Do luong va DK nhiet do

Bộ điều khiển hai vị trí cung cấp các xung năng lượng đến quá trình, điều này sẽ tạo ra một chu kỳ điều khiển có biên độ phụ thuộc vào ba yếu tố : độ quán tính, thời gian trễ, và mức độ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Đình Thức

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN AVR XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG

VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử – Viễn Thông

HÀ NỘI - 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Đình Thức

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN AVR XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG

VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử – Viễn Thông

HÀ NỘI - 2005

Lời cảm ơn

Trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp em đã nhận được sự dẫn dắt, chỉ bảo, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo cũng như các bạn sinh viên Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông, Đại học Công nghệ

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Chử Văn An và CN Bùi Thanh Tùng đã hết lòng hướng dẫn em hoàn thành tốt khóa luận này

Em xin cảm ơn các thầy cô và các bạn, những người đã tạo điều kiện tốt nhất, giúp đỡ, động viên em rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm khóa luận

Hà Nội, tháng 6 năm 2005

Sinh viên: Trần Đình Thức

Tóm tắt nội dung

Khoá luận: ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN AVR XÂY DỰNG HỆ THỐNG

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

Khoá luận được thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS Chử Văn An và đồng hướng dẫn CN Bùi Thanh Tùng có những nội dung chính như sau:

- Tìm hiểu chung về đo lường và điều khiển

- Khảo sát các phương pháp đo nhiệt độ

- Tìm hiểu và ứng dụng vi điều khiển AVR

- Thiết kế một hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ, có khả năng áp dụng vào thực tế

MỤC LỤC

Mở đầu 6

Phần 1 Lý thuyết 7

Chương 1 Lý thuyết chung về đo lường và điều khiển 8

1.1 Điều khiển hai vị trí 8

1.2 Điều khiển ba vị trí 9

1.3 Điều khiển tỷ lệ 9

1.4 Điều khiển tích phân 10

1.5 Điều khiển tích phân - tỷ lệ 11

1.6 Điều khiển vi phân 12

1.7 Điều khiển vi phân - tỷ lệ 13

1.8 Điều khiển vi phân - tích phân - tỷ lệ 13

1.9 Điều khiển mờ 13

Chương 2 Các phương pháp đo nhiệt độ, phương pháp sử dụng nhiệt điện trở 14

2.1 Các phương pháp đo nhiệt độ 14

2.2 Cảm biến đo nhiệt độ sử dụng trong khoá luận 19

2.3 Phương pháp đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở 25

Phần 2 Thực nghiệm 28

Chương 1 Mô hình tổng quan hệ thống 29

Chương 2 Vi điều khiển AVR AT90S8535 30

2.1 Một số đặc tính của vi điều khiển AT90S8535 30

2.2 Sơ đồ khối cấu trúc của vi điều khiển AT90S8535 31

2.3 Hoạt động của vi điều khiển AT90S8535 33

Chương 3 Thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ 37

3.1 Yêu cầu khi thiết kế 37

3.2 Mạch đo nhiệt độ 38

3.3 Mạch điều khiển nhiệt độ 39

Chương 4 Kết quả 40

Kết luận 43

Phụ lục 44

Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các hệ thống điều khiển tự động ngày càng đựoc ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, giải phóng phần lớn sức lao động của con người, sản phẩm làm ra có chất lượng cao, giá thành hạ đem lại hiệu quả vô cùng to lớn

Hiện nay ở nước ta, việc sản xuất và khai thác các hệ thống điều khiển tự động còn rất hạn chế nên hiệu quả kinh tế còn rất thấp, không đáp ứng được nhu cầu xã hội

Do vậy đặt ra một vấn đề là cần phải chế tạo, nâng cấp những hệ thống điều khiển tự động hiện đại và áp dụng chúng vào đời sống

