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 Mở đầu Chương 1: Cơ sở lý thuyết phép đo áp suất Áp suất 1.1 Một số loại hình chuyển đổi áp suất 1.2 Phương pháp đo áp suất sử dụng nguyên lý đàn hồi Cảm biến thông minh Chương : Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100 Giới thiệu MPX5100 Các đặc trưng MPX5100 Bù nhiệt độ chíp 10 Sai số nhiệt độ (MPX5100D, MPX5100G, MPXV5100G) 12 Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 13 Yêu cầu 13 Giải toán 13 Thiết kế mô mạch sử dụng ARDUINO UNO 16 Kết luận 17 Tài liệu tham khảo 17 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 tận tình hướng dẫn truyền thụ kiến thức để chúng em hoàn thành đồ án Tuy vậy, hạn chế kiến thức thực tế điều kiện thời gian nên đồ án nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp cô để hoàn thiện đồ án Mở đầu Việc đo xác định áp suất đóng vai trò quan trọng hệ thống giám sát điều khiển động cơ, điều khiển trình hay chuyển đổi áp suất Các cảm biến đo áp suất sử dụng nhà máy để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho hệ thống, ví dụ nhà máy nhiệt điện, nhà máy có hệ thống nung hay nén vật liệu cần giám sát áp suất chặt chẽ … Với ứng dụng phổ biến nêu trên, việc nghiên cứu cảm biến nói chung, cảm biến áp suất nói riêng quan trọng người kỹ sư Qua học phần Thiết bị đo cảm biến thông minh, chúng em nhận đề tài “Đo áp suất dùng cảm biến MPX5100 tự động chuẩn độ” Đây loại cảm biến thông việc thực mạch đo mà không cần trải qua khâu khuếch đại tín hiệu Đề tài chia làm chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết 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 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 phép đo áp suất Áp suất Trong vật lý học, áp suất (thường viết tắt p) đại lượng vật lý, thể cường độ thành phần lực tác động vuông góc đơn vị đo diện tích vi thành phần bề mặt vật chất p= F S Với S diện tích Đơn vị đo áp suất: Trong hệ SI : N/m2 hay gọi Pa: Pa = N/m2 Ngoài có số đơn vị khác: atmosphere, Torr, mmHg 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 áp suất tĩnh trọng lượng chất lưu áp suất khí tác động lên mặt thoáng chất lưu Chất lưu truyền nguyên vẹn áp suất theo phương Trên mặt phẳng nằm ngang lòng chất lưu tất điểm có áp suất Áp suất điểm có độ cao khác áp suất khác Công thức tính áp suất chất lưu: p = p0 + ρgh Trong đó: p0 áp suất khí ρ khối lượng lượng riêng chất lưu g gia tốc trọng trường h độ sâu tính từ điểm áp suất tới mặt thoáng chất lưu Trong trường hợp chất lưu chuyển động, áp suất gồm thành phần: áp suất tĩh (pt) áp suất động (pđ) p = pt + p đ v đó: pđ = v vận tốc chuyển động 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 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 dựa sở biến dạng đàn hồi phần tử biến dạng nhạy cảm với tác dụng áp suất Các phần tử biến dạng thường dùng lò xo, màng mỏng, ống trụ  Áp kế kiểu màng: Màng phẳng màng uốn nếp Khi áp suất tác động lên màng làm biến dạng Biến dạng màng hàm phi tuyến áp suất tùy thuộc điểm khảo sát Với màng mỏng độ phi tuyến lớn độ võng lớn, thường sử dụng phạm vi hẹp độ dịch chuyển màng Hình 1: Kiểu màng phẳng Hình 2: Kiểu màng uốn nếp Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến màng phẳng nên sử dụng độ võng lớn màng phẳng Áp suất truyền lên màng đo, màng biến dạng có cầu đo điện trở lực căng bán dẫn Trên màng biến dạng biến dạng ɛ (ở tâm) tính: ɛ = -0,49 PR Ed ứng suất biên: ϭb = -0,75 PR d 2 Di chuyển tạo nên tâm màng: δ = 0,17 PR Ed 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 tác dụng P Cảm biến thông minh Người ta sử dụng vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với loại cảm biến khác để tạo cảm biến thông minh có đặc tính như: tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số … Hình 4: Sơ đồ kết cấu cảm biến thông minh Các cảm biến thông minh thường có chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường điện áp 0-5V 0-10 V dòng 0-20mA 4-20 mA Bộ chuyển đổi lấy tín hiệu từ cảm biến, biến đổi dạng chuẩn cho chuyển đến ADC đưa đến Vi xử lý Khi qua chuẩn hóa tín hiệu biến Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ đổi tỷ lệ, mẫu tín hiệu x nằm khoảng X1-X2 tín hiệu y phải nằm khoảng 0-Y Đặt tính chuyển đổi chuẩn hóa thường tuyến tính: y = y0 + kx (1) Thay giá trị đầu vào đầu CĐCH ta có: = y0+KX1 Y = y0 + KX2 Giải ta được: y0 = -Y.X1/(X2 – X1) ; K = Y/(X2-X1) Thay vào công thức (1) ta có hàm đặc tính CĐCH là: Y = -Y.X1/(X2 – X1) + Y/(X2-X1).x Là hàn tuyến tính theo x thỏa mãn yêu cầu CĐCH  CĐCH có đầu tín hiệu chiều (là dòng hay áp) thực theo bước:  Bước 1: Trừ giá trị ban đầu x=X1 để tạo đầu CĐCH giá trị y =  Bước 2: Thực khuếch đại (K >1) hay suy giảm (K