Thiết kế và chế tạo thiết bi tự động thử nghiệm khả năng chịu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434 1998

Để tài: THIẾT KẾ,CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU NHIỆT KHÔNG BÌNH THƯỜNG VÀ CHÁY CỦA KHÍ CỤ DIEN DAN DUNG THEO TCVN 6434-1998.. Và khi đó nhiệt độ sinh ra sẽ là bao

Trang 1

THIET KE VA CHE TAO THIET BI TU

DONG THU NGHIEM KHA NANG CHIU

NHIET KHONG BINH THUONG VA CHAY

THEO TCVN 6434-1998

CBHD : T.S LÊ ĐÌNH PHƯƠNG

SVTH : NGUYỄN TẤN THẮNG 00DCT096

Trang 2

Khoa Cơ Khí Tự Động - Robot XS 3X

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỌ & TÊN : NGUYEN TAN THANG MSSV : 00D CT096

NGÀNH : Cơ - Tin Học Kỹ Thuật

1- Đầu để Đồ án:

Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thử nghiệm khả năng chịu nhiệt

không bình thường và cháy của khí cụ điện dân dụng theo TCVN 6434-1998

2- Nhiêm vu (yêu cầu về nội dung và số liệu ban dau):

— Thiết kế và chế tạo thiết bị (phần cơ khí) theo yêu cầu của TCVN

6434-1998

—_ Thiết kế và chế tạo mạch điện điều khiển

~_ Lập trình điễu khiển hệ thống

—_ Tính sai số phép đo

3- Ngày giao nhiệm vụ Đổ án: Ngày 31 Tháng 03 Năm 2006

4- Ngày hoàn thành nhiêm vu: Sau 15 tuần (kể từ ngày giao để tài)

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn:

TS LÊ ĐÌNH PHƯƠNG Phần thiết kế, lập trình và tính toán sai số

KS TA CONG QUÝ Phần chế tạo

Trang 3

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

Trường ĐH DL Kỹ Thuật Công Nghệ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp.HCM, Ngày 4 Tháng năm 2006

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho cán bộ hướng dẫn)

1 Họ và Tên: NGUYEN TAN THANG MSSV: 00ĐCT096

MAI TAN NHAN 00BCT070 Ngành: CƠ - TIN HỌC KỸ THUẬT

2 Để tài: THIẾT KẾ,CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG THỬ NGHIỆM

KHẢ NĂNG CHỊU NHIỆT KHÔNG BÌNH THƯỜNG VÀ CHÁY CỦA

KHÍ CỤ DIEN DAN DUNG THEO TCVN 6434-1998

3 Téng quat vé ban thuyét minh:

Số trang: _ SOchuong: — OE ene

Số bảng số liệu: weed Số hình vẽ: "¬ Ren seesesseee

Số tài liệu tham khảo: OG Phần mềm tính toán: _ OM rece

Hién vat (sản phẩm): .2( Thuyết minh bằng máy tính: .2Í

3 Tổng quát về các bản vẽ:

Tổng số bản vẽ: 4C Bản A0: Í£ Bản A1: _« Bản A2: „«: Khổ khác: „42x

Số bản vẽ vẽ tay: ne Số bản vẽ trên máy tính

4 ¬ dung và những ưu điểm chính của Đồ Ấn Tốt Nghiệp:

sabe, tha na jy cadet Deg eh tha Gán X42 Hig eg

giles Sig hii snepldibant „o6 Ah alii «t5 che ote ten MHAL NẠI

cớ Ta 34-0, wenn Bad “HOE Đi dn kA kitts 2 hs Aho -9 REE

s mee Cok huh Hig £2 as Age 20 hehe fe ag ẤM Ak, ela tay ares

đi tie htd div Aer Hite yarn kre cs out ne La) Xe XU

5 Nht ing | thiếu sót chính của Đồ Ấn Tốt Nghiệp: “la “xe,

Trang 4

Ai ai trong mỗi con người chúng ta đều phải có một nguồn gốc xuất xứ của

| chính bản thân mình Cũng chính vì thế nên mỗi con người chúng ta có được như

ngày hôm nay đều phải nhờ vào: Công lao sinh thành và dưỡng dục của cha mẹ

Công ơn dạy bảo của thầy cô Và một đất nước đã tạo mọi điều Biện thuận lợi

để chúng ta có cơ hội học tập - nghiên cứu - phát triển

Hôm nay, sau một thời gian dài học tập dưới mái trường ĐH DÂN LẬP KỸ

THUẬT CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH, chúng em xin cảm ơn tất cả các thầy

cô, nhưng đặt biệt hơn cả là thầy cô khoa CƠ KHÍ TỰ ĐỘNG - ROBOT đã tận tụy

hướng dẫn, đôn đốc chúng em học tập để chúng em có được thành quả như ngày hôm nay