Được sự hướng dẫn của thầy giáo, ThS Chử Văn An, em tiến hành tìm hiểu, thiết kế hệ thống tự động đo và điều khiển nhiệt độ dựa trên vi điều khiển AVR Hệ thống này có tính thiết thực cao, có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: y

tế, khoa học kĩ thuật, giáo dục

Phần 1 Lý thuyết

Chương 1 Lý thuyết chung về đo lường và điều khiển

Kỹ thuật điều khiển phát triển kéo theo sự tiến triển của các phương pháp điều khiển Tùy vào đối tượng và yêu cầu thực tế mà người ta lựa chọn ra các phương pháp điều khiển thích hợp Hầu hết các phương pháp điều khiển đều dựa vào độ sai lệch của giá trị đặt và giá trị đo được để đưa ra quyết định Sau đây ta sẽ điểm qua một số phương pháp điển hình, cũng như các ưu khuyết điểm của nó

1.1 Điều khiển hai vị trí

Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhất và rẻ tiền nhất Đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch Nếu hai vị trí này là đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn thì người ta gọi đó là điều khiển on-off Hầu hết các bộ điều khiển hai vị trí đều có thêm vùng trung hòa để ngăn ngừa sự dao động của đầu ra (là dao động của hai vị trí đầu ra khi sai lệch quanh quẫn bên vị trí zero) Vùng trung hòa là vùng quanh vị trí zero mà tại đó không diễn ra một hành động điều khiển nào cả Độ sai lệch phải vượt qua vùng này thì mới xảy ra hành động điều khiển

100

Sai lệch

Vùng trung hòa

Hình 1.1 Mối quan hệ vào/ra của bộ điều khiển hai vị trí

Bộ điều khiển hai vị trí cung cấp các xung năng lượng đến quá trình, điều này sẽ tạo ra một chu kỳ điều khiển có biên độ phụ thuộc vào ba yếu tố : độ quán tính, thời gian trễ, và mức độ thay đổi của tải Độ dao động sẽ giảm khi xảy ra một hay nhiều thay đổi : tăng độ quán tính, giảm thời gian trễ, giảm độ thay đổi của tải Điều khiển hai vị trí chỉ phù hợp cho quá trình có độ quán tính lớn, thời gian trễ và độ thay đổi trên tải nhỏ (ví dụ như điều khiển nhiệt độ lò nung chẳng hạn) Tuy điều khiển hai vị trí hạn chế đối tượng điều khiển như vậy, nhưng do nó đơn giản và rẻ tiền nên người ta vẫn thích dùng nó

1.2 Điều khiển ba vị trí

Điều khiển ba vị trí là trường hợp đặc biệt của điều khiển hai vị trí Trong đó đối tượng điều khiển sẽ nằm trong trạng thái ổn định miễn là độ sai lệch vẫn còn nằm trong vùng trung hòa Một khi độ sai lệch vượt qua vùng trung hòa thì sẽ điều khiển đối tượng thay đổi một lượng hằng có chiều phụ thuộc vào dấu của sai lệch Khi đó đối tượng điều khiển sẽ liên tục thay đổi cho đến khi độ sai lệch trở về vùng trung hòa, hoặc là cho đến khi bộ điều khiển tiến đến một trong nhừng vị trí bão hòa của nó

0

- +

+0

-Sai lệch

Vùng trung hòa

Hình 1.2 Mối quan hệ vào/ra của điều khiển ba vị trí

Điều khiển ba vị trí có khuynh hướng làm tạo ra chu kỳ điều khiển Biên độ của chu kỳ phụ thuộc vào thời gian trễ, độ quán tính, và tốc độ tăng giảm khi điều khiển Tốc độ này sẽ xác định độ thay đổi nhanh nhất của tải (không phải độ lớn của thay đổi) Ưu điểm của bộ điều khiển ba vị trí chính là ở điểm này, nó sẽ xử lý độ thay đổi của tải bằng cách điều chỉnh dần đối tượng mà nó điều khiển Cũng như điều khiển hai vị trí, biên độ dao động sẽ giảm khi tăng độ quán tính, giảm thời gian trễ, hoặc giảm tốc độ điều khiển đối tượng Từ đó ta thấy bộ điều khiển ba vị trí được dùng khi quá trình có quán tính đủ lớn để làm giảm tần số điều khiển đến một mức có thể chấp nhận được Điều này ngụ ý rằng hệ có độ quán tính lớn với thời gian trễ nhỏ Thực tế điều khiển ba vị trí thường được dùng trong điều khiển động

