Đo và giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm Labview

Nội dung text: Đo và giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm Labview

1. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 53/2020 Đo và giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm Labview ThS. Nguyễn Thị Trang Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Mobile: 0988353484; * Email: trang.edu84@gmail.com Tóm tắt Từ khóa: Bài báo nghiên cứu phương pháp đo và giám sát nhiệt độ. Trên cơ sở Cảm biến; Đo nhiệt độ; Giám sát nghiên cứu đó xây dựng mô hình giám sát nhiệt độ ứng dụng module nhiệt độ; Phần mềm labview. USB 6008 và phần mềm labview. Mô hình được kiểm chứng qua các kết quả giám sát nhiệt độ và cho thấy mô hình đã đạt được các mục tiêu đặt ra. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong việc đo và giám sát nhiệt độ trong thực tế. Abstract Keywords: Article researching temperature measurement and monitoring method. On Sensor; Temperature; Temperature the basis of that study, a temperature monitoring model is built using USB monitoring; Labview software. module 6008 and labview software. The model is verified through the temperature monitoring results and shows that the model has achieved the set goals. The research results can be applied in real-world temperature measurement and monitoring. 1. Đặt vấn đề [1]. Trong các hệ thống kỹ thuật nói chung và Các Phương pháp đo nhiệt độ thường được các dây chuyền sản xuất nói riêng việc đo và sử dụng trong công nghiệp là phương pháp đo giám sát nhiệt độ là một khâu quan trọng vì nhiệt tiếp xúc. Sử dụng các cảm biến tiếp xúc như: nhiệt độ là một trong các thông số có trong nhiều quá điện trở, cặp nhiệt ngẫu, các IC bán dẫn. trình công nghệ. Việc đo lường chính xác giá trị 2.1.2. Một số loại cảm biến nhiệt độ và thiết bị nhiệt độ trong các điều kiện khác nhau và giám sát thường dùng chúng có ý nghĩa quan trọng góp phần cho hệ thống Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm hoạt động ổn định hơn. Việc nghiên cứu ứng dụng biến nhiệt độ cũng như thiết bị đo nhiệt độ được sử các công nghệ mới và phần mềm chuyên dụng cho dụng khá phổ biến. Dưới đây là một số loại cảm phép việc đo lường và giám sát nhiệt độ linh hoạt biến và thiết bị đo thường dùng. hơn. Vấn đề nghiên cứu giám sát nhiệt độ đã được Máy đo nhiệt độ PCE-T317 (PT-100) nhiều công trình đề cập đến. Tuy nhiên ứng dụng o module USB 6008 đo và giám sát nhiệt độ Dải đo -190 790 C sử dụng trên phần mềm LabVIEW thể hiện Độ phân giải 0.1oC tính linh hoạt hơn trong cả giải pháp về phần Độ chính xác 0.05% cứng cũng như phần mềm. Điều này cho thấy Thiết bị đo nhiệt độ l b à i b á o có tính ứng dụng cao và khả thi trong cả o môi trường công nghiệp. Dải đo : -200 1200 C Đầu đo: cáp dài 1800mm, đầu cảm biến bằng 2. Phương pháp nghiên cứu thép không rỉ dài 500mm thích hợp dùng đo nhiệt 2.1. Vấn đề đo và giám sát nhiệt độ độ trong lò đốt, nồi nấu kim loại, công nghệ tráng nhôm, kẽm trong sản xuất tôn 2.1.1. Các phương pháp đo nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ LM335 (tương tự LM135, Đo nhiệt độ là nhiệm vụ thường gặp trong các LM235, LM335A) [4]. ngành nhiệt, hóa và luyện kim. Tùy theo nhiệt độ o đo ta sử dụng các phương pháp đo khác nhau. Dải đo : - 40 100 C Thông thường, nhiệt độ đo được chia thành 3 dải: Độ nhạy : 10mV/oK nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Sai số : 0.5 C (ở 25 C) Ở nhiệt độ thấp và trung bình thì phương pháp Dòng tiêu thụ : 400  A 5mA đo thường là phương pháp , tức là các cảm biến nhiệt độ được đặt trực tiếp trong môi trường cần đo. Cảm biến nhiệt độ LM35 (tương tự LM335) Đối với nhiệt độ cao cần đo bằng phương pháp đo Dải đo : - 55 150oC không tiếp xúc, dụng cụ đo đặt ngoài môi trường đo Độ nhạy : 10mV/oC KH&CN QUI 7
