Đề tài Nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm LabVIEW

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm LabVIEW

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA CÔNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG MODULE USB 6008 VÀ PHẦN MỀM LABVIEW Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. TRẦN SINH BIÊN Hải Phòng, tháng 04 / 2016
2. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 1 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1 3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu 1 5. Kết quả đạt được của đề tài 2 CHƯƠNG 1 . VẤN ĐỀ ĐO VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ 3 1.1. Các phương pháp đo nhiệt độ 3 1.1.1. Cảm biến nhiệt điện trở 3 1.1.2. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu 4 1.1.3. Đo nhiệt độ dùng IC bán dẫn 5 1.2. Một số loại cảm biến nhiệt độ và thiết bị thường dùng 6 1.3. Vấn đề giám sát nhiệt độ 7 CHƯƠNG 2 . NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW 8 2.1. Giới thiệu về phần mềm LabVIEW 8 2.1.1. Bảng giao diện 8 2.1.2. Sơ đồ khối 8 2.1.3. Biểu tượng và đầu nối 9 2.2. Lập trình trên LabVIEW 9 2.2.1. Khởi tạo chương trình 9 2.2.2. Các công cụ lập trình 10 2.3. Ứng ụd ng phần mềm LabVIEW 14 i
3. CHƯƠNG 3. GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG MODULE USB 6008 VÀ PHẦN MỀM LABVIEW 16 3.1. Giới thiệu về module USB 6008 16 3.2. Xây dựng module đo nhiệt độ 17 3.2.1. Xây dựng module đo nhiệt độ với IC LM35 17 3.2.2. Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 18 3.2.2. Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu 19 3.2.3. Mô hình mạch hoàn chỉnh 20 3.3. Xây dựng chương trình giám sát trên LabVIEW 20 3.4. Một số kết quả giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm LabVIEW 21 KẾT LUẬN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 ii
4. DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Sơ đồ mạch cầu (ba dây) nhiệt kế nhiệt điện trở 4 Hình 1. 2. Một số cảm biến PT100 trong công nghiệp 4 Hình 1. 3. Cảm biến nhiệt độ LM35 5 Hình 2.1. Bảng công cụ 10 Hình 2. 2. Bảng điều khiển 10 Hình 2. 3. Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị số 11 Hình 2. 4. Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị kiểu logic 12 Hình 3. 1. Module USB 6008 16 Hình 3. 2. Cấu tạo module USB 6008 17 Hình 3. 3. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với IC LM35 17 Hình 3. 4. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 18 Hình 3. 5. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 19 Hình 3. 6. Cầu bù nhiệt độ đầu tự do 19 Hình 3. 7. Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ trên LabVIEW 20 Hình 3. 8. Chương trình giám sát nhiệt độ trên LabVIEW 20 Hình 3. 9. Kết quả giám sát có kênh số 2 và kênh số 4 đang báo động và tín hiệu của kênh số 1 chưa qua xử lý nhiễu 21 Hình 3. 10. Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và tín hiệu của cả 4 kênh đã qua xử lý nhiễu 22 Hình 3. 11. Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và nhiệt độ của các kênh số 2, kênh số 3 và kênh số 4 đang thay đổi 22 Hình 3. 12. Kết quả giám sát có kênh số 3 và số 4 đang báo động 23 iii
5. Hình 3. 13. Kết quả giám sát có kênh số 2, số 4 đang báo động và nhiệt độ của kênh số 2 đang giảm 23 Hình 3. 14. Kết quả giám sát có kênh số 2, số 3, số 4 đang báo động và nhiệt độ của kênh số 4 đang tăng 24 Hình 3. 15. Kết quả giám sát giám sát nhiệt độ có cả 4 kênh đang báo động 24 iv
6. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Trong các hệ thống kỹ thuật nói chung và các dây chuyền sản xuất nói riêng việc đo và giám sát nhiệt độ là một khâu quan trọng vì nhiệt độ là một trong các thông số có trong nhiều quá trình công nghệ. Việc đo lường chính xác giá trị nhiệt độ trong các điều kiện khác nhau và giám sát chúng có ý nghĩa quan trọng góp phần cho hệ thống hoạt động ổn định hơn. Việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới và phần mềm chuyên dụng cho phép việc đo lường và giám sát nhiệt độ linh hoạt hơn. Vì vậy đề tài nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm LabVIEW là cần thiết. 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Vấn đề nghiên cứu giám sát nhiệt độ đã được nhiều công trình đề cập đến. Tuy nhiên việc nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm LabVIEW thể hiện tính linh hoạt hơn trong cả giải pháp về phần cứng cũng như phần mềm. Điều này cho thấy đề tài nghiên cứu có tính ứng dụng cao và khả thi trong cả môi trường công nghiệp. 3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm LabVIEW. Đối tượng nghiên cứu: các cảm biến đo nhiệt độ; module USB 6008 và phần mềm LabVIEW. Phạm vi nghiên cứu: xây dựng mô hình mô phỏng việc giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008. 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp đo và giám sát nhiệt độ. Trên cơ sở đó xây dựng mô hình giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và đánh giá kết quả. 1
7. Kết cấu của công trình nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu gồm 3 chương: Chương 1. Vấn đề đo và giám sát nhiệt độ; Chương 2. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW; Chương 3. Giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phàn mềm LabVIEW. 5. Kết quả đạt được của đề tài Ứng dụng kết quả nghiên cứu phục vụ thực hành, thí nghiệm cho sinh viên chuyên ngành thuộc khoa Điện - Điện tử. Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong việc đo và giám sát nhiệt độ trong thực tế. 2
8. CHƯƠNG 1. VẤN ĐỀ ĐO VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ 1.1. Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ là nhiệm vụ thường gặp trong các ngành nhiệt, hóa và luyện kim. Tùy theo nhiệt độ đo ta sử dụng các phương pháp đo khác nhau. Thông thường, nhiệt độ đo được chia thành 3 dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ thấp và trung bình thì phương pháp đo thường là phương pháp đo tiếp xúc, tức là các cảm biến nhiệt độ được đặt trực tiếp trong môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao cần đo bằng phương pháp đo không tiếp xúc, dụng cụ đo đặt ngoài môi trường đo. Phương pháp đo nhiệt độ thường được sử dụng trong công nghiệp là phương pháp đo tiếp xúc. Sử dụng các cảm biến tiếp xúc như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, các IC bán dẫn. 1.1.1. Cảm biến nhiệt điện trở Cảm biến nhiệt điện trở có cấu tạo từ dây platin, đồng, niken, bán dẫn quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối ra ngoài. Cảm biến nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thường được dùng là mạch cầu không cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở [1]. Khi dùng mạch cầu cân bằng, nếu chỉ sử dụng hai dây dẫn mắc vào mạch cầu thì dụng cụ sẽ có sai số do sự thay đổi nhiệt điện trở của đường dây khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi: R t d (1.1) RT T trong đó: Rd - sự thay đổi điện trở dây dẫn nối: Rd Rd1 Rd 2 RT, T - điện trở ban đầu của nhiệt điện trở và hệ số nhiệt của nó. Để giảm sai số do nhiệt độ môi trường, ta sử dụng cầu ba dây như hình 1.1. 3