cơ điện

1.3 Điều khiển tỷ lệ

Bộ điều khiển loại này tạo tín hiệu đầu ra tỷ lệ với độ sai lệch Càng gia tăng độ tỷ lệ (tức độ lợi) thì lượng sai số tạo ra sự thay đổi càng nhỏ Điều này không có nghĩa là độ lợi càng cao thì càng tốt, bởi vì khi độ lợi càng cao thì khuynh hướng dao động của biến điều khiển càng tăng Khi đó cần có một sự dung hòa giữa chúng sao cho độ lợi lớn ở một mức độ mà không tạo ra sự dao động

Vì lý do đó, ta thấy rằng không thể nào loại trừ hoàn toàn được sai số, mà luôn tồn tại một sai lệch tĩnh được gọi là độ sai lệch tỷ lệ (proportional offset) Độ

lớn của sai lệch tĩnh này tỷ lệ thuận với độ lớn của sự thay đổi trên tải và tỷ lệ nghịch với độ lợi Do đó bộ điều khiển tỷ lệ chỉ được dùng khi độ lợi đủ lớn để giảm sai lệch tĩnh đến một mức có thể chấp nhận được

Tuy nhiên, ưu điểm của bộ điều khiển tỷ lệ là đáp ứng ngay tức khắc Không hề có một khoảng thời gian trễ nào kể từ khi xảy ra sự thay đổi trên tải cho đến khi

ra tín hiệu điều khiển Vì vậy, có thể dùng bộ điều khiển tỷ lệ đối với những quá trình có độ quán tính nhỏ (không thể sử dụng bộ điều khiển hai hay ba vị trí !)

Phương trình trong miền thời gian :

y(t) = KP.e(t) + y0

Hàm truyền :

G(s) = KP

1.4 Điều khiển tích phân

Bộ điều khiển tích phân tạo tín hiệu điều khiển bằng một lượng tỷ lệ với tích phân của sai lệch Vì thế, miễn là quá trình còn sai số thì bộ điều khiển còn làm việc và tạo sự thay đổi của tín hiệu ra tỷ lệ với độ lớn của sai lệch Hình sau đây sẽ minh họa mối liên hệ giữa sai lệch và tín hiệu ra của hệ thống

Bộ điều khiển tích phân có thường được kết hợp nó với bộ điều khiển tỷ lệ nhằm bổ sung ưu điểm : triệt tiêu sai lệch tĩnh

Phương trình trong miền thời gian :

0 0

) ( ) (t K e t dt y y

G( ) = I

1.5 Điều khiển tích phân - tỷ lệ

Đây là sự kết hợp của bộ điều khiển tỷ lệ với bộ điều khiển tích phân nhằm triệt tiêu sai lệch tỷ lệ như đã nói ở trên Khi mà bộ điều khiển tỷ lệ tạo tín hiệu ra tỷ lệ với sai lệch thì bộ điều khiển tích phân lại tạo tín hiệu ra tỷ lệ với tích phân của sai lệch Do đặc tính của bộ điều khiển tích phân, sai lệch tĩnh của hệ thống sẽ được loại trừ

Nghịch đảo của KI chính là khoảng thời gian cần để bộ điều khiển tích tạo ra thay đổi ở đầu ra bằng với sự thay đổi tạo bởi bộ điều khiển tỷ lệ

1

Đáp ứng của bộ điều khiển tỷ lệ Gấp đôâi độ tỷ lệ do tích phân

Đáp ứng tích phân Đáp ứng tỷ lệ

Đáp ứng tỷ lệ

100

0

Hình 1.4 Đáp ứng của bộ điều khiển tích phân – tỷ lệ đối với hàm nấc

Mặc dù có những ưu điểm như đã kể trên, việc thêm vào khâu tích phân cũng tạo ra nhược điểm : đó là gia tăng khuynh hướng dao động của biến điều khiển Do đó cần phải giảm độ tỷ lệ đi, hệ trở nên đáp ứng chậm hơn so với ban đầu Nếu quá trình có độ trễ lớn thì tín hiệu sai lệch nhận được sẽ không phản ánh độ sai lệch thật

sự Do độ trễ này sẽ làm cho đáp ứng của hệ không còn đúng với sai lệch hiện tại, tức là hệ làm việc với tín hiệu cũ

Phương trình trong miền thời gian :

0

0 ( ).

