Tổng quan về card thu thập số liệu và các phương pháp đo

Chương II Tổng quan về card thu thập số liệu và các phương pháp đo I. Tổng quan về card thu thập số liệu đa kênh: Để tăng cường tốc độ phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật hiện nay và trong tương lai thì việc nghiên cứu khoa học và ứng dụng các công trình khoa học vào cuộc sống và sản xuất là rất quan trọng. Những kết quả của các công trình nghiên cứu, khoa học cụ thể có mục đích thiết thực với cuộc sống. Các quá trình công nghệ mới đã đáp ứng được hầu hết những yêu cầu của cuộc sống và đòi hỏi ngày càng tăng của quá trình sản xuất. Để thực hiện đươc các yêu cầu cho cuộc sống và cho sản xuất thì việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại các kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn nhưng quan trọng hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập và xử lý kết quả đo, lập bảng thống kê cũng như hiển thị kết quả đo. Xử lý các tín hiệu đo trên máy tính cho phép chúng ta xử lý được các tín hiệu phức tạp mà với kỹ thuật tương tự khó có thể làm được. Tính ưu việt được thể hiện ở chỗ các tín hiệu được số hoá và đưa vào máy tính để xử lý bằng các thuật toán khác nhau mà chỉ cần thay đổi phần mềm là có thể thực hiên được. Nếu không tính sai số khi đưa tín hiệu vào thì các phép đo có thể có tính chính xác rất cao, ngoài ra phương pháp hiển thị và lưu giữ kết quả đo rất phong phú và đa dạng. Trên cơ sở của ý tưởng ấy ta có thể thiết kế một card thu thập số liệu đa kênh ghép nối với máy tính và được tích hợp mạch nạp cho chíp ngay trên card. 1.1: Phương pháp ghép nối với máy tính: Việc sử dụng máy tính cho các ứng dụng khác nhau trong thực tế thường ở những nơi có điều kiện làm việc bên ngoài không đảm bảo những yêu cầu về an toàn của máy tính chẳng hạn như sự chấn động, dầu mỡ, nhiệt độ, bụi công nghiệp, mưa gió, sự ăn mòn của môi trường… làm giảm tuổi thọ của máy tính. Vì vậy yêu cầu đặt ra là máy tính phải được cách ly với những môi trường như vậy. Có hai phương pháp ghép nối với máy tính đó là phương pháp ghép nối với cổng song song của máy tính và phương pháp ghép nối với cổng nối tiếp của máy tính. Cả hai phương pháp đều có những ưu nhược điểm cụ thể ta có thể lựa chọn một trong hai phương pháp sao cho thuận lợi với bài toán hoặc theo yêu cầu cụ thể nào đó, cũng như sở trường của từng người. Đặc điểm của hai phương pháp ghép nối. a) Phương pháp ghép nối với cổng song song. Ghép nối với cổng song song tức là cắm trực tiếp vào slot của máy tính. Qua cổng song song dữ liệu được truyền đi song song, tốc độ truyền đạt tới mức đáng kể, mọi đường dẫn đều tương thích với TTL nghĩa là chúng đều cung cấp một điện áp trong khoảng 0á5V. Vì vậy khi lựa chọn phương pháp này cần để ý là ở các đường dẫn lối vào cổng không được đặt điện áp quá lớn. Nhược điểm này của phương pháp là cáp truyền nhiều sợi nên giá thành hơi cao, điện áp tương đối thấp nên không thích hợp với những khoảng cách xa vì nó gây ra nhiễu. Tuy vậy đối với những khoảng cách tương đối gần thì được dùng nhiều bởi tính gọn nhẹ và tiện lợi. b) Phương pháp ghép nối với cổng nối tiếp. Các cổng nối tiếp thường được gọi là các cổng COM. Qua cổng nối tiếp dữ liệu được truyền đi trên một đường dẫn. Mức điện áp khoảng -12á12V. truyền ở khoảng cách khá xa không gây nhiễu. Cáp truyền có ba sợi (RXD, TXD, GND) một sợi để truyền thông tin, một sợi nhận thông tin, một sợi để nối mass, ít tốn kém tuy nhiên nếu đo nhiều kênh đo thời gian gia công nhanh nên các đại lượng biến thiên nhanh mà phương pháp này lại thực hiện bằng cách chốt dữ liệu sau đó máy tính sẽ lấy thông tin theo phương pháp quét theo thời gian để xử lý. Vì thế sẽ gây ra hiện tượng bỏ sót dữ liệu gây