ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐO,CẢNH BÁO VÀ HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ

Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

GVHD:TỐNG THỊ LÝ

Hà Nội, 11/2016

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS ……… ……… 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ 4

I.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO 4

1 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 4

a Nhiệt điện trở kim loại 4

b.THERMISTOR 5

c Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples) 6

d.IC cảm biến nhiệt độ (điốt ,tranzistor ) 6

2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc 7

Phương pháp hỏa quang kế 7

II KHẢO SÁT TÍNH NHIỆT ĐỘ CẦN ĐO 8

III.TÍNH CHỌN CẢM BIẾN 8

1.Tổng quan về nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples) 8

2.Cấu tạo 9

3.Nguyên lý 10

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT

ĐỘ SỬ DỤNG VMTT&VMS 11

I.HÌNH THÀNH SƠ ĐỒ KHỐI 11

1.Sơ đồ khối 11

2 Yêu cầu cho từng khối 12

II.TÍNH CHỌN CÁC KHỐI 12

1 Khối cảm biến 12

2 Khối khuếch đại và chuẩn hóa đầu ra 13

a.khối khuếch đại đầu ra 13

b.khối chuẩn hóa dòng điện I=0-20mA 13

3.Khối so sánh và cảnh báo 14

a.khối so sánh 14

b.khối cảnh báo 15

4 Khối hiển thị 16

5.Khối biến đổi ADC và giải mã TC7107A 16

6.khối điều áp……… ……….…… 18

7.Tính toán và thiết kế mạch nguồn…… ……… 19

CHƯƠNG 3:MẠCH MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS 20

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 21

I.PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 21

II.NHẬN XÉT KẾT QUẢ 21

PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS

Họ và tên sv: Cao Văn Tú Msv:0941040143

Hạc Thông Thịnh Msv:0941040125Phạm Minh Tuấn Msv:0941040178

Lớp : Điện 2 - Khoá :9 - Khoa : Điện.

NỘI DUNG

Đề tài: N=52

Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo, cảnh báo nhiệt độ và hiển thị nhiệt

độ

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 +10* N)0C.=570oC

- Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:

Yêu cầu về bố cục nội dung:

1: Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

- Tìm hiểu các Phuong pháp đo nhiệt độ

- Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo (liên hệ thực tiễn theo nhóm)

- Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấpchính xác )

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ

I.Các phương pháp đo

1 phương pháp đo tiếp xúc

a.Nhiệt điện trở kim loại:

– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

– Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…– Tầm đo: -100 0C->14000C

Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD– Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, đượclàm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dảinhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C Điệntrở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

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

b.THERMISTOR

– Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

– Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

– Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

– Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

– Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

– Tầm đo: 50-1500C

Cấu tạo Thermistor

– Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxid Các bột này được hòa trộntheo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao

Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.– Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ;

Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loạiNTC

– Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150 0C do vậyngười ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng trong các mục đíchbảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít Cái Block lạnh nàocũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ

c Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứngnhiệt điện Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bảnchất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín vànhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòngđiện Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệtđiện Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hởthì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặpnhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất

Hình b:Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp

Ở môi trường nhiệt độ cao từ 16000 C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệt

d IC cảm biến nhiệt độ (điốt và tranzitor)

-Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn

– Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

– Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

– Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

– Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

– Tầm đo: -50 <150 0C

-Các IC :LM35,LM335,LM45

Cấu tạo bán dẫn

– Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chấtbán dẫn Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựa trênmức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày nayvới sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảmbiến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễutốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,…

Hình c: Sơ đồ mạch nguyên lý của IC bán dẫn đo nhiệt độ

2 Đo nhiệt độ bằngphương pháp không tiếpxúc.

Phương pháp hỏa quang kế

– Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

– Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

– Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo

– Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

– Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung

– Tầm đo: từ -54 đến 1000 0F

Cấu tạo hỏa kế

– Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được (

lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)

– Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức

xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽthu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo

II KHẢO SÁT TÍNH NHIỆT ĐỘ CẦN ĐO

Các yêu cầu của hệ thống

+ Đo và hiển thị nhiệt độ trong khoảng: từ t0C = 00C đến 5700C

+ Chuẩn hóa đầu ra: 0-20mA

+ Cảnh báo: Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp nháy, còi khi nhiệt độ vượtquá giá trị cảnh báo: 5600C

+ Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh

III.TÍNH CHỌN CẢM BIẾN

Từ những yêu cầu đề tài và các phương pháp đo nêu trên chúng em xin chọn phương pháp đo tiếp xúc sử dụng nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)

1.Tổng quan về nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)

– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

– Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao.

– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…– Tầm đo: -100 1400 0C

– Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều nàytùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp

– Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó (offset trên bộ điều khiển )

2.Cấu tạo

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khíhoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ cácvít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Để cách ly các điện cực người ta dùngcác ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ vànhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1)làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệtdung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫnnhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằng thépmối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp

3.Nguyên lý

Nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Peltier:

+) Hiệu ứng thomson:

Một vật dẫn đồng chất A.Nếu ở hai điểm M,N có nhiệt độ khác nhau sẽ

sinh ra một suất điện động.Suất điện động này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn

và nhiệt độ tại hai điểm

+) Hiệu ứng Peltier:

Hai vật dẫn A,B tiếp xúc với nhau và có cùng một nhiệt độ sẽ tạo nên một hiệu điện thế tiếp xúc Hiệu điện

thế phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhệt độ

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT

Khuếch đại,chuẩn hóa

Bộ ADC

giảimã

Hiểnthị

Nguồn nuôi

Nguồn nuôi

So sánh

Khối cảnh báo

2 Yêu cầu cho từng khối

- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động

- Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọc nhiễu tínhiệu trước khi chuyển vào các khối khác

- Khuếch đại và chuẩn hóa: chuẩn hóa tín hiệu đầu ra theo yêu cầu

- So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.Tuỳtheo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, giảm, haygiữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động hiển thị

- ADC : dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm biếnthành những tín hiệu dạng số để đưa tín hiệu đi so sánh và chỉ thị

- Hiển thị : cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệ thống

+tại 570 là 0,031v.

2 Khối khuếch đại và chuẩn hóa đầu ra

a.khối khuếch đại đầu ra

Mạch khuếch đại vi sai cải tiến :điện áp đầu vào UI=0.031V và đầu ra U0=0,8V.Điều kiện của mạch là R29R26=R27R28.

Uo=UI.[(R20+R24)/R18+1].R28/R27.

Chọn R20=R24=5kΩ, R28=R29 =5kΩ, R26=R27=10kΩ,R18=200Ω

b.Mạch chuẩn hóa dòng điện I=0-20mA

Mạch biến đổi U-I không đảo:Uv=0,8 thì I=20mA

I=UI/R1

Chọn R1=40.2 Ω , R2=188,33Ω và R10=10k Ω

3.Khối so sánh và cảnh báo

a.Kh i so sánh ối so sánh

Khi t=560 thì UI = 3.116, còn khi t= 561 thì UI=3.122 vậy chọn UCH=3,1218 Khi ở 5600C Uo=L(có mức 0, tương ứng điện áp thấp) ,t=5610C Uo=H (có mức

1, tương ứng mức điện áp cao), khi đó dòng điện sẽ được khuếch đại qua

transistor Q làm đèn led sáng và loa hoạt động

b, kh i C nh báo b ng còi và đèn nh p nháy ối Cảnh báo bằng còi và đèn nhấp nháy ảnh báo bằng còi và đèn nhấp nháy ằng còi và đèn nhấp nháy ấp nháy

Mạch tạo xung sử dụng HE555 : Thời gian nạp ( có xung ra):

4.Khối hiển thị LED 7 đoạn

Sử dụng 5 LED 7 thanh với nguồn cấp U=+5V và được điều khiển bằng khối biến đổi ADC và giải mã TC7107

5.Khối biến đổi ADC và giải mã TC7107A

Sơ đồ nguyên lý TC7107A

Sơ đồ nối của TC7107A trong proteus::

ICL7107 của hãng Intersil là một bộ chuyển đổi ADC 3 ½ digit công suất thấp,hiển thị tốt

Bao gồm trong IC này là bộ giải mã LED 7 đoạn, bộ điều khiển hiển thị, bộ tạochuẩn và bộ tạo xung đồng hồ Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏhơn 10 uV, điểm “0” trượt không quá 1uV/oC, độ dốc dòng ngõ vào tối đa là10pA

IC này có các đặc điểm rất quan trọng sau:

- Độ chính xác rất cao

- Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu

- Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ

- Tích hợp đồng hồ

- Không cần các thành phần ngoại vi có độ chính xác cao

Kết quả hiển thị ra led 7 đoạn

DISPLAY COUNT = 1000.(VIN - VREF )