2. SỐ 53/2020 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI Sai số : 0.5 C (ở 25 C) và điều khiển khác. Dòng tiêu thụ : 60  A 2.2.2. Lập trình trên Labview Thiết bị đo nhiệt độ cầm tay chuyên nghiệp LabVIEW có hai cửa sổ là bảng giao diện P400 / P410 (The Front Panel), sơ đồ khối(The Block Diagram). Người dùng thao tác trên cả hai cửa sổ Đầu vào : Pt100, dây 4 lõi trên. Giao diện của Front Panel giống như giao Dải đo : - 99.9°C 850°C diện sử dụng của các thiết bị vật lý, Front Panel chủ Độ chính xác : ±0.3°C yếu là một tổ hợp các Control và Indicator. Độ phân giải: 0.1°C (- 99.9°C đến 399.9°C), sai Control mô phỏng các thiết bị đầu vào của máy và số 1°C [2]. cung cấp dữ liệu cho Block Diagram. Indicator mô 2.1.3. Vấn đề giám sát nhiệt độ phỏng các thiết bị đầu ra của máy để hiển thị các dữ liệu thu được hay được phát ra từ Block Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, Diagram của VI. Có thể đặt các Control hay các hệ thống máy tính với khả năng thực hiện các Indicator lên Front Panel thông qua bảng control. phép tính với số lượng rất lớn trong một giây, các Cửa sổ Diagram có các Block Diagram của VI là loại cảm biến có độ chính xác rất cao đã làm cho mã nguồn đồ họa cho VI. Xây dựng Block Diagram hệ thống điều khiển và giám sát ngày càng được bằng cách nối với nhau các đối tượng gửi hay áp dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp nhận dữ liệu, thực hiện các hàm cụ thể, điều hiện đại. Quá trình tự động càng giữ vai trò quan khiển quá trình truyền. Phần Diagram thể hiện trọng trong các ngành công nghiệp khai thác, chế những đối tượng chính của chương trình: các biến, năng lượng dầu khí, lọc dầu, hoá chất Các Node, Terminal và dây nối. Để khởi tạo một hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng chương trình trong labview ta có thực hiện như sau: trong các lĩnh vực đó đều có một số đặc thù chọn File, lựa chọn NEW VI, đây là cách nhanh chung và được xếp vào hệ thống điều khiển quá chóng và dễ thao tác nhất, khi đó sẽ xuất hiện đồng trình. Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm thời hai cửa sổ The Front Panel và The Block các giải pháp đo lường, điều khiển và vận hành, Diagram khi đó ta sẽ thao tác trên hai cửa sổ giám sát các yêu cầu của quá trình và thiết bị trên để lập chương trình hoặc giải quyết các yêu công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, cầu bài toán [3] . hiệu quả sản xuất, sự an toàn cho người và các thiết bị vận hành. 3. Đo và giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm LABVIEW 2.2. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm labview 3.1. Giới thiệu về module USB 6008 2.2.1. Giới thiệu về phần mềm labview LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Sơ đồ khối của module USB 6008 thể hiện trên Engineering Workbench) là một ngôn ngữ lập hình 1. 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. 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 Hình 1. Module USB 6008 nố (Theicon/connect). Các tính năng kỹ thuật chính của Module USB Front Panel là giao diện mà người sử dụng 6008 [5]: hệ thống nhìn thấy. Các VI bao gồm một giao diện người dùng có tính tương tác, mà được gọi là Có cổng USB kết nối với máy tính. bảng giao diện, vì nó mô phỏng mặt trước của một Có 1 bộ đếm 32 bit. dụng cụ vật lý. Bảng giao diện có thể bao gồm các Có 8 kênh đơn (hoặc 4 kênh vi sai) vào núm, các nút đẩy, các đồ thị và các dụng cụ chỉ thị 8 KH&CN QUI
3. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 53/2020 tương tự (độ phân giải 12 bit, 48 kS/s) với Sử dụng cảm biến nhiệt điện trở PT100 để đo ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất từ -10 đến 10V. nhiệt độ. Ở 00C điện trở của PT100 là 100Ω, cứ tăng Có 2 kênh ra tương tự (độ phân giải 12 bit, 10C thì PT100 tăng khoảng 0,39  Ta sử dụng 150kS/s) với ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất từ 0 mạch ổn định dòng với nguồn dòng 1mA để PT100 đến 5V. không bị nóng lên. Vì vậy giá trị điện áp thu được Có 12 kênh vào/ra hiệu số (digital I/O). khá nhỏ nên ta cần mạch khuếch đại vi sai để khuếch đại tín hiệu thu được. Module USB 6008 có khả năng thu thập dữ liệu tin cậy với kết nối USB. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến PT100 thể hiện trên hình 4. 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 Hình 4. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến hiện trên hình 2. PT100 Khi ở 00C thì điện trở của PT100 là 100 , nếu dùng mạch ổn áp dòng 1mA thì áp đặt 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. Hình 2. Cấu tạo module USB 6008 3.2.3. Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu. Trong đó: 1 – Nhãn và định hướng chân Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến 2 - Bộ nối bắt vít nhiệt ngẫu thể hiện trên hình 5. 