sai số lớn ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Nếu đưa vào nhiều cổng thì có thể loại bỏ được nhiễu trên song ảnh hưởng đến việc sử dụng máy tính vào những mục đích khác. Vì vậy với mỗi khoảng cách nhất định chúng ta cần lựa chọn phương pháp ghép nối nối tiếp hay song song sao cho phù hợp với yêu cầu của công việc. 1.2. Hệ thu thập số liệu đo Hệ thống thu thập số liệu là phần quan trọng trong các thiết bị đo lường, hiển thị, ghi và xử lý số liệu... công nghệ càng hiện đại thì hệ thu thâp càng quan trọng. Các đại lượng vật lý của đối tượng số liệu biến thành tín hiệu điện sau khi tác động vào bộ cảm biến. Hệ thống thu thập số liệu sẽ thu thập các thông tin số liệu đầu ra bộ cảm biến để lưu giữ, hiển thị, ghi lại kết quả hoặc xử lý bằng máy tính. Do vậy hệ thu thập số liệu đa kênh rất cần trong các thiết bị hiện đại của nghành công nghiệp, dụng cụ đo lường, các thiết bị chuẩn đoán như điện tâm đồ, siêu âm các thiết bị trong nghành y tế . Thiết bị của hệ thu thập số liệu chính là các bộ biến đổi ADC và DAC. Một thiết bị biến đổi số nào đấy thường là một máy vi tính có ngoai vi đơn giản và có mạch ghép nối với các đầu đo và cơ cấu chấp hành. Máy vi tính này có khi chỉ là các bảng mạch với ngoại vi là phím bấm điều khiển và bảng chỉ thị, hay có khi chỉ là một vi mạch của INTEL. Với sự bùng nổ của công nghệ và sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp, chúng ta đòi hỏi phải có được các hệ thu thập số liệu có tính năng cao và thuận tiện cho việc thiết kế cũng như việc xử lý các kết quả đo được chính xác với độ chính xác cao. ATmega32 là một vi điều khiển có nhiều tính năng hơn so với các họ MCS, nó tích hợp sẵn ADC và có tốc độ xử lý cao. Card thu thập số liệu đa kênh sử dụng vi điều khiển ATmega32 với 8 đầu đo rất thuận tiên cho việc thu thập cũng như xử lý số liệu lưu giữ trong các nghành công hiện hiện đại ngày nay. Mạch ghép nối với đầu đo lường là một mạch vào cơ sở nối với một mạch chuyển đổi tương tự/số để chuyển đổi tín hiệu tương tự từ đầu đo thành tín hiệu số đưa vào máy tính. Mạch ghép nối với cơ cấu chấp hành thường là mạch ghép nối cơ sở và một bộ biến đổi số/tương tự để chuyển đổi tín hiệu số từ trong máy tính ra thành tín hiệu tương tự tác động vào cơ cấu chấp hành. 1.3. Hướng phát triển của card thu thập trong đo lường. Ngày nay việc đo lường đang được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau, điều đó càng chứng tỏ một vai trò không thể thiếu của kỹ thuật đo lường. Các thiết bị đo dùng vào rất nhiêu lĩnh vực khác nhau với các đại lượng vật lý khác nhau đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học, cơ điện, nhiệt học, hoá học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử. Việc đo và lưu giữ các đại lương khác nhau, áp dụng nhiều nguyên lý khác nhau đòi hỏi một cơ sở kết luận chung, cách đánh giá chung tìm ra những phương pháp và thiết bị thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật đo lường. Việc áp dụng lý thuyết thông tin vào kỹ thuật đo đã tìm ra các phương pháp đo điện và các thiếtt bị đo cũng như thu thập lưu giữ số liệu ngày càng chiếm nhiều ưu thế vì nó có nhữngưu thế tuyệt đối so với phép đo không phải bằng điện như: độ tác động nhanh cao, độ chính xác tốt hơn, có thể đo và lưu giữ kết quả từ những khoảng cách xa, thiết bị gọn nhẹ hơn và có thể truyền thông tin vào máy tính để lưu giữ và xử lý kết quả đo. áp dụng lý thuyết thông tin và công nghệ tiên tiến vào kỹ thuật đo lường sẽ xây dựng cơ sở lý thuyết cho các thiết bị đo và các hệ thống thông tin đo lường, từ đó nó sẽ thúc đẩy được sự phát triển của kỹ thuật đo và các hệ thống thông tin đo lường, nâng cao độ chính xác, độ nhạy, tốc độ đo, nâng cao độ tin cậy, kích