) ( ) (t K e t K e t dt y

y = P + I ∫t +Hàm truyền :

1.6 Điều khiển vi phân

Bộ điều khiển vi phân tạo tín hiệu ra dựa trên tốc độ thay đổi của sai lệch Sự thay đổi này có thể là do biến đo thay đổi, thay đổi điểm đặt, hay cả hai Điều khiển

vi phân chống lại sai lệch bằng cách xem nó thay đổi nhanh như thế nào, và dùng tốc độ thay đổi đó để tạo tín hiệu điều khiển nhằm làm giảm sai lệch

Xét đáp ứng của bộ điều khiển vi phân đối với đầu vào hàm nấc và đầu vào hàm dốc :

Tuy nhiên, bộ điều khiển vi phân không bao giờ dùng riêng một mình cả Bởi

vì đầu ra của bộ điều khiển chỉ thay đổi khi sai lệch thay đổi, tức là nếu sai lệch lớn

mà không thay đổi thì bộ điều khiển chẳng làm gì cả : chấp nhận sai lệch đó Do đó, nó thường được dùng chung với bộ điều khiển P, hay PI

Phương trình trong miền thời gian :

dt

t de K t

y( )= D ( )Hàm truyền :

G(s) = KD.s

1.7 Điều khiển vi phân - tỷ lệ

Bộ điều khiển vi phân thường kết hợp với bộ điều khiển tỷ lệ nhằm làm giảm khuynh hướng dao động và cho phép nâng cao độ lợi Trong đó, bộ điều khiển tỷ lệ thay đầu ra tỷ lệ với độ lớn của sai lệch, bộ điều khiển vi phân thay đổi đầu ra tỷ lệ với tốc độ biến đổi của sai lệch – tức là bộ điều khiển vi phân tính trước giá trị tương lai của sai lệch và thay đổi đầu ra tương ứng với sự tính toán đó Điều này làm cho bộ điều khiển vi phân tiện dụng trong quá trình điều khiển có tải thay đổi bất ngờ

Phương trình trong miền thời gian :

O D

dt

t de K t e K t

y( )= ( )+ ( )+Hàm truyền :

G(s) = KP + KD.s

1.8 Điều khiển vi phân - tích phân - tỷ lệ

Bộ điều khiển PID bao gồm cả ba bộ điều khiển : vi phân, tích phân, tỷ lệ Tức là kết hợp tất cả ưu điểm của các bộ điều khiển kể trên : tích phân loại bỏ sai lệch tĩnh, vi phân giảm khuynh hướng dao động và tính trước giá trị tương lai của sai lệch – đặc biệt hữu dụng khi tải thay đổi bất ngờ

Phương trình trong miền thời gian :

0

)(.)

(.)(.)(Hàm truyền :

G(s) = KP +KI/s + KD.s

1.9 Điều khiển mờ

Đây là một lĩnh vực còn rất mới mẻ, chỉ mới xuất hiện vào những năm đầu của thập kỷ 90, nhưng đã đem lại nhiều thành tựu rất to lớn Ưu điểm cơ bản của bộ điều khiển mờ so với các bộ điều khiển kinh điển là khả năng tổng hợp bộ điều khiển mà không cần biết trước các đặc tính của đối tượng một cách chính xác

Chương 2 Các phương pháp đo nhiệt độ, phương pháp sử dụng nhiệt điện trở

2.1 Các phương pháp đo nhiệt độ

Khái niệm chung:

Đo nhiệt độ là nhiệm vụ thường gặp trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nhiệt,

hóa, sinh học

Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau Thông thường

nhiệt độ đo được chia thành 3 dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là

các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao đo

bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo

Bảng 2-1 Các dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ với các dải khác nhau

