Thiết kế mô hình đo và điểu khiển nhiệt độ giao tiếp Module Analog PLC S7-200

Thiết kế mô hình đo và điểu khiển nhiệt độ giao tiếp Module Analog PLC S7-200

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG

PLC S7 - 200

SVTH : HUỲNH THIÊN BẢO

LỚP : 95KĐĐ GVHD : NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

TP HỒ CHÍ MINH THÁNG 3 – 2000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

1.Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE

ANALOG PLC S7 - 200

2 Các Số Liệu Ban Đầu:

-

-

-

-

-

-

-

3 Nội Dung Phần Thuyết Minh: -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

4.Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

5.Ngày giao nhiệm vụ: 13-12-1999

6.Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28-2-2000

Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn

Ngày…Tháng ….Năm 2000 Chủ nhiệm bộ môn

BẢN NHẬN XÉTLUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE

ANALOG PLC S7 - 200

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

-

-

-

-

-

-

-

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn : -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Giáo viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE

ANALOG PLC S7 - 200

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

-

-

-

-

-

-

-

Nhận xét của giáo viên phản biện: -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Giáo viên phản biện

(ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC Trang

Phần A : GIỚI THIỆU

Phần B : NỘI DUNG

Phần I : LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

Chương I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ -1

I – Khái niệm chung 1 -

II – Các phương pháp đo nhiệt độ -2

III – Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ 17

IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ - 20

Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC - - 25

I – Sơ lược về lịch sử phát triển - 25

II – Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC - 25

III – So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác – Lợi ích của việc sử dụng PLC

IV – Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC - 30

V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214 - 30

Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH - 36

Phần II : NỘI DUNG

A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG - - 39

I – Yêu cầu 39

II – Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối 39

III – Thiết kế chi tiết - 39

1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại 39

2 – Mạch điều khiển - - 43

3 – Mạch giải mã – Hiển thị - - 48

4 – Thiết bị - 51

5 – Nguồn cung cấp 51

6 – Sơ đồ nguyên lý 54

B – PHẦN MỀM - - 55

1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC - 55

2 – Chương trình điều khiển - 57

Phần III : THI CÔNG MẠCH

I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch in - 66

II – Cân chỉnh mạch đầu đo - - 69

Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO - 70

PHAÀN I:

LYÙ THUYEÁT

LIEÂN QUAN

CHƯƠNG I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

I-Khái niệm chung:

Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh

hoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môi trường hay của một

vật nào đó Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở thành một việc làm vô cùng cần

thiết Đo nhiệt độ là một trong những phương thức đo lường không điện

Nhiệt độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài

ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin) Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới một

vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được

Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp

nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến

thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta

lựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp:

- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện

là từ 2000C đến 10000C,độ chính xác có thể đạt tới +/-1% -> 0.1%

- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện

(cặp nhiệt ngẫu) là từ –2700C đến 25000C với độ chính xác có thể đạt tới

+/-1% -> 0.+/-1%

- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các cảm biến

tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ –2000C đến 2000C,sai số đến

+/-0.1%

- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ,quang phổ… có khoảng

đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% -> 10%

Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(0C), thang đo Kelvin (0K),

thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R)

T(0C) = T(0K) – 273.15

T(0F) = T(0R) - 459.67

T(0C) = [ T(0F) –32 ]*5/9

T(0F) = T(0C)*9/5 +32

*Sự liên hệ giữa các thang đo ở những nhiệt độ quan trọng:

Kelvin(0K) Celcius(0C) Rankin(0R) Fahrenheit(0F)

II-Các phương pháp đo nhiệt độ:

Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm ba khâu chính:

a-Khâu chuyển đổi:

Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi mang tính đặc

trưng của vật liệu khi chịu sự tác động của nhiệt độ Có các tính chất đặc

trưng sau đây:

- Sự biến đổi điện trở

- Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối nối của các

kim loại khác nhau

- Sự biến đổi thể tích, áp suất

- Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bị đốt nóng

Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất đầu

tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở kim loại

hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới dạng các linh kiện bán dẫn như:

diode, transistor, các IC chuyên dùng

b-Khâu xử lý:

Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽ được xử lý

trước khi qua đến phần chỉ thị Các bộ phận ở khâu xử lý gồm có: phần hiệu

chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-Digital-Converter)… Ngoài ra còn

có thể có các mạch điện bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng

trở…

c-Khâu chỉ thị:

Khâu chỉ thị trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đó kết quả

đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳng của kim chỉ thị

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đãsản xuất nhiều loại IC

giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổi ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng

khâu chỉ thị số dễ dàng như dùng LED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng

LCD Ở đó, kết quả đo được thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân

1-Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:

Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong

các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi, không khí trong phòng

…

Nguyên lý làm việc của thiết bị này là dựa vào sự thay đổi điện trở theo

nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở là một hàm theo nhiệt độ: R =

f(T) Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà

vỏ ngoài có thể làm bằng thủy tinh, kim loại hoặc gốm

Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở R tùy thuộc vào

nhiệt độ T theo một hàm tổng quát sau:

R(T) = Ro.F(T – To)

Với : Ro :điện trở ở nhiệt độ To

F : hàm phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu

Những hệ số trong công thức tính điện trở R thường được biết trước một

cách chính xác nhờ sự đo những nhiệt độ đã biết

a)Nhiệt điện trở kim loại (Thermetal):

Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo dưới dạng dây nhỏ quấn quanh một

đế cách điện (thường bằng sứ tròn, dẹp hay vòng xuyến) và được bọc bằng

một lớp vỏ bảo vệ (thuỷ tinh, sứ, thạch anh …) Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở

kim loại đòi hỏi cần phải thỏa các yêu cầu:

-Hệ số nhiệt lớn

-Điện trở suất lớn

-Tính ổn định hóa-lý cao

-Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao

*Muốn đo điện trở của nhiệt điện trở kim loại,ta có thể dùng mạch cầu

Wheatston như sau:

với Rt : nhiệt điện trở

RN :điện trở mẫu

RB : điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở

E : nguồn một chiều

R1 ,R2 : điện trở cầu đo

G

R B

E R2

R N

Rt R1

RV :điện trở dây dẫn nhiệt điện trở

Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 :

