Những nét mới về cảm biến - cảm biến thông minh thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cảm biến là một phần tử không thể thiếu trong kỹ thuật tự động hóa. Bài viết "Những nét mới về cảm biến - cảm biến thông minh thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0" trình bày sự hiểu biết về cảm biến, các đặc điểm chức năng, thành phần, cấu trúc của cảm biến và vị trí, ‎ý nghĩa của cảm biến thông minh trong cách mạng công nghiệp 4.0; được minh họa thông qua nghiên cứu cụ thể một cảm biến thông minh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Những nét mới về cảm biến - cảm biến thông minh thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0

NGHIÊN CỨU TRAO ĐỔI Kỹ thuật - Công nghệ NHỮNG NÉT MỚI VỀ CẢM BIẾN - CẢM BIẾN THÔNG MINH THỜI KỲ CÁCH MẠNG CÔNG NGHIỆP 4.0 Nguyễn Ngọc Bích * Tóm tắt: Cảm biến là một phần tử không thể thiếu trong kỹ thuật tự động hóa. Bài viết trình bày sự hiểu biết về cảm biến, các đặc điểm chức năng, thành phần, cấu trúc của cảm biến và vị trí, ‎ý nghĩa của cảm biến thông minh trong cách mạng công nghiệp 4.0; được minh họa thông qua nghiên cứu cụ thể một cảm biến thông minh. Từ khóa: Cảm biến, cảm biến thông minh, tự động hóa, đại lượng vật lý, công nghiệp 4.0. Summary: Sensor is an indispensable element in automation engineering. The article presents the understanding of the sensor, its functional characteristics, its composition, the structure of the sensor and its position, and the significance of smart sensors in the industrial revolution 4.0; is illustrated through specific research of a smart sensor. Keywords: Sensors, intelligent sensors, automation, physical quantity, industry 4.0. Cảm biến (CB) là một phần tử không kỹ thuật vi điện tử và tin học, tạo ra nhiều thể thiếu trong các hệ đo lường, giám sát, chức năng mới cho các đồ dùng sinh hoạt điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất. hàng ngày hay phục vụ sản xuất, như Đây là thiết bị có thể cảm nhận sự thay điện thoại, tivi, tủ lạnh, máy giặt, thiết đổi một đại lượng vật lý và biến đổi thành bị, máy móc,..., trong các công trình dân tín hiệu dưới dạng phù hợp để có thể giám dụng (nhà ở, khách sạn, trường học, bệnh sát và điều khiển đại lượng vật lý đó. viện,...), doanh nghiệp (nhà máy, phân Thời kỳ đầu, CB gắn liền với kỹ thuật xưởng, sân bay, ga xe lửa, bến tàu,...) và đo lường, để đo các đại lượng vật lý phi gắn chúng với từ thông minh. Trong tự điện (như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, kích động hóa các quá trình sản xuất và công thước, khoảng cách, tốc độ, gia tốc,...) nghệ, CB cũng được cải tiến, hiện đại hóa với mục đích giám sát các đại lượng đó. để phù hợp với các yêu cầu mới; do đó, Chúng được hiển thị bằng kim trên các xuất hiện một loại CB mới gọi là Cảm thang đo, được chia theo tỷ lệ hoặc các biến thông minh (CBTM). thiết bị hiển thị khác. Trong các hệ thống Theo từ điển Wikipedia, CBTM là điều khiển, CB được dùng trong các mạch CB thực hiện một số hoạt động được xác phản hồi (feedback) theo nguyên lý điều định trước khi nó cảm nhận được tín hiệu khiển hoặc để nâng cao chất lượng quá vào - ra thích hợp, do tích hợp thêm trong trình điều khiển. cấu trúc của nó một số các phần tử chức Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 năng bổ sung. hiện nay, với đặc trưng cơ bản là sử dụng Nhờ các thành phần bổ sung, CBTM * Khoa Điện - Điện tử, Tạp chí 52 Trường ĐH KD&CN Hà Nội. Kinh doanh và Công nghệ Số 13/2021
