Tính toán, thiết kế phương tiện đo số xác định hiệu nhiệt độ trong điều kiện môi trường biến đổi nhanh

Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính P.N. Thắng, B. V. Sáng, “Tính toán, thiết kế phương tiện môi trường biến đổi nhanh.” 98 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ PH­¬NG TIÖN ®O Sè x¸c ®Þnh HIÖU NHIÖT ®é TRONG ®iÒu kiÖn M«i Tr­êng biÕn ®æi nhanh PHẠM NGỌC THẮNG*, BÙI VĂN SÁNG* Tóm tắt: Hiệu nhiệt độ là một tham số quan trọng trong hệ thống điều khiển nhiệt cho phép giảm công suất, đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển, từ đó nâng cao được mức tác động và độ ổn định của hệ thống. Mặt khác, hiệu nhiệt độ cũng là đại lượng trung gian cho phép xác định nhiều đại lượng khác như nhiệt lượng, nhiệt dẫn, công suất siêu cao tần, Như vậy, việc giảm sai số của phương tiện đo hiệu nhiệt độ sẽ góp phần nâng cao chất lượng của nhiều quá trình công nghệ. Tuy nhiên, nhiệm vụ này không phải dễ thực hiện, đặc biệt khi thực hiện phép đo trong môi trường biến đổi nhanh. Chính vì vậy, bài báo đề xuất một phương án tính toán, thiết kế phương tiện đo hiệu nhiệt độ số giải quyết nhiệm vụ này. Phương tiện đo sẽ xử lý tín hiệu đo theo quy luật biến đổi của hàm lũy thừa cho phép đáp ứng tốc độ biến đổi nhanh của môi trường đo. Các kết quả tính toán, mô phỏng thiết kế bằng Matlab và Matcad cho thấy, phương tiện đo đã đề xuất trong bài báo có khả năng thích ứng với môi trường đo nhanh với sai số giảm nhỏ. Từ khóa: Phương tiện đo, Hiệu nhiệt độ, Loga, Bộ chuyển đổi đo. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thực tế kỹ thuật, ngoài các phép đo riêng từng đại lượng vật lý, chúng ta còn cần phải xác định rất nhiều phép đo hiệu 2 đại lượng cùng loại phục vụ cho các thí nghiệm khoa học và các quy trình công nghệ. Đo hiệu hai đại lượng là một lĩnh vực kỹ thuật đo lường rất rộng, mỗi dạng đại lượng đo đều có tính đặc thù, do đó phương pháp nghiên cứu chúng cũng có các đặc điểm riêng cho từng dạng đại lượng. Trong số các phép đo hiệu thì phần nhiều là do hiệu hai đại lượng không điện, trong đó có hiệu nhiệt độ. Đây là một trong những tham số rất quan trọng liên quan đến chất lượng của dây chuyền công nghệ trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, dầu mỏ, hàng không, y sinh, . [6, 10, 11, ]. Nó dùng để điều khiển các quá trình công nghệ và kiểm tra chế độ làm việc của các hệ thống thiết bị, trong đó có ngành kỹ thuật nhiệt. Mặt khác khi đo hiệu nhiệt độ ta có thể xác định được các tham số khác. Ví dụ như qua phép đo hiệu nhiệt độ ta có thể xác định được công suất siêu cao tần, độ ẩm, nhiệt lượng, nhiệt dẫn, tỉ trọng các chất trong hỗn hợp khí, [1, 5, 6, ]. Việc đo chính xác hiệu nhiệt độ sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, mang lại hiệu quả kinh tế-kỹ thuật cho các hoạt động khoa học và công nghệ. Vì vậy việc nghiên cứu đo hiệu nhiệt độ và nâng cao độ chính xác quá trình biến đổi hiệu nhiệt độ là nhiệm vụ mang tính thời sự. Hiện nay, đa phần