Ta có DISPLAY COUNT = 1000.(VIN+ - VREF+)

Nối VREF+ với nguồn 2.7926V

Vì vậy theo Datasheet

đầu vào VIN+ phải đưa về từ2.7926V đến 3,2438V thì Led sẽ hiển thị nhiệt độ từ 0-5700C

Ta sử dụng mạch cộng không đảo để điều chỉ điện áp đưa vào VIN(mạch điều áp):

7.Tính toán và thiết kế mạch nguồn

Trong thi t k có s d ng các ngu n ết kế có sử dụng các nguồn ết kế có sử dụng các nguồn ử dụng các nguồn ụng các nguồn ồn ± 5V, ± 12V và ngu n c p đ ồn ấp nháy ược sử ử dụng các nguồn c s

d ng t m ng l ụng các nguồn ừ mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn ạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn ưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn i đi n xoay chi u 220V/50Hz ta có m ch ngu n ện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn ều 220V/50Hz ta có mạch nguồn ạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn ồn

nh sau: ư

CH

NG 3:M CH MÔ PH NG TRÊN PROTEUS ƯƠNG 3:MẠCH MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS ẠCH MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS ỎNG TRÊN PROTEUS

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ

I.PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

-Sử dụng nhiệt ngẫu loại J: trong khoảng nhiệt độ từ 0570 0C

Có điện áp tại đầu ra của nhiệt ngẫu từ 00.031V

-Sử dụng mạch khuếch đại đầu ra để khuếch đại điện áp lên 00.8V

-Sau đó được đưa vào mạch biến đổi áp-dòng không đảo giúp chuẩn hóa đầu ra

từ 020mA

-Từ đầu ra của mạch chuẩn hóa

+) đưa vào bộ cộng không đảo giúp điều chỉnh điện áp để đưa vàoTC7107A giúp giải mã và hiển thị ra 5 LED 7 thanh

+)đưa vào khối so sánh giúp so sánh điện áp đầu vào với điện áp chuẩnđịnh sẵn ,đầu ra của khối so sánh nối với transistor khuếch đại rồi đưa vào đèn

và còi trong khối cảnh báo

-Khi t=05590C điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn (UCH) trong khối so sánhđiện áp ra ở mức thấp khối cảnh báo không hoạt động

-Khi t>=5600C điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn (UCH) trong khối so sánhĐiện áp đầu ra ở mức cao  khối cảnh báo hoạt động làm còi kêu và đèn nhấpnháy

+Trong phạm vi môn học ta tạm coi như đầu ra cảm biến tuyến tính hết trongkhoảng đo (điều này dẫn tới sai số) và chỉ tính taons trên các thông số đầu, cuối

Đồ thị sự thay đổi hệ số Seebeck theo nhiệt độ

Mạch còn khá đơn giản, để cơ cấu đo chính xác ta cần hiệu chỉnh them, nên kếthợp với vi mạch số, vi xử lý và vi điều khiển để có thể hiển thì trực quan bằng

số dễ đọc và quá trình điều khiển cảnh báo có thể dễ dàng hơn

Ứng dụng cùng với vi mạch số và vi mạch điều khiển ta có thể dùng cảm biếnnhiệt độ ứng dụng vào các mạch như mạch đo nhiệt độ cao như trong lò nung,trong luyện kim…

 Sai số và nguyên nhân sai số

- Sai số trong phép đo trong mạch đo trên là từ 0 đến 10C

- Nguyên nhân: Do lựa chon và tính toán điện trở ra số lẻ cho nênmức tăng điện áp ở mỗi khâu khi tăng 10C không đều

Do các linh kiện không phải là lý tưởng

Kết luận

Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch khá đơn giản và cònnhiều bất cập, mạch còn khá đơn giản để cơ cấu đo chính xác ta nên kết hợp với

vi mạch số, vi xử lý và vi điều khiển để có thể hiển thì trực quan bằng số dễ đọc

và quá trình điều khiển cảnh báo có thể dễ dàng hơn Ứng dụng cùng với vimạch số và vi mạch điều khiển ta có thể dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vàocác mạch như mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiểnđiều hòa không khí, hay trong các lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh …

Trong quá trình làm bài chúng em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong cácthầy cô giáo thông cảm,chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộmôn đã giúp đỡ chúng em trong quá trình làm bài tập lớn !!!