số các phần tử chức năng bổ sung. Nhờ các thành phần bổ sung, CBTM cho phép người dùng thu thập dữ liệu tự động và Kỹ thuật - Công nghệ NGHIÊN CỨU TRAO ĐỔI chính xác hơn. Yếu tố quan trọng nứa, là CBTM có khả năng kết nối mạng, kết nối với internet vạn vật (IoT) đối với các hệdữ liệugiàm sát và điều khiển từ xa. Các chứccó một vài cho phép người dùng thu thập thống tự các CBTM kết nối mạng và năng có thể động và chính xác hơn. Yếu tố quan trọng đặc tính “thông minh” khác, như tự động thực hiện CBTM có khả năng kết nối mạng và có một vài đặc tính „thông minh” khác, đo, nữa, là khi dùng các CBTM kết nối mạng, chọn thang đo, tự động xử lý thông tin như tựkết nối vớithang đo, vạn vật xử lý thông tin đo, tự động bù trừsai số, v.v. động chọn internet tự động (IoT) đối với tự động bù trừ sai số, v.v. các CBTM thường có sơ đồ khối như trên Hình 1. CBTM thường có sơ đồ khối như ở hệ thống giám sát và điều khiển từ xa. Các chức năng có thể thực hiện khi dùng Hình 1. Tín hiệu Tín hiệu vào x ra y Sensor sơ cấp CC chuyển Bộ biến đổi Vi mạch (thông thường) đổi (chuẩn A-D số hóa) tín hiệu Hình 1. Sơ đồ khối Cảm biến thông minh một kênh Sensor sơ cấp đo tínSơ đồ khối Cảm biến thông minhđộ chính xác đo của CB. Hình 1. hiệu vào (x). Đây ảnh hưởng đến một kênh là sensor thông thường chỉ gồm 2 khối: khối là sensor thông thường chỉ gồm 2điểm chức Sensor sơ cấp đo tín hiệu vào (x). Đây Sau đây liệt kê một vài đặc khối: khối cảm nhận và khối biến đổi có tín hiệu ra (y) năng mới của CBTM so với CB thông dưới dạng điện áp đổi dòng điện (y) dưới dạng điện áp tính dòng điện không lớn lắm cảm nhận và khối biếnhoặccó tín hiệu rakhông thường, tăng hoặc “thông minh” của CB, [1]. Tín hiệu này qua bộ chuyển đổi (Transmiter) và một thiết bị đonhiệm vụ tạo xác cao. lớn lắm [1]. Tín hiệu này qua bộ chuyển như chuẩn hóa làm có độ chính ra tín hiệu đổi (Transmiter) và chuẩn hóa, làm nhiệm 1. Chức năng có thể thu thập dữ liệu, chuẩn (thường là điện áp 0-5V, hoặc 0-10V để đưa đến bộ biến đổi A-D chuyển tín hiệu vụ tạo ra tín hiệu chuẩn (thường là điện đo nhiều đại lượng đo khác nhau từ một áp tự thành tín hiêu số, trước đến bộ biến đối tượng, xử lý và nhiều điểm, số y ở đấu tương0-5V, hoặc 0-10V để đưa khi đưa đến vi mach số để nhưng ở nhận tín hiệuđể loại trừ ra đổi A-D chuyển tín đo lường giám thành tín sai số do ảnhcần hiểnnhiều yếu tố (dođọc và dùng cho mục đích hiệu tương tự sát hay điều khiển. Nếu hưởng thị giá trị số để nhiệt hiệu số, trước khi đưa đến vi mạch số để độ, độ ẩm môi trường, hay do các yếu tố xử sát tham số x, hiệu số y sẽ là ra, bị số kỹ thuật bằng màn hình CB số. giám lý và nhận tínthì tiếp nối ở đầuthiếtdùng đọc số liệu khác). Lúc nàyhiện không còn có choCBTM áp dụng các thành sát hay điều nghệ trúc một(vi điệnnhư ở Hình 1, mà có mục đích đo lường giám tựu của công cấu điện tử kênh, tử) và tín học (mạng, khiển. Nếu cần hiển thị giá trị số để đọc và cấu trúc đa kênh và trong sơ đồ khối CB, Interret) để đa dạng hóa các CB, đưa ra nhiếu biện pháp xử lý để nâng cao độ chính xác, khả giám sát tham số x, thì tiếp nối sẽ là thiết bị có một vài CB sơ cấp, có một vài cơ cấu năng đọc số tin, tăng độ tác động hiện số.tăng độ ổn định. độ tuyến tinh, hạn chề,cần bổ sung số thông liệu bằng màn hình nhanh, (CC) chuyển đổi, mà sau đó tiến đến loại bỏ các CBTMảnh hưởng đến độ chínhtựu của khối dồn kênh MUX (multiplxer) như ở yếu tố áp dụng các thành xác đo của CB. công nghệ điện tử (vi điện tử) và tin học Hình 2. (mạng, đây liệt kê một vài đặc điểm chức năng mới Có thể chương trình hóa quá trình Sau Interret) để đa dạng hóa các CB, 2. của CBTM so với CB thông thường, tăng tính ”thôngbiện pháp xử lý để một thiết bị đo có độ là đo xác cao. chương trình đã đưa ra nhiều minh” của CB, như nâng cao đo, tức chính theo một 2. Có thể chương trình hóa quá trình đo. tức là đo theo một chương trình đã định sẵn. độ chính xác, khảcó thể thông tin,dữ liệu, đo định sẵn. Chương trình này cótừ một đối 1. Chứctrình nàynăng thu thập tăng độ nhiều đại lượng đo (bằng cách lập trình thay thể Chương năng có thể thay đổi bằng cách thay đổi chương trình đã có khác nhau tác động nhanh, tăng độ ổn định, độ tuyến đổi bằng cách thay đổi chương trình đã có tượng,lại).. chế, tiến đến loại loạicác yếusố do (bằng cáchnhiều yếu lại).. dụ, do nhiệt độ, tính, nhưng ở nhiều điểm, để bỏ trừ sai tố ảnh hưởng lập trình tố (thí hạn độ ẩm môi trường, hay do các yếu tố kỹ thuật khác). Lúc này CB không còn có cấu trúc một kênh, như trên Hình 1, mà1có cấuCC chuyển đổi x1 Sensor trúc đa kênh và trong sơ đồ khối CB, có một vài CB sơ cấp, 1 Tín hiệu có một vài cơ cấu (CC) chuyển đổi, mà sau đó cần bổ sung khối dồn kênh MUX (multiplxer) ra y Đối tượng x2 CC chuyển đổi Bộ dồn kênh Bộ biến đổi Sensor 2 Vi mạchsố như trên Hình 2. đo 2 (MUX) A-D ... ... xn CC chuyển đổi Sensor n n Hình 2. Sơ đồ khối cảm biến thông minh nhiều kênh 3. Do sửHình 2. Sơ đồ khối Cảm biến thông minh tính khác nhau: cộng, trừ, nhân dụng vi mạch số, có thể thực hiện các phép nhiều kênh Tạp chí chia, tích phân, vi phân, tuyến tính hóa tính phi tuyến của CB cũng Kinh doanh và tác khác khi như các thao Công nghệ 53 đo để đạt kết quả đo chính xác nhất. Số 13/2021 4. Cũng do sử dụng vi mạch số trong cấu tạo, CB có thể thiết kế để mã hóa kết quả đo,
