3 Lời mở đầu Như chúng ta đã biết, nhiệt độ là một trong các thành vật lý quan trọng có nhiều tác động đến đời sống con người Việc thay đổi nhiệt độ tác động hay môi trường xung quanh ảnh hưởng rất nh.
Trang 1Lời mở đầu
Như chúng ta đã biết, nhiệt độ là một trong các thành vật lý quan trọng có nhiều tác động đến đời sống con người Việc thay đổi nhiệt độ tác động hay môi trường xung quanh ảnh hưởng rất nhiều đến các quá trình trình trong sản xuất công nghiệp cũng như sinh hoạt hằng ngày Chính vì vậy, trong hầu hết các lĩnh vực hiện nay việc đo chính xác được nhiệt độ là điều rất cần thiết giúp con người
có thể đưa ra các giải pháp điều chỉnh hợp lý
Hiện nay có rất nhiều cách để đo nhiệt độ khác nhau trong đó thông dụng
và được sử dụng phổ biến nhất chính là cảm biến nhiệt Đây là thiết bị được dùng
để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo Khi nhiệt độ có sự thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu và từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc
và quy ra thành nhiệt độ bằng một con số cụ thể Các cảm biến nhiệt rất đa dạng
về chủng loại phù hợp với các mục đích và điều kiện sử dụng khác nhau
Trên cơ sở môn học học Thiết kế thiết bị đo và qua các nguồn tài liệu tìm
hiểu được Nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế thiết bị đo nhiệt
độ sử dụng cặp nhiệt điện loại K” trong số các đề tài được giao
Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Đào Đức Thịnh đã góp ý và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình nhóm làm đề tài Tuy nhiên do trình độ kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi còn những thiếu sót Nhóm em rất mong nhận được sự phê bình và sửa chữa từ cô để đề tài này hoàn thiện hơn
Hà Nội, ngày tháng năm 2022
Trang 2Mục lục
Lời mở đầu 3
Mục lục 4
Danh mục hình vẽ 5
CHƯƠNG 1 Tổng quan đề tài 6
1.1 Yêu cầu của đề tài 6
1.2 Mục tiêu của đề tài 6
CHƯƠNG 2 Giới thiệu về cặp nhiệt điện loại K 7
2.1 Cặp nhiệt điện là gì ? 7
2.2 Ưu nhược điểm của cặp nhiệt điện 7
2.2.1 Ưu điểm 7
2.2.2 Nhược điểm 8
2.3 Các phương pháp bù nhiệt điểm lạnh 8
2.3.1 Đặt điểm lạnh trong nước đá 0 oC 8
2.3.2 Đặt điểm lạnh ở nhiệt độ cố định biết trước 9
2.3.3 Đo nhiệt độ điểm lạnh 9
2.3.4 Tự động bù trực tuyến trong thiết bị đo 9
2.4 Cặp nhiệt điện loại K 10
CHƯƠNG 3 Thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện 12
3.1 Sơ đồ khối của mạch 12
3.2 Thiết kế các khối và lựa chọn phần cứng 12
3.2.1 Khối Amplifer 12
3.2.2 Khối MCU và khối hiển thị 16
3.2.3 Khối nguồn 19
CHƯƠNG 4 Thiết kế mạch bằng Altium và vẽ hộp 22
4.1 Schematic 22
4.2 PCB 22
4.3 Vẽ hộp 24
CHƯƠNG 5 Kết luận 26
5.1 Kết quả thu được 26
5.2 Hướng phát triển 26
Trang 3Danh mục hình vẽ
Hình 2-1 Cấu tạo cặp nhiệt điện phổ biến nhất 7
Hình 2-2 Mô tả phương pháp đặt điểm lạnh trong nước đá 0 oC 9
Hình 2-3 Mô tả phương pháp đặt điểm lạnh trong hộp 9
Hình 2-4 Mô tả phương pháp đo nhiệt độ điểm lạnh 9
Hình 2-5 Mô tả phương pháp tự động bù nhiệt độ điểm lạnh bằng thiết bị đo 10
Hình 2-6 Cặp nhiệt loại K 10
Hình 3-1 Sơ đồ khối của mạch 12
Hình 3-2 Sơ đồ mạch của khối Amplifer 12
Hình 3-3 Điện trở dán 0603 14
Hình 3-4 IC opamp LM741 và sơ đồ chân của nó 14
