Tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu

Tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


TIỂU LUẬN MÔN ĐO LƯỜNG THÔNG MINH

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
LỚP CAO HỌC ĐIỆN TỬ 13B
Đề tài:
TÌM HIỂU HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU

GVHD: TS. NGÔ VĂN THUYÊN

TP. HCM, Tháng 06 năm 2014
1


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1. Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu (DAQ)
1.1 Các thành phần của hệ DAQ
1.1.1 Định nghĩa

Thu thập dữ liệu (data acquisition) là quá trình mà tín hiệu vật lý từ thế giới
thực được chuyển thành tín hiệu điện để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho quá
trình xử lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính.

Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ) System)
được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn cả chức năng điều khiển. Vì
vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều khiển (Data Acquisition and
Control).
1.1.2

Các thành phần của hệ DAQ

Một hệ DAQ được xây dựng trên cơ sở sức mạnh của máy tính bao gồm nhiều khối
phần cứng từ các nhà sản xuất khác nhau. Nhiệm vụ của các nhà tích hợp là kết hợp
các khối phần cứng này thành một hệ thống hoàn chỉnh
Các thành phần cơ bản của một hệ DAQ là :
•
•
•
•
•
•

Cảm biến và các bộ chuyển đổi
Dây nối và truyền thông
Khối xử lý tín hiệu
Phần cứng thu thập dữ liệu
PC (hệ điều hành)
Phần mềm thu thập dữ liệu

Trang 2
2

Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng của hệ DAQ
Chuyển đổi và cảm biến
Bộ chuyển đổi và cảm biến cung cấp một kết nối (thực) giữa thế giới thực và hệ
DAQ nhờ vào việc chuyển đổi các đại lượng vật lý sang tín hiệu điện mà bộ xử lý tín
hiệu và/hoặc hệ DAQ chấp nhận.
Các bộ chuyển đổi hiện tại có thể sử dụng cho hầu hết các phép đo vật lý và
cung cấp tín hiệu điện tương ứng. Ví dụ: cặp nhiệt, nhiệt điện trở và IC nhiệt chuyển
đổi nhiệt độ sang một tín hiệu điện analog, trong khi bộ đo lưu lượng (flow meter)
cung cấp một tín hiệu chuỗi xung có tần số phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy.
Trong mỗi trường hợp trên, tín hiệu điện đầu ra tỉ lệ với đại lượng vật lý được
đo lường theo quan hệ định trước.
Dây nối và cáp truyền thông
Dây nối: Liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu
hoặc từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu cách xa PC.
Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu là RS232 hoặc RS-485 : cáp truyền thông.

Trang 3
3


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
Đây thường là thành phần cồng kềnh nhất của hệ thống và thường dễ chịu tác động
của nhiễu bên ngoài đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt vì vậy cần quan tâm đặc
biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối và cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng
của nhiễu.
Khối xử lý tín hiệu
Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến cần được chuyển sang dạng thích hợp, được chấp
nhận bởi phần cứng khối thu thập dữ liệu, đặc biệt là bộ chuyển đổi A/D.

Các nhiệm vụ của khối này có thể là:
•
•
•
•
•

Lọc
Khuyếch đại
Tuyến tính hóa
Cách ly
Kích thích

Phần cứng thu thập dữ liệu
Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ và phân tích.
Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thông tin về quá trình của một hệ thống. Chuyển tín
hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển một hệ thống hay quá trình. Xuất
ra tín hiệu điều khiển dạng số.
Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau từ nhiều nhà
sản suất, có thể là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards), intelligent
stand-alone loggers and controllers (loại này có thể được định cấu hình, quan sát và
điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoặc có thể hoạt động độc lập), hoặc các thiết bị
độc lập từ xa có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE488.
Phần mềm thu thập dữ liệu: có ba lựa chọn
Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng: assembly, hoặc các ngôn ngữ cấp cao như
Pascal, C/C++…
Trang 4
4

Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi nhà sản xuất.
Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập dữ liệu để
thực hiện tất cả các nhiệm vụ yêu cầu cho một ứng dụng cụ thể.
PC: ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thu thập và xử lý dữ liệu.
1.1.2 Cấu trúc của hệ DAQ
1.1.2.1
Vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC

Các mạch vào/ra tập trung được cắm trực tiếp vào máy tính qua các bus mở
rộng. Chúng có đặc điểm là nhỏ gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất,
chi phí thấp vì vậy thường được dùng. Chúng thường được sử dụng trong các ứng
dụng mà PC ở gần cảm biến và cơ cấu chấp hành.

