu của bộ đếm BCD thứ nhất vào ta cho máy tính phát lệnh cho D4 = 0 (giả sử đầu vào cho phép của vi mạch này được nối với bit 4 của thanh ghi dữ liệu), sau đó phải khoá đầu ra của vi mạch này bằng cách cho D4 = 1. Tương tự như vậy đối với bộ đếm BCD thứ 2 (D5) và 3 (D6). Tóm lại bằng cách gán các giá trị 0,1 một cách hợp lí cho các bit D4 đến D7 ta hoàn toàn thu thập được bộ số liệu đo vào máy tính. 3.5 Nguồn một chiều. Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và thiết bị điện tử hoạt động. Năng lượng một chiều của nó tổng quát được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biến đổi. Hình dưới biểu diễn sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh với các chức năng các khối như sau: -Biến áp để biến đổi điên áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U1 không cần biến áp. -Mạch chỉnh lưu có nhiêm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng Ut (có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự thay đổi này phụ thuộc cụ thể vào từng dạng mạch chỉnh lưu. -Bộ lọc có nhiệm vụ chuyển điện áp một chiều đập mạch Ut thành điện áp mộ chiều U01 ít nhấp nhô hơn. -Bộ ổn áp một chiều có nhiêm vụ ổn định điện áp ở đầu ra của nó U02 khi U01 bị thay đổi theo sự mất ổn định của U01. Trong nhiều trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần bộ ổn áp. Biến áp Mạch chỉnh lưu Bộ lọc ổn áp một chiều U ~ U2~ Ut U01 U02 Rt Mạch chỉnh lưu: Dùng mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dạng cầu gồm 4 van diod. Bộ lọc: Dùng bộ lọc bằng tụ điện. Do sự nạp và phóng của tụ qua các nửa chu kì và do các sóng hài bậc cao được rẽ qua mạch C xuống điểm đât chung, dòng điện ra tải chỉ còn thành phần một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Việc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dùng tụ dẫn tới kết quả: Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và Rt càng lớn. Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (tần số 50Hz hay 60Hz), trị số tụ C thường có giá trị từ vài mF đến vài nghìn mF ( tụ hoá). Chọn tụ 2200 mF. Bộ ổn áp: nhiệm vụ ổn định điện áp một chiều ra tải khi điện áp và tần số lưới điện thay đổi, khi tải biến đổi (nhất là đối với tải bán dẫn). Việc ổn định điện áp xoay chiều bằng các bộ ổn áp xoay chiều có nhiều hạn chế nhất là khi điện áp lưới thay đổi nhiều. Dùng bộ ổn áp một chiều bằng phương pháp điện tử được sử dụng đặc biệt khi công suất tải yêu cầu không lớn và tải tiêu thụ trực tiếp điện áp một chiều. Các mạch điện tử ở đây dùng điện áp một chiều 5V nên chọn IC ổn áp 7805. Chương IV Thiết kế van điều khiển theo chương trình 4.1 sơ đồ khối chức năng. Để đo được đồng thời hiệu áp suất khí tại 4 thời điểm khác nhau đề tài đã lựa chọn phương án đo dùng một cảm biến đo có van điều khiển theo chương trình có sơ đồ khối chức năng như sau: Nguyên lý hoạt động của van như sau: Chương trình phát lệnh điều khiển động cơ xuống mạch điều khiển động cơ. Mạch điều khiển động cơ có chức năng khuyếch đại điện áp lên đủ công suất cho động cơ quay. Động cơ một chiều được nối với van quay đến vị trí cần đo hiệu áp suất. Vị trí của van được xác định chính nhờ các cảm biến xác định vị trí. Cảm biến xác định vị trí sẽ thu các tín hiệu khi van đã được mở, qua mạch phát hiện vị trí để chuyển thành tín hiệu số rồi chuyền sang mạch nối ghép tổng hợp và chuyển vào máy tính. Khi máy nhận được tín hiệu xác định vị trí cần đo thì phát lệnh dừng động cơ và sau một thời gian ổn áp sẽ ghi lại sự biến thiên của cảm biến đo áp suất. 4.2 Thiết kế van. Cấu tạo như hình vẽ: Hình 4.2 Cấu tạo của van. Hoạt động của van nhờ động cơ truyền động đến trục quay 9 làm tấm 2 quay. Trên tấm 2 có khoét các lỗ để cho khí truyền qua từ các cửa vào 1 khi quay đến vị trí van cần đo được phát hiện nhờ cảm biến 10, cảm biến đo áp suất được nối với hai nửa ra của tấm 3. Hệ thống van được gắn trên tấm 13 nhờ vít 12 và vít chống xoay 11. Lực ép chặt giưa các bề mặt nhờ lò xo 4 và vít 5. 