9. Hình 1. 1. Sơ đồ mạch cầu (ba dây) nhiệt kế nhiệt điện trở Trong sơ đồ này, hai dây mắc vào các nhánh kề của mạch cầu, dây thứ ba mắp vào nguồn cung cấp. Khi cầu làm việc ở chế độ cân bằng, nếu R1 = R2 và Rd1 = Rd2 thì sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây được loại trừ. Khi cầu làm việc không cân bằng, sai số giảm đáng kể so với sơ đồ cầu hai dây [2]. Hình 1. 2. Một số cảm biến PT100 trong công nghiệp 1.1.2. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu Cặp nhiệt ngẫu gồm hai dây kim loại hàn với nhau ở 1 đầu và luồn vào ống để có thể đo được nhiệt độ cao. Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không rỉ. Để cách điện giữa hai dây, một trong hai dây được lồng 4
10. vào ống sứ nhỏ. Nếu vỏ làm bằng kim loại cả hai dây đều đặt vào ống sứ. Tín hiệu ra của cặp nhiệt ngẫu là điện áp từ vài mV đến vài vài chục mV [2]. 1.1.3. Đo nhiệt độ dùng IC bán dẫn Các linh kiện điện tử bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như điốt hoặc tranzito nối theo kiểu điốt (nối bazơ với colectơ), khi đó điện áp giữa hai cực là hàm của nhiệt độ. Các cảm biến đo nhiệt độ sử dụng điốt hoặc tranzito đã được tích hợp thành các IC bán dẫn đo nhiệt độ. Các cảm biến này cho đầu ra là điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản [4]. Ví dụ một số loại IC đo nhiệt độ: LM35, LM335, AD592CN Độ nhạy của các loại IC bán dẫn đo nhiệt độ thường có giá trị cỡ 2,5mV/oC và không cố định mà thường thay đổi theo nhiệt độ. IC bán dẫn có độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản và có độ nhạy cao. LM35 là một họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa trên các chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ, đầu ra của cảm biến là điện áp (V) tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trường cần đo. Họ LM35 có rất nhiều loại và nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau. Hình 1. 3. Cảm biến nhiệt độ LM35 5
11. 1.2. Một số loại cảm biến nhiệt độ và thiết bị thường dùng Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ cũng như thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng khá phổ biến. Dưới đây là một số loại cảm biến và thiết bị đo thường dùng. Máy đo nhiệt độ PCE-T317 (PT-100) Dải đo -190 790oC Độ phân giải 0.1oC Độ chính xác 0.05% Thiết bị đo nhiệt độ lò (model MP 2000) Dải đo : -200 1200oC Đầu đo: cáp dài 1800mm, đầu cảm biến bằng thép không rỉ dài 500mm thích hợp dùng đo nhiệt độ trong lò đốt, nồi nấu kim loại, công nghệ tráng nhôm, kẽm trong sản xuất tôn Cảm biến nhiệt độ LM335 (tương tự LM135, LM235, LM335A) [4] Dải đo : - 40 100oC Độ nhạy : 10mV/oK Sai số : 0.5oC (ở 25oC) Dòng tiêu thụ : 400  A 5mA Cảm biến nhiệt độ LM35 (tương tự LM335) Dải đo : - 55 150oC Độ nhạy : 10mV/oC Sai số : 0.5oC (ở 25oC) Dòng tiêu thụ : 60  A Thiết bị đo nhiệt độ cầm tay chuyên nghiệp P400 / P410 Đầu vào : Pt100, dây 4 lõi 6
12. Dải đo : - 99.9°C 850°C Độ chính xác : ±0.3°C Độ phân giải: 0.1°C (- 99.9°C đến 399.9°C), sai số 1°C 1.3. Vấn đề giám sát nhiệt độ Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các hệ thống máy tính với khả năng thực hiện các phép tính với số lượng rất lớn trong một giây, các loại cảm biến có độ chính xác rất cao đã làm cho hệ thống điều khiển và giám sát ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp hiện đại. Quá trình tự động càng giữ vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp khai thác, chế biến, năng lượng dầu khí, lọc dầu, hoá chất Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong các lĩnh vực đó đều có một số đặc thù chung và được xếp vào hệ thống điều khiển quá trình. Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm các giải pháp đo lường, điều khiển và vận hành, giám sát các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, sự an toàn cho người và các thiết bị vận hành. Nhiệt độ là một đại lượng vật lý, nó hiện diện ở khắp nơi, cả trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Quá trình đo và kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất công nghiệp đóng một vai trò to lớn trong hệ thống điều khiển tự động, góp phần quyết định chất lượng sản phẩm trong các ngành như: thực phẩm, luyện kim, gốm sứ, chế tạo động cơ Khi thu thập dữ liệu cho quá trình điều khiển và giám sát trong nhà máy thì nhiệt độ là một thông số không thể bỏ qua. Tùy theo yêu cầu và tính chất của quá trình điều khiển mà ta cần sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp. Tính chính xác và ổn định nhiệt độ cũng đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết. 7
13. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW 2.1. Giới thiệu về phần mềm LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) là một ngôn ngữ lập trình đồ họa mà sử dụng các biểu tượng thay vì các hàng văn bản để tạo ra các ứng dụng. LabVIEW là một phần mềm nhằm mục đích phát triển những ứng dụng trong đo lường và điều khiển giống như ngôn ngữ lập trình C hoặc Basic, tuy nhiên LabVIEW khác so với các ngôn ngữ trên là các trình ứng dụng của nó đặt trong các VI (Virtual Instrument) nằm trong thư viện của LabVIEW, một số ứng dụng đặc biệt của LabVIEW là tạo các giao diện để người dùng quan sát một cách trực quan các hiện tượng vật lý trên thực tế [3]. Labview gồm có 3 thành phần chính đó là: bảng giao diện (The Front Panel), sơ đồ khối (The Block Diagram) và biểu tượng và đầu nối (The icon/connect). 2.1.1. Bảng giao diện Front Panel là giao diện mà người sử dụng hệ thống nhìn thấy. Các VI bao gồm một giao diện người dùng có tính tương tác, mà được gọi là bảng giao diện, vì nó mô phỏng mặt trước của một dụng cụ vật lý. Bảng giao diện có thể bao gồm các núm, các nút đẩy, các đồ thị và các dụng cụ chỉ thị và điều khiển khác [3]. 2.1.2. Sơ đồ khối Sơ đồ khối chứa đựng mã nguồn đồ thị, thường biết như là mã G hoặc mã sơ đồ khối, cho đến VI chạy như thế nào. Mã sơ đồ khối sử dụng đồ thị biểu diễn các chức năng để điều khiển các đối tượng trên giao diện. Các đối tượng trên giao diện xuất hiện như biểu tượng các thiết bị trên sơ đồ khối. Kết nối điều khiển và các đầu của dụng cụ chỉ thị tới Express VIs, VIs, và các chức năng. Dữ liệu chuyển thông qua dây dẫn từ các điều khiển đến các VI và các hàm chức năng, từ các VI và các hàm chức năng đến các VI và các hàm chức năng khác, 8
14. và từ các VI và các hàm chức năng đến các dụng cụ chỉ thị. Sự di chuyển của dữ liệu thông qua các nút trên sơ đồ khối xác định mệnh lệnh thực hiện của các VI và các hàm chức năng. Sự di chuyển dữ liệu này được biết như lưu đồ lập trình. 2.1.3. Biểu tượng và đầu nối Ngoài ra trong LabVIEW còn có biểu tượng và đầu nối (The icon/connect). Sau khi xây dựng một VI, ta phải tạo icon và connector pane cho nó để có thể sử dụng được như một subVI. Mỗi VI đều có một icon, nó nằm ở góc trên bên phải của cả 2 cửa sổ Front panel và Block diagram. Để tạo icon thì ta click phải vào biểu tượng ở góc phải bên trên của Front panel hoặc Block diagram. Sau đó bảng Icon Editor xuất hiện như hình dưới, trong đó có các công cụ dùng để vẽ tương tự trong Paint. 2.2. Lập trình trên LabVIEW 2.2.1. Khởi tạo chương trình LabVIEW có hai cửa sổ là bảng giao diện (The Front Panel), sơ đồ khối (The Block Diagram). Người dùng thao tác trên cả hai cửa sổ trên. Giao diện của Front Panel giống như giao diện sử dụng của các thiết bị vật lý, Front Panel chủ yếu là một tổ hợp các Control và Indicator. Control mô phỏng các thiết bị đầu vào của máy và cung cấp dữ liệu cho Block Diagram. Indicator mô phỏng các thiết bị đầu ra của máy để hiển thị các dữ liệu thu được hay được phát ra từ Block Diagram của VI. Có thể đặt các Control hay Indicator lên