Hình 1.2: Sơ đồ vào/ra tập trung
1.1.2.2

Vào/ra phân tán
Sensor và cơ cấu chấp hành thường ở xa PC, thường trong môi trường sản xuất

CN, cảm biến và cơ cấu chấp hành ở trong môi trường khắc nghiệt và bao phủ trong
một diện tích rộng cách xa PC hàng trăm mét.Trong môi trường có nhiễu, khó có thể
nhận được tín hiệu nhỏ từ các cảm biến như cặp nhiệt, strain gauge qua đường truyền
dài.Dây nối từ sensor về PC dài và có thể tốn kém.
Giải pháp: Vào/ra phân tán, nghĩa là module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi
sensor tương ứng. Mỗi sensor cần có một module xử lý tín hiệu.Giải pháp này có thể
Trang 5
5

Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
tốn kém nếu có nhiều sensors nhưng được bù đắp bởi chất lượng tín hiệu và độ chính
xác.
Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số. Bộ phát số này thực hiện tất
cả các chức năng xử lý tín hiệu cần thiết, có VXL và ADC để chuyển tín hiệucần đo
sang dạng số. Tín hiệu dạng số này được truyền về PC bằng chuẩn RS-232 hoặc RS485.RS-232 (point to point) thì cồng kềnh khi có nhiều điểm.Đối với RS-485, nó giảm
lượng cáp truyền, có thể kết nối đến 32 modules, khoảng cách truyền có thể lên đến
10km nếu dùng multi-drop network. (RS-232: tối đa 15m). Thường cần bộ chuyển đổi
RS-232 sang RS-485 do hầu hết các PC không hổ trợ chuẩn RS-485.

Hình 1.3: Sơ đồ khối vào/ra phân tán
1.1.2.3

Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán
Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán có ưu điểm giống của I/O phân

tán với các bộ xử lý tín hiệu thông minh, đồng thời khả năng tự quyết định từ xa làm
tăng độ tin cậy của hệ thống.
Có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính dùng giao tiếp nối tiếp hoặc
card PCMCIA. Chúng có thể họat động độc lập mà không cần PC (đây là mục tiêu
chính) vì vậy rất hữu ích khi phải đặt các bộ thu thập dữ liệu ở xa hoặc trong môi

Trang 6
6


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
trường khắc nghiệt hoặc các ứng dụng không cho phép sự kết nối liên tục tới máy tính
( ex: điều khiển nhiệt độ trong các xe tải đông lạnh).
Sử dụng card PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu độc lập.

Hình 1.4: Card PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu độc lập
Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS - 232

Hình 1.5: Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS – 232
Kết nối bộ thu thập dữ liệu độc lập qua mạng điện thoại hoặc radio

Trang 7
7


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Hình 1.6: Kết nối bộ thu thập dữ liệu độc lập qua mạng điện thoại hoặc radio
Phương pháp tương tự của chương trình hoặc đăng nhập dữ liệu từ mỗi
logger/controller là có sẵn hoặc thông qua mạng truyền thông nối tiếp hoặc thông qua
sử dụng di động và tái sử dụng thẻ nhớ.

Hình 1.7: Mạng vào/ra phân tán
1.1.2.3

Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

Trang 8
8


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
Chuẩn truyền thông này còn được gọi là GPIB (General Purpose Interface Bus),
được thành lậpnăm 1965 bởi Hewlett-Packard để kết nối và điều khiển các thiết bị đo

thử lập trình được của hãng. Chuẩn này nhanh chóng được thế giới chấp nhận và trở
thành chuẩn IEEE-488 nhờ tốc độ, tính linh hoạt và hữu ích trong việc kết nối các thiết
bị trong phòng thí nghiệm.GPIB là chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao
cho phép kết nối đồng thời 15 thiết bị trên bus truyền dữ liệu song song.
Chuẩn IEEE-488 thường yêu cầu có bộ điều khiển GPIB để định địa chỉ cho từng thiết
bị và khởi tạo các thiết bị sẽ truyền thông với nhau.Tốc độ truyền thông tối đa, chiều
dài cáp truyền tối đa, khoảng cách tối đa giữa các thiết bị phụ thuộc vào tốc độ và khả
năng xử lý của bộ điều khiển GPIB và loại cáp truyền. Các thiết bị theo chuẩn IEEE488 phù hợp cho các lab nghiên cứu hoặc đo thử trong công nghiệ và có hàng ngàn sản
phẩm trên thị trường hỗ trợ chuẩn giao tiếp này.