Dụng cụ và phương pháp đo

-273 0 1000 2000 3000 100.000 Nhiệt điện trở:

1 ÷ 2

0,1

1 ÷ 2

1 ÷ 3 0,05 0,1 0,01

5

1 ÷ 5

1 ÷ 2

5 ÷ 10

Để đo nhiệt độ người ta sử dụng hai phương pháp chính: đo nhiệt độ bằng phương

pháp tiếp xúc và không tiếp xúc

2.1.1 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 vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật có thể đặc trưng bằng mật độ phổ Eλ nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật và xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức :

Hình 2.1 Đường cong E0λ = f(λ) với các nhiệt độ khác nhau

Tùy theo đại lượng vào ta gọi dụng cụ đo theo phương pháp trên bằng tên gọi khác nhau như hỏa quang kế phát xạ, hỏa quang kế cường độ sáng và hỏa quang kế màu sắc Trong khóa luận này phương pháp đo nhiệt độ sủ dụng là phương pháp đo tiếp xúc do đó phần tiếp theo của khóa luận sẽ trình bày kỹ hơn về phương pháp này

2.1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại: nhiệt kế điện trở và nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế điện trở cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo

Đối với môi trường khí hoặc nước chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt Khi đo nhiệt độ của các chất hạt

(cát, đất v.v) Cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt

kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

2.1.2.1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến dễ sử dụng

Hình 2.2 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu

Gồm hai dây hàn với nhau ở điểm 1 và luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt

độ cao Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không rỉ Để cách điện giữa hai dây, một trong hai dây được lồng vào ống sứ nhỏ 3 Nếu vỏ làm bằng kim loại

cả hai dây đều đặt vào ống sứ

Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu được nối vào hộp đầu nối 4 Mạch đo của nhiệt kế nhiệt ngẫu là miliVôn mét hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ 0 ÷ 100mV Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng milivônmét sẽ gây sai số do nhiệt độ của mạch

đo thay đổi Dòng điện chạy qua chỉ thị lúc đó :

E I

=

+ + c

E-Sức điện động

RT− điện trở cặp nhiệt ngẫu T

R − điện trở đường dây

Rđ/c- điện trở của mili Vônmét

Điện áp rơi trên mili Vônmét là :

Thường Rd + RT được hiệu chỉnh khoảng 5Ω, còn điện trở của milivônmét Rđc

thay đổi nhiều lần (40 ÷ 50 lần) Vì vậy sai số chủ yếu do điện trở của milivômét Rđc

thay đổi

Đo sức điện động bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng tiêu thụ bằng không khi tiến hành phép đo Để khắc phục sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi người ta dùng mạch bù sai số nhiệt độ

Hình 2.3 Mạch bù sai số nhiệt độ

Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu một chiều tại điểm A-B, trong

đó R1-nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu Điện trở Rt được mắc cùng vị trí với đầu tự

do cặp nhiệt ngẫu và có nhiệt độ t0

Cầu được tính toán khi nhiệt độ t0=00C điện áp ra trên đường chéo cầu

dây dẫn Rd1 và Rd2 (cầu hai dây), dụng cụ sẽ có sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi

Ta có : d

T T

T t

Hình 2.5 Mạch cầu không cân bằng

Với sơ đồ này có khả năng loại trừ được sai số do điện áp nguồn cung cấp thay đổi Ba nhánh của mạch cầu R1, R2 và R3 là các điện trở làm bằng Manganin Nhánh thứ tư là nhiệt điện trở Rt, bốn nhánh điện trở được mắc theo sơ đồ mạch cầu ba dây

Trong sơ đồ, điện trở R4 dùng để chỉnh không của thang đo (cân bằng trước khi bắt đầu đo) Điện trở Rp dùng bù với điện trở đường dây để đạt đến giá trị khắc độ (5Ω) rt là điện trở bù nhiệt độ cho cơ cấu Lôgômmet

Khi hiệu chỉnh Rp người ta sử dụng điện trở Rk (có giá trị bằng điện trở của nhiệt điện trở) Rk được mắc vào nhánh cầu sau đó điều chỉnh điện trở Rp cho đến khi kim chỉ của Lôgômmét dừng ở vị trí xác định trên thang thì dừng lại, Rk được ngắn mạch khi đo

Nếu chọn R1 = R3 ; R0 = R’0 = R (điện trở của khung dây Lôgômmét) thì tỉ số dòng điện chạy trong cuộn dây Lôgômmét được xác định bằng công thức

1

1 2.