4.3 Điều khiển van. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ một chiều: Nếu cung cấp điện áp 5V cho đầu vào điều khiển trên sẽ mở 2 tranzitor A,D còn 2 tranzitor C, B đóng dòng điện từ Vcc qua tranzito A vào động cơ rồi qua tranzitor D về cực âm. nếu cung cấp điện áp cho đầu vào điều khiển dưới sẽ mở 2 tranzitor C, B còn 2 tranzitor A, D lúc này đóng dòng điện đi qua động cơ có chiều ngược lại làm động cơ quay theo chiều nghịch. Thuật toán điều khiển động cơ một chiều: Chương trình điều khiển động cơ khi van ở vi trí thứ nhất: Prcedure DK ( var x: integer ); Bigin Repeat Port[$378]: = x; T1: = doi(port[$379] and 8); Writeln(T1); Unitl T1 = 0 ; End; chươngv chương trình điều khiển program do_ap_suat; USES crt,dos,graph; Const D:array[0…3] of byte = (8,4,2,1); VAR cvm:str10; i,so:integer; soc:integer; It:array[0…3000]of real; t: array[0…3000]of real; s100:array[0…2000] of real; s:array[0…1000] of real; m:array[0…1000] of real; Hour,minute,second,sec100:word; n:word; R,Sd,Tg,Delta_phi:integer; Dem,stt:integer; Hn,ht,hc,hdv,dau:byte; f1:file of integer; file of real; Rct:array[0…361] of real; Phi:array[0…361] of integer; Anpha,e,es,delta_R:real; Rstr,tgstr,sdstr,w:str10; kt:boolean; success:boolean; {**************************} Procedure Do_hoa; Var d,m:integer; Path:string[20]; Begin d:=0; path:=’D:\TP\BGT; Repeat initfraph(d,m,path); if graphresult 0 then begin clrscr; gotoxy(15,25); write(‘LOIDOHOA> GO LAI PATH HOAC AN ENTER DE THOAT!); readln(path); if path = “then EXIT”; End; Until gapgresult = 0; End; {**********************************} Procedure cua_so(xt,yt,xd,yd,mn,mt,md,mc:word;st:string); Begin Setlinestyle(0,1,1); Setcolor(md); Setfillstyle(1,mn); Rectangle(xt,yt,xd,yd); Floodfill(roud((xt+xd)/2),roud((yt+yd)/2,md); Setcolor(mt); moveto(xt,yt);lineto(xd,yt);lineto(xd,yd); Setcolor(mc); settextstyle(q,0,4); OUTTEXTXY(xt+5,yt+8,st); End; Procedure Giao_dien; Begin Clear(0,639,479,11); Clear(95,10,539,55,7); Clear(100,5,544,50,13); Settextstyle(2,0,4); setcolor(yellow); Outtextxy(235,10, ‘truong dai hoc bach khoa Ha noi’); Outtextxy(235,22, ‘ khoa co khi’); Outtextxy(222,34, ‘ bo mon co khi chinh xac Va quang hoc’); Settextstyle(0,0,3); setcolor(0); OUTTEXTXY(35,65, ‘MAY DO AP SUAT ‘); Setcolor(4); Outtextxy(35,95, ‘ automatic atmometer ‘); Cua_so(30,135,500,420,25,15,1,1,’’); Cua_so(520,135,620,420,2,15,1,1,”); {setcolor(8); TAO CAC DONG NGANG & THANG} {Line(0,445,639,445); Setcolor(15); Line(370,287,494,287); Line(504,335,629,335); Line(504,235,629,235); } End; (*****************************} Procedur Toa_do; Begin Setcolor(15);settextstyle(0,0,0); Line(50,400,50,155); Line(50,400,480,400); Line(50,155,53,160); line(50,155,47,160); Line(480,400,475,403); Line(480,400,475,397); Setcolor(4); Outtextxy((475),(400-10) ‘t’; outtextxy((50+5), (155-10), ‘cv’); Outtextxy((50+5),(400-10), ‘O(0,0)’); OUTTEXTXY((50+80),(400+10), ‘ So do chuyen vi mang’); End; {*******************************} Procedure Gioi_thieu; Var c:char; Begin Clear(0,0,639,479,11); Clear(40,50,569,150,7); Clear(50,40,579,140,13); Settextstyle(2,0,7); setcolor(1); OUTTEXTXY(130,50, ‘TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI’); OUTTEXTXY(130,80, ‘ KHOA CO KHI’); OUTTEXTXY(108,110, ‘ BO MON CO KHI CHINH XAC  VA QUANG HOC’); Settextstyle(1,0,3); OUTTEXTXY(209,170, ‘ DE TAI’); Settextstyle(0,0,2); setcolor(0); OUTTEXTXY(60,220, ‘ NGHIEN CUU THIET KE MAY DO AP SUAT’); Settextstyle((1,0,2); setcolor(2); OUTTEXTXY(80,300, ‘ G.v huong dan: T.S_ NGUYEN VAN VINH’); OUTTEXTXY(85,35, ‘ S.v