các phương tiện đo (PTĐ) hiệu nhiệt độ sử dụng các bộ chuyển đổi đo sơ cấp (BCĐĐSC) có đặc tính biến đổi phi tuyến và cho dưới dạng bảng giá trị [2, 3, 4]. Để giảm sai số phi tuyến của chúng, từ đó giảm sai số của phép đo hiệu nhiệt độ thường sử dụng phương pháp nội suy bậc 2 qua 3 điểm dữ liệu kế tiếp, kết hợp nội suy với biến đổi lặp và dùng mẫu [4, 6], nội suy spline [7]. Các phương pháp này đều đạt hiệu quả tốt trong việc giảm sai số, tuy nhiên trong điều kiện môi trường đo biến đổi nhanh thì sai số gặp phải sẽ lớn do dạng hàm toán học thay thế cho đặc tính khắc độ biến đổi chậm. Nếu giảm sai số sẽ phải tăng số cặp Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 99 dữ liệu khắc độ làm giảm tốc độ xử lý của hệ thống. Điều này sẽ làm cho kết quả đo bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu, đặc biệt là nhiễu công nghiệp. Chính vì vậy, dưới đây sẽ đề xuất một phương án thiết kế phương tiện đo hiệu nhiệt độ kiểu loga có đặc tính biến đổi dạng hàm lũy thừa đáp ứng tốc độ biến đổi nhanh của môi trường đo. 2. CẤU TRÚC PHƯƠNG TIỆN ĐO HIỆU NHIỆT ĐỘ TÍCH PHÂN KIỂU LOGA Máy đo hiệu nhiệt độ số trên thực tế có thể xây dựng theo các nguyên lý biến đổi khác nhau, ví dụ theo nguyên lý bù, biến đổi tần số, biến đổi thời gian-xung, ... Tuy nhiên, như đã nêu ở trên, các BCĐĐSC đo nhiệt độ hiện nay đã phần có đặc tính biến đổi phi tuyến thì khâu hiệu chỉnh sai số trong PTĐ theo nguyên lý đầu ra rất phức tạp và khó thực hiện, còn xây dựng theo nguyên lý biến đổi thời gian- xung tích phân đơn giản và dễ thực hiện hơn cả [5]. Mặt khác khi đo nhiệt độ và hiệu nhiệt độ, giữa BCĐĐSC và bộ chuyển đổi đo thứ cấp (BCĐĐTC) không ở gần nhau mà phải nối với nhau bằng đường dây nối sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu của môi trường đo [8, 9]. Do đó vấn đề chống nhiễu, đặc biệt là nhiễu tần số công nghiệp cần được đặc biệt chú ý. Khi PTĐ làm việc trong môi trường có nhiệt độ thay đổi với tốc độ nhanh thì đặc tính khắc độ của BCĐĐSC có thể được thay thế bằng hàm lũy thừa với độ chính xác cao:    cbeaE (1) ở đây:  là nhiệt độ vào; E là đại lượng điện thứ cấp; a,b,c là các hệ số biến đổi. Trên hình 1 đưa ra sơ đồ chức năng của PTĐ hiệu nhiệt độ tích phân loại loga gồm các khối chức năng chính: Các BCĐĐSC 1, 2 để đo hai nhiệt độ cần tính hiệu; mạch đo (MĐ 1,2) để biến đổi tín hiệu sau BCĐĐSC thành đại lượng điện phù hợp với các bộ tích phân (TP 1,2); các bộ chuyển mạch (CM 1,2,3); bộ so sánh (SS); bộ tạo xung đếm (TXĐ), khóa điện tử (K), bộ đếm xung (ĐX) và bộ hiển thị số (HTS). Biểu đồ thời gian làm việc của PTĐ như hình 2. PTĐ được xây dựng từ 2 kênh biến đổi sơ cấp và các khối chức năng biến đổi tương tự-số tích phân, trong đó 2 BCĐĐSC có hàm biến đổi dạng (1). Quá trình hoạt động của PTĐ theo 3 bước: - Bước 1: TP2 tích phân điện áp nhận từ kênh BCĐĐSC 2 (CM2 chập), sau đó ghim lại mức điện áp làm ngưỡng so sánh (CM2 hở); - Bước 2: TP1 tích phân điện áp nhận từ kênh BCĐĐSC 1 (CM1 chập, CM3 