Với trị số R1,R2,RN đã biết chính xác,điện trở Rt được xác định

Kết quả đo ,Rt không phụ thuộc vào nguồn cung cấp E.Nguồn E thay đổi

vẫn không ảnh hưởng đến kết quả đo Rt Đây chính là ưu điểm của phương

pháp đo

Độ chính xác của sự xác định Rt phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G

Độ nhạy của điện kế càng cao ,sự xác định cân bằng càng đúng

Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,RN cũng ảnh hưởng đến sai số của

Rt

Điện trở đầu ra của mạch đầu đo:

RRA = (R1 + R2)//(RN + Rt)

Trong thực tế, người ta thường giữ cho dòng điện qua nhiệt điện trở

trong khoảng I = (1 -> 4) mA ở phép đo cần độ chính xác cao và I=(4>10)mA

ở phép đo cần độ chính xác thấp hơn (trong công nghiệp),vì nếu để dòng

chảy qua nhiệt điện trở lớn thì hiện tượng tự nung ở nhiệt điện trở là đáng kể,

sẽ gây ra một sai số lớn, làm mất đặc tính cảm biến nhiệt của nhiệt điện trở

*Lưu ý khi sử dụng nhiệt điện trở :

-Khi mua nhiệt trở cần căn cứ vào quy cách để chọn nhiệt điện trở phù

hợp với điều kiện đo.Ví dụ nếu cần đo trong môi trường dễ ăn mòn thì phải

dùng loại vỏ bằng thép hợp kim không rỉ có tính chống mòn Nhiệt độ và áp

lực môi trường đo không vượt quá giới hạn quy định của từng loại

-Không nên đặt nhiệt kế ở những nơi có chấn động, rung động, va chạm

Đầu dây nối vào dây đồng hồ chỉ nhiệt độ không được nóng quá 1000C Vị trí

đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo vệ) tốt nhất là theo hướng thẳng

đứng Khi buộc phải đặt hướng vị trí nằm ngang thì phải quay ổ đấu dây ra

của nhiệt điện trở theo hướng xuống dưới để tránh nước lọt vào Nếu đo nhiệt

độ ở đường ống có dòng khí hoặc nước chảy qua thì vị trí đầu đo cần đặt quá

tâm ống (đầu ống ở vị trí 2/3 đường kính ống nước hoặc khí)

*Một số nhiệt điện trở kim loại thông dụng:

-Nhiệt điện trở Platin:

Nhiệt điện trở Platin thường được chế tạo dưới dạng dây quấn

đường kính (0.05 -> 0.1)mm, đo nhiệt độ từ –2000C -> 10000C với độ chính

xác tương đối cao,ngay cả trong những điều kiện môi trường dễ oxy hóa ( =

3,9.10-3/0C)

Tuy nhiên, ở nhiệt độ xấp xỉ 10000C hoặc cao hơn, Platin thường kém

bền và chỉ thị nhiệt mất chính xác

-Nhiệt điện trở Nickel:

Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10-3/0C) từ 00C đến

1000C, điện trở suất là 1,617.10-8 (còn của Platin là 1,385.10-8) Nickel chống

lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn 2500C

-Nhiệt điện trở đồng:

Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điện trở theo

nhiệt Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phép sử dụng ở nhiệt độ

lớn hơn 1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng, để đảm bảo có giá trị

điện trở nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên một sự cồng kềnh bất tiện

-Nhiệt điện trở Tungstène:

Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn của Platin trong trường hợp nhiệt

độ cao và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn Platin với một độ tuyến

tính hơn Platin.Tungstène có thể được cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh

cho phép thực hện điện trở có giá trị cao, như vậy với giá trị điện trở cho

trước, chiều dài dây sẽ giảm thiểu

b)Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor):

Đây là loại cảm biến nhiệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, được chế

tạo bằng chất bán dẫn, thường gọi là Thermistor Đặc điểm của Thermistor là

điện trở của nó biến đổi rất lớn theo nhiệt độ Thành phần chính của nó là

bột của oxyt kim loại như Mangan, Nickel, sắt… hoặc hỗn hợp tinh thể

MnAl2O, Zn2TiO4

Nhiệt kế Thermistor được chế tạo bằng cách ép định hình, sau đó nung

nóng đến 1000C trong môi trường oxy hóa.Việc chọn tỷ lệ hỗn hợp các oxyt

hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung giữ vai trò quan trọng, quyết định

chất lượng của Thermistor

Trong những năm gần đây, các nhiệt kế Thermistor được sử dụng nhiều

vì nó có ưu điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định, kích thước nhỏ, hình

dáng thay đổi dễ dàng khi chế tạo

Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại:

+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive Thermistor) làm

việc trên nguyên tắc: khi nhiệt độ tăng thì R tăng, loại này cấu tạo từ một

trong những hợp chất sau: Ceramic, Sắt, Titan, Bari…

+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor) làm việc

trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì R giảm Thành phần chính của loại này

là bột oxyt kim loại Mn, Fe,Ni hoặc các hỗn hợp tinh thể Aluminate Mn

(MnAl2O) , Titanate kẽm (Zn2TiO4)

*Nguyên lý làm việc – Đặc tuyến làm việc:

-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:

Vùng A : hệ số nhiệt âm

Vùng B : hệ số nhiệt dương rất lớn

Vùng C : hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở

dễ bị phá hủy

Điểm M: là điểm điều hành nhiệt điện trở.Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi

cường độ dòng tăng vọt, nhiệt điện trở hoạt động bình thường trong khi chờ

đến nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt và điểm điều hành này thay đổi theo thành

phần các hợp chất cấu tạo Thermistor Độ biến thiên có thể từ 10% đến 90%

trên độ bách phân

-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT:

Đặc tuyến của NT có dạng hyperbol do sự thay đổi của chất bán dẫn

theo nhiệt độ

Trị số của điện trở giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng Quan hệ này được

biểu diễn bởi hàm:

R(T) = A.eB/T

A : hệ số điện trở phụ thuộc điện trở suất của bán dẫn

B : hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làm chất bán

dẫn và loại Thermistor

B = 3000 ->5000 : thermistor đo nhiệt độ thấp

B = 6000 ->13000 : thermistor đo nhiệt độ cao

Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy của Thermistor càng tăng.Đó là một

ưu điểm của nhiệt kế này

Phạm vi sử dụng thermistor từ 1000C đến 4000C Vì là chất bán dẫn nên

khi sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 2000C thì Thermistor phải có bọc chất liệu

nhiệt

2-Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện (Thermocouple) :

Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt chuyển đổi thành sức điện động để đưa

vào các voltmet chỉ thị bằng kim,bằng vạch sáng hoặc bằng các con số

*Cấu tạo-Đặc tính tổng quát :

Một cặp nhiệt được cấu tạo bởi hai dây dẫn A và B và tại hai điểm tiếp

xúc của chúng có nhiệt độ T1 và T2 sẽ tạo ra một sức điện động ET2T1A/B tùy

thộc một mặt vào vật liệu của A và B, mặt khác tùy thuộc vào T1 và T2

Nhiệt độ của một trong hai mối nối cố định, được biết và dùng làm

chuẩn (T1 = Tref), trong khi T2 là nhiệt độ của mối nối còn lại là nhiệt độ Tc

đạt được khi đặt trong môi trường có nhiệt độ không biết Tx Nhiệt độ Tc phụ

thuộc vào Tx và phụ thuộc vào những sự thay đổi nhiệt có thể có với những

môi trường khác (hành lang, môi trường bên ngoài)

Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé cho phép việc đo nhiệt

độ với một cấp chính xác cao, đồng thời số lượng calo được thu nhỏ cho phép

một vận tốc đáp ứng nhanh Hai ưu điểm này cho thấy cặp nhiệt điện được sử

dụng có ưu điểm hơn điện trở

Ngoài ra, nó còn có một ưu điểm khác là tín hiệu được tạo ra chính là

sức điện động mà không cần tạo ra một dòng điện chạy qua cảm biến, như

vậy tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến

Tuy nhiên, nhược điểm của Thermocouple là trong quá trình đo nhiệt độ

thì nhiệt độ của mối nối chuẩn (Tref) phải biết rõ, tất cả sự không chính xác

của Tref sẽ dẫn đến một sự không chính xác của Tc

*Hình dạng và nguyên lý làm việc:

Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẫn được đặt

bên trong vỏ cách điện bằng sứ,cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được

che chở thêm bằng một lớp vỏ để chống sự xâm phạm của các khí cũng như

những đột biến nhiệt, lớp vỏ thường bằng sứ hoặc thép; trong trường hợp

bằng thép, mối nối có thể được cách với vỏ hay tiếp xúc với vỏ, điều này có

lợi là vận tốc đáp ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn

-Hình dạng các đầu cặp nhiệt:

Phương pháp hàn đầu mối nối cặp nhiệt thông thường là hàn điện, hàn

hồ quang, hàn C2H2, hàn hóa chất

Cặp nhiệt loại 1,2,3 : đo ở nhiệt độ <= 1000C

Cặp nhiệt loại 4,5 : đo ở quán tính nhiệt độ thấp

- Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện:

E = A.T +B T2 +C T3

E: sức điện động được tạo ra khi cặp nhiệt điện làm việc

T: hiệu số nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh

A, B, C: các hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt

- Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện:

Tại mối nối của hai dây dẫn kim loại khác nhau A và B trong cùng một

điều kiện nhiệt độ T sẽ hình thành một hiệu điện thế Hiệu điện thế này chỉ

phụ thuộc vào tính chất vật liệu cấu tạo dây dẫn và nhiệt độ của chúng

VM – VN = PTA/B (sức điện động ứng Peltier)

A(T) M .N B(T)

+ Nếu tạo thành một mạch kín đẳng nhiệt cấu tạo bởi những dây dẫn

khác nhau thì sức điện động Peltier tổng cộng sẽ bằng 0 Trong mạch được

cấu tạo bởi những vật liệu A, B, C, D thì :

PTA/B + PTB/C +PTC/D + PTD/A = 0

- Giữa hai điểm M, N có nhiệt độ khác nhau trong cùng một thanh

dây dẫn đồng chất A sẽ hình thành một sức điện động chỉ tùy thuộc vào

loại dây dẫn và các nhiệt độ TM , TN :

với hA là hệ số Thompson của dây dẫn A, là một hàm của nhiệt độ

ETNTMA = : sức điện động Thompson

Nếu hai đầu của một mạch điện được cấu tạo bởi một dây dẫn duy nhất

và đồng cấp, đồng thời có cùng nhiệt độ thì EATMTN = 0

-Nếu trong một mạch điện kín được cấu tạo bởi hai dây dẫn A và B mà

hai mối nối của chúng có nhiệt độ T1 và T2 thì sẽ tạo ra một sức điện động

(gọi là sức điện động Seebeck):

Đây chính là nguyên lý làm việc của một cặp nhiệt điện được cấu tạo từ

hai dây dẫn kim loại khác nhau A, B

Với nhiệt độ T1 biết trước dùng làm nhiệt độ chuẩn T1 = Tref, sức điện

động của cặp nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T2 là nhiệt độ cần xác

định

*Cách sử dụng:

Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây cảm biến

hoặc do sự cấu tạo không đồng nhất của cảm biến làm thay đổi đặc tính nhiệt

điện của cảm biến

Những sự không đồng nhất trong cấu tạo có ba nguyên nhân chính:

- Lực ép cơ khí có được do sự sắp xếp hoặc do sự căng dây, thông

thường Chúng có thể loại bỏ được nhờ sự nung lại

- Những tác động hóa học: hai dây dẫn phải được che chở chống lại mọi

tác nhân có thể tác động đến chúng Đặc biệt, sự điều chế vật liệu cần thiết

phải được tinh khiết

- Những tia bức xạ hạt nhân gây ra những chuyển đổi trong vài hợp kim

cặp nhiệt điện

Mối nối của cặp nhiệt điện phải có thể tích giảm thiểu nhằm tránh

những điểm có nhiệt độ khác nhau tại mối nối, điều này dẫn đến nhữnh sức

điện động ký sinh, cũng như những thay đổi hóa học của vật liệu do mức độ

hàn

Tránh việc thay đổi nhiệt độ đột ngột đối với cặp nhiệt điện

Tránh xa vùng ảnh hưởng của điện trường và từ trường mạnh

2

1

) (

T

T

dT hB hA

ET2T1A/B = PT2A/B - PT1A/B +

Nên để cặp nhiệt điện thẳng đứng nhằm tránh ống bảo vệ bị biến dạng

nhiệt

Hộp đầu dây của cặp nhiệt điện không nên đặt quá gần nơi cần đo nhiệt

độ để tránh nhiệt độ đầu tự do quá cao

Chú ý đến phạm vi sử dụng của từng loại cặp nhiệt điện mà chọn loại

cặp nhiệt điện phù hợp (thông thường phạm vi sử dụng cặp nhiệt nói chung

rất rộng từ –500C đến 25000C, nhưng ở nhiệt độ cao thì độ chính xác kém

dần)

Chú ý đến điều kiện sử dụng cặp nhiệt điện:

+Dùng cho lò nung cố định, gia nhiệt từ từ: chọn loại có ống bảo vệ kín

hoặc hở

+Dùng nhúng trực tiếp trong nước: chọn loại không bọc

+Dùng trong môi trường hay bị ăn mòn: chọn ống bảo vệ bằng sứ hoặc

thép đặc biệt chịu ăn mòn

*Một số cặp nhiệt điện thông dụng:

-Thermocouple Platin_Rhodium Platin:

Nhiệt độ sử dụng : T = -500C -> 15000C

Đường kính dây : 0,51mm

Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV

Loại 10% Platin : T = 00C -> 6000C , cấp chính xác là +/-2,5%

T = 6000C -> 16000C , cấp chính xác là +/-0,4%

Loại 13% Platin : T = 00C -> 5380C , cấp chính xác là +/-1,4%

T = 5380C -> 15000C , cấp chính xác là +/-0,25%

Loại 30% Platin : T = 00C -> 17000C , cấp chính xác là +/-0,5%

Sức điện động Seebeck : E = (-5,35  50)mV

Cấp chính xác : T = 00C  4000C là : +/-3%

T = 4000C  12500C là +/-0,75%

-Thermocouple Chromel_Constantan:

Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C  8700C

Đường kính dây : 3,25mm

Sức điện động Seebeck : E = (-9,8  66)mV

Cấp chính xác : T = 00C  4000C là +/-3%

T = 4000C  8700C là +/-0,75%

-Thermocouple Fer_Constantan :

Nhiệt độ sử dụng : T = -2100C  8000C

Đường kính dây : 3,25mm

Sức điện động Seebeck : E = (-8  45)mV

Cấp chính xác : T = 00C  4000C là +/-3%

T = 4000C  12500C là +/-0,75%

-Thermocouple Cu_Constantan :

Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C  3700C

Đường kính dây : 1,63mm

Sức điện động Seebeck : E = (-6,25  19)mV

Cấp chính xác : T = -1000C  -400C là +/-2%

T = -400C  1000C là +/-8%

T = 1000C  3500C là +/-0,75%

3-Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học :

Hoả kế quang học là tên gọi chung của các dụng cụ đo nhiệt độ bằng

cách ứng dụng các tính chất của hệ thống thấu kính quang học để thu lấy các

bức xạ của vật thể rồi căn cứ theo độ bức xạ của vật thể để xác định nhiệt độ

a-Nguyên lý cơ bản :

Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiện tượng

bức xạ của các vật thể ở các nhiệt độ cao, trong đó có liên quan đến vai trò

của vật đen tuyệt đối Đó là một thực thể vật chất có khả năng hấp thu hoàn

toàn tất cả các bức xạ nhận được mà không phóng xạ

b-Một số dạng của hỏa kế quang học thông dụng :

Hiện nay, trong công nghiệp, người ta dùng rất nhiều loại hỏa kế quang

học như hỏa kế bức xạ, hỏa kế vi sai, hỏa kế đo màu sắc, hỏa kế nhiệt ngẫu…

Nếu hỏa kế tiêu thụ toàn bộ năng lượng của bức xạ toàn phần của vật

thể, đó là hỏa kế bức xạ toàn phần

Hoả kế quang điện dùng sự so sánh giữa sự phát sáng của dây tóc ngọn

đèn được chế tạo đặc biệt với độ sáng của vật nung nóng và xác định chính

xác dây tóc và nhiệt độ

Hỏa kế quang điện cho kết quả đo không phụ thuộc vào người quan sát

và có thể nối liên mạch với các thiết bị khống chế nhiệt độ tự động

c-Phạm vi sử dụng:

Phạm vi sử dụng là nhiệt độ của vật cần đo không dưới 8000C Tất cả

các loại hỏa kế quang học đều có sai số không vượt quá 1% Tuy nhiên, bảng

chỉ nhiệt trên các hỏa kế chỉ hoàn toàn chính xác với vật đen tuyệt đối (quy

ước có bức xạ bằng 1).Vì vậy, với giá trị thật của nhiệt độ các vật cần đo phụ

thuộc vào mức độ đen của từng chất phát sáng Hoả kế quang điện là dụng cụ

đo nhiệt độ gián tiếp nên có nhiều thuận lợi, có thể đo từ xa mà không cần

tiếp xúc với vật cần đo

4-Đo nhiệt độ dùng diode và transistor:

Những thành phần được sử dụng, diode hay transistor Silicium được mắc

như diode (cực nền và cực thu nối chung) được cung cấp theo chiều thuận

dòng điện I không đổi, điện áp V ở hai đầu cực của chúng, tùy thuộc vào nhiệt

độ, điều này có thể xem như tín hiệu điện đi ra từ cảm biến tùy thuộc vào

nhiệt độ

Các thành phần được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ:

c)Hai Transistor giống nhau được mắc như diode Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của mối nối p-n đối với nhiệt độ