Chúng em xin chân thành cảm ơn thây DŨNG (Trưởng Khoa), thay HUY

(Phó Khoa), cô TRANG (Thư ký) Đặt biệt, chúng em xin cám ơn thây T.S LÊ

ĐÌNH PHƯƠNG, thầy đã trực tiếp hướng dẫn chúng em hoàn thành LUẬN ÁN

TỐT NGHIỆP này Chúng em cũng xin cám ơn thây TẠ CÔNG QUÝ (bên chỉ cục

đo lường), thầy đã chỉ dẫn chúng em trong những lúc chúng em gặp khó khăn

Cuối cùng, chúng em cũng xin cám ơn tất cả bạn bè, người thân đã động viên, giúp đỡ chúng em Đặt biệt, chúng em xin gởi lời tri ân chân thành nhất đến

BA, ME - người đã dìu dắt, động viên, gíup đỡ - chúng em trong suốt chặng đường vừa qua

CHÚNG EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN TẤT CẢ

NGUYỄN TẤN THẮNG - MAI TẤN NHÀN.

Trang 5

TÓM TẮT ĐỀ TÀI:

| Ngày nay khi thời kì công nghiệp hóa - biện đại hóa đất nước đòi hỏi chúng

ta phải dùng điện và hệ thống tự động Thì một câu hỏi tưởng chừng như rất nan

giải được đặt ra là: “Khi sự cố xảy ra (chập điện) thì liệu các thiết bị điện (cụ thể là

khí cụ điện) có an toàn (hay nói cách khác là có xảy ra chay nổ) hay không? Và khi

đó nhiệt độ sinh ra sẽ là bao nhiêu?”

Đó cũng chính là để tài của chúng em trong bản LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP này: “Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thử nghiệm khả năng chịu nhiệt

không bình thường và cháy của khí cụ điện dân dung theo TCVN 6434-1998 ”

Nhiêm vu (yêu cầu về nội dung và số liêu ban đầu):

— Thiết kế và chế tạo thiết bị (phần cơ khí) theo yêu cầu của TCVN

6434-1998

—_ Thiết kế và chế tạo mạch điện điều khiển

— Lập trình điều khiển hệ thống

—_ Tính sai số phép đo

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ trang1

1.1: Nguyên lý của thiết bị đo . -scerrerrrrrrrrrrer trang]

1.2: Sơ đỗ động của thiết bị cereeeerrrrrritrrre trangl

1.3: Tính toán và thiết kế cơ khí -csscereererseeertete trang2

1.4: Mô hình hoàn 01101 .ỐỐ trang14

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH PHAN DIEU KHIEN trang15

2.1: Gidi thiéu téng quat vé phan diéu khiển - trang15

2.2: Giới thiệu tổng quát về đo lường, -‹-+teetssere trang16

2.3: Do nhidt dG oe esse sssseseeesesseceenenseseenesensennensenenseneeeerenes trang17 2.4: Giới thiệu hệ thống diéu khién nhiệt độ .- -. trang29

CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP . e-e « -<<e+etrrrttetrttrtrrrree

3.1: Sơ lược về máy biến áp

3.2: Nguyên lý làm việc của máy biến áp .rreereee trang65

3.3: Dây quấn ‹ -5csecrierrtrrttrrrrrrtrrrtrrrrirrmrrrrrrd trang66

3.4: Tính toán và thiết kế máy biến áp -cecenrrerrere trang68

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

Trang 7

Thử nghiêm khả năng chiu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998

MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

6434-1998

1 TIỂU CHUẨN VIỆT NAM (TCVN) 6434-1998:

Theo tài liệu của chi cục đo lường cung cấp thì TCVN 6434-1998 nói về khả năng chịu nhiệt không bình thường và cháy (thử nghiệm bằng sợi đây nóng đỏ)

có nội dung như sau:

“Thử nghiệm sợi dây nóng đỏ được thực hiện phù hợp với các điều từ 4 đến 8 của IEC 60695-2-1 (tiêu chuẩn quốc tế hoàn toàn phù hợp với TCVN 6434-1998, chúng ta để cập vấn để này trong phần sau) trong điều kiện sau:

—_ Đối với các bộ phận bên ngoài của áptômát (cầu dao công nghiệp) được làm bằng vật liệu cách điện cần thiết để giữ bộ phận mang điện kỳ vọng

và bộ phận của mạch bảo vệ đúng vị trí, thực hiện thử nghiệm ở nhiệt

— Đối với mục đích của thử nghiệm này, đế của áptômát kiểu lắp nổi được coi như bộ phận bên ngoài

