Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C tmax = 0(100+50n)0C. Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=010V và I=020mA. + Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn, còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: Ud=tmax2 n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách. Lời nói đầu Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày cũng như kỹ thuật và công nghiệp. Việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu cầu thiết thực. Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng. Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại. Nội dung bài làm có những phần chính sau : Chương 1: Tổng quan về đo nhiệt độ. Chương 2: Tổng quan về mạch đo. Chương 3: Giới thiệu về các thiết bị chính. Chương 4: Tính toán, thiết kế mạch đo. Tính toán, lựa chọn cảm biến. Tính toán, thiết kế mạch đo. Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp. Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa. Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo. Kết luận và hướng phát triển.
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo
nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C - tmax = 0-(100+50*n)0C
- Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V và I=0-20mA
+ Dùng cơ cấu đo để chỉ thị
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn, còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnhbáo: Ud=tmax/2
- n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách
- Lời nói đầuNhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày cũngnhư kỹ thuật và công nghiệp Việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu cầuthiết thực Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiềunhất trong công nghiệp cũng như dân dụng
Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế mạch
đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
Nội dung bài làm có những phần chính sau :
*Chương 1: Tổng quan về đo nhiệt độ
*Chương 2: Tổng quan về mạch đo
*Chương 3: Giới thiệu về các thiết bị chính
*Chương 4: Tính toán, thiết kế mạch đo
- Tính toán, lựa chọn cảm biến
- Tính toán, thiết kế mạch đo
- Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp
- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo
- Kết luận và hướng phát triển
Trang 2Lời nói đầu
Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước côngnghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằmnâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đềquan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn
đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: đưa ra cảnh báo khi nhiệt độ vượt quámức đọ cho phép……
Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liênquan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ
sử dung IC cảm biến nhiệt độ
Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của giáo viên hướngdẫn “ Bùi Thị Khánh Hòa ” cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điềukhiển” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Nhưng do lượng kiếnthức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót Em mongđược sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Mục lục
Trang 3Chương 1 : Tổng quan về đo nhiệt độ
1.1: Đo lường
1.2: Đo nhiệt độ
Chương 2 : Tổng quan về mạch đo
2.1: Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo
2.2: Chức năng của các khối trong mạch đo
Chương 3 : Các thiết bị chính dùng trong mạch đo
Chương 4 : Tính toán, thiết kế mạch đo
4.1 : Tính toán, lựa chọn cảm biến
4.2: mạch khuếch đại đo lường
4.3:Mạch chuyển đổi U sang I
4.4:Mạch cảnh báo
4.5: Mạch nhấp nháy
4.6: Khối hiển thị
4.7: Cơ cấu chỉ thị
4.8:tính toán thiết kế nguồn
4.9: sơ đồ mạch đo của toàn bộ quá trình thiết kế dùng mô phỏng proteus
Trang 4-Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax , nó bằng tỷ số củađại lượng cần đo X và đơn vị đo X0.
Vậy quá trình có thể viết dưới dạng:
-Thao tác biến đổi
-thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị
Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo
+ Đo trực tiếp :là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phếp đo duynhất
+Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả đo được suy ra từ phép đo, từ sự phối hợpcủa nhiều phép đo trực trực tiếp
+Đo thống kê : là phếp đo nhiều lần một đại lượng nào đó, trong cùng một điềukiện và cùng một giá trị Từ đó dung phếp tính xác suất để thể hiện kết quả đo
có độ chính xác cần thiết
1.2 Đo nhiệt độ
1.2.1 Khái niệm về nhiệt độ
-Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của cácphần tử trong các vật thể
-Để đo được nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo, thông thường trong công nghiệpnhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể truyền tínhiệu nhiệt độ đi xa, không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống khi cần xácđịnh nhiệt độ
-Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số Tx – T là cực tiểu với Tx là nhiệt độcần đo, T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trong môi trường cần đo
Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảmbiến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt giữa cảm biến và môitrường theo biểu thức:
dQ= a A(Tx- T)dt
với :
a : là độ dẫn nhiệt
A : là diện tích bề mặt truyền nhiệt
1.2.2 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độcủa nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có
Trang 5nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳphát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đonhiệt độ chính là:
1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )
2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15
3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67
Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang
đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là một trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệđơn vị quốc tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệtđộ
1.2.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếp xúc Cóhai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kếnhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảotính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môitrường khí hoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòngchảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sangchuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diệntích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt Khi đo nhiệt độ của cácchất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thườngdùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài
1.2.4.Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vậthấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọivật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian vớimột đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠCH
ĐO
Trang 6Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ nhưdùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảmbiến nhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó làdùng nhiệt điện trở kim loại.
