Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cản báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Đề tài của em là: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cản báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.Nhiệt độ là một trong các đại lượng được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật như tính dẻo, tính đàn hồi, độ cứng.. v.v. Nó làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác động bởi nó như áp suất, thể tích… Trên thực tế, có rất nhiều bài toán liên quan đến nhiệt độ. Ví dụ: lò sấy công nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép.... yêu cầu đặt ra là phải xử lí được nhiệt độ theo như mong muốn của con người.

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Vũ LinhSinh viên thực hiện: Thân Hồng AnhSố thứ tự sinh viên: Ca 1 – số 03

Hà Nội 2014

Lời nói đầu

Tự động hóa ngày nay không còn xa lạ đối với nhiều người, nó thamgia vào quá trình sản xuất từ giai đoạn bắt đầu cho tới kết thúc Để có mộtquá trình sản xuất hoàn chỉnh, không chỉ có một thiết bị là đủ mà còn là sựkết hợp của nhiều máy sản xuất khác nhau Trong đó, cảm biến là một phầnquan trọng không thể thiếu

Nhiệt độ là một trong các đại lượng được quan tâm nhiều nhất vì nhiệtđộ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật như tính dẻo, tính đànhồi, độ cứng v.v Nó làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác động bởi nónhư áp suất, thể tích… Trên thực tế, có rất nhiều bài toán liên quan đếnnhiệt độ Ví dụ: lò sấy công nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép yêu cầu đặt

ra là phải xử lí được nhiệt độ theo như mong muốn của con người

Đề tài của em là: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch

đo và cản báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Trong quá trình làm bài, bài làm của em còn nhiều thiếu sót Mongthầy, cô góp ý để bài làm của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!!!

Mục lục

Lời nói đầu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO 4

1 Sơ đồ mạch 4

2 Các khối thiết kế 4

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 5

1 Cảm biến nhiệt độ 5

1.1 Tổng quan về cảm biến nhiệt độ 5

1.2 Nhiệt điện trở RTD – PT ( Resistance Temperature Detectors) 5

2 Khuếch đại thuật toán sử dụng LM385 7

2.1 Cấu tạo của một LM358 7

2.2 Hoạt động của LM358 8

3, IC 555 8

4, Tranzitor 11

4.1 cấu tạo 11

4.2 nguyên lí hoạt động 11

II Tính toán thiết kế mạch đo 13

1 Chuẩn hóa đầu ra U = 0÷ 10 V và I = 0 ÷ 20 mA 14

1.1 Mạch phân áp 14

1.2 Mạch chuyển đổi U – I 15

2 Mạch chuẩn hóa đầu ra U = 0÷ -5V và I = 4 ÷ 20mA 15

2.1 Mạch khuếch đại 15

2.2 Mạch chuyển đổi U – I 16

III Mạch so sánh 17

IV Tính toán thiết kế mạch cảnh báo 18

V Tính toán thiết kế mạch đèn nháy 20

VI Thiết kế nguồn cung cấp 21

Chương 4 Mô phỏng mạch trên proteus 22

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

1 Sơ đồ mạch

Hình 1: Sơ đồ tổng quan của hệ thống thiết kế

2 Các khối thiết kế

 Khối nguồn cung cấp: cung cấp dòng cho cảm biến, cung cấp nguồn

cho các linh kiện

 Khối cảm biến: cảm biến nhiệt điện trở RTD – PT

 Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu

 Khối so sánh: so sánh với điện áp chuẩn đầu vào

 Khối mạch cảnh báo: phát tín hiệu đầu ra, cung cấp mức điện áp vào

loa, làm cho loa hoạt động

 Khối nhấp nháy: đèn led nhấp nháy với thời gian sáng tối bằng nhau

Mạch khuếch đại( mạch phân áp)Mạch cảm biến

Nguồn cung cấp

Mạch so sánh

Mạch cảnh báo Mạch nhấp nháy

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

1 Cảm biến nhiệt độ

1.1 Tổng quan về cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị để do nhiệt độ của đối tượng, các cảmbiến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong haidạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở

1.2 Nhiệt điện trở RTD – PT ( Resistance Temperature Detectors)

Hình 1: Hình dáng nhiệt điện trở thực tế

a Cấu tạo

Dây kim loại làm từ Đồng, Niken, Platinum… được quấn tùy theo hình dángcủa cầu đo

Hình 2: cấu tạo của nhiệt điện trở kim loại.

b Phân loại

- Dây quấn

Hình 3: Hình dáng RTD dây quấn

- Màn mỏng

Hình 4: Hình dáng RTD màn mỏng

c Nguyên lí hoạt động

Khi nhiệt độ tăng, điện trở giữa 2 đầu dây kim loại tăng

Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thayđổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độnhất định

d Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ

Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum.Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đođược dài.

RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây

 Lưu ý khi sử dụng:

 Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số

 Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple Chúng ta cóthể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, cóchống nhiễu ) và có thể đo test bằng VOM được

 Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây

Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp mộtnguồn ngoài ổn định Độ chính xác phụ thuộc nhiều vào độ ổn định củanguồn dòng Ta dùng nguồn dòng ổn định cấp cho PT100 và đo điện thế tại

2 đầu PT100

 Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm:

- Tuyến tính trên khoảng rộng

- Chính xác cao

- Ổn định với nhiệt độ

 Nhược điểm

- Đáp ứng chậm

- Đắt tiền

- Ảnh hưởng của độ sóc và rung

- Yêu cầu 3 hoặc 4 dây để đảm bảo độ chính xác cao

2 Khuếch đại thuật toán sử dụng LM385.

2.1 Cấu tạo của một LM358

Hình 2.1 cấu tạo

Một LM 358 có :

- Kênh 1: chân 2,chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra

- Kênh 2: chân 5,chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra

2.2 Hoạt động của LM358

LM358 thực hiện nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào để đưa ra mức tínhiệu chuẩn

Mỗi khi có sự thay đổi điện áp tại chân 3 tín hiệu đầu vào thì nó thựchiện so sánh điện áp với điện áp chuẩn chân 8 để tạo ra sự biến đổi tín hiệuđầu ra chân 1

3, IC 555

IC 555 là linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo ra xung vuông và cóthể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản và điều chế được độrộng xung

Hình 3.1 Hình dáng của IC 555

Hình 2.2 Sơ đồ chân của LM358

Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường :

+ Điện áp đầu vào: 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555,

NE7555 )

+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

+ Công suất lớn nhất là : 600mW

Hình 3.2 cấu tạo chân của IC 555

- Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn

gọi là chân chung

- Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh

và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch sosánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

- Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic.

Trạng

thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mứccao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0Vmà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V)

- Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4

nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp caothì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng màtrong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp

chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở

để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thôngqua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điệnáp chuẩn được ổn định.

- Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh

điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

- Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử

và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức ápthấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xảđiện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và

dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó đượccấp điện áp từ 2V đến 18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là conNE7555)

 Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉdao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3

 Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúcnạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3

 Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúcxả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3.Thời gian mức 1 ở ngõ rachính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

4, Tranzitor

4.1 cấu tạo

Gồm 2 lớp bán dẫn N và 1 lớp P (tranzitor NPN) Chân B nối với P, chân C và E nối với N

Hình 4.1 cấu tạo của Tranzitor

4.2 nguyên lí hoạt động

- Ta cấp nguồn 1 chiều UCE vào chân C và chân E của tranzitor trong đó nguồn (+) nối vào C và nguồn (-) nối vào E hoặc nối C với điện áp 1 chiều dương và E với đất

- Khi chân B được cấp điện áp âm không có dòng chảy qua mối CE (ICE =0)

- Khi chân B được cấp điện áp dương, P-N phân cực thuận nên có dòng điện chảy từ B sang C rồi về đất (IB) Ngay khi IB xuất hiện sẽ có dòng IC chảy qua mối CE Dòng IC lớn hơn gấp nhiều lần IB và liên hệ nhau theo công thức:

IC = β.IB với β là hệ số khuếch đại của tranzitor

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO.