- Không thực hiện thử nghiệm trên các bộ phận bằng vật liệu gốm

SVTH: Nguyễn Tấn Thắng

Trang 8

— Nếu có nhiễu bộ phận cách điện được làm từ cùng vật liệu thì thực hiện thử nghiệm chỉ trên một trong các bộ phận đó, theo nhiệt độ thử nghiệm sợi dây nóng đỏ thích hợp

Thử nghiệm được tiến hành trên một mẫu

Trong trường hợp có nghi ngờ, thử nghiệm được lặp lại trên hai mẫu tiếp theo

Thử nghiệm được tiến hành bằng cách áp sợi dây nóng đồ vào mẫu một lần

Mẫu phải được đặt ở vị trí bất lợi nhất khi sử dụng trong quá trình thử nghiệm (bể mặt thử nghiệm đặt ở vị trí thẳng đứng)

Đầu sợi dây nóng đổ được áp tới bể mặt qui định của mẫu thử có tính đến điều kiện sử dụng, mà phần tử nhiệt hoặc phan tử nóng đồ có thể tiếp xúc với mẫu thử

Mẫu thử coi như đã đạt qua thử nghiệm sợi đây nóng đỏ nếu:

— Không có ngọn lửa trông thấy được và phần nóng đồ không được duy trì

— Ngọn lửa và phần nóng đỏ trên mẫu thử phải tự dập tắt trong vòng 30 giây sau khi đưa sợi dây nóng đỏ khỏi mẫu

— Không có sự bốc cháy của giấy bản hoặc sự cháy xém của bảng gỗ

thông ”

2 TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ (IEC 60695-2-1):

Vì đây là tài liệu từ nước ngoài nên chúng em xin mạn phép dịch lại như sau

(chúng ta chỉ khảo sát sơ bộ từ điều 4 đến điều 8 vì nó phù hợp với TCVN 6434- 1998):

Điều 4: sơ lược về dụng cụ thử và phương pháp kiểm tra

— Dụng cụ thử ở đây chính là dây điện trở nóng đỏ Và nguồn tạo ra nhiệt cho đây điện trở ở đây không phải được cung cấp bằng ngọn lửa

~ Dây điện trở nóng đỏ được đốt lên nhờ có dòng điện có đồng rất lớn,

nhưng áp thì lại rất nhỏ chạy qua đoạn dây dẫn Sau đó, ta cho dây điện

trở nóng đỏ này tiếp xúc với lại mẫu thử trong khoảng một thời gian xác định

Trang 9

Thử nghiêm khả năng chu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998

Điều 5: dây điên trở nóng đỏ

- Thành phần bên trong dây điện trở nóng đỏ được làm từ 80% Niken (Nickel), 20% Crôm (Chromium) có đường kính 4mm và được uốn theo

Trang 10

— Dây điện trở nóng đỏ được cung cấp nhiệt bởi mạch máy biến thế như

hình sau:

¬ Pp Day điện trở nóng đỏ

Máy biến áp tự ngẫu Máy biến áp

— Để kiểm tra thiết bị thì ta phải thiết kế dây điện trở nóng đỏ được giữ

trên mặt phẳng nằm ngang và nó chấp nhận lực tác dụng khoảng 1,0 Ñ

+ 0,2 N để kiểm tra mẫu thử trong suốt quá trình dây điện trở đang nóng

đỏ, Lực này sẽ giữ gìn giá trị này cho đến khi dây điện trở nóng đỏ hoặc

mẫu thử sẽ được kiểm tra di chuyển về một phía theo phương ngang đó

Vì dây điện trổ rất nóng nên khi tiếp xúc với mẫu thử nó sẽ có xu hướng

tiến vào xuyên suốt trên mẫu thử Vì vậy, tiêu chuẩn cho ta thông số

giới hạn mà điện trở nhiệt có thể tiến vào trên mẫu thử là 7 mm + 0,5

mm

— Nhiệt độ của dây điện trở nóng đỏ được đo bằng sợi dây ngẫu nhiệt có

đường kính l,0 mm hoặc 0,5 mm

= Vi du: day NiCr va NiAl (loai K)

~ Mẫu thử được bắt cố định trên mẫu gỗ thông có bể dẩy 10 mm và khoảng cách phía trên của mẫu gỗ đến dây điện trở là 200 mm + 5 mm Điều 6: kiểm tra thiết bị

Trang 11

Thử nghiệm khả năng chiu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998

Điều 7: điều kiện môi trường thử nghiêm

— Trước khi kiểm tra, mẫu gỗ được quấn vải và cất giữ suốt 24 giờ trong

3 MÔ HÌNH MÁY THỬ NGHIỆM THAM KHẢO:

Để đạt tầm đo nhiệt độ cao ở hai mức (650°C+10°C) và (960°C+15”C) (phù

hợp TCVN 6434-1998) là một điều rất khó khăn mà đã có rất nhiều người dây công

nghiên cứu

Và đây là mô hình tham khảo từ ẤN ĐỘ là dòng sản phẩm mới nhất hiện nay

có giá thành khoảng 3800USD Ưu điểm của máy là đạt nhiệt độ rất chính xác tầm

đo ở hai mức (650°C+10°C) và (960°C+15°C)

Mai Tấn Nhàn 14

Trang 12

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ

1.1 NGUYEN LY CUA THIET BI DO:

Theo TCVN 6434-1998 qui định để đo xem sản phẩm có đạt tiêu chuẩn hay

không thì phải cho điện trở nhiệt đạt nhiệt độ cần thử tiếp xúc với lại mẫu cần thử

với lực tác dụng không đáng kể khoảng 1 N, trong thời gian là 30 giây Nếu:

—_ Mẫu thử có hiện tượng cháy thành ngọn lửa, có tàn tro rơi xuống và có

sự cháy xén của bắng gỗ thông thì mẫu thử coi như là không đạt tiêu chuẩn

— Ngược lại những gì đã nói ở trên, thì xem như mẫu thử đó đạt tiêu chuẩn

12 SƠ ĐỒ DONG CUA THIET BI:

Như vậy, thiết bị thử nghiệm được coi như là phù hợp TCVN 6434-1998

thì phải hội tu những yếu tố sau:

— Cơ cấu cơ khí để sản phẩm có thể tiếp xúc que đo với lực tác dụng

không đáng kể khoảng 1 N

— Dung cu thử (cụ thể là điện trở nhiệt)

—_ Thiết bị hiển thị nhiệt độ và điều khiển hệ thống (chương 2)

Trang 13

Thử nghiêm khả năng chiu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998

— Nguồn cung cấp nhiệt (tính toán dòng, áp của máy biến thế để điện trở

nhiệt đạt đến nhiệt độ cần thử) (chương 2)

1.3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ:

1.3.1 LUA CHON CO CẤU:

— Phuong 4n 1: đưa điện trở nhiệt vào tiếp xúc với mẫu thử

" Ưu điểm: độ chính xác của điểm cần thử trên mẫu thử là tương

đối cao

» Khuyết điểm: dây điện hơi còng kểnh (vì phải di chuyển theo

điện trở nhiệt khi điện trở nhiệt tiếp xúc với mẫu thử)

—_ Phương án 2: đưa mẫu thử vào tiếp xúc với điện trở nhiệt

= Uu điểm: mô hình rất gọn vì không thấy đi dây điện nhiều bên

ngoài

» Khuyết điểm: độ chính xác của điểm cẩn thử trên mẫu thử là

không cao

— Như vậy, ta sẽ chọn phương án thứ 2

~ Nhưng cơ cấu cơ khí thì lại có rất nhiều Ta có thể đơn cử một vài cơ

cấu như sau:

» Co cau tric vít bánh răng

“_ Cơ cấu thủy lực và khí nén

=_ Cơ cấu xe trượt, kéo bằng động cơ bước

a Viv

— Ta sẽ chọn cơ cấu xe kéo:

s Vì có rất nhiễu ưu điểm so với cơ cấu trục vít bánh răng (vì rất

khó điểu khiển chính xác), và cơ cấu thủy lực và khí nén (vì không cần lực tác dụng lớn)

Mai Tấn Nhàn 2

Trang 14

— Sơ đề phát thảo cơ cấu cơ khí cần thiết kế:

1 Cơ cấu tăng đưa và gá mẫu thử

— Nguyên lý hoạt động:

s Vật nặng có xu hướng đi xuống do trọng lực của trái đất, đồng

thời động cơ bước xả dây ra nên xe sẽ di chuyển thẳng tới, và

đưa mẫu thử đã được gá trên xe tiếp xúc với điện trở nhiệt Lực

tiếp xúc ở đây đạt được 1 N là nhờ vào khối lượng vật nặng

= Sau khoảng thời gian 30 giây sau, động cơ bước sẽ thu dây dây

lại, đồng thời kéo xe và vật nặng về

Trang 15

Thử nghiêm khẩ năng chịu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998

1.3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRỤC GÁ ĐẶT MẪU THỬ:

— _ Vì có rất nhiều loại áptômát (mẫu thử): 2 pha, 3 pha kích thước lớn nhỏ

khác nhau và phải bắt lên tấm gỗ thông (để khi thử nghiệm xem coi có

xảy ra hiện tượng cháy xén hay không?)