2.1 Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo:
Mạch đo gồm có 5 khối cơ bản :
2.2 Chức năng của các khối trong mạch đo :
2.2.1 Khối cảm biến
Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điệntương ứng ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệunhiệt độ sang tín hiệu điện áp
2.2.2 Khối khuếch đại
Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì tín hiệu điện docảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạchđiện khác
2.2.3.Mạch chuyển đổi U sang I
Có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị ra
2.2.4 Khối cánh báo
Cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép
Chuyển đổi Usang I
Cảnh báo
Trang 7Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại.
Chương III : Các thiết bị chính dùng trong
mạch đo
Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toán thiết
kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linhkiện mà mình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng :
3.1.Cảm biến
Nhiệt độ là 1 đại lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các loại cảm biếnnhiệt độ dựa trên sự chuyển động của các hạt điện tích hình thành nên dòng điệntrong kim loại
Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thườngdùng : -Cặp nhiệt ngẫu
- Nhiệt điện trở kim loại
- IC cảm biến nhiệt độ
Trong bài này ta sẽ sử dụng cảm biến là nhiệt điện trở kim loại, loại này có 2loại thông dụng là nhiệt điện trở Platin và nhiệt điện trở Nikel Cụ thể ta sử dụngnhiệt điện trở platin loại có độ tuyến tính theo nhiệt độ cao, điện trở suất cao,chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài
Hình 3.1- Cảm biến nhiệt độ pt100
3.2 Bộ khuếch đại thuật toán µA 741
Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng khuếch đạicác tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất Trong phạm vi bài này ta sẽ
sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùngtrong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo cho mạch đo
Trang 8Hình 3.2- Bộ khuếch đại thuật toán µA 741
3.3 Điện trở
Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ
hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được cácloại điện trở có trị số khác nhau.
Hình3.3.1- Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.
Hình3.3.2- Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.
Cách đọc điện trở : vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta cần
xác định đúng trị số các vòng màu
Hình3.3.3-Cách dọc điện trở
Trang 9 Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây làvòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này.
Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3
Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị
Vòng số 3 là bội số của cơ số 10
Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch
đo, để hiển thì đầu ra có thể chính xác.
3.4 Các thiết bị cảnh báo
c nh báo quá nhi t ta có th s d ng chuông c nh báo ho c còi
Đ ản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : ệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để ử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để ụng chuông cảnh báo hoặc còi để ản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : ặc còi để đ
c nh báo, ho c ta có th s d ng ản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : ặc còi để ử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để ụng chuông cảnh báo hoặc còi để đồ khối nguyên lý mạch đo :ng th i c hai ời cả hai để cảnh báo quá nhiệt ản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : đ c nh báo quá nhi tản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : ệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để Nh ng thi t b n y th ng mang thông tin nhanh v chính xác, d l p
độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để ết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp ị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp ày thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp ười cả hai để cảnh báo quá nhiệt ày thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp ễ lắp ắp
t v s d ng ngu n i n m t chi u hay xoay chi u
đặc còi để ày thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp ử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để ụng chuông cảnh báo hoặc còi để ồ khối nguyên lý mạch đo : đ ệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để ộ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để ều hay xoay chiều ều hay xoay chiều
Hình 3.5-Đèn cảnh báo
3.5 Nguồn cấp cho mạch
theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnhlưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp của mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều vớicấp điện áp 5V, 9V hoặc 12V tùy chúng ta gồm có : _máy biến áp có chứcnăng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó là 5V, 9V, 12V _ bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tácdụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khốichỉnh lưu:
Hình 3.6-Nguồn cấp
Trang 10
Chương IV : Tính toán và thiết kế mạch đo
4.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến :
4.1.1Yêu cầu đề bài
Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sửdụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin – tmax = 0-(100+50*n)0C
Với: n là số thứ tự sinh viên trong danh sách
Số thứ tự trong danh sách là n = 17 vậy dải đo trong bài này là :
ToC = tmin-tmax= 0-(100+ 50*17)0C = 0- 850 0C
U=0-10V
I=0-20mA
Từ yêu cầu của đề bài là sử dụng nhiệt điện trở kim loại và dải đo từ 0-850 0C ta
đi tính và lựa chọn cảm biến
4.1.2thông số của nhiệt điện trở và yêu cầu với vật liệu làm điện trở
Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:
- Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫnnhỏ
- Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệttiêu
- Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc
- Dễ gia công và có khả năng thay lẫn
Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni Ngoài ra còn dùng Cu,W
Trang 11+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.