I Tính toán, lựa chọn cảm biến

 R T : Điện trở ở nhiệt độ T

 R 0=100Ω điện trở ở 0oC

 α : Hệ số nhiệt độ ở T=0oC ( kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC)

+ Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính như sau:

- Cảm biến RTD - PT100 Hoạt động ở 0oC thì điện trở là 100Ω

- Rt = R0(1+0,385%T) với sai số nhiệt độ là ±0,5oC tức là cứ tăng 1oC thìđiện trở RTD- PT100 Tăng 0,385 Ω

Vì I ko đổi (nguồn dòng) nên U sẽ thay đổi theo R

Tuy nhiên sự thay đổi của U rất nhỏ ( hoặc rất lớn) nên phải cho quamạch khuếch đại để đựoc ngõ ra theo ý muốn có thể có ngõ ra là 1mV/oC,10mV/oC, 100mV/oC tùy theo hệ số khuếch đại của mạch

Dòng qua cảm biến tốt nhất là dòng từ 4-20mA.Nếu dòng lớn sẽ đốt nóngcảm biến và gây sai số.Mặt khác, trong proteus cảm biến RTD – PT đã đượcchuẩn hóa, nên từ nhiệt độ, t có thể đọc được luôn giá trị của điện áp đầu ra

Sơ đồ mạch mô phỏng:

II Tính toán thiết kế mạch đo

1 Chuẩn hóa đầu ra U = 0÷ 10 V và I = 0 ÷ 20 mA

1.1 Mạch phân áp

Từ yêu cầu bài toán, cần chuẩn hóa đầu ra với điện áp và dòng điệnnhư trên

Mặt khác, do cảm biến đã được chuẩn hóa để giá trị của nhiệt độ bằnggiá trị của điện áp nên cần mạch phân áp để giảm áp xuống giá trị mongmuốn

Ta có

UVR1(1)= U R 6 + RV 1 R 6

Chọn R6 =1kΩ , U =115 V( tại Tmax)Giá trị mong muốn Ura=10V => VR=95%.11k ΩTại nhiệt độ t = Tmax/2 =57o thì U= 4,98V

Tại nhiệt độ Tmax = 115o thì U= 10V

1.2 Mạch chuyển đổi U – I

Hình 1.2 Mạch chuyển đổi U- I

Khi U= 10V, I = 20mA

Uo = (1+ )UI

Uo = IL.(VR4 + R10) → IL = UI

KUI = = = 2.10-3 = → VR4 = 500Ω

Chọn R10 = 90Ω Ta có mạch như hình vẽ

2 Mạch chuẩn hóa đầu ra U = 0÷ -5V và I = 4 ÷ 20mA

II.1Mạch khuếch đại

Có cùng tính chất làm cho điện áp từ nhiệt điện trở được chuẩn hóa đầu ra

Ta có thể sử dụng mạch khuếch đại đảo như hình vẽ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại.

Điện áp đã chuẩn hóa: U = 0÷ -5V

Dòng điện cần chuẩn hóa I = 4÷ 20mA

mức điện áp đặt sẵn.

Hình 1 Mạch so sánhLấy giá trị điện áp đầu ra mang so sánh sử dụng LM358

- Nếu U+ > U- thì đầu ra xuất ra tín hiệu

- Nếu U+ < U- thì đầu ra không có tín hiệu

IV Tính toán thiết kế mạch cảnh báo.

Sơ đồ gồm có:

- Tranzitor

- Buz

- Not

- Led - green

Hình 1: Sơ đồ mạch cảnh báo

Sau khi điện áp đã được so sánh, đưa ra mức tín hiệu 1 Transitor dẫndòng làm đèn sáng, chuông kêu, cảnh báo nhiệt độ vượt quá mức cho phép

 Thời gian đèn sáng: Ts= 0.69R3C (s).

 Thời gian đèn tắt: Tt = 0.69R4C (s)

Chọn R3 = R4 = 100kΩ, ta tính được C= 36µF với thời gian:

Ts=Tt = ( 1+0.5.a)=2.5(s) với a là số thứ tự hàng đơn vị trong danh sách

VI Thiết kế nguồn cung cấp

Yêu cầu đặt ra của một bài toán thiết kế là cần có nguồn cung cấp chohoạt động của cả hệ thống Vậy nên cần biến đổi nguồn từ lưới 220V xoaychiều sang dòng 1 chiều với mức điện áp ra 12V

Bộ nguồn được thiết kế bao gồm:

- máy biến áp

- tụ điện

- IC 7805

- Mạch chỉnh lưu

Sơ đồ mạch:

Hình 1: Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho IC 555

Các mạch nguồn cấp cho các IC khác tương tự nhưng sẽ thay đổi

7805 thành các IC cho ra mức điện áp nhất định +12V, 12V +15V,

-15V… (IC 7812, IC 7912, IC 7815, IC 7915….)