Hình 3-5 LM35 và sơ đồ chân 15
Hình 3-6 Biến trở tam giác RM065 15
Hình 3-7 Tụ dán 0805 16
Hình 3-8 KF 2P 16
Hình 3-9 Sơ đồ mạch của khối MCU và khối hiển thị 16
Hình 3-10 Sơ đồ chân của PIC16F877A 17
Hình 3-11 Sơ đồ khối ADC PIC16F877A 18
Hình 3-12 Thạch anh dán 20 MHz 18
Hình 3-13 Led 7 thanh 4 đoạn anot chung 19
Hình 3-14 Sơ đồ mạch khối nguồn 19
Hình 3-15 Máy biến áp 220/9V 1A 20
Hình 3-16 Cầu chì tự phục hổi PPTC SMD1812 12V 1,5A 20
Hình 3-17 LM7805 và LM7905 21
Hình 3-18 Tụ nhôm 1000uF 16V 10x10mm 21
Hình 4-1 Schematic của mạch thiết bị đo 22
Hình 4-2 PCB 2D 22
Hình 4-3 Lớp Top của mạch 3D 23
Hình 4-4 Lớp Bot của mạch 3D 23
Hình 4-5 Mặt trên của hộp 24
Hình 4-6 Mặt bên phải hộp 24
Hình 4-7 Mặt bên trái hộp 25
Trang 4CHƯƠNG 1 Tổng quan đề tài 1.1 Yêu cầu của đề tài
Với đề tài “Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt loại K” của nhóm có những yêu cầu sau
- Bù nhiệt độ đầu tự do bằng LM35, dùng mạch cứng
- Độ phân giải 1oC
- Dải đo từ 0 – 500 oC
- Sử dụng uC và hiển thị led 7 thanh 4 số
- Thiết kế với giá trị và linh kiện có trên thị trường Thiết kế đến mạch in của thiết bị
- Thiết kế vỏ của thiết bị
1.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của nhóm đặt ra khi làm đề tài này là hoàn thành môn học và thực hiện đề tài một cách tốt nhất có thể
- Khi thực hiện đề tài sẽ giúp nhóm áp dụng được các kiến thức đã học để xử lý
và giải quyết yêu cầu đề ra
- Có thêm các kinh nghiệm khi thiết kế mạch điện tử
Trang 5CHƯƠNG 2 Giới thiệu về cặp nhiệt điện loại K 2.1 Cặp nhiệt điện là gì ?
Cặp nhiệt điện (thermocouple) là cảm biến nhiệt mạch kín gồm 2 dây kim loại không giống nhau được nối ở hai đầu Một dòng điện được tạo ra khi nhiệt
độ ở một đầu hoặc điểm nối khác với nhiệt độ ở đầu kia Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Seebeck, là cơ sở để đo nhiệt độ cặp nhiệt điện
Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821 Theo ông, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt vào nơi có các nhiệt độ khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sự dịch chuyển của các electron
do đó sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở Điện áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng
Theo hình 2-1, 2 dây của cặp nhiệt điện sẽ được hàn vào nhau tại 1 điểm
là điểm nóng (hot junction) tức là nơi dùng để đo nhiệt độ Phần tiếp theo chính
là điểm lạnh (cold junction) là nơi mà điện áp/nhiệt độ đã được biết trước Khi người ta đưa điểm nóng vào nơi cần đo nhiệt độ, người ta thấy rằng khi nhiệt
độ tại đây tăng lên thì điện áp/nhiệt độ tại điểm lạnh cũng sẽ tăng không tuyến tính Khi người ta đo được điện áp/nhiệt độ tại điểm lạnh, ta sẽ tính ra được điện áp/ nhiệt độ tại điểm nóng theo công thức
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐻− 𝑉𝐶 = 𝛼 (𝑇𝐻− 𝑇𝐶)
𝛼 là hệ số Seekbeck
Hình 2-1 Cấu tạo cặp nhiệt điện phổ biến nhất
2.2 Ưu nhược điểm của cặp nhiệt điện
2.2.1 Ưu điểm
- Phạm vi nhiệt độ: Tùy thuộc vào dây kim loại được sử dụng, cặp nhiệt điện có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng –200oC đến + 2500oC Phù hợp với hầu hết các lĩnh vực cần đo nhiệt độ trong thực tế