NGHIÊN CỨU TRAO ĐỔI Kỹ thuật - Công nghệ 3. Do sử dụng vi mạch số, có thể thực cấu tạo biểu diễn ở Hình 3. Ở CB này, hai hiện các phép tính khác nhau: cộng, trừ, áp suất P1 và P2 tác động lên hai màn chắn nhân, chia, tích phân, vi phân, tuyến tính đàn hồi của CB. Hai giá trị điện dung C1 hóa tính phi tuyến của CB cũng như các và C2 sẽ thay đổi, tạo ra sai lệch điện dung thao tác khác khi đo để đạt kết quả đo ΔC tùy thuộc vào 2 giá trị áp suất: P1 > P2 chính xác nhất. hoặc P1 < P2. Dựa vào giá trị và dấu của 4. Cũng do sử dụng vi mạch số trong sai lệch điện dung ΔC, ta có thể biết giá trị cấu tạo, CB có thể thiết kế để mã hóa kết của áp suất P1 , P2 . CB điện dung kiểu vi quả đo, có thể phát hiện những vị trí hỏng sai này đã được nghiên cứu ở [1], [2]. hóc trong thiết bị đo, đưa ra thông tin về chúng nhờ cài đặt chương trình kiểm tra và chẩn đoán kỹ thuật về sự làm việc của cảm biến. 5. Cảm biến có thể ghép nối với các thiết bị ngoại vi: màn hình, máy in, bàn phím với P1 P2 các kênh liên lạc để truyền đi xa các số liệu C1 C2 theo chu kỳ hay theo địa chỉ dùng mạng dây dẫn hay mạng không dây (internet). Rõ ràng, CBTM thực sự tạo ra một sự P1 P2 tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật đo lường 2 C1 C cũng như kỹ thuật giám sát và điều khiển Hình 3. Cảm biến sơsơ cấp điện dung vi sai Hình 3. Cảm biến cấp điện dung kiểu tự động. Để minh họa cho các vấn để trên, kiểu vi sai dưới đây nghiên cứu CBTM đo áp suất 4301. CB này, ngoài sử dụng đo phát triển tiếp Bướccủa CB thông thường đo ápthôngđể trở thành Bước áp suất theo phát triển tiếp theo của CB suất chất lỏng, chất khí, về nguyênbổ biến sơcó lịnh kiện đokiểusuấtđể CB trở nên ”thôngđo suất là tắc, còn cấp thường cần thiết, để Hình 3. Cảm sung các điện dung áp vi sai trở thành CBTM minh” hơn. S thể dùng để đo mức, CBTM đo áp suất d ng ngu ên lý điện dung vilinh có hiển thịthiết, ra giá trị áp lưu lượng chuyển áp suất là bổ sung các sai kiện cần đầu động dòng phát triển tiếp theo lỏng, vì cácthườngCB áp suất để “thông minh” hơn. Sơ đồ Bước chất khí, chất của CB thông để đo trở nên trở thành CBTM đo áp dạng số c ng các số khối của CBTM đo áp suất dùng nguyên phần tử khác đươc trình bà trên Hình 4. tham là bổ sung cácliên quancần thiết, để CB trở nên ”thông minh” hơn. Sơ đồ khối của suất số này đều lịnh kiện đến tham áp suất. lý điện dung vi sai, có hiển thị đầu ra giá CBTM đo áp suất d ng ngu ên lý điện dung vi sai có hiển thị đầu ra giá trị áp suất dưới dạng CB sơ cấp dùng trong CB TM đo áp trị áp suất dưới dạng số cùng các phần tử CPU dạng số c ng cácdungtử khác đươc trìnhsơ đồ khác 4. suất là CB điện phần kiểu vi sai, có bà trên Hình đươc trình bày ở Hình 4. CB điện D/A dung Mạch Mạch CPU CB C1 chuẩn cách MUX A/D RAM Đầu C2 hóa ly T/h tương tự ra điện D/A dung Mạch t/h Mạch Hiện thị số ĐK C1 chuẩn cách MUX A/D RAM Đầu chỉ thị Modem C2 hóa ly ra số t/h Chuẩn hóa t/h Modem Tru ền đi a hoặc vào MT Chuẩn CB nhiệt độ Bộ\nhớ hóa t/h ngoài CB nhiệt độ Bộ\nhớ ngoài Hình 4. Sơ đồ khối cảm biến thông minh đo áp suất Hình 4.4. Sơđồ khối cảm biến thông minh đođo áp suất Hình Sơ đồ khối cảm biến thông minh áp suất gu ên lý tác động chung của CB có thể trình bà như sau: Áp suất đư Tạp chí 54 gu ên lý tác động chung của sơ cấp. Tín hiệu điện qua mạch chuẩn Côngbiến thành tín hiệu tần điện dung CB có thể trình bà như sau: Áp suất được đo bởi CB Kinh doanh và hóa nghệ điện dung sơ cấp. Tín hiệu điện qua mạchbộ dồnhóa biến thànhTín hiệu tần sô, Số 13/2021 ngoài tín hiệu đo á cách l đưa vào chuẩn kênh MUX. tín hiệu đưa vào MUX, qua mạch cách l đưa vào bộ dồn kênh MUX. Tín hiệu đưa vào MUX, ngoài tín hiệu đo áp suất, còn có tín hiệu nhiệt độ môi trường từ CB nhiệt độ để hiệu chỉnh sai số đo do tha đ