để chế tạo ra các diode và transistor chuyên dùng, làm cầu cảm biến nhiệt

trong đo lường và khống chế nhiệt độ

*Sơ đồ mạch cảm biến dùng transistor:

Trong đó:

T1 : transistor cảm biến kết hợp với R1 làm cầu phân cực, nhiệt

độ thay đổi ảnh hưởng đến mối nối BE của T1

IC1 : làm mạch khuếch đại tín hiệu đầu vào

IC2 : khuếch đại đảo

R5, R6 :dùng để hiệu chỉnh mạch

Ở nhiệt độ khoảng 00C ,dòng qua R4 bằng dòng qua R5 và R6 Ở nhiệt

độ cao, dòng qua R4 nhỏ hơn dòng qua R5, R6 Lúc này ngõ ra của IC1 giảm

xuống làm dòng qua R4, R5 giảm theo,làm sụt áp tại ngõ vào của IC2 IC2

mắc theo mạch khuếch đại đảo, hệ số khuếch đại bằng 1 nên tại ngõ ra của

I V

a)

V

I b)

V2 V1

Vd

I1 c) I2

IC2 có một điện áp đúng bằng điện áp đầu vào nhưng ngược dấu.Điện áp này

được hiển thị bằng đồng hồ chỉ thị

*Sơ đồ mạch cảm biến dùng diode :

Trong đó:

R1 : phân cực cho dòng chạy qua diode

IC1 : dùng khuếch đại đảo, hệ số khuếch đại bằng 1, bù trừ điện

áp DC của diode cảm biến D

IC2 : khuếch đại không đảo, hệ số khuếch đại bằng 5

Nguyên lý hoạt động được dùng tương tự như mạch dùng transistor cảm

biến

4-Đo nhiệt độ bằng IC:

*Giới thiệu:

Kỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo được những mạch kết nối gồm

những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biến hoàn hảo đo nhiệt

độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp VBE dưới tác động của nhiệt độ Các

cảm biến này tạo ra các dòng điện hặc điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối,với

độ tuyến tính cao; nó có điều lợi là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt

động giới hạn chỉ trong khoảng –500C đến 1500C

*Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ:

Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới

dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán

dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt

đối Đo tín hiệu điện, ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo

Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất

bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di

chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống

nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm

mũ với nhiệt độ Kết quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng

thuận của mối nối p-n (trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo

nhiệt độ

Ví dụ khảo sát cảm biến IC AD590 Cảm biến này tạo ra một dòng điện

thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng đo nhiệt độ trong

trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa

+Sơ đồ nguyên lý IC AD590:

Các transistor Q3 và Q4 có cùng điện áp VBE và có dòng cực phát giống

nhau và bằng:

IE3 = IE4 =IT /2

Dòng điện này đi qua Q4 cũng chính là dòng điện cực phát của Q1 ,nó

xác định điện áp nền-phát là:

VBE1 = (KT/q).log(IT / 2Io)

Với K : hằng số Boltzmann

T : 0K

q: điện tích

Io : dòng điện nghịch (thông thường Io << IT) khi phân cực thuận

Dòng điện IT /2 đi qua Q3, qua Q2 có điện áp nền-phát là :

VBE2 = (KT/q).log(IT /16Io)

Thực tế Q2 gồm 8 transistor giống Q1, mỗi transistor có dòng điện IT /16

Sự sai biệt điện áp giữa VBE1 và VBE2, xuất hiện ở hai đầu điện trở R có

dòng điện IT/2 chạy qua là:

VBE1 – VBE2 = (KT/q).log8 = R.IT/2

=>IT = (2/R).(KT/q).log8

*Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng IC AD590:

Dòng điện IT tạo nên ở hai đầu điện trở R = 1K một điện áp có trị số

bằng TmV(T là nhiệt độ tuyệt đối của cảm biến)

Nguồn điện áp chuẩn do IC AD580L có Eref = 2,5V và nhờ mạch phân

áp tạo ra điện áp có giá trị khoảng 273,15mV với bộ khuếch đại có độ lợi G

= 10, ở ngõ ra tín hiệu Vo tỉ lệ với nhiệt độ của cảm biến (theo 0C):

Vo = 10(T – 273,15)mV = 10(T0C) (mV)

*Đặc tính một số IC đo nhiệt độ thông dụng:

-AD 590:

 Ngõ ra là dòng điện

 Độ nhạy 1A/0K

 Độ chính xác : +4C

 Nguồn cung cấp : Vcc = 4V  30V

 Phạm vi sử dụng : -550C  1500C -LX5700:

 Ngõ ra là điện áp

AD580 Eref=2,5V

10k

200 1k 1k

 Dòng làm việc : 400A  500A : không thay đổi đặc tính

 LM135 có sai số cực đại là 1,50C khi nhiệt độ lớn hơn

1000C

 Phạm vi sử dụng:

LM335 : -100C  1250C LM235 : -400C  1400C LM135 : -550C  2000C LM35 : -550C  1500C

- LM134, LM234, LM334:

 Ngõ ra là dòng điện

 Làm việc với khoảng điện áp rộng : từ 1V  40V

- LM134-3, LM134-6:

 Tầm nhiệt sử dụng : -500C  1250C

 Độ chính xác : +3C

- LM234-3, LM234-6:

 Tầm nhiệt sử dụng : -250C  1000C

 Độ chính xác cao : +6C

III-GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ:

Về mạch điện đo nhiệt độ rất đa dạng phong phú, từ mạch đo chỉ thị

bằng đồng hồ microampe đến mạch đo chỉ thị số, cũng như bộ chuyển đổi

mạch cũng rất đa dạng

Tuỳ theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn các loại cảm

biến ,các mạch chuyển đổi, chỉ thị cho phù hợp

1-Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt trở:

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Mạch điện sử dụng một nhiệt điện trở đưa vào trong nhánh của cầu