thước thiết bị ngày càng được cải tiến. Muốn được như vậy chúng ta cần nâng cao độ chính xác của các mẫu, áp dụng những phương pháp mới, kỹ thuật mới, cập nhật thường xuyên công nghệ hiên đại của các nước phát triển mạnh về nền công nghiệp. Đặc biệt ngày nay với sự bùng nổ của công nghiệp các sản phẩm ngày một thay đổi, các thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển, máy vi tính ngày càng hiện đại và có hiệu quả rất cao đòi hỏi việc cập nhật số liệu cũng như lưu giữ các số liệu đo phải chính xác. Chế tạo ra các Card thu thập số liệu đa kênh sẽ giúp chúng ta có thể ghi lại và lưu giữ số liệu, nắm được lịch trình hoạt động của các dây truyền sản xuất, các nhà máy, công xưởng, xí nghiệp....là điều rất cần thiết góp phần rất lớn trong công cuộc tự động hoá các quá trình sản xuất. Nhưng đi đôi với sự phát triển của kỹ thuật đo chúng ta cần cải tiến những tính năng của card thu thập cũng như hệ thống thu thập số liệu một cách thường xuyên và liên tục, chính vì vậy việc chế tạo ra các card thu thập số liệu đa kênh với những linh kiện hiên đại sẽ góp phần rất lớn và luôn thích ứng với sự phát triển của kỹ thuật đo: Phát triển đo lường xa: bằng cách nghiên cứu các phương pháp sửa sai, chống nhiễu, phát triển đo các đại lượng ngẫu nhiên, thiết bị đo thống kê, thiết bị đo tương quan. Phát triển các hệ thống thông tin đo lường: kiểm tra, chuẩn hoá kỹ thuật, đặc biệt các hệ thống thông tin đo lường hiện nayđược xây dựng theo quan điểm phân tán thay cho quan điểm tập chung trước kia. Đẩy mạnh ứng dụng kỹ thuật vi xử lý và máy tính trong đo lường: sự phát triển của kỹ thuật thông tin và kỹ thuật vi điều khiển đã cho ra đời rất nhiều sản phẩm mới đó chính là các vi mạch có mật độ tích hợp rất lớn, chúng làm nhiệm vụ của bộ vi xử lý trung tâm trong máy tính, với những ưu điểm gọn nhẹ, tiêu thụ công suất thấp, độ tin cậy cao, giá thành thấp. Chính điều này đã quyết định xây dựng các hệ thông thông tin đo lường theo quan điểm phân tán. Giá thành của card thu thập số liệu đa kênh giờ đây rẻ hơn rất nhiều so với các thiết bị thu, phát, dây dẫn trong các hệ thống trước đây. Các số liệu sẽ được xử lý sơ bộ tại các điểm đo trước khi truyền về trung tâm điều khiển. Tính năng của các loại card thu thập số liệu đa kênh này trong các hệ vi xử lý hơn hẳn thiết bị đo lường thông thường như: - Chúng làm việc theo chu trình - Tự động thu thập số liệu đo - Khả năng truyền số liệu đi xa tốt - Tự xử lý và lưu giữ kết quả đo - Có thể đo và lưu giữ kết quả của nhiều phép đo khác nhau. Sau đây là sự mô tả cụ thể hơn về ứng dụng của card thu thập số liệu đa kênh trong đo lường và điều khiển thông qua hệ thống đo điện áp, đo nhiệt độ....và khả năng thu thập số liệu cũng như lưu giữ thông tin đo một cách hoàn chỉnh. II. Các phương pháp đo nhiệt độ và điện áp: 2.1. Phương pháp đo nhiệt độ: Đo nhiệt độ là nhiệm vụ thường gặp trong nhiều lĩnh vực như nhiệt, hoá, luyện kim, cơ khí....Việc lắp đặt một hệ thống đo nhiệt độ và hệ thống thu thập số liệu, lưu giữ, xử lý, truyền số liệu về trung tâm điều khiển trong các nghành sản xuất gang thép, xi măng, gia công cơ khí... đảm bảo được yêu cầu đặt ra như ổn định nhiệt trong các lò, các dao tiện cắt khi gia công là điều rất cần thiết, nó đảm bảo tính kỹ thuật và nâng cao chất lượng sản phẩm trong quá trình sản xuất. Trong các nghành sản xuất dễ gây ra cháy nổ... ta cần phải biết nhiệt độ tối đa cho phép sự an toàn trong khi vận hành để có thể điều chỉnh lại nhiệt độ cho phù hợp. Các card thu thập số liệu đa kênh sẽ giúp chúng ta phát hiện được sự cố sảy ra khi nào và ở nhiệt độ nào thì gây cháy nổ, nó sẽ lưu giữ và gửi về máy tính trung tâm, việc lắp đặt các card thu thập này góp phần rất lớn vào