Kỹ thuật - Công nghệ NGHIÊN CỨU TRAO ĐỔI Nguyên lý tác động chung của CB có - Ta biết rằng giữa đại lượng áp thể trình bày như sau: Áp suất được đo bởi suất P và lưu lượng Q trong ống tròn có CB điện dung sơ cấp. Tín hiệu điện qua mối quan hệ thông qua công thức toán mạch chuẩn hóa biến thành tín hiệu tần học: Q = k p 2 − p1 . Tổng quát hơn: số, qua mạch cách ly đưa vào bộ dồn kênh MUX. Tín hiệu đưa vào MUX, ngoài tín Q = f ( P ). Như vậy, CBTM đo áp suất hiệu đo áp suất, còn có tín hiệu nhiệt độ có thể dùng để đo lưu lượng dòng chảy môi trường từ CB nhiệt độ để hiệu chỉnh Q chảy qua ống thiết diện tròn, nếu dùng sai số đo, do thay đổi nhiệt độ tạo ra. Sau thêm thiết bị tính căn bậc 2. đó tín hiệu đo qua bộ biến đổi A/.D, RAM, - Lưu lượng chất lỏng qua kênh nước v.v. của CPU. Ở đây, CPU tiến hành các có thiết diện hình thang, hay thiết diện xử lý cần thiết tín hiệu (tuyến tính hóa, bù hình chữ V liên quan đến áp suất dòng chất trừ sai số,....) và đưa ra kết quả đo dưới lỏng x thông qua các hàm căn bậc 2 của x3 dạng tương tự hoặc dưới dạng số, hoặc có và x5. Có nghĩa là Q = P 5 , Q = P 5 , thể truyền đi xa hay đến máy tính. nên để tính giá trị lưu lượng này, cũng có Như đã trình bày ở trên, CB áp suất, thể dùng CBTM đo áp suất kết hợp với ngoài đo áp suất, nếu kết hợp với bộ phận các cơ cấu tính tương ứng. tính toán, có thể đo các tham số khác của Thí dụ nêu trên cho thấy CBTM có dòng chất lỏng, như mức chất lỏng trong cấu tạo và các đặc tính phong phú. Trong thùng chứa, lưu lượng dòng chất lỏng, công nghiệp, các CBTM mang lại sự thay như trình bày dưới đây: đổi quan trọng trong quá trình sản xuất. - Ngoài trực tiếp có lượng ra x phản Các nhà máy trở thành các nhà máy thông ảnh áp suất P, vỉ độ lệch áp suất ΔP = P1- minh. Trong đời sồng thường ngày, thiết bị P2, có thể xác định qua việc đo 2 áp suất thông minh tạo ra các tòa nhà thông minh, P1 và P2, nên dùng CB có thể đo độ lệch điện thoại, tivi và các đồ dùng thông minh đó. Ngoài ra, mức chất lỏng có liên quan khác. Đây chính là một trong rất nhiều đến áp suất, nên CB cũng có thể dùng để những kết quả nhìn thấy của cách mạng đo mức này. công nghiệp 4.0 đang diễn ra./. Tài liệu tham khảo 1. Lê Văn Doanh và các tác giả (2007). Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển. Nxb. Khoa học - Kỹ thuật, Hà Nội. 2. TS. Nguyễn Ngọc Bích (2020). Cảm biến trong các hệ thống giám sát và điều khiển. Giáo trình. Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội. 3. www.Google: Cảm biến và Cảm biến thông minh. Ngày nhận bài: 15/01/2021 Ngày phản biện: 25/01/2021 Ngày duyệt đăng: 01/03/2021 Tạp chí 55 Kinh doanh và Công nghệ Số 13/2021