Wheatston kéo trực tiếp Ampe kế và không thông qua transistor để chỉ thị

nhiệt độ Sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm cho điện trở của nhiệt trở thay đổi, làm

thay đổi mức điện áp ngõ ra do đó làm thay đổi dòng dẫn của transistor

Trong mạch này thì :

R1,R2,R3,R6 : tạo thành cầu Wheatston

R4 : phân cực ổn định dòng

R5 : biến trở thay đổi tải ,điều chỉnh dòng qua mA kế

R3 : biến trở chỉnh 0 (lúc cầu cân bằng)

Cũng có thể dùng mạch này để điều khiển nhiệt độ nếu thay thế

microampe bằng mạch khuếch đại và bộ phận Relay

2-Đo nhiệt độ bằng sự bù tiếp giáp cho cặp nhiệt kiểu K:

Mạch này nêu ra AD590 được kết nối để bù nhiệt cho cặp nhiệt kiểu K

Các tiếp giáp quy chiếu phải có tiếp xúc nhiệt sát với vỏ thiết bị AD590

V+ phải ít nhất 4V và dòng điện ICL8069 phải được xác lập ở 1 đến

2mA, sự chuẩn hóa không yêu cầu nối ngắn mạch hoặc tháo cặp nhiệt

Điều chỉnh R1 sao cho V2 = 10,98mV Nếu cần các đo đạc chính xác

cao, điều chỉnh R2 đến hệ số Seebeck chính xác cho cặp nhiệt được sử dụng,

sau đó ghi lại V1 và xác lập R1 để tăng điện áp này (tức là xác lập V2 =V1)

Đối với các kiểu cặp nhiệt khác thì điều chỉnh các giá trị tương ứng hệ số

Seebeck

3-Nhiệt kế dựa trên transistor:

Các transistor cảm biến có thể là bất kỳ loại NPN nào : 2N2222, 3904

Mạch này cung cấp điện áp ra 0  10V tương ứng 00C  1000C ở

transistor cảm biến Q2 Độ chính xác là +/-10C Không cần phải chuẩn hóa,

loại NPN tín hiệu nhỏ thông dụng bất kỳ đều có thể được dùng làm bộ cảm

biến.Yêu cầu chuẩn hoá bị loại bỏ do Q1 vận hành như một nguồn dòng điện

giá trị-được chuyển mạch, thay đổi giữa khoảng 10 và 100A khi LTC1043

chuyển đổi giữa các chân 12 và 14 Hai giá trị dòng đện này không quan

trọng khi tỷ suất đó giữ không đổi

IV GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ:

Mục đích của mạch khống chế nhiệt độ là giữ nhiệt độ ở môi trường cần

nung nóngở một nhiệt độ nhất định.Vì vậy ta cần sử dụng một số mạch để

khống chế, thực hiện yêu cầu của người sử dụng

Nguyên lý của mạch khống chế là dùng phương pháp so sánh điện áp, ta

sử dụng mạch khuếch đại thuật toán Mạch làm việc theo nguyên lý sau:

Cho vào đầu không đảo (+) của OPAMP một điện áp chuẩn, điện áp

chuẩn này được tính toán trước để tương ứng với một tỷ lệ nhiệt độ nhất định;

điện áp từ bộ cảm biến được đưa đến đầu vào đảo (-) của OPAMP:

Khi điện áp từ bộ khuếch đại cảm biến lớn hơn điện áp chuẩn, mạch sẽ

tác động cắt nguồn nhiệt

1-Mạch khống chế ngưỡng nhiệt dưới và ngưỡng nhiệt trên :

Qua sơ đồ mạch nguyên lý trên cho phép ta khống chế nhiệt giữa hai

ngưỡng dưới và trên trong mạch sử dụng cảm biến Thermistor TH1

Phần mạch bên trái Thermistor là mạch khống chế nhiệt dưới, phần bên

phải là mạch khống chế nhiệt trên

Điện áp phân cực tĩnh cho hai OPAMP lấy từ mạch phân áp giữa biến

trở R1 và Thermistor TH1 để đưa đến đầu vào đảo và không đảo của hai

OPAMP

+Nguyên lý làm việc của mạch:

-Khi nhiệt độ tăng cao làm cho nội trở của TH1 giảm mạnh, với sự thay

đổi điện áp so sánh giữa hai đầu vào của OPAMP và so sánh với một điện áp

chuẩn tương ứng với một nhiệt độ đã định trước, điều khiển ngõ ra của

OPAMP để đóng mở Relay Từ đó điều khiển đóng hay mở nguồn nhiệt

Giả sử nhiệt độ tăng quá mức ngưỡng trên, nội trở TH1 giảm làm cho

ngõ ra của OPAMP2 ở mức thấp làm Q2 dẫn, Relay 2 hút làm ngắn mạch

tải.Trong lúc đó OPAMP1 chuyển qua bão hòa dương làm Q1 ngắt, Relay1

nhả, thông mạch tải

-Khi nhiệt độ giảm quá mức ngưỡng dưới, nội trở TH1 tăng làm cho ngõ

ra của OPAMP2 ở mức cao làm Q2 ngắt, Relay2 nhả, thông mạch tải; còn

ngõ ra của OPAMP1 ở mức thấp làm Q1 dẫn, Relay1 hút làm ngắn mạch tải

Điểm cần chú ý trong mạch này là các OPAMP chuyển trạng thái với độ

nhạy rất cao của áp vi sai ở đầu vào khoảng vài trăm V Với áp phân cực

tĩnh ở đầu vào là 6V nên áp vi sai thay đổi khoảng 200V tương ứng với mức

0,1% Như vậy đòi hỏi sai số trong nhánh cầu cũng ở mức 0,01% Với các sai

số nhỏ của TH1 như vậy nên độ nhạy của nó rất cao Trong thực tế độ nhạy

chính xác đóng ngắt mạch cỡ 0,5% với nhiệt độ trong phòng

2-Mạch khống chế quá nhiệt dùng diode Silic:

Trong một số trường hợp cần khống chế mức nhiệt độ quá thấp mà các

nhiệt trở thông thường không đáp ứng được Hơn nữa ở nhiệt độ thấp, do

công suất tiêu tán trên nhiệt trở lại biến thành nhiệt nên giảm đi độ chính xác

của mạch

Vì vậy để giải quyết, người ta dùng diode Si làm phần tử cảm biến:

Khi có dòng bằng hay lớn hơn 1mA chạy qua diode D1 thì điện áp thuận

của nó khoảng 600mV Giá trị điện áp thuận lại phụ thuộc vào nhiệt độ, có

trị số nhiệt âm khoảng –2mV/0C Với dòng thuận 1mA, công suất tiêu tán chỉ

bằng 600mW nên hiệu ứng tỏa nhiệt do nung nóng không đáng kể

Điện áp phân cực cho hai đầu OPAMP được ổn định bằng diode Zener

5,6V Diode D1 dùng làm phần tử cảm biến nhiệt, biến trở R3 dùng để chỉnh

cầu cân bằng cho áp vi sai bằng 0

Nếu nhiệt độ môi trường tăng quá ngưỡng, nội trở của D1 giảm,

OPAMP chuyển sang trạng thái bão hòa âm, làm Q1 dẫn, Relay có điện Nếu

nhiệt độ giảm dưới mức ngưỡng, nội trở D1 tăng, OPAMP chuyển sang trạng

thái bão hòa dương, làm Q1 ngưng dẫn, ngắt Relay

Như vậy mạch chỉ làm việc để Relay ngắt nguồn khi nhiệt độ môi

trường quá ngưỡng trên

3-Công tắc quá nhiệt chính xác:

Khi điện áp ở ngõ vào (2) có giá trị lớn hơn điện áp ở ngõ vào (3) thì

ngõ ra (6) ở mức thấp làm Q1 dẫn và Relay hút, đóng mạch Như vậy Relay

có điện chỉ khi nào nhiệt độ chưa vượt quá nhiệt độ xác định

TH1 là nhiệt điện trở âm, có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng và

ngược lại

Chỉnh biến trở R1, cho cầu cân bằng ở nhiệt độ gần 2700C, cũng tại

nhiệt độ này thì giá trị điện áp ở đầu vào (2) và (3) bằng nhau nên OPAMP

có áp vi sai bằng 0.Khi nhiệt độ thay đổi thì RTH1 thay đổi làm cho cầu R1,

R2, R3, RTH1 mất cân bằng Lúc này điện áp ngõ ra (6) của OPAMP sẽ âm

hơn làm Q1 dẫn và Relay có điện

-Điện áp ngõ vào (3) là điện áp chuẩn (vì R2, R3 cố định)

-Điện áp ngõ vào (2) là điện áp dùng để so sánh và thay đổi được, phụ

thuộc vào R1 và RTH1

-Khi nhiệt độ lớn hơn 2700C, điện trở RTH1 giảm làm áp ra chân (6) của

OPAMP sẽ dương hơn làm Q1 ngắt, Relay không có điện

4-Bộ điều khiển nhiệt độ một điểm xác lập:

AD590 tạo ra điện áp phụ thuộc nhiệt độ, qua R (tụ C để lọc nhiễu), sự

xác lập R2 tạo ra điện áp tỷ lệ –zero Đối với thang độ C thì cần có R = 1K

và Vzero = 0,273V

Đối với thang độ Fahrenheit thì R = 1,8K và Vzero = 0,460V

CHƯƠNG III : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC

I-Sơ lược về lịch sử phát triển:

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Controller) đã

được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (công ty General Motor Mỹ)

Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp

nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng

bước cải tiến hệ thống làm cho hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành,

nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các

thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay

(Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều

này đã tạo ra được một sự phát triển thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập

trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn

giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ

điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một

tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ

hình thang (The Diagram Format) Trong những năm đầu thập niên 1970,

những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán

hỗ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation)

Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube:

CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống

càng trở nên thuận tiện hơn

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho

đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh hơn với các chức năng mở

rộng: Hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8000 cổng vào/ra, dung lượng

bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128000 từ bộ nhớ (word of memory) Ngoài

ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẽ

thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẽ

Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm

cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng

ra/vào lớn

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác

thông qua CIM (Computer Integrated Manufacturing) để điều khiển các hệ

thống: Robot, Cad/Cam, … Ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các

loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi

là các siêu PLC (super PLC) cho tương lai

II- Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC:

1-Cấu trúc:

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung

tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O)

Hình : sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

- Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ

nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Hình : Sơ đồ khối tổng quát của CPU

2-Hoạt động của một PLC:

Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ

thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất/nhập)

dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor,

contact, tín hiệu từ động cơ …) Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU

sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module xuất ra các thiết bị được

điều khiển

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc

trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các

chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ

bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng

STL (Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình

thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Sau khi

thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (update) tín hiệu tới

Processor Memory

Power Supply

các thiết bị, được điều khiển thông qua Module xuất Một chu kỳ gồm đọc tín

hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được

gọi là một chu kỳ quét (Scanning)

Trên đây chỉ là mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động

này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC Nhằm cụ

thể hóa hoạt động của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng

quét (scan) như sau:

Hình :một vòng quét của PLC

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi

cập nhật tín hệ ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không được truy xuất tức

thời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở ngõ ra

(ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ

chuyển đổi các mức logic tương ứng ở ngõ ra trong “chương trình nội” (đã

được lập trình), các mức logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này

các tín hiệu ở ngõ ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn

chưa được đưa ra Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các

mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở

ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một

vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới

100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ

dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại

vi (màn hình hiển thị…) Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi

nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét Nếu

thời gian tác động ở ngõ vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xem như

không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống

Đọc ngõ vào

Gửi đến ngõ ra

Tự chẩn đoán

Xử lý các yêu cầu giao tiếp Thực hiện chương trình

chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên có thể đáp ứng

được các chức năng của dây chuyền sản xuất Để khắc phục khoảng thời gian

quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất, các nhà thiết kế còn thiết kế hệ

thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các

PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

III-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác _ Lợi ích của việc

sử dụng PLC:

1-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác:

a-PLC với hệ thống điều khiển bằng Relay:

Việc phát triển hệ thống điều khiển bằng lập trình đã dần dần thay thế

từng bước hệ thống điều khiển bằng Relay trong các quá trình sản xuất Khi

thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa

chọn các hệ thống, hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay

cho hệ thống điều khiển bằng Relay do các nguyên nhân sau:

- Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động

- Có độ tin cậy cao

- Khoảng không lắp đặt thiết bị nhỏ, không chiếm diện tích

- Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra cao

- Sự chọn lựa dữ liệu một cách thuận lợi, dễ dàng

- Dễ dàng thay đổi cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tương

lai khi có nhu cầu mở rộng sản xuất

Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những

nhu cầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều

khiển lập trình cũng vượt trội hơn hệ thống điều khiển cổ điển (Relay,

Contactor,…) Hệ thống điều khiển này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ

thống trong tương lai do không phải đổi, bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống

điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay đổi chương trình cho phù

hợp với điều kiện sản xuất mới

b-PLC với máy tính:

Cấu trúc giữa máy tính với PLC đều dựa trên bộ vi xử lý (CPU) để xử lý

dữ liệu Tuy nhiên có một vài cấu trúc quan trọng cần phân biệt để thấy rõ sự

khác biệt giữa một PLC và một máy tính :

-Không như máy tính, PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong

môi trường công nghiệp Một PLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ

nhiễu diện cao (Electrical Noise), vùng có từ truờng mạnh, có các chấn động

cơ khí, nhiệt độ môi trường cao …

-Điều quan trọng thứ hai đó là: một PLC được thiết kế với phần cứng và

phần mềm sao cho dễ lắp đặt (đối với phần cứng) đồng thời về mặt chương

trình cũng phải dễ dàng để người sử dụng (kỹ sư, kỹ thuật viên) thao tác lập

trình một cách nhanh chóng, thuận lợi (ví dụ: lập trình bằng ngôn ngữ hình

thang… )

c-PLC với máy tính cá nhân PC (Personal Computer):

Đối với một PC, người lập trình dễ nhận thấy được sự khác biệt giữa PC

với PLC, sự khác biệt có thể biết được như sau:

- Máy tính không có các cổng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị điều

khiển, đồng thời máy tính cũng hoạt động không tốt trong môi trường công

nghiệp

- Ngôn ngữ lập trình trên máy tính không phải là dạng hình thang, máy

tính ngoài việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, còn phải thông

qua việc sử dụng các phần mềm khác, làm "chậm" đi quá trình giao tiếp với

các thiết bị được điều khiển

Tuy nhiên qua máy tính, PLC có thể dễ dàng kết nối với các hệ thống

khác, cũng như PLC có thể sử dụng bộ nhớ (có dung lượng rất lớn) của máy

tính làm bộ nhớ của PLC

2-Lợi ích của việc sử dụng PLC:

Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng

tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công

nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng

I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử

dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống

Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống diều khiển chỉ cần lắp dặt một lần

(đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra …), mà

không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi

phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển

Relay), khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các

PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh

hoạt hơn

Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một

khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống

khác Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn,

phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống

khác

Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của

PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả

năng nhận biết các hỏng hóc (trouble shoding) của hệ thống và báo cho

người sử dụng), điều này làm cho việc sửa chữa thuận lợi hơn

IV Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC :

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản

xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển

các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường

đến các úng dụng cho các lĩnh vực phức tạp,

đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất

Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm :

-Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống

ống dẫn, cân đong trong ngành hóa …

-Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, cân đong,

quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại,… -Bột giấy, giấy, xử lý

giấy : điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, quá trình cán, gia nhiệt, …

-Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân

đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy, …

-Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm

soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây, …), cân đong, đóng gói, hòa

trộn, …

-Kim loại: điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất,

kiểm tra chất lượng

-Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các

turbin, …), các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động

(than, gỗ, dầu mỏ, …)

V Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7_200, CPU 214 :

- Gồm ba ngõ vào analog và một ngõ ra analog

- Trở kháng vào >= 10M

- Điện áp cực đại ngõ vào : 30VDC

- Dòng điện cực đại ngõ vào : 32mA

- Có các bộ chuyển đổi ADC, DAC (12 bit)

- Thời gian chuyển đổi analog sang digital : <250s

- Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V

- Phạm vi dòng điện ngõ ra : 0 -> 20mA

- Công suất tiêu tán : 2W

- Có LED báo trạng thái

- Có núm chỉnh OFFSET và chỉnh GAIN

- Có các contact để lựa chọn phạm vi áp ngõ vào (contact ở một trong

hai vị trí ON và OFF): contact 1 lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON đối với áp

đơn cực, OFF với áp lưỡng cực; contact 3, 5, 7, 9, 11 chọn phạm vi điện áp:

Contact định cấu hình EM235 Chọn ngõ vào

Đơn cực/Lưỡng cực

Chọn độ lợi

Chọn độ suy giảm SW11 SW9 SW7 SW5 SW3 SW1

*Các contact định cấu hình và các chiết áp chỉnh trong Module EM235:

*Cách kết nối các ngõ vào/ra của Module mở rộng EM235:

*Sơ đồ khối các ngõ vào của EM235:

*Tín hiệu tương tự được đưa vào các đầu vào A+, A-, B+, B-, C+, C-, sau

đó qua các bộ lọc nhiễu, qua bộ đệm, bộ suy giảm, bộ khuếch đại rồi đưa đến

khối chuyển đổi ADC, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 12 bit 12

bit dữ liệu này được đặt bên trong từ ngõ vào analog của CPU như sau:

12 bit dữ liệu ra từ bộ chuyển đổi ADC được canh trái trong từ dữ liệu

Bit MSB là bit dấu: 0 dùng để diễn tả giá trị từ dữ liệu dương, 1 dùng để diễn

tả giá trị từ dữ liệu âm