Đo áp suất sử dụng cảm biến mpx5100 tự động chuẩn độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP
-----------o0o------------

ĐỀ TÀI:

ĐO ÁP SUẤT SỬ DỤNG CẢM BIẾN MPX5100
TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ

GV hướng dẫn

: TS. Nguyễn Thị Lan Hương

SVTH

: Võ Tá Hoàng
Nguyễn An Hoan

20093469
20091097

Lớp

: THCN_Kỹ sư chất lượng cao

Khóa

: 54

Hà Nội, 12/2013


ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ

MỤC LỤC
Lời cảm ơn....................................................................................................................... 3
Mở đầu ............................................................................................................................ 3
Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất .............................................................. 4
1. Áp suất ................................................................................................................... 4
1.1.

Một số loại hình chuyển đổi áp suất ................................................................ 4

1.2.

Phương pháp đo áp suất sử dụng nguyên lý đàn hồi ....................................... 5

2. Cảm biến thông minh ............................................................................................. 6
Chương 2 : Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100 ........................................................... 8
1. Giới thiệu MPX5100 .............................................................................................. 8
2. Các đặc trưng của MPX5100 ................................................................................. 8
3. Bù nhiệt độ trên chíp............................................................................................ 10
4. Sai số do nhiệt độ (MPX5100D, MPX5100G, MPXV5100G) ............................... 12
Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 ............................... 13
1. Yêu cầu ................................................................................................................ 13
2. Giải quyết bài toán ............................................................................................... 13
3. Thiết kế mô phỏng mạch sử dụng ARDUINO UNO ............................................ 16
Kết luận ......................................................................................................................... 17
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 17

2
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54


ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ

Lời cảm ơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn
và truyền thụ những kiến thức cơ bản để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Tuy vậy,
do những hạn chế về kiến thức thực tế cũng như điều kiện thời gian nên đồ án còn nhiều
thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của cô để có thể hoàn thiện hơn
đồ án này ạ.

Mở đầu
Việc đo và xác định áp suất đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống giám sát điều
khiển động cơ, điều khiển quá trình hay chuyển đổi áp suất. Các cảm biến đo áp suất còn
được sử dụng trong các nhà máy để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho các hệ thống, ví dụ
trong các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy có hệ thống nung hay nén vật liệu đều cần
giám sát áp suất chặt chẽ …
Với những ứng dụng rất phổ biến như đã nêu trên, việc nghiên cứu về cảm biến nói
chung, và cảm biến áp suất nói riêng rất quan trọng đối với người kỹ sư. Qua học phần
Thiết bị đo và cảm biến thông minh, chúng em được nhận đề tài “Đo áp suất dùng
cảm biến MPX5100 và tự động chuẩn độ”. Đây là một loại cảm biến thông mình vì thế
việc thực hiện mạch đo mà không cần trải qua khâu khuếch đại tín hiệu.
Đề tài được chia làm 3 chương:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất
Chương 2: Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100
Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100

3
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54


ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ

Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất
1. Áp suất
Trong vật lý học, áp suất (thường được viết tắt là p) là một đại lượng vật lý, thể hiện
cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi
thành phần bề mặt vật chất.
p=

F
S

Với S là diện tích.
Đơn vị đo của áp suất: Trong hệ SI : N/m2 hay còn gọi là Pa: 1 Pa = 1 N/m2
Ngoài ra còn có một số đơn vị khác: atmosphere, Torr, mmHg
1 Pa = 1,45.10-4 lb/in2 = 9,869.10-6 atm = 7,5.10-4 cmHg = 7,5.10-3 torr
Trong trường hợp chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh do
trọng lượng chất lưu và áp suất khí quyển tác động lên mặt thoáng chất lưu. Chất lưu
truyền đi nguyên vẹn áp suất theo mọi phương. Trên cùng một mặt phẳng nằm ngang
trong lòng chất lưu thì tất cả các điểm đều có áp suất như nhau.
Áp suất ở những điểm có độ cao khác nhau thì áp suất cũng khác nhau.
Công thức tính áp suất chất lưu: p = p0 + ρgh
Trong đó:
p0 là áp suất khí quyển
ρ là khối lượng lượng riêng chất lưu
g là gia tốc trọng trường

h là độ sâu tính từ điểm áp suất tới mặt thoáng chất lưu.
Trong trường hợp chất lưu chuyển động, áp suất gồm 2 thành phần: áp suất tĩh (pt) và áp
suất động (pđ)
p = pt + p đ
v
trong đó: pđ =
2

v là vận tốc chuyển động của chất lưu.
1.1.
Một số loại hình chuyển đổi áp suất
a. Cảm biến áp suất kiểu màng phẳng
b. Cảm biến áp suất kiểu màng gấp nếp
c. Cảm biến kiểu khoang kín
d. Cảm biến kiểu ống thẳng
e. Cảm biến kiểu vành khuyên