- Bền: Cặp nhiệt điện là thiết bị chắc chắn, không bị sốc và rung động và thích hợp để sử dụng trong môi trường nguy hiểm
- Phản ứng nhanh: Bởi vì chúng nhỏ và có công suất nhiệt thấp, các cặp nhiệt điện phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi nhiệt độ Chúng có thể phản ứng với nhiệt độ thay đổi nhanh chóng trong vòng vài trăm mili giây
- Không tự phát nhiệt: Vì cặp nhiệt điện không cần nguồn điện kích thích nên chúng không dễ tự phát nhiệt và về bản chất là an toàn
Trang 6đó, chúng có thể cần được bảo vệ và bảo dưỡng thường xuyên
- Tính nhạy cảm với tiếng ồn: Khi đo sự thay đổi tín hiệu mức vi điện tử, nhiễu
từ trường điện và từ trường lạc có thể là một vấn đề Cặp dây xoắn của cặp nhiệt điện có thể làm giảm đáng kể hiện tượng thu từ trường Sử dụng cáp có vỏ bọc hoặc dây dẫn chạy trong ống kim loại và có bảo vệ có thể làm giảm sự thu nhận điện trường Thiết bị đo phải cung cấp khả năng lọc tín hiệu, bằng phần cứng hoặc bằng phần mềm, loại bỏ mạnh tần số đường truyền (50 Hz/60 Hz) và sóng hài của nó
2.3 Các phương pháp bù nhiệt điểm lạnh
Như trong hình 2-1, material A và material B là 2 loại vật liệu tạo nên cặp nhiệt Đầu nóng là điểm mà 2 loại vật liệu được hàn với nhau, và đó chính là điểm đo nhiêt độ quá trình Trong các điểm nối lạnh (điểm lạnh) cặp nhiệt điện được kết nối với vôn kế được là bằng vật liệu khác, ở đây là đồng (copper) Trong các kết nối này, điện áp/nhiệt độ được tạo ra vào đó là những thứ mà chúng ta không muốn đo Như chúng thấy trong hình trên, thực tế chúng ta đang
đo điện áp của 3 cặp nhiệt khác nhau được mắc nối tiếp với nhau Rõ ràng là chúng ta chỉ muốn đo điện áp/nhiệt độ tại điểm nóng (điểm đo) mà không phải là
2 điểm còn lại
Chính vì thế có các cách để loại bỏ và bù cho cặp nhiệt điện được tạo ra tại các điểm lạnh
2.3.1 Đặt điểm lạnh trong nước đá 0 o C
Theo nguyên tắc, điểm nối cặp nhiệt sẽ không tạo ra điện áp khi nó ở nhiệt
độ 0°C (32°F) Vì vậy chúng ta có thể đặt các điểm lạnh tại nhiệt độ đó ví dụ như đặt trong nước đá hay bộ làm lạnh điều chỉnh nhiệt độ chính xác Chúng ta có thể kết nối cặp nhiệt bằng dây đẫn bằng đồng được đặt trong nước đá và khi đó điện
áp sẽ không được tạo ra tại mối nối Do đó chúng ta không cần phải quan tâm đến các mối nối tại điểm lạnh, các điểm này cần được đặt trong nước đá được cách ly với nhau tránh rò rỉ và bị ăn mòn Đây là một cách làm rất hiệu quả và điều này thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm hiệu chuẩn Nó ít được
sử dùng trong các nhà máy vì việc tạo nhiệt độ 0 oC là khác phức tạp và tốn kém
Trang 7Hình 2-2 Mô tả phương pháp đặt điểm lạnh trong nước đá 0 o C
2.3.2 Đặt điểm lạnh ở nhiệt độ cố định biết trước
Việc sử dụng nước đá là không thực tế, chúng ta cũng có thể đặt các kết nối điểm lạnh ở một nhiệt độ đã biết và cố định chứ không cần phải cố gắng tạo nhiệt độ 0°C ở điểm lạnh Chúng ta có thể để các điểm lạnh trong một hộp kết nối nhỏ có nhiệt độ đã biết và luôn được giữ cố định tại nhiệt độ đó Thông thường nhiệt độ là cao hơn nhiệt độ môi trường, do đó hộp này chỉ cần sấy và không cần phải làm lạnh Khi đã biết nhiệt độ tại điểm lạnh đang đặt ở đó và biết loại cặp nhiệt đang sử dụng, chúng ta có thể tính toán và bù lại điện áp cặp nhiệt điện tại điểm lạnh