Hình 1.8: Cấu trúc hệ GPIB thông dụng
Các dụng cụ lập trình được IEEE-488

Trang 9
9


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Hình 1.9: Card thu thập dữ liệu hỗ trợ IEEE-488

Hình 1.10: Bộ điều khiển áp suất Druck DPI 515
1.1.3 Khâu điều hòa tín hiệu

Tín hiệu điện ngõ ra của chuyển đổi/sensor cần được biến đổi cho phù hợp với
ngõ vào của phần cứng DAQ. Một số chuyển đổi/sensor cần nguồn kích thích hoặc cầu
Wheatstone và tuyến tính hóa để tín hiệu đo được chính xác. Hầu hết các hệ DAQ đều
bao gồm khâu xử lý tín hiệu dưới một hình thức nào đó.
Các chức năng cơ bản mà khâu xử lý tín hiệu có thể thực hiện là:
• Khuếch đại

• Cách ly
• Lọc
• Kích thích
• Tuyến tính hóa
Trang 10
10


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
Khâu xử lý tín hiệu của hệ DAQ phải thực hiện nhiệm vụ nào và cách thức thực hiện
phụ thuộc vào số lượng và loại chuyển đổi/sensor, yêu cầu về nguồn kích thích và nối
đất cho sensor, đồng thời không kém phần quan trọng là khoảng cách từ cảm biến tới
PC trung tâm.
1.1.3.1

Khuếch đại
Khuếch đại là nhiệm vụ chính yếu của khâu xử lý tín hiệu nhằm thực hiện 2

chức năng quan trọng sau:
• Tăng độ phân giải cho phép đo. Ví dụ như tín hiệu ngõ ra sensor 0-10mV nếu đưa

trực tiếp vào ADC 12bit với full-scale 10V ( độ phân giải 2.44mV ): chỉ phân biệt
được 4 mức.
• Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR). tín hiệu nhỏ ở ngõ ra của sensor cách xa phần
cứng DAQ nếu được truyền trong môi trường nhiễu sẽ bị ảnh hưởng lớn của nhiễu.
Nếu tín hiệu nhỏ (bị nhiễu) này được khuếch đại tại phần cứng DAQ sau khi được
truyền qua môi trường nhiễu thì nhiễu trong tín hiệu này cũng được khuếch đại như
tín hiệu cần đo. Nếu nhiễu so sánh được với tín hiệu cần đo ( SNR thấp) sẽ dẫn đến
sai số lớn cho phép đo và phép đo là vô nghĩa.
Tăng SNR bằng cách khuếch đại tín hiệu nhỏ ở đầu ra sensor trước khi truyền.

VD: Cặp nhiệt loại J có độ nhạy 50uV/0C. Nếu tín hiệu đầu ra cặp nhiệt được truyền
trong môi trường có nhiễu lớn với khoảng cách 10m, nhiễu đặt lên tín hiệu của cặp
nhiệt có thể lên đến 200uV dẫn đến sai số đến 4oC. Nếu khuếch đại tín hiệu tại đầu ra
cặp nhiệt lên 500 lần thì độ nhạy lúc này là 25mV/0C, sai số do nhiễu lúc này (hàng
uV) là rất nhỏ.
1.1.3.2

Cách ly

Cách ly giúp bảo vệ thiết bị phần cứng DAQ, PC cũng như người vận hành khỏi điện
áp cao trong quá trình quá độ, sét hay tĩnh điện cũng như hỏng hóc của các thiết bị cao
áp.Các bộ bảo vệ quá áp được đặt ở đầu vào của khâu xử lý tín hiệu để bảo vệ khâu
này. Cách ly còn nhằm đảm bảo vòng nối đất, điện áp cách chung (xét ở phần sau)
không ảnh hưởng đến tín hiệu đo.
Trang 11
11


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
Có nhiều cách để cách ly
Cách ly dùng Opto thường dùng cho tín hiệu số.

Cách ly bằng phương pháp từ trường/điện trường dùng cho tín hiệu tương tự: điều chế
tín hiệu điện áp thành tần số, sau đó truyền tín hiệu tần số bằng biến áp/tụ và biến đổi
tần số thành điện áp ở đầu ra.