hở); - Bước 3: Điện áp ra bộ tích phân TP1 được phóng và giảm dần theo hàm lũy thừa cho tới thời điểm các điện áp ra của 2 bộ tích phân bằng nhau (CM1 hở, CM2 chập). Như vậy xung cửa đã được xác định và mở khóa K cho phép dãy xung với tần số F ổn định qua khóa tới ĐX. Về nguyên tắc bước 1 và 2 có thể gộp làm một. Song để tiện so sánh sai số hệ số truyền đạt của các MĐ (K1,2) và thời gian tích phân T1,2 nên ta xét nguyên lý hoạt động của PTĐ theo 3 bước liên tiếp. Điện áp ra 2 bộ tích phân (Un1 và Un2) ở thời điểm kết thúc 2 bước đầu và hàm điện áp theo thời gian (Up1) ở đầu ra của TP1 ở bước 3 được xác định: Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính P.N. Thắng, B. V. Sáng, “Tính toán, thiết kế phương tiện môi trường biến đổi nhanh.” 100   11 1c 11n CR T U)bea(KU 1   (2) Hình 1. Sơ đồ khối máy đo hiệu nhiệt độ tích phân loại loga. 1pU = 1nU e 13CR t = 11 11 CR bTK 13111 CR t cc 1 c ee1e bK U e b a         (3) Hình 2. Biểu đồ thời gian làm việc của PTĐ. 2nU = 22 22 CR bTK 222 cc 2 c e1e bK U e b a         (4) ở thời điểm so sánh 1pU = 2nU , t= xT , ta rút ra: 1C3R xT e =                 1e bK U e b a 1e bK U e b a CRKT CRKT 11 22 c 1 c c 2 c 2211 1122 )(c 21e  (5) BCĐĐSC1 MĐ1 -U MĐ2 ĐK TXĐ K ĐX HTS SS  1 CM1 CM2 C1 C2 CM3 R2 R1 TP1 TP2 Nx F R3 BCĐĐSC2  2 U t Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 101 Lấy logarit 2 vế của (5), sau khi biến đổi độ rộng xung của xT về số lượng xung xN ta nhận được hàm biến đổi tổng quát của PTĐ hiệu nhiệt độ loại loga: xN = lnCFR)(cCFR 132113                  1e bK U e b a CRKT 1e bK U e b a CRKT 11 22 c 1 c 2211 c 2 c 1122 (6) Khi thực hiện: aKaKU 21  ,nếu 10=cCFR,CRTK=CRTK 1311222211 thì ta có: )(10N 21x  (7) Công thức (7) cho thấy, mã đầu ra tỷ lệ tuyến tính với hiệu nhiệt độ cần đo. Tuyến tính hóa hàm biến đổi được thực hiện nhờ quá trình biến đổi lặp lại trên bộ biến đổi thời gian-xung tích phân loại loga. 3. TÍNH TOÁN SAI SỐ THAY GẦN ĐÚNG CỦA HÀM BIẾN ĐỔI VÀ MÔ PHỎNG THIẾT KẾ PHƯƠNG TIỆN ĐO HIỆU NHIỆT ĐỘ 3.1. Tính toán sai số của PTĐ đo hiệu nhiệt độ Các tác giả đã tiến hành lập chương trình tính sai số cho PTĐ đo hiệu nhiệt độ theo cấu trúc hình 1 dùng BCĐĐSC họ PT 100 làm ví dụ [12, 13]. Dữ liệu ban đầu gồm có: hàm biến đổi tổng quát (6); hệ số biến đổi (bảng 1-bảng số liệu vào trong kết quả chạy chương trình hình 3); cho trước giá trị các tham số và độ lệch tuyệt đối của các tham số đo (cột 2, 3 bảng 1); phạm vi thay đổi hiệu nhiệt độ (cột 4 bảng 1). Hình 3 là kết quả chạy chương trình tính sai số, trong đó: Từ công thức (6) cho thấy mã đầu ra PTĐ hiệu nhiệt độ là hàm của các tham số sau: )F,U,C,C,R,R,R,T,T,K,K(fN 213212121x  (8) Sai số của PTĐ do độ lệch các tham số biến đổi trên được tính theo công thức [5]: 100 N h x x (9) với 22 2 2 2 1 2 3 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1x fuccrrrttkkh  ; trong đó: f,u,c,c,r,r,r,t,t,k,k 213212121  là sai số tuyệt đối quy đổi của các tham số hệ số MĐ, thời gian tích phân, điện trở, tụ điện, điện áp mẫu, tần số xung đếm tương ứng và chúng được tính bằng các công thức: i213212121 i i K.)F,U,C,C,R,R,R,T,T,K,K(f dK d k        với i=1,2 (10) i213212121 i i T.)F,U,C,C,R,R,R,T,T,K,K(f dT d t        với i=1,2 (11) Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính P.N. Thắng, B. V. Sáng, “Tính toán, thiết kế phương tiện môi trường biến đổi nhanh.” 