+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC
Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trởtheo nhiệt độ Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việcthường không vượt quá 180oC Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạođiện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở
4.1.3chọn cảm biến
Nhiệt điện trở kim loại có rất nhiều loại nhưng có hai loại thường dùng là nhiệtđiện trở nickel và nhiệt điện trở platin Nhiệt điện trở nickel so với platin thì rẻtiền hơn song độ tuyến tính chỉ từ -600C đến +2500C mà trong bài này dải đomax là 7700C nên ta không sử dụng Ta đi sử dụng nhiệt điện trở platin với dải
đo rộng và độ tuyến tính cao Cụ thể trong bài nay ta đi sử dụng nhiệt điện trởPt100 nhiệt điện trở có đọ tuyến tính cũng tương đối và điện trở Ro tại 00C là100Ω sau đây là chi tiết về cảm biến nhiệt Pt100cấu tạo can nhiệt Pt100
Cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở RTD ( Resistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa
RTD-trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở
kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số alpha=0.00391 vàR0=100 Ohm
Như vậy điện trở của dải đo tương ứng là ở 0 0 C là 100Ω và ở 850 0 C là 412.8Ω
Sau đây ta đi khảo sát mạch đo dùng cảm biến Pt100
Trang 12Hình 4.1.3.1-Mạch biến đổi điện áp ra theo sự thay đổi RV1
Tính toán cho mạch cầu đo:
Ura=
Tại RV1=0 có:
Ura(0)=0
đạt được khi: (RA+R0)*RD=RB*RC (cầu cân bằng)
Vì có RV1 thay đổi nên cầu 1 nhánh hoạt động thì Ura sẽ thay đổi
R0=100Ω là điện trở ứng với nhiệt độ 0oC
Chọn RA+R0=RC=6.5kΩ;RB=RD=9kΩRB=RD=9kΩ
được:
Ura(312.8) =0.0574(v)
Vì giới hạn đầu ra là từ 0-10 V nên ta chọn nguồn cung cấp Ucc= 5( V )
Vậy dải điện áp ra của U là từ 0- 0,0574V
Tín hiệu ra này thường không chuẩn nên ta cho qua bộ khuếch đại thuật toán đểtang cường tín hiệu lên về độ lớn
4.2mạch khuếch đại đo lường
Để tín hiệu đầu ra được chuẩn hóa ta dùng bộ khuếch đại thuật toán đảo với hệ kđược tính như sau : U từ 0- 0,0574V
Trang 13Ura từ 0-10V
Suy ra k= 10:0,0574= 174.21
Hình 4.2- Sơ đồ mạch khuếch đại đo lường
Vậy điện áp ra được xác định bởi biểu thức với điều kiện bình thường là R4R7=R5R6
Kết quả được: U0=10.00(V), U0maxx/2=5.05(V)
Như vậy với dải đo nhiệt độ từ 0 – 8500C ta sử dụng mạch cầu đo cùng với nhiệtđiện trở platin đã đưa được tín hiệu không điện là nhiệt độ thành tín hiệu điện đó
là điện áp Và sử dụng bộ khuếch đại thuật toán , khuếch đại tín hiệu lên giống