1 2

2

'

'

T

T tb

Trong các ngành công nghiệp hiện nay để đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở người

ta thực hiện trên mạch cầu tự động ghi Phương pháp này có thể đo nhiệt độ tại một điểm hoặc một số điểm nhờ cơ cấu chuyển mạch Cấp chính xác có thể đạt đến 0,5

2.2 Cảm biến đo nhiệt độ sử dụng trong khoá luận

Trong một hệ thống đo lường, đầu đo là một thành phần đầu vào với chức năng biến đổi các đại lượng vật lý ban đầu thành các dạng tín hiệu điện (dòng điện hoặc điện áp) Do đó việc lựa chọn đầu đo thích hợp là việc đầu tiên và cũng là bước quan trọng nhất trong việc đạt được các mục đích chính xác Trước khi lựa chọn đầu

đo thì cần chú ý tới một số câu hỏi:

Đại lượng vật lý được đo là gì

Nguyên tắc của đầu đo nào có thể được sử dụng tốt nhất để đo các đại lượng đó

Độ chính xác cần đạt được là bao nhiêu

Có nhiều loại đầu đo (sensor) được sử dụng để đo nhiệt độ như đã phân tích ở các phần trên Tuy nhiên việc lựa chọn loại đầu đo nào là tùy thuộc vào mục đích sử dụng Phần lớn các điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm (NTC: Negative Temperature Coefficient), tức là khi điện trở tăng thì nhiệt độ giảm và ngược lại khi điện trở giảm thì nhiệt độ tăng Trong số tất cả các sensor đo nhiệt độ thụ động thì thermistor là sensor có độ nhạy cao nhất Khoá luận này sử dụng nhiệt điện trở loại NTC, cụ thể là nhiệt điện trở kiểu EC95

Các bảng 2-2 và 2-3 cho đặc trưng của các loại điện trở nhiệt kiểu EC95 Với phạm vi đo nhiệt độ trong khoảng 30PP0PPC ÷ 45PP0PPC thì điện trở nhiệt sử dụng là loại EC95F103V (10KΩ), độ chính xác ±0.1PP0PPC, dải đo 0PP0PPC ÷ 70PP0PPC Sau đây là phần trình bày chi tiết về điện trở nhiệt này:

Các điện trở nhiệt NTC kiểu EC95 nói chung và loại EC95F103V(10KΩ) nói riêng đều được bao phủ Epoxy để làm tăng độ bền và nó có đường kính lớn nhất là 0.095inch Kích thước đầu dây chuẩn là 212 inches * đường kính 0.008 inches Giá trị điện trở chuẩn ở 250C trong phạm vi từ 10 đến 100K

R(25PP0

Nhóm vật liệu

±0.2PP0PPC -20PP0PPC

÷50PP0PPC

±0.1PP0PPC 0PP0PPC

÷70PP0PPC

±0.2PP0PPC 0PP0PPC

Bảng 2-2 Các loại điện trở nhiệt kiểu EC95

Hình 2.6 Hình dạng thực của điện

trở nhiệt kiểu EC95F103V

Hình 2.7 Các kích thước của điện trở nhiệt kiểu EC95F103V

Các điện trở nhiệt kiểu này được bao phủ epoxy với đầu dây chì hợp kim 180 được mạ thiếc