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 Hình 5. Sơ đồ khối module đo nhiệt độ với cảm biến nhiệt ngẫu. Phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu: Hình 3. Sơ đồ module đo nhiệt độ với IC LM35 E e (t) e (t ) Trên hình 3 là sơ đồ khối module đo nhiệt độ AB AB AB 0 với IC LM35. Cảm biến LM35 đo nhiệt độ bằng Sử dụng cảm biến nhiệt ngẫu cần phải bù nhiệt cách đo hiệu điện thế ngõ ra (chân số 2), do vậy độ đầu tự do. Ở đây ta dùng cầu bù tự động nhiệt độ chân số 2 của LM35 ta nối vào AI0+ của module đầu tự do như hình 6. USB 6008. Các chân số 1 và 3 của LM335 lần Vì vậy giá trị điện áp đầu ra của cảm biến lượt nối vào +5V và GND của module USB 6008. nhiệt ngẫu thu được khá nhỏ nên ta cần mạch Từ module USB 6008 nối với máy tính thông qua khuếch đại để khuếch đại tín hiệu thu được. Để cổng USB. phù hợp với giải đo từ 0 đến 5 V của module USB 3.2.2. Xây dựng module đo nhiệt độ với cảm biến 6008, ta cần sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu. Từ PT100 mạch khuếch đại ta đưa vào chân +AI2 của module USB 6008. Từ module USB 6008 nối với KH&CN QUI 9
4. SỐ 53/2020 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI máy tính thông qua cổng USB. Hình 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 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 Hình 6. Cầu bù nhiệt độ đầu tự do kênh số 1 chưa qua xử lý nhiễu. 3.2.4. Mô hình mạch hoàn chỉnh. Trên hình 10 là kết quả giám sát nhiệt độ có kênh số 3 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Trên Sau khi xây dựng sơ đồ nguyên lý ta tiến hành đồ thị thể hiện tín hiệu của cả 4 kênh đã qua xử lý đấu nối trên thiết bị thực, các phần tử trong mạch đã nhiễu. được trình bày như trên. Báo động được thông báo bằng đèn hiệu và âm 3.3. Xây dựng chương trình giám sát trên thanh. Các kênh nhiệt độ được hiển thị bằng nhiều Labview cách khác nhau và có thể lưu trữ dưới dạng file với Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ đã xây các định dạng dễ sử dụng như: Excel, dựng trên Labview thể hiện trên hình 7. Hình 10. Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và tín hiệu của cả 4 kênh đã qua xử lý nhiễu. Hình 7. Giao diện chương trình giám sát nhiệt độ trên Labview Trên hình 11 là kết quả giám sát nhiệt độ có Chương trình giám sát nhiệt độ trên Labview kênh số 3 đang báo động vì quá nhiệt độ đặt. Trên được thể hiện trên hình 8. 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 8. Chương trình giám sát nhiệt độ trên labview Hình 11. Kết quả giám sát có kênh số 3 đang báo động và nhiệt độ của các kênh số 2, kếnh số 3 và kênh số 4 đang 3.4. Một số kết quả giám sát nhiệt độ ứng dụng thay đổi. Module USB 6008 và phần mềm Labview Trên hình 12 là kết quả giám sát nhiệt độ có Sau khi ghép nối phần cứng ta có một số kết kênh số 3 và kênh số 4 đang báo động vì quá nhiệt quả giám sát nhiệt độ thể hiện từ hình 9 độ đặt. đến hình 14. 10 KH&CN QUI
5. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 53/2020 Hình 14. Kết quả giám sát có kênh số 2, số 3, số 4 đang báo động và nhiêt độ kênh số 4 đang tăng. 4. Thảo luận Đo và giám sát nhiệt độ ứng dụng Module USB 6008 và phần mềm Labview có tính ứng dụng cao trong thực tế. Có rất nhiều phương hướng để phát triển bài báo như: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 Hình 12. Kết quả giám sát có kênh số 3 và số 4 đang báo động nhiều thông số khác ngoài thông số nhiệt độ. Trên hình 13 là kết quả giám sát nhiệt độ có 5. Kết luận kênh số 2 và kênh 4 đang báo động vì quá nhiệt độ Bài báo nghiên cứu vấn đề đo và giám sát nhiệt đặt. Trên đồ thị ghi lại được thời điểm nhiệt độ của độ. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Labview. Xây kênh số 2 đang giảm. dựng module phần cứng và chương trình giám sát nhiệt độ ứng dụng module USB 6008 và phần mềm labview. 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. Hình 13. Kết quả giám sát có kênh số 2 và số 4 đang báo [3]. Nguyễn Bá Hải, Lập trình LabVIEW, động và nhiêt độ kênh số 2 đang giảm. NXB Đại học quốc gia T.P Hồ Chí Minh, 2010. Trên hình 14 là kết quả giám sát nhiệt độ có [4]. kênh số 2, số 3 và số 4 đang báo động vì qua nhiệt [5]. độ đặt. Trên đồ thị ghi lại được thời điểm nhiệt độ của kênh số 4 đang tăng. KH&CN QUI 11