102 Bang 1 (So lieu vao): -Cot 1:Cac he so cua ham luy thua: a,b,c va pham vi do -Cot 2:Tham so cua PTD thu cap:K1,K2,T1,T2,R1,R2,R3,C1,C2,U,F -Cot 3:Sai so tuyet doi cua cac tham so tuong ung -Cot 4:Bien thien 1 nhiet do (nhiet do thu 2 bang 650 do C) Bang 2 (So lieu ra): -Sai so tuyet doi quy doi theo so xung cua cac tham so theo cot 2 bang 1 -Hang cuoi: Sai so tuong doi (%) cua PTD khi dung 2 kenh KD Bang 3 (So lieu ra): -Cot 1: Hieu nhiet do -Cot 2: So xung tuong ung -Cot 3: Sai so tuong doi (%) cua PTD tuong ung voi pham vi do hieu nhiet do khi dung chung 1 kenh KD Hình 3. Kết quả chạy chương trình tính sai số của PTĐ hiệu nhiệt độ. i213212121 i i R.)F,U,C,C,R,R,R,T,T,K,K(f dR d r        với i=1,2,3 (12) i213212121 i i C.)F,U,C,C,R,R,R,T,T,K,K(f dC d c        với i=1,2 (13) U.)F,U,C,C,R,R,R,T,T,K,K(f dU d u 213212121 i        (14) F.)F,U,C,C,R,R,R,T,T,K,K(f dF d f 213212121 i        (15) ở đây: F,U,C,R,T,K iiii  là độ lệch tuyệt đối các tham số trên. Theo kết quả nhận được ở bảng 2, 3 trên hình 3, ta rút ra kết luận sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 103 - Sai số 2 bộ MĐ là lớn nhất so với thành phần sai số khác và là thành phần sai số ảnh hưởng cơ bản đến sai số tổng cộng của PTĐ; - Sai số của PTĐ xác định theo công thức (13) là 0,15% (hàng cuối bảng 3.2) ở hiệu nhiệt độ 8000C (hàng đầu cột 3 bảng 3); - Tuyến tính hóa hàm biến đổi với sai số không vượt quá 0,060C trong toàn dải đo, nếu hiệu nhiệt độ trong khoảng (0100)0C - khoảng hiệu nhiệt độ thông dụng trong công nghiệp, thì sai số càng nhỏ (0,010C); 3.2. Mô phỏng PTĐ đo hiệu nhiệt độ thời gian-xung tích phân loại loga Các tác giả đã thực hiện mô phỏng thiết kế PTĐ hiệu nhiệt độ theo sơ đồ hình 1. Trong các PTĐ được mô phỏng, phần lớn các khối chức năng có thể dùng lệnh Creat Subsystem mô đun hóa các phần tử theo nguyên lý cơ bản. Trên hình 4.a đưa ra sơ đồ mô phỏng PTĐ hiệu nhiệt độ thời gian xung tích phân loại loga gồm các khối chức năng chính: các BCĐĐSC PT1, PT2 có hàm biến đổi dạng (1); các bộ MĐ 1,2 để biến đổi đại lượng điện thu được của các BCĐĐSC thành dải đại lượng điện thứ cấp phù hợp với các bộ tích phân TP 1, 2; bộ so sánh SS, bộ tạo xung đếm (TXĐ), bộ đếm, bộ phân kênh, bộ HTS, máy hiện sóng (MHS), bộ điều khiển ĐK,các khóa và chuyển mạch. a) Sơ đồ mô phỏng PTĐ hiệu nhiệt độ. b) Biểu đồ thời gian làm việc. Hình 4. Mô phỏng PTĐ hiệu nhiệt độ kiểu thời gian-xung tích phân loại loga. Khi mô phỏng PTĐ theo nguyên lý thời gian-xung tích phân loại loga phải kết hợp tuyến tính hóa hàm biến đổi lũy thừa phi tuyến (1) của BCĐĐSC, giảm sai số Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính P.N. Thắng, B. V. Sáng, “Tính toán, thiết kế phương tiện môi trường biến đổi nhanh.” 