Front Panel thông qua bảng Control. Cửa sổ Diagram có các Block Diagram của VI là mã nguồn đồ họa cho VI. Xây dựng Block Diagram bằng cách nối với nhau các đối tượng gửi hay nhận dữ liệu, thực hiện các hàm cụ thể, điều khiển quá trình truyền. Phần Diagram thể hiện những đối tượng chính của chương trình: các Node, Terminal và dây nối. Để khởi tạo một chương trình trong LabVIEW ta có thực hiện như sau: chọn File, lựa chọn NEW VI, đây là cách nhanh chóng và dễ thao tác nhất, khi đó sẽ xuất hiện đồng thời hai cửa sổ The Front Panel và The Block Diagram khi đó ta sẽ thao tác trên hai cửa sổ trên để lập chương trình hoặc giải quyết các yêu cầu bài toán [3]. 9
15. 2.2.2. Các công cụ lập trình Các công cụ lập trình trên LabVIEW bao gồm các công cụ để tạo ra các thiết bị ảo. Nó bao gồm các công cụ trong bảng giao diện (The Front Panel) và các công cụ trong sơ đồ khối (Block Diagram). Tools Palette là một bảng mà ta có thể sử dụng để soạn thảo và gỡ lỗi các VI. Ta sử dụng phím tới bảng thông qua các công cụ sử dụng thông thường trên bảng mẫu. Nếu Tools Palette không xuất hiện, ta chọn View >> Show Tools Palette để hiển thị. Hình 2.1. Bảng công cụ Bảng điều khiển (Controls Palette) bao gồm một đồ thị, bảng nổi và tự động mở ra khi khởi động LabVIEW. Ta sử dụng bảng này để đặt các điều khiển và các dụng cụ chỉ thị trên bảng giao diện của một VI. Mỗi biểu tượng lớp trên chứa đựng các bảng mẫu con. Nếu Controls Palette không xuất hiện, ta có thể mở bằng cách lựa chọn View >> Show Controls Palette từ menu của bảng giao diện. Hình 2. 2. Bảng điều khiển 10
16. Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị số (Numeric Controls and Indicator). Hai đối tượng số được sử dụng thông dụng nhất đó là Digital Control - điều khiển số và Digital Indicator – chỉ thị số. Hình 2. 3. Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị số Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị kiểu logic (Boolean Controls and Indicator). Các đối tượng đại số Boole mô phỏng các chuyển mạch - công tắc, các nút bấm, đèn LED. Các đối tượng được sử dụng thông dụng nhất là Vertical Toggle Switch – công tắc đảo chiều thẳng đứng và Round LED - đèn LED tròn. 11
17. Hình 2. 4. Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị kiểu logic Định dạng các điều khiển và dụng cụ chỉ thị (Configuring Controls and Indicator). Ta có thể định dạng gần hết các điều khiển và các ứng dụng cụ chỉ thị sử dụng những tuỳ chọn từ những menu mở ra của chúng. Việc bật lên các thành phần riêng biệt của các menu hiển thị những điều khiển và dụng cụ chỉ thị để tuỳ biến các thành phần đó. Bảng các hàm chức năng (Function palette). Bảng Function bao gồm một bảng đồ thị, bảng nổi mà tự động mở ra khi ta chuyển tới sơ đồ khối. Ta sử dụng bảng này để đặt các nút (hằng số, dụng cụ chỉ thị, các VI ) trên sơ đồ khối một VI. Mỗi biểu tượng lớp trên chứa đựng các bảng mẫu con. Nếu bảng Function không xuất hiện rõ ràng, ta có thể chọn View >> Show Function Palette từ menu của sơ đồ khối để hiển thị nó. Hàm Boolean (Boolean Function): chứa các hàm logic như: And, Or, Xor, Nor và các hàm logic phức tạp khác. Đường dẫn truy cập: Function >> Boolean. 12