Nhiều thiết bị đo hay bộ hiệu chuẩn nhiệt độ có chức năng mà chúng ta có thể nhập nhiệt độ của điểm lạnh, khi đó thì thiết bị sẽ tự làm tất cả việc tính toán
bù điểm lạnh
Hình 2-3 Mô tả phương pháp đặt điểm lạnh trong hộp
2.3.3 Đo nhiệt độ điểm lạnh
Nếu chúng ta không thể điều chỉnh nhiệt độ điểm lạnh như các phương pháp trước, chúng ta có thể đo nhiệt độ điểm lạnh với một đầu đo nhiệt độ khác Sau đó có thể bù lại nhiệt độ do ảnh hưởng của điểm lạnh gây ra, nhưng việc bù này khó khăn hơn các phương pháp khác do chúng ta cần phải đo nhiệt độ điểm lạnh liên tục Có nhiều loại cảm biến có sẵn giúp đo điểm lạnh như nhiệt điện trở RTD, Thermistors…
Hình 2-4 Mô tả phương pháp đo nhiệt độ điểm lạnh
2.3.4 Tự động bù trực tuyến trong thiết bị đo
Như đã nhắc đến trong phương pháp trên rằng rất khó trong việc tính toán bù liên tục cho cặp nhiệt nhưng chúng ta có thể bỏ nó vào thiết bị đo để nó thực hiện tự
Trang 8động Thiết bị đo (transmitter, card đầu vào DCS hay bộ hiệu chuẩn nhiệt độ) có thể đo nhiệt độ của điểm lạnh mọi lúc và tự động thực hiện bù điểm lạnh trực tuyến vì thiết bị đo có thể biết được loại cặp nhiệt (chúng ta chọn nó trong menu)
nó có thể bù điểm lạnh tự động và liên tục Đây là cách thiết thực và đơn giản nhất để bù điểm lạnh trong các phép đo và hiệu chuẩn thông thường vì chúng ta không cần quan tâm đến điểm lạnh và việc cần làm chỉ là cắm dây cặp nhiệt và thiết bị
Hình 2-5 Mô tả phương pháp tự động bù nhiệt độ điểm lạnh bằng thiết bị đo
2.4 Cặp nhiệt điện loại K
Cặp nhiệt điện loại K là loại thermocouple được sử dụng phổ biến nhất trong các nghành công nghiệp
Hình 2-6 Cặp nhiệt loại K
Thông số kỹ thuật của cặp nhiệt điện loại K
- Cấu tạo gồm 2 dây Chromel® gồm 90% niken và 10% crom; Alumel® là hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic
- Chromel® là dây dương, Alumel® là dây âm
- Loại K là một trong những cặp nhiệt điện phổ biến nhất với độ nhạy khoảng 41 μV/ºC
- Không tốn kém, và phạm vi của nó là từ –270°C đến +1372°C (–454 °F đến +2501 °F) và tương đối tuyến tính
- Thành phần niken là từ tính, và như các kim loại từ tính khác, sẽ có độ lệch trong đầu ra khi vật liệu đạt tới điểm Curie, xảy ra ở nhiệt độ 350°C (662°F) đối
Trang 9với cặp nhiệt điện loại K Điểm Curie là nơi vật liệu từ trải qua một sự thay đổi đáng kể trong tính chất từ của nó và gây ra sự sai lệch lớn đến tín hiệu đầu ra
- Hoạt động ở nồng độ oxy thấp gây ra một sự dị thường gọi là quá trình oxy hóa
ưu tiên của crom trong dây dương gây ra tình trạng gọi là 'green rot' tạo ra các sai lệch lớn nghiêm trọng nhất trong khoảng 816 đến 1038°C (1500 đến 1900°F) Việc thông gió hoặc bít kín ống bảo vệ có thể ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ tình trạng này
- Chu kỳ trên và dưới 1000°C (1800°F) không được khuyến nghị do thay đổi đầu
ra từ các hiệu ứng trễ
- Nó sử dụng được trong không khí oxy hóa liên tục hoặc không khí trung hòa nhưng hư hỏng sớm khi tiếp xúc với lưu huỳnh
Trang 10CHƯƠNG 3 Thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện 3.1 Sơ đồ khối của mạch
Hình 3-1 Sơ đồ khối của mạch