Hình 1.11: Cách ly bằng máy biến áp
1.1.3.3

Mạch Lọc

Mạch lọc nhằm loại bỏ nhiễu ra khỏi tín hiệu cần đo trước khi tín hiệu này được

khuếch đại và đưa vào ADC. Có thể lọc bằng phần cứng hoặc phần mềm
Lọc mềm: đọc tín hiệu đo nhiều lần hơn cần thiết và lấy trung bình. Phương pháp này
loại bỏ được nhiễu tuần hoàn hoàn toàn nếu các mẫu được trung bình hóa trong một
chu kỳ của nhiễu
Lọc bằng phần cứng: các mạch lọc analog (passive and ative) là rẻ nhất, các thông số:
• Tần số cắt
• Roll-off: độ dốc của đường cong biên độ theo tần số tại tần số cắt
• Q-factor: quyết định độ lợi của mạch lọc tại tần số cộng hưởng và roll-off

Mạch lọc thông thấp
Trang 12
12


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Mạch lọc thông cao

Mạch lọc Butterworth

1.1.3.4

Tuyến tính hóa

Trang 13
13

Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
Quan hệ giữa ngõ ra của sensor và tín hiệu đầu vào cần đo thường là phi tuyến. Phầm
mềm của hệ DAQ thường thực hiện chức năng tuyến tính hóa.Nếu mối quan hệ phi
tuyến là dự đoán được và có tính lặp lại thì có thể tuyến tính hóa bằng phần cứng.
Thông thường cần một bộ xử lý tín hiệu được lập trình dành riêng cho một bộ chuyển
đổi riêng biệt, tuy nhiên sau khi đã được xử lý thì các tín hiệu đo lường này có quan hệ
trực tiếp với đại lượng đang đo.
Trong hầu hết các ứng dụng về đo lường thì việc tuyến tính hóa bằng phần mềm được
sử dụng với 2 kỹ thuật chính là dùng bảng tra: thời gian thực hiện nhanh nhưng cần
dung lượng bộ nhớ lớn hoặc bù bằng đa thức: các đa thức với bậc được lựa chọn tùy
loại cảm biến.
1.4 Chống nhiễu và nối dây cho ngõ vào analog
1.4.1 Phân loại nhiễu

Nhiễu là tín hiệu điện không mong muốn trong mạch. Không thể triệt nhiễu
hoàn tòan mà chỉ có thể giảm biên độ nhiễu cho đến khi biên độ của nó không gây ảnh
hưởng lên tín hiệu đo.
Các thành phần tham gia quá trình sinh nhiễu

Các hình thức gây nhiễu thường gặp trong hệ DAQ
• Ghép nối hỗ cảm (inductive coupling)
• Ghép nối điện dung (capacitive coupling)
• Ghép nối điện trở (conductive coupling)
Ghép nối điện trở

Trang 14
14


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Ghép nối điện trở xảy ra khi hai hoặc nhiều mạch cùng chia sẻ tín hiệu hồi tiếp chung.
trong trường hợp như vậy, dòng điện hồi tiếp từ một mạch, chảy qua các trở kháng hữu
hạn của tín hiệu hồi tiếp chung, kết quả là làm thay đổi điện thế nối đất. Đề án kết nối
hàng loạt nối đất dẫn đến khớp nối dẫn đến ghép nối điện trở. Nếu điện trở của hồi tiếp
chung là 0.1Ω và dòng điện hồi tiếp là 1A thì điện áp đo được từ cảm biến nhiệt độ là
0,1Ω×l=100 mV, tương ứng với sai số là 10 độ trong cảm biến nhiệt độ.
Ghép nối điện dung

Vùng điện từ xảy ra trong vùng lân cận của các nguồn điện áp khác nhau. Ghép nối
điện dung là việc truyền nhiễu bên ngoài thông qua điện dung chung giữa nguồn nhiễu
và mạch nhận. Kết nối vật lý của ghép nối điện dung như hình 1.12

Hình 1.12: Kết nối vật lý của ghép nối điện dung
Mạch điện tương đương của ghép nối điện dung vào mạch tín hiệu

Trang 15
15


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Vn = jωRS C12VN
Ghép nối hỗ cảm
Ghép nối từ trường hoặc ghép nối hỗ cảm là kỹ thuật mà thời gian thay đổi dẫn đến
dòng điện thay đổi sinh ra từ trường trong nguồn nhiễu, kết nối với các dòng điện hồi
tiếp của mạch nhận. Kết nối vật lý của ghép nối hỗ cảm như hình 1.13

Hình 1.13: Kết nối vật lý của ghép nối hỗ cảm
Dây cáp cung cấp một dòng điện hồi tiếp dài nhất và mạnh nhất. Tác động của ghép

nối hỗ cảm là minh chứng tốt nhất khi xem xét mạch điện hình 1.14, trong đó tín hiệu
cáp được ghép lại bởi từ trường thay đổi dạng sin với mật độ thông lượng đỉnh là

Bφ

.