việc hạn chế tối đa những hậu quả khi nhiêt độ tăng cao gây đến cháy nổ. Hiện nay thì rất nhiều nghành sản xuất khác nhau đều rất cần độ ổn định nhiệt cao và có thể dựa vào việc đo nhiệt độ để tự động điều chỉnh nhiệt độ mà mình mong muốn. Đo nhiệt độ là một trong nhiều phương pháp đo các đại lượng không điên thông qua các đại lượng điện dựa trên việc sử dụng nhạy cảm phần trung gian mà ta gọi đó là các sensor. Sensor là một phần quan trọng trong nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ. Để đo được nhiệt độ người ta phải dựa trên tính chất vật lý đặc trưng của nhiều vật liệu biến thiên theo nhiêt độ của chúng như: - Thể tích chất lỏng tăng khi nhiệt độ tăng. - áp suất hơi, khí, chất lỏng tăng khi nhiệt độ tăng. - Kích thước của vật rắn thay đổi theo nhiệt độ, điện trở của vật dẫn biến thiên theo nhiệt độ - Sức điện nhiệt ngẫu giữa hai kim loại thay đổi khi nhiệt độ thay đổi - ở nhiệt độ cao cường độ bức xạ của vật bị đốt nóng phụ thuộc vào nhiệt độ Nếu đo được sự biến thiên của một trong số những thông số đó có thể suy ra nhiệt độ của vật chất. Có nhiều loại dụng cụ đo nhiệt độ gọi chung là nhiệt kế, nó cho biết chỉ số hay tín hiệu là hàm số đã biết theo nhiệt độ. Phần nhạy cảm của nhiệt kế đo được tiếp xúc với môi trường mà ta cần đo, chức năng cơ bản của nó là biển đổi tín hiệu cần đo thành một dạng tín hiệu khác dễ nhận biết hơn như điện áp, tần số, dòng điện, chiều cao của cột thuỷ ngân.... Hiện nay trên thực tế sử dụng nhiều loại nhiệt kế khác nhau phù hợp với đặc điểm của môi trường cần đo. Tuỳ theo nhiệt độ đo có thể sử dụng các phương pháp khác nhau, thông thường nhiệt độ chia làm 3 dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc, nghĩa là chuyển đổi được đặt trực tiếp ở môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường cần đo. Hiện nay trong thực tế đang sử dụng nhiều loại nhiệt kế khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu và đặc điểm của môi trường cần đo. Một số loại nhiệt kế: Nhiệt kế không điện: + Nhiệt kế thuỷ ngân + Nhiệt kế áp suất + Nhiệt kế thanh giãn nở Nhiệt kế điện + Nhiệt kế cặp nhiệt điện + Nhiệt kế thạch anh + Nhiệt kế nhiệt điện trở 2.2. Phương pháp đo điện áp: Trong các đại lượng điện, dòng điện và điện áp là các đại lượng cở bản nhất. Vì vậy trong công nghiệp cũng như trong các công trình nghiên cứu khoa học người ta luôn quan tâm đến các phương pháp đo và lưu giữ các thông số điện áp. Có thể đo điện áp bằng các phương pháp trực tiếp, gián tiếp và so sánh ( phương pháp bù ). Trong phương pháp đo trực tiếp người ta dùng các dụng cụ đo điẹn áp như : Vonmét, miliVonmét, micrôVônmét… để đo và trực tiếp đọc kết quả trên thang chia độ dụng cụ đo. Trong phương pháp đo gián tiếp, người ta có thể dùng Ampemét để đo dòng điện chạy qua một điện trở mẫu (mắc trong mạch có điện áp cần đo). Trong phương so sánh, người ta đo điện áp bằng cách so điện áp đo với điện áp mẫu. ở trạng thái cân bằng của điện áp cần đo và điện áp mẫu sẽ đọc kết quả trên mẫu. Có thể so sánh trực tiếp hay gián tiếp. Khi đo điện áp Vônmét đựoc nối song song với tải trong mạch đo. Vônmét đã lấy một phần năng lượng của đối tượng đo nên gây ra sai số E Rt U v Rv Khi chưa mắc Vônmét vào mạch: U = .Rt Khi mắc Vônmét vào mạch, Vônmét sẽ tạo điện áp rơi trên mạch: UV = ; RV = Rt //Rng Sai số của phép đo: gu = = = Ta nhận thấy rằng muốn sai số nhỏ thì yêu cầu Rv phải lớn. Cụ thể: RV> Trong các mạch điện xoay chiều, khi đo điện áp cần chú ý đến miền tần số làm việc của Vônmét phù hợp với tần số của tín hiệu cần đo. Các loại Vônmét: a. Vônmét từ điện b. Vônmét điện từ c. Vônmét điện động d. Điện thế kế xoay chiều + Điện thế kế xoay chiều toạ độ cực + Điện thế kế xoay chiều toạ độ vuông góc