Các tính năng của nhiệt điện trở kiểu

Thích hợp cho việc đo nhiệt độ, điều khiển…

Độ tin cậy và độ ổn định cao

Bảng 2-3 Các thông số của điện trở nhiệt kiểu EC95F103V

Dải nhiệt độ (PP0PPC) Tỷ lệ

0.36036

3.3540154E-03

0.06831

3.3539264E-03

0.01872

3.3368620E-03

2.4057263E-04

2.6687093E-

-06

4.0719355E-

-07 Bảng 2-4 Các giá trị của điện trở nhiệt kiểu EC95

Để tính toán giá trị RBBTBB/RBB25BB ở các nhiệt độ khác bảng trên thì sử dụng công thức sau:

25

R

Rt

= exp(A +B/T +C/TPP2PP + D/TPP3PP) trong đó: T(PP0PPK), PP0PPK = PP0PPC +273.15

Để tính toán giá trị điện trở nhiệt thực sự thì sử dụng công thức sau:

ln 25

ln

3 2

1

R

R R

R R

b a T

Các thông số a, b, c, d trong công thức trên được liệt kê trong bảng 2-6

Bảng 2-5 Các hệ số của điện trở nhiệt kiểu EC95F103V

Dải nhiệt độ

-1.4122478E+01

4.4136033E+03

2.9034189E+04

9.3875035E+06

-1.4141963E+01

4.4307830E+03

3.4078983E+04

8.8941929E+06

-50 to 100

-1.4202172E+01

4.4975256E+03

5.8421357E+04

5.9658796E+06

-100 to 150

-1.6154078E+01

6.8483992E+03

1.0004049E+06

-1.1961431E+08

Bảng 2-6 Bảng giá trị các hệ số của điện trở nhiệt EC95

Temperature

(PP0PPC)

Tỷ lệ RBBTBB/RBB25BB

Hệ số nhiệt

độ α (%/PP0PPC)

Sai số

β (÷%)

Temperature (PP0PPC)

Tỷ lệ RBBTBB/RBB25BB

Hệ số n

độ α(%/PP0

trong đó: β độ lệch của kết quả sai số trên hằng số vật liệu Độ lệch này phải được

thêm vào phần sai số điện trở ở giá trị điện trở theo lý thuyết ở 250C

Trên hình 2.8 là đặc tuyến của sensor nhiệt kiểu EC95F103V

2.3 Phương pháp đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở

Các bộ phận phát hiện điện trở nhiệt độ, hay nhiệt trở điện kế sử dụng một dây điện dùng bằng nguyên tố nhạy cảm vô cùng tinh khiết: bạch kim, đồng hay niken nó cung cấp một giá trị điện trở xác định tại mỗi nhiệt độ trong dãy nhiệt độ của nó Sự quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của một chất dẫn điện trong dãy nhiệt độ gần 00C có thể tính được từ phương trình:

Rt= Rref.(1+α.∆t)

Trong đó:

Rt: điện trở chất dẫn điện tại nhiệt độ t(0C)

Rref: điện trở tại nhiệt độ tham chiếu, thường là 0C

α: hệ số nhiệt độ của điện trở

∆t: sự khác nhau giữa nhiệt độ tham chiếu & nhiệt độ hoạt động

Hầu hết các chất dẫn điện kim loại có hệ số nhiệt độ trở dương do vậy điển trở của chúng tăng khi nhiệt độ tăng Nhiều vật liệu, như cacbon và gemani, có hệ số nhiệt điện trở âm điều đó có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Một giá trị cao của α

là đáng mong muốn ở một nguyên tố cảm biến nhiệt độ vì do một thay đổi thực tế trong điện tử xảy ra liên quan đến một thay đổi nhỏ của nhiệt độ Sự thay đổi trong điện trở (AR) có thể đo được bằng cầu điện trở Wheastone, cái mà có thể được xác định để chị thị nhiệt độ gây ra thay đổi trở kháng hơn là sự thay đổi trở kháng của chính điện trở ấy

Đồ thị chỉ thị trở kháng của plantin và đồng tăng lên hầu như tuyến tính khi nhiệt độ tăng, trong khi đường biểu diễn của niken thì không thật sự tuyến tính Nguyên tố cảm biến của một nhiệt điện trở kế được lựa chọn tùy theo ý định áp dụng