thuc hien: LE THI HANH _ PHUNG THI THU HUONG’); OUTTEXTXY(85,400, ‘ Lop : CK6_ML ‘); Repeat Repeat Cua_so(550,440,630,470,3,15,8,4,’ THOAT’); Delay(10); Cua_so(550,440,630,470,3,15,8,15, ‘ THOAT’); Delay(10); Until keypressed; c:=readkey; Until c=#13; Giap_dien; End; {********************************} Funstion doi(x:byte):byte; Begin If x then doi:=1; Else doi:=0; End; Procedure Re_set; Begin Port[$37A]:=4; delay(1); Port[$37A]:=0; End; {********************************} Procedure Tinh (var h:byte); Var a,b,c,d:byte; Begin a:=doi(port[$379] and 16); b:=doi(port[$379] and 32); c:=doi(port[$379] and 64); d:=doi(port[$379] and 128); if d = 1 then d:=0 else d:=1; h:=a shl(0)+ b shl(1)+ c shl(2)+d shl(3); End; {********************************} Procedure Quet(var so:integer); Begin Port[$e378]:=127; Port[$e378]:=126; Port[$e378]:=93; Tinh(hdv); Port[$e378]:=91 Tinh(hc); Port[$e378]:=87; Port[$e378]:79; Tinh(hn); dau:=doi(port[$379] and 8); so:=1000*hn+100*ht+10*hc+hdv; if dau=1 then so:= - so; End; {**********************************} Procedure Du_lieu(dem:bytew); Begin Case dem of 1: w:= ‘c:\sl1.txt’; 2: w:= ‘ c:\sl2.txt’; 3: w:= ‘ c:\sl3.txt’; 4: w:= ‘c:\sl4 .txt’; 5: w:= ‘c:\sl5.txt’; End; End; {******************************} Procedure Ghi_DL; Begin Closegraph; Write(‘Ten file:’); Readln(w); W:= ‘C:\ ‘+ w +’ txt’; End; {*********************************} Procedure Nhap; Begin {settextstyle(2,0,4); setcolor(2); OUTTEXTXY(512,170, ‘ Ban kinh danh nghia’); Settextstyle(2,0,5); OUTTEXTXY513,257, ‘ Toc do dong co ‘); OUTTEXTXY(506,270, ‘ (Thoi gian delay)’); OUTTEXTXY(523,370, ‘ So diem quet’); Sttextstyle(2,0,7); OUTTEXTXY(518,190, ‘R=’); OUTTEXTXY(525,290, ‘T=’); OUTTEXTXY(535,390, ‘N’); End; {*********************************} Procedure In _Ket_Qua; Begin Clear(372,147,492,285,0);Clear(370,300,494,435,0); Setcolor(15); Line(370,300,370,435);Line(371,435,494,435); Setcolor(8); Line(494,300,494,435); Secolor(14); Settextstyle(2,0,6); OUTTEXTXY(380,170, ‘ Do lech tam’); End; {******************************} Procedure Menu; Lable tt; VAr Sott,dem,dd,k:integer; Key:char; St:array[0…10] of string; demstr:string; b:array[1.3] of byte; xt,x0,y0,x1,y1,x2,y2:integer; x,y:real; xstr,ystr,kphistr,sostr:string[10]; {****************************} Function read_byte:byte;assembler; Asm Mov dx,379h in al,dx and al,00010000b End; {****************************} Procedure Nut_lenh(n:byte); Var i:byte; begin For i:=0 to n do Cua_so(xt+50*i+I,446,xt+50+50*i+I,471,7,15,8,0,st[i]); End; {********************************} Begin xt:150; st[0]:= ‘ DO’; st[1]:= ‘ GHI_DL’; st[2]:= ‘ DO_THI’; st[3]:= ‘ THOAT’; Nut_lenh(4); Cua_so(xt,446,,xt+50,471,3,15,8,0,st[0]); sott:=0; kt:= true; i:=0; While true do Begin Key:=readkey; Case key of #13:if sott=4 then EXITelse Case key of 0: begin St[0]:= ‘DANF DO’; Toa_do; Cua_so(530,145,610,165,15,7,1’’); Cua_so(525,170,615,200,7,15,7,1,’’); Cua_so(530,175,610,195,0,8,15,1,’’); OUTTEXTXY(540,150, ‘CV cua mang:’); re_set; quet(so); soc:=so; repeat; Quet(so); If (socso) then Begin Cua_so(530,175,610,195,010,91,50,’’); str(so:2,cvm); OUTTEXTXY(552,180,cvm); Gettime(Hour,minute,second,sec100); It[i]:=so; s[i]:=second; s100[i]:=sec100; m[i]:=minute; n:=n+1; i:=i+1, soc:=so; end; until keypressed; end; 1: begin Ghi_DL End; 2: begin DO_THI End; 3: begin Gio_thieu Cua_so(xt+50*sott,446,xt+50+50*sott+sott,471,3,15,8,0,sott); End; 4: bengin Break; End; End; #75:begin St[0]:= ‘ DO’; Cua_so(xt+50*sott+sott,446,x+50+50*sott+sott,471,7,15,8,0st[sott]); Sott:=sott+1;if sott>4 then sott:=0; Cua_so(xt+50*sott+sott,446,xt+50+50*sott,471,3,15,8,0,st[sott]); End; End; End; End; {*********************************} Begin Do_hoa; Giao_dien; Toa_do; Menu; Closegraph; END.