Điện áp rơi trên đầu nóng và lạnh của cặp nhiệt điện được đưa vào khối mạch khuếch đại, điện áp ra sẽ đưa vào vào vi xử lí để chuyển dữ liệu ADC sang
dữ liệu nhiệt độ đo được trên thực tế và hiển thị giá trị đo được lên led 7 thanh
3.2 Thiết kế các khối và lựa chọn phần cứng
3.2.1 Khối Amplifer
Hình 3-2 Sơ đồ mạch của khối Amplifer
Ở khối MCU nhóm dùng ADC 10 bit sử dụng điện áp tham chiếu 5V để hiển thị 0 - 500°C, tương ứng với 10mV/°C Cặp nhiệt điện loại K dải đo 0 - 500°C, hệ số Seekeck là 41 μV/ºC, trong điều kiện lý tưởng điểm lạnh bằng 0°C
sẽ có điện áp đầu ra là 0 – 0,0205V
Trang 11Mạch khuếch đại của nhóm sẽ thực hiện khuếch đại và bù nhiệt (sử dụng cảm biến LM35) để đầu ra là 0 - 5V và 1 ºC ở đầu cặp nhiệt tương ứng với độ nhạy điện áp là 10mV
Vì độ nhạy của cặp nhiệt loại K là 41 μV/ºC và độ nhạy của LM35 là 10mV/°C nên độ lợi của khuếch đầu tiên ở IC1 được chọn theo cách sao cho độ nhạy của hai cảm biến được tạo ra bằng nhau
𝐺1 = 10 10
−3
41 10−6 = 243,9 ≈ 244 IC1 sử dụng mạch khuếch đại không đảo có công thức là
𝑉𝑖𝑛 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 (1 +𝑅2
𝑅1)
𝐺1 = 244 nên nhóm chọn 𝑅1 = 100kΩ và 𝑅2 = 24,3kΩ
Điện áp LM35 đi qua IC2 sử dụng mạch đệm điện áp với công thức
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 Điện áp ra IC1 và IC2 là OUT1 và OUT2 đi vào IC3 sử dụng mạch khuếch đại cộng đảo với công thức khi 𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅5 là
Nhóm sử dụng thêm các biến trở VR1 – 4 kết nối với chân 1 và 5 của IC
để điều chỉnh điện áp offset bằng 0 Giá trị các biến trở là 10kΩ
Tín hiệu ra trước khi vào ADC trong vi xử lý sẽ qua bộ lọc 50Hz/60Hz Dòng tần số 50Hz/60Hz giúp loại bỏ nhiễu mạnh mẽ, khi tín hiệu đi qua bộ khuếch đại chưa được loại bỏ hết nhiễu thì bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ hết nhiễu khỏi tín hiệu Sử dụng công thức
𝑓 = 12𝜋 𝑅𝐶
Từ đó ta chọn các thông số 𝑅16 = 100kΩ, C = 1uF, suy ra f = 1,6Hz
❖ Loại điện trở được chọn trong mạch là điện trở dán 0603, đây là loại điện trở
có giá trị cố định với dung sai 1%, và chất lượng cao (nhiễu nhiệt nhỏ, đặc tính tần cao) Được đóng gói theo chuẩn 0603 có kích thước nhỏ chỉ 1,6x0,8x0,4 mm Nhiệt độ hoạt động từ -55 ͦ C đến 155 ͦ C và dải điện áp rộng thích hợp với nhiều mạch điện tử cần độ chính xác, hoạt động ổn định, bền với thời gian
Trang 12Hình 3-3 Điện trở dán 0603
❖ IC được dùng trong mạch là IC opamp LM741 Một số ưu điểm của nó như độ lợi cao, tiêu thụ dòng điện thấp, điện áp cung cấp rộng và được bảo vệ quá tải từ
cả 2 phía đầu vào và đầu ra, giúp mạch bên trong IC không bị hư hao do quá tải
Thông số kỹ thuật của LM741
- Model: 8 chân xuyên lỗ
- Số lượng kênh là 1
- Điện áp cung cấp tối thiểu là ± 5V và tối đa là ± 18V
- Công suất cực đại là 500mW
- Dải nhiệt độ hoạt động là -50 ºC đến 125 ºC
- CMRR là 95 dB
Hình 3-4 IC opamp LM741 và sơ đồ chân của nó
1 Chân offset 1 dùng để điều chỉnh điện áp bù đầu vào
3 Đầu vào không đảo
4 Chân cấp nguồn điện một chiều âm
5 Chân offset 2 dùng để điều chỉnh điện áp bù đầu vào
6 Chân điện áp đầu ra
7 Chân cấp nguồn điện một chiều dương
8 Chân này không kết nối
❖ LM35 là cảm biến nhiệt có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ
