BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG CẶP NHIỆT NGẪU THEO PHƯƠNG PHÁP BÙ NHIỆT ĐỘ MỀM, THANG ĐO 0600 ĐỘ C

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG CẶP NHIỆT NGẪU THEO PHƯƠNG PHÁP BÙ NHIỆT ĐỘ MỀM, THANG ĐO 0600 ĐỘ C CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1Giới thiệu về cặp nhiệt ngẫu Cặp nhiệt ngẫu có tên tiếng Anh là thermocouple, với thermo nghĩa là nhiệt độ, couple là cặp, cặp nhiệt điện là một loại thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong trường hợp cần đo những khu vực có nhiệt độ cao và nhiệt độ dao động liên tục.Ngoài cái tên cặp nhiệt điện, nó còn có các tên gọi khác như cảm biến nhiệt độ can nhiệt, cặp nhiệt ngẫu. 1.1.1 Nguyên lý cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

-□□&□□ -BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH -3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN -4

1.1Giới thiệu về cặp nhiệt ngẫu -4

1.1.1 Nguyên lý cặp nhiệt điện -4

1.1.2 Cấu tạo cặp nhiệt điện -5

1.1.3 Các lưu ý khi dùng cặp nhiệt -5

1.1.4 Các loại cặp nhiệt điện -6

1.2 Nguyên lý phương pháp đo bù nhiệt độ mềm -8

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ -9

2.1 Tính toán thiết kế -9

2.1.1 Bộ khuếch đại -9

2.1.2 Chọn ADC cho cả 2 cảm biến -9

2.2 Lựa chọn linh kiện -10

2.2.1 Bộ khuyếch đại INA128PA -10

2.2.2 ADC 10 bit AD7273BRMZ -11

2.2.3 ADC 13 bit MCP3301 -12

2.2.4 Kit STM32F103C8T6 -14

2.2.5 LCD 1602 xanh dương -15

2.2.6 Cảm biến LM35 -16

2.2.7 AMS1117-3.3V -17

CHƯƠNG 3 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ -18

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống -18

3.2 Lưu đồ tổng quát của hệ thống -18

3.3 Mạch nguyên lý của hệ thống -19

3.4 Sơ đồ đi dây -20

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN -21

TÀI LIỆU THAM KHẢO -22

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1 1 Nguyên lý cặp nhiệt điện -4

Hình 1 2 Cấu tạo của cặp nhiệt -5

Hình 1.3 Phương pháp bù nhiệt độ mềm -8Y Hình 2 1 Bộ khuyếch đại INA128PA -11

Hình 2 2 Sơ đồ khối chức năng AD7273 -12

Hình 2 3 Sơ đồ khối chức năng MCP3301 -13

Hình 2 4 KIT STM32F103C8T6 Mini -15

Hình 2 5 LCD 1602 xanh lá -15

Hình 2 6 Sơ đồ chân LCD 1602 -16

Hình 2 7 Sơ đồ chân cả biến LM35 -17

Hình 2 8 Sơ đồ chân AMS1117-3.3V 1 Hình 3.1 Sơ đồ khối -18

Hình 3 2 Lưu đồ thuật toán toàn bộ hệ thống -18

Hình 3 3 Sơ đồ nguyên lý của mạch đo -19

Hình 3 4 Sơ đồ đi dây thiết bị -20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1Giới thiệu về cặp nhiệt ngẫu

Cặp nhiệt ngẫu có tên tiếng Anh là thermocouple, với thermo nghĩa là nhiệt độ,couple là cặp, cặp nhiệt điện là một loại thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trongcông nghiệp, đặc biệt là trong trường hợp cần đo những khu vực có nhiệt độ cao và nhiệt

độ dao động liên tục.Ngoài cái tên cặp nhiệt điện, nó còn có các tên gọi khác như cảmbiến nhiệt độ can nhiệt, cặp nhiệt ngẫu

1.1.1 Nguyên lý cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng Seebeck.Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeckvào năm 1821

Hình 1 1 Nguyên lý cặp nhiệt điện

1.1.2 Cấu tạo cặp nhiệt điện

Hình 1 2 Cấu tạo của cặp nhiệt

Một cặp nhiệt điện sẽ có 5 bộ phận chính:

1.Measuring junction: đây là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện Phần này

sẽ bao gồm 2 thanh kim loại có cấu tạo vật liệu khác nhau được hàn 1 đầu với nhau

2.Thermocouple wires: phần dây kết nối để nối giữa phần đo nhiệt độ và bộ điềukhiển

3.Ceramic insulators: đây là phần sứ cách nhiệt được sử dụng để giữ dây cặp nhiệtđiện cách điện dọc theo toàn bộ chiều dài của đầu dò

4.Protective sheath: đây là phần vỏ bảo vệ bên ngoài của cặp nhiệt điện Thôngthường lớp vỏ này được làm bằng inox đối với nhiệt độ 1200 độ C trở xuống Cònđối với các loại cặp nhiệt điện có thang đo cao hơn 1200 độ C thì lớp vỏ này đượclàm bằng sứ

5.Connection head: phần này sẽ chứa dây kết nối của cặp nhiệt điện Khi ta dùngcác bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA thì sẽ được cho vào đây

1.1.3 Các lưu ý khi dùng cặp nhiệt

Đấu dây sai cách

Khi kết nối dây từ cặp nhiệt điện vào PLC hoặc biến tần, nếu ta đấu dây sai, cặpnhiệt điện sẽ không hiển thị được Ta cần chú ý thêm rằng các loại cặp nhiệt điện chỉ

có 2 dây kết nối, khác với loại cảm biến nhiệt độ pt100 2 dây

Chọn không đúng thang đo nhiệt độ:

Thang đo nhiệt độ là một yếu tố cực kỳ quan trọng khi mua cặp nhiệt điện Nếu tachọn sai thang đo nhiệt độ thì khi lắp vào; cảm biến nhiệt độ can nhiệt sẽ bị hư hỏnglập tức.

Hoặc tệ hơn là sẽ bị nổ đối với cặp nhiệt độ loại sứ

Không dùng bộ chuyển đổi:

Như ta đã tìm hiểu phía trên, tín hiệu ngõ ra của cặp nhiệt điện là dạng điện áp(mV) Loại tín hiệu này có đặc điểm là rất dễ bị nhiễu và bị sụt áp khi truyền đi xa

Vì thế, khi sử dụng các loại cặp nhiệt điện, người ta gần như bắt buộc phải dùng bộchuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA Lý do là vì tín hiệu 4-20mA không bị suygiảm khi truyền đi xa và ít khi bị nhiễu

1.1.4 Các loại cặp nhiệt điện

Có khá nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau tùy theo nhiệt độ môi trường đo Vềnguyên lý hoạt động, các loại cặp nhiệt điện đều giống nhau Điều khác nhau duy nhất làvật liệu của 2 que kim loại mà người ta dùng để chế tạo cặp nhiệt điện

Xét về hình dạng, ta sẽ có 2 loại cặp nhiệt điện khác nhau: cặp nhiệt điện loại dây vàcặp nhiệt điện loại đầu dò.Còn nếu xét về thang đo nhiệt độ, ta sẽ có một số loại cặp nhiệtđiện thường gặp:

A Cặp nhiệt điện loại K – Thermocouple Type K

Cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel)

Loại K là loại cặp nhiệt điện phổ biến nhất Giá thấp và chính xác cao, đáng tincậy và có phạm vi nhiệt độ rộng

Dãy đo dao động từ -270 đến 1200 C Thông thường được sử dụng từ 0…1200 độC

Sai số tiêu chuẩn của cảm biến K trong khoảng từ +/-2.2 C hoặc 0.75%

Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất là : +/-1.1 C hoặc 0.4%

B Cặp nhiệt điện loại J – Thermocouple Type J

Loại cặp nhiệt điện loại J (Iron / Constantan): Loại J khá rất phổ biến

Nó có phạm vi nhiệt độ nhỏ hơn và tuổi thọ ngắn hơn ở nhiệt độ cao hơn Loại K

Nó tương đương với Loại K về chi phí và độ tin cậy

Dãy đo nhiệt dộ dao động trong khoảng: -210 đến 760 C Độ nhạy nhiệt độ caohơn dòng K

Sai số của can nhiệt J : +/-2.2 C hoặc 0.75%

Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất : +/-1.1 C hoặc 0.4%

C Cặp nhiệt điện loại T – Thermocouple Type T

Cặp nhiệt điện loại T (Đồng / Constantan):

Loại T là cặp nhiệt điện rất ổn định và thường được sử dụng trong các ứng dụngnhiệt độ cực thấp như đông lạnh hoặc máy làm lạnh cực thấp

Dãy đo nhiệt dộ dao động trong khoảng: -270 đến 370 C

D Cặp nhiệt điện loại N – Thermocouple Type N

Cặp nhiệt điện loại N (Nicrosil / Nisil):

Loại N có cùng độ chính xác và giới hạn nhiệt độ như Loại K Loại N đắt hơn mộtchút

Dãy đo nhiệt dộ dao động trong khoảng: -270 đến 392 C

Sai số của can nhiệt N : +/- 2.2C hoặc +/- 0.75%

Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất : +/- 1.1C hoặc 0.4%

E Cặp nhiệt điện loại S – Thermocouple Type S

Cặp nhiệt điện loại S (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim): Loại S được sửdụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao Nó thường được tìm thấy trong các ngànhcông nghiệp sinh học, dược phẩm và trong các lò đốt Nó đôi khi được sử dụngtrong các ứng dụng nhiệt độ thấp hơn vì độ chính xác và ổn định cao Vỏ bảo vệthường là bằng sứ

Dãy đo nhiệt dộ dao động trong khoảng: -50 đến 1600 C

Sai số của can nhiệt S : +/- 1.5C hoặc +/- 25%

Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất : +/- 0.6C hoặc 0.1%

F Cặp nhiệt điện loại R – Thermocouple Type R

Cặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim):

Loại R được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao Nó có tỷ lệ Rhodium caohơn Type S, khiến nó đắt hơn

Type R rất giống với Type S về hiệu suất Nó đôi khi được sử dụng trong các ứngdụng nhiệt độ thấp hơn vì độ chính xác và ổn định cao Vỏ bảo vệ luôn luôn bằngsứ

Dãy đo nhiệt dộ dao động trong khoảng: -50 đến 1500 C

Sai số của can nhiệt R : +/- 1.5C hoặc +/- 25%

Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất : +/- 0.6C hoặc 0.1%

G Cặp nhiệt điện loại B – Thermocouple Type B

Cặp nhiệt điện loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%):

Cặp nhiệt điện loại B được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cực cao

Nó có giới hạn nhiệt độ cao nhất trong tất cả các cặp nhiệt điện được liệt kê ở trên

Nó duy trì mức độ chính xác và ổn định cao ở nhiệt độ rất cao

Dãy đo nhiệt dộ dao động trong khoảng: 0 đến 1700 C

Sai số của can nhiệt B : +/-0.5%

2.1 Tính toán thiết kế

2.1.1 Bộ khuếch đại

Lựa chọn cảm biến cặp nhiệt điện:

Theo yêu cầu đề tài bài tập dài, khoảng đo từ 0 – 600 oC có 2 loại cặp nhiệt phù hợp

đó là loại J và loại K Tuy nhiên, ta thấy nhiệt độ Curie của niken(loại K ) thấp hơn nhiệt

đọ Curie của sắt(loại J) điều này khiến cho việc đo nhiệt độ từ 0 đến 350 oC (nhiệt độCurie của Niken ) không thuận lợi, đồng thời ta thấy đọ nhạy của cặp nhiệt loại J lớn hơnloại K vì vậy chọn cặp nhiệt loại K là phù hợp trong trường hợp này(chưa tính đến ảnhhưởng của môi trường hay vật liệu cần đo)

Đối với cảm biến loại J, với khoảng đo từ -210 đến 760 oC và độ nhạy nhiệt50µV/oC thì ta thấy dải điện áp đầu ra ứng với khoảng đo 0-600oC là 0-30 mV vì vậy đểtính toán hiển thị nhiệt độ ta cần khuếch đại trước khi đưa vào bộ xử lí Điện áp thườngdùng trong các bộ vi xử lí là 0-5V vì thế ta chọn hệ số khuếch đại ở đây là k=100 thì điện

áp đưa vào vi xử lí tương ứng là 0-3V

2.1.2 Chọn ADC cho cả 2 cảm biến

Với khoảng đo lớn (0-600oC), thì nhiệt độ đo được ta chọn sao cho độ chính xác tới0,1oC là có thể chấp nhận được

Với cảm biến LM35, để đo được nhiệt độ đến 0,1oC t cần chọn ADC 10bit với 1024bước đo và Vref = 1,28V sẽ cho ra tín hiệu số từ 0-1023(mã nhị phân) ứng với 0 -128oC

và mỗi bước xấp xỉ 0.125oC

Với cảm biến cặp nhiệt loại J, tín hiệu cảm biến sau khi được khuếch đại với đầu ra

là 0-3V ứng với nhiệt độ 0-600oC Để đạt được độ chính xác 0,1 oC thì cần ADC có độphân giải lớn hơn 6000 bước, nên chọn ADC 13 bit với điện áp sau khi khuếch đại là 0-3V thì chọn Vref=5,12V sẽ cho ra tín hiệu số từ 0-8191(13 bit nhị phân) ứng với nhiệt độ0-1024oC mỗi bước ứng với xấp xỉ 0.08 oC

Với cách chọn ADC như trên ta cần xử lí tín hiệu về từ 2 ADC Với ADC lấy tínhiệu LM35 thì ta có:

t o1= n

1024×

1.280.01(oC)

Với tín hiệu từ ADC lấy tín hiệu từ cặp nhiệt, ta có:

t o2= n

8192×

5.120.005(oC)

Nhiệt độ cần hiển thị là: to=to1+to2

2.2 Lựa chọn linh kiện

Các thiết bị bao gồm:

Bộ Khuyếch đại INA128PA

ADC 10 bit AD7273BRMZ

INA128 là IC khuếch đại điện áp với đầu vào rất thấp, cung cấp điện áp đầu ra với

độ chính xác tuyệt đối Với thiết kế đa năng và linh hoạt, cho phép INA128 được sử dụngphổ biến cho hàng loạt các ứng dụng Với đầu vào được tối ưu hóa, thông tin phản hồiđươc cung cấp với băng thông rộng ngay cả khi ở dải tần số cao (2000Khz – G = 100)

Với điện trở ngoài đặt ra các khoảng trống từ 1 đến 10,000 INA128 có thể đáp ứng

được các yêu cầu theo tiêu chuẩn công nghiệp

INA128 hoạt động ở điện áp rất thấp (50µV), Trôi 0.5uV/oC, dòng tĩnh chỉ 700 µA –

lý tưởng cho batery operate system Có thể chịu được điện áp 40V mà không xảy ra sự cố

2.2.1.2 Thông số kĩ thuật

Low offset voltage: 50 μV maximum V maximum

Low drift: 0.5 μV maximum V/°C maximum

Low Input Bias Current: 5 nA maximum

High CMR: 120 dB minimum

Inputs protected to ±40 V

Wide supply range: ±2.25 V to ±18 V

Low quiescent current: 700 μV maximum A

Packages: 8-pin plastic DIP, SO-8

Hình 2 1 Bộ khuyếch đại INA128PA

Điện áp đưa qua bộ khuếch đại sẽ tỉ lệ theo hệ số G, giá trị như trong hình 2.1

2.2.2 ADC 10 bit AD7273BRMZ

2.2.2.1 Giới thiệu

AD7273 là ADC 10/ 12-bit, tốc độ cao, công suất thấp Các bộ phận hoạt động từmột nguồn điện 2,35 V đến 3,6 V và tính năng tốc độ thông lượng lên đến 3 MSPS Quátrình chuyển đổi và thu thập dữ liệu được kiểm soát sử dụng CS và serial clock, cho phépcác thiết bị giao tiếp với bộ vi xử lý hoặc DSP Tín hiệu đầu vào được lấy mẫu trên lợi thếcủa CS và quá trình chuyển đổi cũng được bắt đầu tại thời điểm này AD7273 / AD7274

sử dụng các kỹ thuật thiết kế tiên tiến để đạt được mức tiêu tán điện năng rất thấp ở tốc độthông lượng cao