Trang 16
16


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
Hình 1.14: Mô hình mạch tương đương của ghép nối hỗ cảm giữa nguồn nhiễu và
mạch tín hiệu
Trong đó :

Vn = 2π fMI N

Lý tưởng nhất, điện áp trên tải là V S (tín hiệu điện áp nguồn). Tuy nhiên, từ thông gây
ra một điện áp trong vòng lặp, nó xuất hiện cùng với các mạch tín hiệu thu. Điện áp
xuất hiện trên tải là tổng của nguồn điện áp và từ trường cảm ứng điện áp không mong
muốn (VN).Xoắn các dây dẫn cách điện của vòng lặp với nhau, như thể hiện trong hình
1.15, có thể làm giảm đáng kể số lượng ghép nối hỗ cảm trong đường tín hiệu.

Hình 1.15: Giảm nhiễu ghép nối hỗ cảm bằng dây xoắn
1.4.2 Giảm nhiễu

Dùng cáp có vỏ bọc và nối đất vỏ bọc : giảm nhiễu do tương hổ điện dung gây
ra

Công thức điện áp nhiễu là:

Vn = jωRS C2 SVNS

Nối đất vỏ cáp
Trang 17
17


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Dùng cáp có vỏ bọc và xoắn đôi
Dùng cáp xoắn đôi
Dùng cáp đồng trục
Các loại cảm biến đo nhiệt độ, khối lượng
2.1 Các loại cảm biến đo nhiệt độ
2.1.1 Thermocouples (TCs)
2

Cặp nhiệt ngẫu có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau được nối chung (về
điện) một đầu và đầu còn lại được kết nối chung (về nhiệt) như được biểu diễn bên
dưới.

V = VA - VB
Để đơn giản hóa việc sử dụng TC, ngành công nghiệp đã tạo ra một số cặp
nhiệt điện tiêu chuẩn, với chất hóa học tiêu chuẩn cung cấp phép đo lặp lại và dự đoán
được. Những TC thường được đại diện bởi một từ duy nhất. Loại cặp nhiệt điện phổ
biến bao gồm: J, K, T , E, R , S , và N. Mặc dù rất nhiều các TC đưa ra dung lượng
tương tự, mỗi cái có một sự kết hợp khác nhau của các yếu tố tỉ lệ, độ chính xác tổng
thể, phạm vi nhiệt độ đo và chi phí.

Bảng 1: Các tính chất cặp nhiệt điện
Trang 18
18


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Cặp nhiệt dựa trên đo nhiệt độ là mỗi hệ thống bao gồm nhiều hơn một cặp nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện đo chính được tạo ra vào thời điểm mà hai kim loại khác nhau được cố
ý kết nối. Tuy nhiên, hai cặp nhiệt điện thêm vào được tạo ra khi dây cặp nhiệt điện
chính được gắn vào hệ thống DAQ.Những cặp nhiệt điện "không mong muốn" được
gọi là "lạnh". Hình 1.16 mô tả một cấu hình đầu vào cặp nhiệt điện cho thấy cả hai
chức năng cặp nhiệt điện là "đo" và "lạnh". Chức năng lạnh cũng tạo ra một điện áp
đầu ra, nếu không bù, trở thành một tín hiệu lỗi.
Loại bỏ các lỗi chức năng lạnh được gọi là bù lạnh.

Hình 1.16: Việc kết nối cặp nhiệt điện với sự bù nguội
2.1.2

Resistance Temprature Detectors (RTDs)
Nhiệt điện trở RTDs là loại cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng kim loại
nguyên chất (hoặc pha tạp nhẹ) mà điện trở của nó tăng khi nhiệt độ tăng (nhiệt điện
trở dương). Hầu hết RTDs được chế tạo ở dạng vòng dây hoặc các miếng film kim
loại.
Trang 19
19