18. Hàm cấu trúc (Structures Function): bao gồm vòng lặp For, While, cấu trúc Case, Sequence, các biến toàn cục và cục bộ. Đường dẫn truy cập Function >> Structures. Hàm File I/O (File I/O Function): thực hiện các chức năng cho một tập tin như lưu, mở tập tin theo dạng nhị phân, spreadsheet, đóng một tập tin Ngoài ra hàm này còn chứa các chức năng mở rộng khác về lưu trữ dữ liệu. Đường dẫn truy cập: Function >> File I/O. Hàm Thời gian (Time function): xác định dòng thời gian, đo khoảng thời gian trôi hoặc trì hoãn một tiến trình trong một khoảng thời gian xác định. Đường dẫn truy cập: Function >> Timing. Hàm Dialog & User Interface: Sử dụng hàm này để tạo ra các hộp thoại tới nhắc nhở người sử dụng với các chỉ dẫn. Đường dẫn truy cập: Function >> Dialog & User Interface. Hàm so sánh (Comparison Functions): Sử dụng hàm này để so sánh các giá trị đại số Boole, các chuỗi, các giá trị số, các mảng và các cụm. Hàm so sánh xử lý các giá trị Boolean, String, Numeric, Array và Cluster khác nhau. Ta có thể thay đổi phương pháp so sánh của vài hàm Comparison. Đường dẫn truy cập: Function >> Comparison. Hàm chuỗi (String Function): Sử dụng hàm này để liên kết hai hay nhiều chuỗi, tách một tập con của các chuỗi từ một chuỗi, chuyển dữ liệu vào bên trong chuỗi, và định dạng một chuỗi sử dụng trong một công đoạn xử lý từ hoặc ứng dụng bảng biểu. Đường dẫn truy cập: Function >> String. Hàm mảng (Function Array): Sử dụng để tạo ra và điều khiển các mảng. Đường dẫn truy cập: Function >> Array. Hàm cụm & biến thể (Cluter & Variant): Sử dụng hàm này để tạo ra và điều khiển các cụm, chuyển đổi dữ liệu LabVIEW từ một khuôn dạng ta có thể thao tác độc lập kiểu dữ liệu, thêm những thuộc tính tới dữ liệu, và chuyển đổi 13
19. dữ liệu biến thể tới dữ liệu LabVIEW. Đường dẫn truy cập: Function >> Cluter & Variant. Hàm điều khiển ứng dụng (Application Control): Sử dụng hàm này để lập trình các VI điều khiển và các ứng dụng LabVIEW trên máy tính hoặc qua mạng. Ta có thể sử dụng các VI và các hàm chức năng này để định dạng nhiều VI tại cùng một thời điểm. Đường dẫn truy cập: Function >> Application Control. Hàm dạng song (Waveform): Sử dụng hàm này để xây dựng dạng sóng mà bao gồm các giá trị dạng sóng, thay đổi thông tin, để thiết lập và khôi phục các thành phần và thuộc tính của dạng sóng. Đường dẫn truy cập: Function >> Waveform. Hàm đồng bộ hoá (Synchronization Function): Sử dụng hàm này để đồng bộ các nhiệm vụ thi hành song song và để chuyển dữ liệu giữa các nhiệm vụ song song. Đường dẫn truy cập: Function >> Synchronization. Hàm đồ họa và âm thanh (Graphic & Sound Function): Sử dụng hàm này để tạo ra yêu cầu hiển thị, dữ liệu cổng vào và cổng ra từ các file đồ họa và cho chạy những âm thanh. Đường dẫn truy cập: Function >> Graphic & Sound. Hàm phát sinh báo cáo(Report Generation Function): Sử dụng hàm này để tạo và điều khiển các báo cáo của các ứng dụng LabVIEW. Đường dẫn truy cập: Function >> Report Generation. Hàm số học (Numeric Function): Sử dụng hàm này để tạo và thực hiện những thao tác số học, lượng giác, Lôgarit, số phức toán học trong các số và chuyển đổi những số từ một kiểu dữ liệu này sang một kiểu dữ liệu khác. Đường dẫn truy cập: Function >> Numeric. 2.3. Ứng dụng phần mềm LabVIEW LabVIEW được sử dụng trong các lĩnh vực đo lường, tự động hóa, cơ điện tử, robotics, vật lý, ôtô . LabVIEW giúp ta kết nối bất kỳ cảm biến, và bất kỳ cơ cấu chấp hành nào với máy tính. 14
20. LabVIEW có thể được sử dụng để xử lý các dữ liệu như tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital) hình ảnh (vision), âm thanh (audio) LabVIEW hỗ trợ các giao thức giao tiếp khác nhau như RS232, RS485, TCP/IP, PCI, PXI, 15
21. CHƯƠNG 3. GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG MODULE USB 6008 VÀ PHẦN MỀM LABVIEW 3.1. Giới thiệu về module USB 6008 Sơ đồ khối của module USB 6008 thể hiện trên hình 3.1. Hình 3. 1. Module USB 6008 Các tính năng kỹ thuật chính của Module USB 6008 [5]: Có cổng USB kết nối với máy tính. Có 1 bộ đếm 32 bit. Có 8 kênh đơn (hoặc 4 kênh vi sai) vào tương tự (độ phân giải 12 bit, 48kS/s) với ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất từ -10 đến 10V. 16