- 0 đây vì lí do kinh tế nên ta chọn ván ép có kích thước vuông 100 mm

XK 240 mm (độ cháy xén và bắt lửa hoàn toàn tương đương với gỗ thông) để mẫu thử có thể bắt lên

— Như vậy, ta sẽ thiết kế cơ cấu kẹp mẫu thử bằng cách xoay hai đai ổ ốc

kẹp chặt mẫu thử trên thanh hình chữ Ù

— Các số liệu cần thiết để thiết kế trục:

Trục 1:

“ Thanh hình chữ U bằng sắt có kích thước 50x200x50mm (tương ứng với mẫu thử lớn nhất), dầy 2mm và cao 50mm (chọn quá day thì khối lượng lớn cộng khối lượng mẫu thử nữa thì sẽ quá nặng

gây ra nhỏng xe)

Trang 16

“_ Hai đai ốc kẹp chặt một đầu ta sẽ hàn tấm lót ø30mm để có thể kẹp chặt mẫu thử Đầu còn lại ta sẽ hàn đuôi xoay (vì đây là cơ cấu phải làm việc nhiều nên ta hàn nó sẽ chắc chắn hơn là dùng đuôi xoay bằng nhựa)

= Tat c& co cấu trên ta sẽ hàn vào trục bằng inox (để chống trầy

xướt vì trục này sẽ cồn phải di chuyển ra vào sau này) có đường

Trang 17

Thử nghiêm khả năng chịu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998

Trang 18

Co tăng đưa:

“_ Vì trục gá sản phẩm có ø22mm nên ta thiết kế co có ø27mm (để

trục có thể đưa vào) và 2 đai ốc có đuôi được làm bằng nhựa (có

nhiệm vụ tăng đưa và cố định trục theo 2 phương X và Z) Và 2

bu lông được hàn cố định vào co

Trang 19

Trục 2:

" Trục này có kích thước phần đế 50x90mm được khoan 4 lỗ để

bắt vít vào thân xe Kích thước này gấp 3 lần khích thước trục

nên rất an toàn khi trục thẳng đứng và được canh ngay trọng tâm

SVTH: Nguyén Tan Thing

Mai Tan Nhan 8

Trang 20

— Chiếu lên trục ® hướng xuống ta có:

P,=P2+F (Xe sé di chuyển với lực F)

Trang 21

— Có rất nhiều loại bánh xe từ nhỏ đến lớn và làm từ nhiều vật liệu khác

nhau Nhưng vì mô xe ta thiết kế có khích thước 200x250mm nên ta chọn loại bánh xe cỡ trung có kết cấu bên ngoài bằng kim loại và bánh

xe thì được đúc bằng nhựa cứng Ta sử dụng 4 bánh bắt ở 4 góc của thân xe nên sẽ an toàn về độ chịu lực

— Chú ý: vì mỗi bánh xe có cơ cấu tự xoay quanh trục của mình nên khi

ta bắt vào thân xe đừng để chúng có thể va chạm vào nhau khi xe di chuyển

Trang 23

1.3.4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BÀN TRƯỢT:

—_ Vì cơ cấu xe kéo có chiêu cao 60mm và bể ngang là 200mm nên ta sẽ

thiết kế bần trượt có kích thước:

Trang 24

Ròng rọc có tác dụng dẫn hướng cho xe chạy theo một hướng cố định Đồng

thời rồng ròc còn chịu tải của vật nặng m

Trong khuôn khổ đồ án này ròng rọc chịu một lực hướng xuống không lớn lắm

và xe đã được bàn trượt dẫn hướng cho nên ta chọn phương an thiết kế cho phù hợp Nhưng phải đảm bảo độ đồng tâm của tâm bánh ròng rọc so với 2 lổ bắt bulông

Sau đây là thông số của rồng rọc:

+ Khoảng cách giữa tâm bánh xe rồng rọc với chân ròng rọc là 40 cm

Trang 25

Thử nghiệm khả năng chịu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998,

1.4 MÔ HÌNH THIẾT BỊ HOÀN CHỈNH:

Trang 26

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH PHẦN ĐIỀU KHIỂN

2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN:

Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu :

- Thiết bị diéu khién C ( Controller)

- Đối tượng điều khiển O ( Object)

- Thiết bị đo lường M ( Measuring Device)

Sơ đồ khối về hệ thống điều khiển tự động đơn giản và tổng quát nhất

được mô tả như hình trên, đó là một hệ thống có phản hồi ( feedback) hay có

liên hệ ngược

Các tín hiệu tác động trong hệ thống:

u: Tin hiéu vao ( input)

y : Tin hiéu ra (output)

x: Tin hiéu diéu khién tac dong lén déi tugng O

e: Sai lệch điều khiển

Z.: Tín hiệu phản hồi

Trang 27

Thử nghiệm khả năng chịu nhiệt không bình thường và cháy theo TCVN 6434-1998

._ 2.2 GIỚI THIÊU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG:

| 2.2.1Các đại lượng điện:

Đại lương thụ động: bao gồm điện trở, điện dung điện cảm, hệ số

khuyết đại tỉnh của transistor v.v và những đại lượng không mang năng

lượng điện Muốn đo cần phải cấp năng lượng điện cho chúng

Đại lượng tác động: bao gồm điện áp, dòng điện, tân số đối với thiết

bị đo cổ điển thì khi đo không cần phải cấp năng lượng điện Đo các năng lượng này cần phải chú ý hạn chế phần năng lượng cho thiết bị đo lường ứng với sự hiển thị cơ cấu hiển thị

2.2.2 Các phương pháp đo:

Phương pháp đo trực tiếp: là phương pháp đo đơn gian nhất, đại lượng

đo được so sánh với đại lượng mẫu mà không qua một đại lượng vật lý nào

liên quan đến các đại lượng, dẫn đến kết quả đo là kết quả đúng của đại lượng nếu ta không tính sai số Phương pháp đo trực tiếp đơn giản tuy nhiên

không phải phương pháp nào cũng đo trực tiếp vì không có thiết bị đo chuyên

dụng — ta phải dùng phương pháp đo gián tiếp

Phương pháp đo gián tiếp: kết quả đo không phải là trị số của đại

lượng cần đo, trong phương pháp đo gián tiếp, sai số sẽ tăng nhiều hơn so với

đo trực tiếp vì thông qua đại lượng trung gian

2.2.3 Sai số đo:

Bất kỳ một hệ thống đo lường nào cũng có sai số, kết quả nhận

được chỉ là một số gần đúng của đại lượng cần đo Ta cần m mức độ gần đúng của đại lượng cần đo bằng cách đnh1 giá sai số cho phép đo

Sai số trong đo lường gây ra bởi nhiều nguyên nhân: sai số hệ thống, sai

số ngẫu nhiên, sai số tuyệt đối

Trang 28

2.2.4 Đặc tính máy đo:

Độ chính xác của máy đo là sự phù hợp với trị số đo là sự phù hợp

với số đo được và trị số thực của đại lượng đo Độ nhạy là trị số nhỏ nhất

trong tâm sử đụng hay là tỷ số giữa cường độ đáp ứng và đại lượng muốn

Ở thể lông: khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn lực hút giữa các

phần tử tương đối nhỏ hơn thể rắn, các phần tử chuyển động hỗn loạn không

ngừng

Ở thể khí: khoảng cách giữa các phân tử rất lớn, lực hút giữa các phan

tử rất nhỏ, các phần tử chuyển động không ngừng

- Nhiệt độ là trạng thái cơ bản của vật chất đặc trưng cho mức độ nóng lạnh

của vật chất Bản chất của nhiệt độ là do sự chuyển động của các phân tử trong vật chất gây nên, chuyển động càng nhanh — vật chất càng nóng

- Chuyển động của phần tử liên quan mật thiết đến nhiệt đo đó người ta gọi chuyển động của các phân tử là chuyển động nhiệt

- Do tính chất truyển nhiệt mà nguồn nhiệt luôn bị mất ra môi trường xung quanh Đại lượng nhiệt tuyệt đối theo thang độ động học xuất phát từ nguyên

lý CARNOT Định lý CARNOT phát biểu rằng hiệu suất của một động cơ

nhiệt thuận nghịch (xem như chất khí lý tưởng ) làm việc giữa hai nguồn

nhiệt có nhiệt độ theo một thang thích hợp bất kỳ là:

Trang 29

Dạng hàm F phụ thuộc vào việc chọn thang đo nhiệt Định nghĩa 9

ngược lại sự chọn hàm F xác định thang đo nhiệt

Dat ham F (8)*T: người ta định nghĩa T là nhiệt độ tuyệt đối, nhiệt

động lực học và có thể viết lại biểu thức tính hiệu suất

nett T2

Trong đó T1 và T2 lượt là nhiệt độ tuyệt đối nhiệt động lực học của 2

nguồn, nội năng V phụ thuộc vào nhiệt độ

Biểu thức quan hệ áp suất P và thể tích V, nhiệt độ 9

P*V=G(@) Người ta định nghĩa nhiệt độ theo thang đo động lực học

G(Q)=R*V

Với R: hằng số của chất khí lý tưởng phụ thuộc vào khối lượng phân tử

gam chất khí mà không phụ thuộc vào đơn vị của nhiệt độ tuyệt đối, để có

giá trị T cần định nghĩa đơn vị và do đó phải xác định giá trị nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng vật lý

2.3.2 Các thang đo:

Các thang đo nhiệt hình thành trên cơ sở khái niệm nhiệt độ tuyệt đối -

động lực học

Thang do KELVIN (°K):

Điểm sôi của nước: 373,5°K (áp suất khí quyển bình thường)

Điểm tan của nước đá: 213,16°K (áp suất khí quyển bình thường)

Thang do CELCIUS(°C):

TỚC) = TỚE) — 273,15

Điểm sôi của nước: 100°C

Điểm tan của nước đá: 0,01°C

Mai Tấn Nhàn 18

Trang 30

Thang do FARENHEIT(‘F):

TPF) = 9/5TCC) + 32

Điểm sôi cla nuéc: 212°F

Diém tan cla nuéc dé: 32,018°F

Thang do RANKIN °R:

Điểm sôi của nước:617,67R

Điểm tan của nước đá:419,670R

2.3.3 Liên hệ giữa các thang đo:

Phương pháp cơ học: dựa trên sự giãn nở cơ học của chất rắn, lỏng,

khí đưới áp suất không đổi hay dựa trên áp suất hơi nước bảo hòa tầm đo khoảng °0C 650°C

Ví dụ: nhiệt thuỷ ngân, nhiệt kế lưỡng kim

Phương pháp quang học: dựa trên phổ bức xạ của vật thể dưới tác

động của nhiệt độ, tầm đo từ 100 vài ngàn °C

Ví dụ: quang hỏa kế bức xạ

Trang 31

Phương pháp điện: dựa trên sự thay đổi điện trở điện áp chỗ tiếp xúc

giữa hai lớp bán dẫn khác nhau, điện áp dồn nén, hệ số nhiệt của tần số dao động của thạch anh, tuỳ theo loại cảm biến, tầm đo nói chung từ -200°C

2500°C

Ví du: nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt điện

Nhiêt kế thuỷ ngân: có độ nhạy và độ chính xác cao nên được dùng

làm nhiệt kế chuẩn trong các tầm đo từ 0°C 650°C

2.3.5 Các nguyện lý đo:

— Đo nhiệt độ thường dùng những nguyên lý sau:

Xác định thông số giãn nở vật lý của chất truyền nhiệt, độ nóng chảy

của các chất tinh khiết, dòng điện sinh ra do tiếp xúc nhiệt và sự thay đổi màu sắc theo nhiệt độ

— Phạm vi đo phụ thuộc vào các dụng cụ được dùng như sau:

2.3.6 Đo nhiệt đô bằng cập nhiệt (THERMOCOUPLE):

2.3.6.1 Cấu tạo và 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 ET?!,„ 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 = T,e), 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

Trang 32

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 cố 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 (T„¿) phải biết rõ, tất cả sự

không chính xác của T,„„: sẽ dẫn đến một sự không chính xác của Tc

Mối nối tiếp

giảm quán tính nhiệt

Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, bai 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

Trang 33

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

UYU Phương pháp hàn đầu mối nối cặp nhiệt thông thường là hàn

điện, hàn hồ quang, han C,H, han héa chất

Cặp nhiệt loại 1,2,3 : đo ở nhiệt d6 <= 100°C

Cặp nhiệt loại 4,5 : đo ở quán tính nhiệt độ thấp Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện;

E=A.AT+B AT?+C AT”

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

SVTH: Nguyén Tan Thang

Trang 34

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 :

T T T T

P.ư +Pbc+P co +PpA=0

Cc

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 Tụ , TN:

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

duy nhất và đông cấp, đồng thời cé cing nhiét d6 thi Ex™™ = 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):

Trang 35

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 = Tyres, stic

- 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 tỉnh 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

- 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

Trang 36

- 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 ~50°C đến 2500°C, nhưng ở nhiệt độ cao thì độ chính xác kém dan)

- 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: dùng ống bảo vệ bằng

sứ hoặc thép chịu ăn mòn tốt

2.3.6.3 Một số câp nhiệt thông dụng:

Thermocouple Platin_Rhodium Platin:

Nhiệt độ sử dụng : T = -50°C -> 1500°C

Đường kính dây : 0,51mm

Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV Loai 10% Platin :

Chuyên dùng để đo nhiệt độ rất cao

Mai Tấn Nhàn 25

Trang 37

2.3.7 Lựa chọn phương pháp điều khiển:

Để đo và điều khiển nhiệt độ người ta có thể dùng đến các phân tử đo,

phát và thu tín hiệu như cảm biến, màn hình hiển thị LCD ( Liquit Crystal

Display), monitor, thiét bi đầu cuối hién thi Video VDT ( Video Display '

Terminal ) hoặc LED 7 đoạn phối hợp với bộ xử lý là PLC ( Programmable

Logic Controller) hogc Vi điều khién (Microcontroller) dé tao ra một hệ thống đo lường và điều khiển

Điều khiển dùng PLC: Phương pháp này có nhiều ưu điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp:

Trang 38

* Khả năng chống nhiễu tốt

* Cấu trúc dạng module cho phép đễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối

thêm module mở rộng vào/ra) và thêm chức năng (nối thêm module chuyên dùng)

* Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu đầu vào và đầu ra được

chuẩn hóa

* Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng — Ladđer, instruction và function

chart — dé hiéu va dé sit dung

* Thay đổi chương trình điểu khiển đễ dàng

* Công suất tiêu thụ điện năng thấp

3eœovalve Alam Stepmotor Servo motor

Contactor spt Inverter of hye

Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều

khiển các máy móc công nghiệp và trong điểu khiển quá trình

Trang 39

Điều khiển dùng Vi điều khiển ATS9C5I: Vi điều khiển AT§9C51 có

những đặc điểm:

* Có kích thước nhỏ gọn

* Giá thành thấp

* Mức điện áp ở đầu vào và đầu ra được chuẩn hóa

* Công suất tiêu thụ điện năng thấp

* Ngôn ngữ lập trình đa dạng — ngôn ngữ C, Assembler, Delphi,Visual Basic

* Việc thay đổi chương trình được thực hiện dễ dàng

Do những ưu điểm trên mà Vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện điều khiển phục vụ cho các nghành công nghiệp và gia dụng

Ly do lựa chọn dùng Vi điều khiển A T89C51 để điều khiển nhiêt độ: Với những đặc điểm của hai phương án điển hình trên ta thấy :

— - PLC có độ tin cậy cao, chức năng tự chẩn đoán của PLC cho phép sửa

chữa dễ dàng và nhanh chóng nhờ tính năng giám sắt giữa người và máy

(HIM),

có khả năng chống nhiễu và được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi

trường công nghiệp, vùng có từ trường mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt

độ và độ ẩm môi trường cao .Ngoài ra PLC còn có khả năng đặc biệt là sự

phối hợp giữa các thiết bị điều khiển, giám sát và truyền thông tạo ra một

mạng sản xuất toàn cầu : Giám sát, điểu khiển và thu thập đữ liệu (SCADA)

- Vị điều khiển có ưu điểm là giá thành thấp so với PLC, được sử dụng

trong các sắn phẩm tiêu dùng và các sản phẩm công nghiệp Do mức độ tích

hợp trong công nghệ chế tạo của PLC thì cao hơn so với vi điều khiển nên đó cũng chính là nhược điểm của PLC so với vi điều khiển, ta có thể thay thé,

phối hợp vi điều khiển với các IC khác để nâng cấp khả năng củahệ thống

một cách dễ dàng do giá thành thấp, điều này với PLC là không thể Một ưu

điểm hơn hẳn của vi điểu khiển so với PLC là ta có thể lập trình cho vi điều khiển với nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, điều này là một thuận lợi rất

lớn cho người sử dụng Tóm lại, trong một giới hạn nào đó, ta có thể sử dụng

vi điều khiển cho hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ do nó tính phổ cập ngôn

ngữ lập trình và với giá thành thấp mà vẫn đảm bảo được độ chính xác theo

yêu cầu

Mai Tấn Nhàn 28

Trang 40

24 GIỚI THIÊU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN AT89C5I:

| 2.4.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ:

So với hệ thống điều khiển tổng quát thì mạch đo và điều khiển nhiệt

độ tương ứng với các thành phần sau :

* Thiết bị đo là vi điều khiển 89C51

* Đối tượng điều khiển là nguồn nhiệt

* Thiết bị đo lường là cảm biến nhiệt LM335 & Thermocouple

Do tín hiệu vào, ra là nhiệt độ là loại tín hiệu tương tự (Analog) trong

khi vi điều khiển lại nhận và xử lý tín hiệu số ( Digital) nên trong mạch

cồn có thiết bị chuyển đổi ADC0804 (Analog to Digital Converter)

Các tín hiệu tác động trong hệ thống:

* Tín hiệu vào và ra là nhiệt độ

* Tín hiệu điểu khiển tác động lên đối tượng điểu khiển (nguồn

nhiệt) là điện áp để đóng ngắt OPTO - TRIAC để đóng mở nguồn

nhiệt

Sai lệch điễu khiển là điện áp:

* Tín hiệu phản hổi được đưa về từ cảm biến nhiệt qua thiết bị chuyển đổi ADCO0804 dưới dạng điện áp

Ưu và khuyết điểm của hệ thống:

Ưu điểm:

* Độ chính xác cao

* Giải tâm đo của các đại lượng rộng

* Chỉ thị dưới dạng số nên dễ quan sát tránh sai sốt

* Có thể giao tiếp với máy tính

* Tự động hoá cao

Khuyết điểm:

* Dạng mạch phức tạp

2.4.2 GIỚI THIÊU CÁC LINH KIÊN TRONG MẠCH:

2.4.2.1 VI ĐIỀU KHIỂN 89C5I:

2.4.2.1.1 GIỚI THIÊU HỌ MCS-51:

Mai Tấn Nhàn 29-

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,87 MB