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
So với Thermocouple và Thermistors thì RTDs là cảm biến nhiệt có độ tuyến tính

trong dải nhiệt độ rộng hơn và cho độ chính xác cao hơn.
Các loại RTD

Các dạng mạch đo của RTD
Mạch đo 2 dây

RTD là thiết bị điện trở thụ động nên nó yêu cầu 1 dòng điện kích thích và RTD được
kích thích với nguồn dòng IEX.
Điện trở 2 đầu dây giữa thiết bị đo và RTD sẽ gây ra điện áp rơi trên mỗi đầu là I EX.RL
(volt).Điện áp rơi trên đầu dây với điện áp rơi trên RTD dẫn đến kết quả có thể sai số
đáng kể trong tính toán nhiệt độ.
Mạch đo 2 dây cho kết quả sai số lớn.
Mạch đo 4 dây
Trang 20
20


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Mạch đo 4 dây là mạch đo tốt hơn so với 2 dây và có thể kết nối dây dài.
RTD được kết nối chung 4 đầu: 2 đầu dùng để cung cấp nguồn kích thích cho thiết bị,
2 đầu điện áp dùng để đo.
Với kết nối này sẽ loại trừ được điện áp rơi gây ra bởi dòng kích qua điện trở đầu dây
(RL1.RL4) vì dòng chảy không đáng kể trong 2 điện trở (R L2.RL3), chỉ rơi qua điện trở RT
làm cho phép đo chính xác hơn.
Mạch đo 3 dây

Để giảm chi phí có thể loại bỏ 1 dây, mạch 4 dây trở thành mạch 3 dây, sai số chỉ còn
RL1 và RT của RTD.
Bảng Điện trở / Nhiệt độ Bảng ** đối với Platinum 385, 100 Ω ở 0 ° C

Trang 21
21


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Trang 22
22


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Kết quả tuyến tính hóa chạy bằng MATLAB
Mã chương trình MATLAB
%Linear
clc; clear all;
kx=-1:0.1:1;
vb=1.2;
vob=zeros(5,21);
gama=[1 2 5 10 20];
A=1;
for i=1:1:5
for j=1:1:21
beta=(1+gama(i))/(gama(i)*A);
vob(i,j)=vb*A*kx(j)*((gama(i))/(1+gama(i))^2);
end
end
plot(kx,vob(1,:),'--.c',kx,vob(2,:),'-*r',kx,vob(3,:),'--.k',kx,vob(4,:),'-..',kx,vob(5,:),'-..')
xlabel('Input Kx')
Trang 23

23


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp
ylabel('Output(V)')
axis([-1 1 -0.4 0.4])
grid on

Kết quả chương trình chạy bằng MATLAB
2.1.3

Thermistors
Điện trở nhiệt là một loại cảm biến nhiệt với giá thành rẻ, đó là các điện trở nhiệt bán
dẫn được chế tạo từ các oxides của một số kim loại như (Mangan, Nickel, cobalt,v.v).
Độ chính xác của Thermistors lớn hơn khoảng 10 lần so với Thermocouple nhưng
không chính xác bằng RTDs Thermistors thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ
-80 độ C. 250 độ C, đặc tuyến của loại cảm biến nhiệt này có độ phi tuyến cao.

2.2 Cảm biến đo lực (Strain gauge)

Cảm biến đo lực được sử dụng rộng rãi trong việc đo lường lực hoặc cụ thể hơn
là sự biến dạng do tác động của lực. Cảm biến lực với các phần tử điện trở được gắn
cố định là dạng thường gặp, nó bao gồm vật liệu điện trở (thường ở dạng film mỏng
micromet) được gắn lên một bề mặt polyester.

Trang 24
24


Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp

Các thông số cơ bản:
ε=

•

Độ dài biến dạng:

∆l
l

GF =

•
•

∆R / R ∆R / R
=
∆L / L
ε

Hệ số biến dạng:
Hệ số GF của kim loại là 2

Hệ số biến dạng GF được cung cấp bởi nhà sản xuất cho từng cảm biến cụ thể.Thông
thường hệ số này nằm trong khoảng từ 2-4 cho các cảm biến có điện trở 120 Ohm, 350
Ohm và 1 Kohm.
Ví dụ: Nếu một cảm biến lực với điện trở danh định là 350 Ohm và hệ số biến dạng
GF là 2.0 bị biến dạng 1% thì điện trở của nó sẽ thay đổi 2% hay 0.57Ohm.
Vì độ nhạy nên mạch cầu Wheatstone thường được sử dụng cho các phép đo mà trong

đó có sự thay đổi rất nhỏ về điện trở, cụ thể là cảm biến đo lực. Mạch cầu Wheatstone
bao gồm 4 phần tử điện trở và có thể được kích thích bởi một nguồn điện áp/dòng
điện.Mạch cầu Wheatstone cơ bản như biểu diễn bên dưới.

Trang 25
25