22. Có 2 kênh ra tương tự (độ phân giải 12 bit, 150kS/s) với ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất từ 0 đến 5V. Có 12 kênh vào/ra hiệu số (digital I/O). Module USB 6008 có khả năng thu thập dữ liệu tin cậy với kết nối USB. Thiết bị này khá đơn giản để thực hiện đo lường nhanh, nhưng cũng khá linh hoạt để thực hiện các ứng dụng đo lường phức tạp. Module USB 6008 sử dụng driver NI-DAQmx. Người dùng có thể sử dụng NI-DAQmx để triển khai tùy ý các ứng dụng thu thập dữ liệu trên LabVIEW. Hình dáng bên ngoài và cấu tạo module USB 6008 được thể hiện trên hình 3.2 [5]. Hình 3. 2. Cấu tạo module USB 6008 Trong đó: 1 – Nhãn và định hướng chân 2 – Bộ nối bắt vít 3 – Nhãn tín hiệu 4 – Cable USB 3.2. Xây dựng module đo nhiệt độ 3.2.1. Xây dựng module đo nhiệt độ với IC LM35 LM35 USB 6008 PC 6008 Hình 3. 3. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với IC LM35 17
23. Trên hình 3.3 là sơ đồ khối module đo nhiệt độ với IC LM35. Cảm biến LM35 đo nhiệt độ bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra (chân số 2), do vậy chân số 2 của LM35 ta nối vào AI0+ của module USB 6008. Các chân số 1 và 3 của LM335 lần lượt nối vào +5V và GND của module USB 6008. Từ module USB 6008 nối với máy tính thông qua cổng USB. 3.2.2. Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 thể hiện trên hình 3.4. M ạch ổn đ ịnh dòng Khuếch đại PT100 USB 6008 PC tín hiệu 6008 Hình 3. 4. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 Sử dụng cảm biến nhiệt điện trở PT100 để đo nhiệt độ. Ở 00C điện trở của PT100 là 100Ω, cứ tăng 10C thì PT100 tăng khoảng 0.39Ω. Ta sử dụng mạch ổn định dòng với nguồn dòng 1mA để PT100 không bị nóng lên. Vì vậy giá trị điện áp thu được khá nhỏ nên ta cần mạch khuếch đại vi sai để khuếch đại tín hiệu thu được. Khi ở 00C thì điện trở của PT100 là 100Ω, nếu dùng mạch ổn áp dòng 1mA thì áp đặc vào hai đầu của nó là U=I.R=0.001*100 =0.1V. Tương tự, nếu nhiệt độ ở 1000C thì điện trở hai đầu PT100 khoảng 139Ω (cứ 10C điện trở tăng 0.39Ω), và điện áp 2 đầu của PT100 sẽ là U = 0,001*139 = 0.139 V. Để phù hợp với giải đo từ 0 đến 5 V của module USB 6008, ta cần sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu. Từ mạch khuếch đại ta đưa vào chân +AI1 của module USB 6008. Từ module USB 6008 nối với máy tính thông qua cổng USB. 18
24. 3.2.2. Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu thể hiện trên hình 3.5. Cầu bù nhiệt Mạch ổn độ đầu tự do áp Cảm biến Khuếch đại USB 6008 PC nhiệt ngẫu tín hiệu biến nhiệt 6008 ngẫu Hình 3. 5. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 Phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu [2]: E AB = eAB(t) - eAB (t 0 ) (2.1) Sử dụng cảm biến nhiệt ngẫu cần phải bù nhiệt độ đầu tự do [2]. Ở đây ta dùng cầu bù tự động nhiệt độ đầu tự do như hình 3.6. Hình 3. 6. Cầu bù nhiệt độ đầu tự do Vì vậy giá trị điện áp đầu ra của cảm biến nhiệt ngẫu thu được khá nhỏ nên ta cần mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu thu được. Để phù hợp với giải đo từ 0 đến 5 V của module USB 6008, ta cần sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu. Từ mạch khuếch đại ta đưa vào chân +AI2 của module USB 6008. Từ module USB 6008 nối với máy tính thông qua cổng USB. 19
25. 3.2.3. Mô hình mạch hoàn chỉnh Sau khi xây dựng sơ đồ nguyên lý ta tiến hành đấu nối trên thiết bị thực, các phần tử trong mạch đã được trình bày như trên. 3.3. Xây dựng chương trình giám sát trên LabVIEW Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ đã xây dựng trên LabVIEW thể hiện trên hình 3.7. Hình 3. 7. Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ trên LabVIEW Trên hình 3.8 là chương trình giám sát nhiệt độ trên LabVIEW. Hình 3. 8. Chương trình giám sát nhiệt độ trên LabVIEW 20