Bảng 2-7 Tóm tắt đồ thị biểu diễn của vật liệu trở kháng thông dụng nhất

Loại Dải nhiệt độ Độ chính xác ưu điểm Nhược điểm

Plantin -3000F ÷ +1.5000 +10F Chi phí thấp Thời gian đáp ứng

Hình 2.8 Đặc tuyến của sensor nhiệt kiểu EC95F103V

Tính ổn định cao

Phạm vi hoạt động rộng

liên lạc chậm Khối lượng tuyến tính như nhiệt kế bằng đồng

Đồng -3250F ÷ + 2500F +0,50F Tuyến tính cao

Chính xác coa trong xung quanh dải nhiệt độ

Dải nhiệt độ bị giới hạn (tới 2500F)

Niken -320F ÷ + 1500F +0,50C Tuổi thọ cao

và chúng thường được sử dụng trong những áp dụng công nghiệp yêu cầu thấp hơn

Nhiệt điện trở kế thường là những điện cực loại ngâm nước trong môi trường

mà nhiệt độ của nó thì được đo hay điều khiển Một nguyên tố cảm biến điển hình của nhiệt kế loại điện cực được cấu trúc bởi một ống bằng vật liệu ceramic (gốm) được bao phủ bằng một lớp patin hoặc bạc, cuộn dây trở kháng quấn trên bóng cực và lớp bao phủ ngoài cùng cuộn dây bằng gốm, chi tiết lắp ráp nhỏ này được nung ở nhiệt độ cao để bảo đảm tôi kim loại cuộn dây và rồi thì nó được đặt tại chóp của điện cực Điện cực được bảo vệ bằng vỏ bọc được chế tạo trọn vẹn phần tử cảm biến

Thực tế tất cả nhiệt điện kế trong áp dụng công nghiệp thì được gắn trong một ống hay một lồng để cung cấp sự bảo vệ chống lại sự phá huỷ hóa học và bảo vệ chống lại nhiễm bẩn & lỗi ngẫu nhiên Ống bảo vệ chịu được áp suất cao khi chúng được trang bị bằng ống sợi mềm được đặt vào nơi có áp suất thấp hay trung bình Ống thép được yêu cầu để bảo vệ phần tử cảm biến ở nhiệt độ tới 21000F, cho dù chúng có thể trở nên xốp nhẹ tại nhiệt độ trên 15000F và lỗi trong bảo vệ nhiễm bẩn

Những lồng bảo vệ được thiết kế sử dụng trong môi trường chất lỏng hay khi tại

áp suất cao chẳng hạn như các đường ống, phân xưởng nồi hơi, bồn áp suất, trạm bơm v v… Việc sử dụng lồng bảo vệ trở thành bắt buộc ở áp suất trên 3 at Lồng bảo

vệ được tôi luyện từ thanh đúc rắn thường là thép cácbon hay thép không gỉ và phần tử cảm biến được đặt bên trong Một hộp nối không thấm nước được chuẩn bị cho cách điện mối nối được gắn trên đỉnh của lồng hoặc ống bảo vệ như hình 2.9

Hình 2.9 Nhiệt điện trở

Hình 2.10 Mạch cầu điển hình với nhiệt điện trở kế Rt trong vị trí không xác định

Công tắc chức năng nối ba điện trở khác nhau trong mạch Rref là một điện trở

ổn định mà trở kháng thì cân bằng bởi phần tử nhiệt trở kế tại nhiệt độ tham chiếu (0C) Với công tắc chức năng đóng ở vị trí “REF”, điện trở chỉnh điểm 0 được thay đổi cho tới khi đồng hồ của cầu trở chỉ 0 Rfs là điện trở khác mà trở kháng của nó được tính bằng phần tử nhiệt trở kế khi đồng hồ đọc dây điện đầy thang đo Với công tắc ở vị trí

“FS” điện trở chỉnh đầy thang đo được thay đổi cho tới khi đồng hồ đọc đầy thang đo Khi đó công tắc chức năng được đặt vị trí “MEAS”, nối với điện trở Rt trong mạch Khi đặc tính nhiệt độ điện trở của phần từ nhiết kế là tuyến tính sự chỉ thị của máy đo