4
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54


ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ

1.2.
Phương pháp đo áp suất sử dụng nguyên lý đàn hồi
Nguyên lý chung là dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi của một phần tử biến dạng
nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng thường dùng là lò xo, màng
mỏng, ống trụ.
 Áp kế kiểu màng: Màng phẳng hoặc màng uốn nếp.
Khi áp suất tác động lên màng làm nó biến dạng. Biến dạng của màng là hàm phi

tuyến của áp suất và tùy thuộc điểm khảo sát. Với màng mỏng độ phi tuyến là khá lớn khi
độ võng lớn, do đó thường chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của
màng.

Hình 1: Kiểu màng phẳng

Hình 2: Kiểu màng uốn nếp
Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỉ hơn màng phẳng nên có thể được sử dụng độ
võng lớn hơn màng phẳng.
Áp suất được truyền lên một màng đo, là một màng biến dạng trên ấy có một cầu đo
bằng 4 điện trở lực căng bán dẫn. Trên màng biến dạng này biến dạng ɛ (ở tâm) được
tính:
ɛ = -0,49

PR

Ed

2

ứng suất ở biên: ϭb = -0,75

PR
d

2

2

Di chuyển tạo nên ở tâm màng: δ = 0,17.

PR
Ed

4
3

5
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54


ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ

Hình 3: Biến dạng ɛ dưới tác dụng của P
2. Cảm biến thông minh
Người ta sử dụng các bộ vi xử lý hay các vi điều khiển kết hợp với các loại cảm biến
khác nhau để tạo ra cảm biến thông minh có các đặc tính mới như: tự động chọn thang
đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số …

Hình 4: Sơ đồ kết cấu của một cảm biến thông minh
Các bộ cảm biến thông minh thường có một bộ chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) làm
nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là điện áp 0-5V
hoặc 0-10 V hoặc dòng 0-20mA hoặc 4-20 mA.
Bộ chuyển đổi này lấy tín hiệu từ cảm biến, biến đổi về dạng chuẩn trên rồi cho
chuyển đến bộ ADC rồi mới đưa đến Vi xử lý. Khi qua bộ chuẩn hóa tín hiệu được biến
6
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54


ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ

đổi tỷ lệ, nếu mẫu tín hiệu x nằm trong khoảng X1-X2 thì tín hiệu ra y phải nằm trong
khoảng 0-Y.
Đặt tính của chuyển đổi chuẩn hóa thường là tuyến tính: y = y0 + kx (1)
Thay các giá trị đầu vào và đầu ra của CĐCH ta có:
0 = y0+KX1
Y = y0 + KX2
Giải ra ta được:
y0 = -Y.X1/(X2 – X1) ; K = Y/(X2-X1)
Thay vào công thức (1) ta có hàm đặc tính của CĐCH là:
Y = -Y.X1/(X2 – X1) + Y/(X2-X1).x
Là một hàn tuyến tính theo x thỏa mãn yêu cầu của một CĐCH.
 CĐCH có đầu ra là một tín hiệu một chiều (là dòng hay áp) được thực hiện theo 2
bước:
 Bước 1: Trừ đi giá trị ban đầu x=X1 để tạo ra ở đầu ra của CĐCH giá trị y = 0.
 Bước 2: Thực hiện khuếch đại (K >1) hay suy giảm (K<1).
Để thực hiện việc trừ đi giá trị ban đầu người ta thường sử dụng khâu tự động bù tín hiệu
ở đầu vào hoặc thay đổi hệ số phản hồi của bộ khuếch đại.
Ta lấy ví dụ sau đây sơ đồ CĐCH sử dụng cặp nhiệt có đầu ra là điện áp 1 chiều.

Hình 5: Chuyển đổi chuẩn hóa đầu ra là áp 1 chiều
Để đo nhiệt độ ta sử dụng cảm biến cặp nhiệt. Ở nhiệt độ t0 của môi trường ta luôn có
ở đầu ra một cặp nhiệt một điện áp U0 (tương ứng giá trị X1 ở đầu vào CĐCH) nhưng yêu
cầu ở đầu ra của CĐCH phải là y = 0. Vậy ta phải tạo được một điện áp – U0 để bù lại
bằng một cầu mà một nhánh bù nhiệt điện trở Rt khi nhiệt độ ở đầu tự do t0 thay đổi, U0
7
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54