26. 3.4. Một số kết quả giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm LabVIEW Sau khi ghép nối phần cứng ta có một số kết quả giám sát nhiệt độ thể hiện từ hình 3.9 đến hình 3.15. Trên hình 3.9 là kết quả giám sát nhiệt độ có kênh số 2 và kênh số 4 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Trên đồ thị thể hiện tín hiệu của kênh số 1 chưa qua xử lý nhiễu. Hình 3. 9. Kết quả giám sát có kênh số 2 và kênh số 4 đang báo động và tín hiệu của kênh số 1 chưa qua xử lý nhiễu Trên hình 3.10 là kết quả giám sát nhiệt độ có kênh số 3 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Trên đồ thị thể hiện tín hiệu của cả 4 kênh đã qua xử lý nhiễu. Báo động được thông báo bằng đèn hiệu và âm thanh. Các kênh nhiệt độ được hiển thị bằng nhiều cách khác nhau và có thể lưu trữ dưới dạng file với các định dạng dễ sử dụng như: Excel, 21
27. Hình 3. 10. Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và tín hiệu của cả 4 kênh đã qua xử lý nhiễu Trên hình 3.11 là kết quả giám sát nhiệt độ có kênh số 3 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Trên đồ thị ghi lại được thời điểm nhiệt độ của các kênh số 2, kênh số 3 và kênh số 4 đang thay đổi. Hình 3. 11. Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và nhiệt độ của các kênh số 2, kênh số 3 và kênh số 4 đang thay đổi 22
28. Trên hình 3.12 là kết quả giám sát nhiệt độ có kênh số 3 và kênh số 4 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Hình 3. 12. Kết quả giám sát có kênh số 3 và số 4 đang báo động Trên hình 3.13 là kết quả giám sát nhiệt độ có kênh số 2 và kênh 4 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Trên đồ thị ghi lại được thời điểm nhiệt độ của kênh số 2 đang giảm. Hình 3. 13. Kết quả giám sát có kênh số 2, số 4 đang báo động và nhiệt độ của kênh số 2 đang giảm 23
29. Trên hình 3.14 là kết quả giám sát nhiệt độ có kênh số 2, kênh 3 và kênh 4 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Trên đồ thị ghi lại được thời điểm nhiệt độ của kênh số 4 đang tăng. Hình 3. 14. Kết quả giám sát có kênh số 2, số 3, số 4 đang báo động và nhiệt độ của kênh số 4 đang tăng Trên hình 3.15 là kết quả giám sát nhiệt độ có cả 4 kênh đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Hình 3. 15. Kết quả giám sát giám sát nhiệt độ có cả 4 kênh đang báo động 24
30. KẾT LUẬN Đề tài NCKH: “Nghiên cứu giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm LabVIEW” được tác giả thực hiện đã hoàn thành và có được một số kết quả sau: Nghiên cứu vấn đề đo và giám sát nhiệt độ; Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW; Xây dựng module phần cứng và chương trình giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phàn mềm LabVIEW. Mô hình hoạt động ổn định và có thể ứng dụng trong thực hành - thí nghiệm cho sinh viên chuyên ngành thuộc khoa Điện - Điện tử. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong việc đo và giám sát nhiệt độ trong thực tế. Hướng phát triển của đề tài: Tăng số lượng kênh đo nhiệt độ có thể giám sát để phù hợp với hệ thống lớn hơn. Sử dụng nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ với các giải đo khác nhau. Phát triển mô hình để có thể giám sát nhiều thông số khác ngoài thông số nhiệt độ. 25
31. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà, Kĩ thuật đo lường các đại lượng vật lí, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2006. [2]. Nguyễn Tấn Phước, Cảm biến đo lường và điều khiển, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [3].Nguyễn Bá Hải, Lập trình LabVIEW, NXB Đại học quốc gia T.P Hồ Chí Minh, 2010. [4]. [5]. 26