104 biến đổi. Ở đây, quá trình tuyến tính hóa hàm biến đổi được thực hiện nhờ bộ biến đổi thời gian-xung tích phân loại loga theo quá trình biến đổi lặp lại phân kênh. Quá trình hoạt động của PTĐ theo 3 bước: - Bước 1: Bộ tích phân 2 tích phân điện áp nhận được từ PT2 trong 20ms, sau đó ghim lại mức điện áp làm điện áp so sánh. - Bước 2: Bộ tích phân 1 tích phân điện áp nhận từ PT1 trong 20ms tiếp theo. - Bước 3: Điện áp ra bộ tích phân 1 được phóng và giảm dần theo hàm lũy thừa cho tới thời điểm các điện áp ra của 2 bộ tích phân bằng nhau. Xung cửa được xác định, xung này mở khóa cho phép dãy xung với tần số chuẩn qua khóa tới bộ đếm. Khi ta thay đổi giá trị các nhiệt độ 1xt , 2xt (các đại lượng sai số tác động vào 1T , 2T ) thì chỉ số trên HTS vẫn bằng hiệu 2 nhiệt độ ở đầu vào (xem bảng 1-kết quả khảo sát) mặc dù hàm biến đổi của PTĐ là phi tuyến như công thức (1). Hình 4.b là biểu đồ điện áp của PTĐ mô phỏng cho thấy quá trình biến đổi đúng như nguyên lý đưa ra trên hình 2. Như vậy, bằng phương pháp biến đổi lặp lại và tuyến tính hóa hàm biến đổi ta đã loại trừ được ảnh hưởng của các yếu tố tác động, nâng cao được độ chính xác quá trình biến đổi trong PTĐ hiệu nhiệt độ. Điều này khẳng định tính đúng đắn của các giải pháp đã đưa ra ở trên. Bảng 1. Kết quả khảo sát sơ đồ máy đo hiệu nhiệt độ hình 4. 2T ( 0C) 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 1T - 2T ( 0C) 550 500 450 400 350 300 250 200 150 50 3. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất một phương pháp tính toán và xây dựng PTĐ hiệu nhiệt độ thời gian-xung tích phân loại loga. Nguyên lý biến đổi của PTĐ dựa trên cơ sở phương pháp biến đổi lặp lại và phân kênh, cho phép tuyến tính hóa hàm biến đổi phi tuyến dạng hàm lũy thừa và loại trừ sai số kênh biến đổi, cho phép nâng cao được độ chính xác của PTĐ. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi cần thiết kế các PTĐ trong điều kiện môi trường đo biến đổi nhanh do đặc tính của PTĐ biến đổi theo quy luật hàm lũy thừa. Các kết quả tính toán tham số và xây dựng PTĐ hiệu nhiệt độ được minh chứng bằng mô phỏng cho phép tạo ra hệ côngcụ hữu ích phục vụ quá trình thiết kế, chế tạo các PTĐ đo đa năng với độ chính xác cao. Đồng thời, đây cũng là cơ sở để nghiên cứu mở rộng cho nhiệm vụ thiết kế, chế tạo các PTĐ hiệu các đại lượng không điện khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vũ Quý Điềm (chủ biên), Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú (2001), “Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử”, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Bùi Văn Sáng (2003), "Về một phương án thiết kế mô phỏng máy đo không điện loại hiện số", Kỹ thuật và Trang bị, Tổng cục kỹ thuật, Số 6, Hà Nội. [3]. Bùi Văn Sáng (1999), "Xử lý kết quả quan sát và xác định hàm biến đổi của phương tiện đo với ứng dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB", Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự, Số 89, Hà Nội. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 105 [4]. Bùi Văn Sáng, (2000), "Ứng dụng phần mềm MATHCAD để xử lý kết quả quan sát và xác định hàm biến đổi của bộ biến đổi đo lường sơ cấp", Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Số 90, Hà Nội. [5]. Bùi Văn Sáng, Phạm Ngọc Thắng (2013), “Kỹ thuật biến đổi và xử lý tín hiệu trong đo lường số”, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội. [6]. Phạm Ngọc Thắng (2010), “Giảm sai số trong phép đo các đại lượng cơ-nhiệt bằng nội suy và biến đổi lặp”, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Học viện KTQS. [7]. Pham Ngoc Thang, Nguyen Thanh Long, Tran Van Trinh, Le Trong Nghia (2012), “Non-Linear Adjustment of the Transformation Function of the Non- Electric Measuring Devices by using The Spline Interpolation Method”, Nghiên cứu khoa học kỹ thuật và Công nghệ Quân sự, Số 17,2 /2012. [8]. A.D. Kraus, A. Bar-Cohen (2003), "Thermal Analysis and Control of Electronic Equipment", Hemisphere Publishing Corporation”, Washington D.C. [9]. Alan Claassen, H. Shaukatullah (2003), "Effect of Thermocouple Wire Size and Attachment Method on Measurement of Thermal Characteristics of Electronic Packages", IEEE SEMI-THERM Symposium. [10]. K.M.Pedersen, N.Tiedje, "Temprecture measurement during solidification of thin wall ductile east iron", Department of Manufacturing engineering and management, Technical University of Denmark, Science Direct, (2007) [11]. Larry Miller (1999), “Differential temperature measurement & Display”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. [12]. Website [13]. Website ABSTRACT CALCULATION AND DESIGN OF DIGITAL MEASUREMENT DEVICES TO MEASURE THE DIFFERENTIAL TEMPERATURE IN THE ENVIRONMENTAL CHANGE-FAST Temperature difference is an important factor in thermal control system. It allows decreasing power and simplifies design processing for a controller. Therefore, we could improve active level and stability of system. On the other hand, temperature difference is also an intermediate quantity to allow determining other quantities of heat, input heat and ultrahigh frequency power. Performance of technical processes could be improved as decreasing error of measuring device. This paper proposed an computing method and design of measuring device for temperature. This device will handle measuring signal by transfoming law of power function and allow rapidly velocity response for measuring environment. The calculation and emulation results by Matlab and Matcad show that the proposal device could adapt to rapidly measuring environment with small error. Keywords: Measure Devices, Different Temperature, Loga, Measure Converter. Nhận bài ngày 30 tháng 07 năm 2014 Hoàn thiện ngày 18 tháng 08 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 09 năm 2014 Địa chỉ: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.