2.2.2.2 Thông số kĩ thuật

Throughput rate: 3 MSPS

Specified for VDD of 2.35 V to 3.6 V

Power-down mode: 0.1 μV maximum A typ

8-lead TSOT package

8-lead MSOP package

Hình 2 2 Sơ đồ khối chức năng AD7273

2.2.3 ADC 13 bit MCP3301

2.2.3.1 Giới thiệu

Bộ chuyển đổi MCP3301 13-bit analog-to-digital (A / D) có đầy đủ các đầu vào vàtiêu thụ điện năng thấp trong một gói nhỏ, lý tưởng cho việc chạy bằng pin hệ thống vàcác ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa MCP3301 có thiết kế dòng điện thấp cho phép hoạtđộng với dòng điện hoạt động và chế độ chờ điển hình tương ứng chỉ 50 nA và 300 µA.Thiết bị là có khả năng chuyển đổi tỷ lệ lên đến 100 ksps với các thông số kỹ thuật đã thửnghiệm trên phạm vi cung cấp 4,5V đến 5,5V Điện áp tham chiếu có thể thay đổi từ 400

mV đến 5V, mang lại độ phân giải giới thiệu đầu vào giữa 98 µV và 1,22 mV MCP3301

có sẵn 8 chân PDIP, 150 triệu SOIC, và các gói MSOP

Single supply operation: 4.5V to 5.5V

100 ksps sampling rate with 5V supply voltage

50 nA typical standby current, 1 µA max

450 µA max active current at 5V

Industrial temp range: -40°C to +85°C

8-pin MSOP, PDIP, and SOIC packages

Mixed Signal PICtail™ Demo Board (P/N:MXSIGDM) compatible

Hình 2 3 Sơ đồ khối chức năng MCP3301

2.2.4 Kit STM32F103C8T6

2.2.4.1 Giới thiệu

Kit phát triển STM32F103C8T6 được trang bị vi điều khiển STM32F103C8T6 tíchhợp lõi ARM-Cotex-M3 32 bit Kit có mức giá rẻ đồng thời kit có chất lượng gia công tốt,

độ bền cao, thiết kế đơn giản, phù hợp với những người mới tiếp cận với dòng vi điềukhiển 32bit

Nguồn cấp cho KIT: 36 - 5 VDC

Bộ nhớ EEPROM: AT24C04 (512 Byte) giao tiếp I2C

Trang bị cổng USB Type A

Cổng nạp kiểu SVD (sử dụng mạch nạp ST-Link V2 để nạp code vào chip)

Các chân Port 10 đều được đưa ra ngoài thông qua header

Hình 2 8 Sơ đồ chân AMS1117-3.3V

CHƯƠNG 3 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối

3.2 Lưu đồ tổng quát của hệ thống

Hình 3 2 Lưu đồ thuật toán toàn bộ hệ thống

3.3 Mạch nguyên lý của hệ thống

Hình 3 3 Sơ đồ nguyên lý của mạch đo

3.4 Sơ đồ đi dây

Hình 3 4 Sơ đồ đi dây thiết bị

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

Như vậy là nhóm bọn em đã trình bày xong phần thiết kế mạch đo nhiệt độ sửdụng cặp nhiệt ngẫu Về phần mô phỏng thì nhóm em chưa thực hiện được.

Nhóm em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương đã hướng dẫn vàgóp ý cho nhóm em nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập Do kiến thức còn ít

và vẫn còn nhiều điều chưa nắm vững cho nên không thể tránh được những sai sót, mongnhận được ý kiến đóng góp của thầy và các bạn Em xin chân thành cảm ơn!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng, Bài giảng Kĩ thuật cảm biến.

[2] PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, Bài giảng Thiết kế thiết bị đo.

[3] Datasheet INA128PA

cuối vào ngày 24 tháng 6 năm 2021

[4] Datasheet MCP3301-CI/P

vào ngày 24 tháng 6 năm 2021

cập lần cuối vào ngày 24 tháng 6 năm 2021

[8] Thông tin cảm biến LM35

https://nshopvn.com/product/ic-cam-bien-nhiet-do-lm35-loai-tot/ truy cập lần cuối vàongày 24 tháng 6 năm 2021

[9] Thông tin màn hình LCD 1602

https://nshopvn.com/product/man-hinh-lcd-1602-xanh-la/#&gid=1&pid=1 truy cập lầncuối vào ngày 24 tháng 6 năm 2021