Thiết kế phân tích thí nghiệm

Dùng phần mềm minitab để làm. Đề tai bao gồm đo nhiệt độ 2 cảm biến là dây TC và NTC, dùng Ina128 để khuếch đại tính hiệu rồi đo bằng VOM. Sau đó kết quả đo được sẽ được dùng để chuẩn hóa 2 loại cảm biến trên bằng phần mềm minitab rồi kiểm tra lại bằng exel

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN 3

1 Cơ sở lí thuyết 3

1.1 Khái niệm cảm biến nhiệt độ 3

1.2 Các loại cảm biến nhiệt độ 3

2 Mục Tiêu 8

3 Phương pháp nghiên cứu 8

II THỰC HÀNH: 8

1 Quy trình chuẩn hóa một cảm biến 8

1.1 Kỳ vọng đường quan hệ vào ra của cảm biến 8

1.2 Tại sao biến vật lý luôn phải đối chiếu với vật chuẩn 8

2 Mô tả thí nghiệm thu thập số liệu từ cảm biến thông qua mạch INA128 8 2.1 Các công cụ trang thiết bị cần thiết 8

2.2 Quá trình thực nghiệm 10

3 Ứng dụng cầu 4R 10

4 Nguyên lý mạch 11

III KẾT QUẢ, PHÂN TÍCH, KẾT LUẬN 12

1 Kết quả 12

2 Phân tích Minitab 13

2.1 Mối liên hệ giữa điện áp và nhiệt độ đối với NTC 13

2.2 Mối liên hệ giữa điện áp và nhiệt độ đối với TC 17

2.3 Mối liên hệ giữa loại cảm biến và nhiệt độ lên giá trị điện áp 21

3 Kết luận 24

4 Ưu nhược điểm, hướng mở (nếu có) 25

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Cặp nhiệt điện( Thermocouples) 3

Hình 2 Nhiệt điện trở( RTD-resitance temperature detector) 4

Hình 3 Thermistor 5

Hình 4 Cảm biến LM35 6

Hình 5 Nhiệt kế bức xạ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer) 7

Hình 6 Dây TC 9

Hình 7 NTC 9

Hình 8 Thiết bị đo nhiệt độ chuẩn 9

Hình 9 Cấu tạo cầu điện trở Wheatstone 10

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu NTC, TC 11

Hình 11 Mô phỏng mạch khuếch đại tín hiệu 11

Hình 12 Điều chỉnh Gain cho mạch khuếch đại 12

Hình 13 Interval Plot of Điện áp vs Nhiệt độ của NTC 14

Hình 14 Residual Plots for Điện áp của NTC 14

Hình 15 Fitted Line Plot của NTC( Bậc nhất) 15

Hình 16 Fitted Line Plot của NTC( Bậc hai) 16

Hình 17 Interval Plot of Điện áp vs Nhiệt độ của TC 18

Hình 18 Residual Plot for Điện áp của TC 18

Hình 19 Fitted Line Plot của TC( Bậc nhất) 19

Hình 20 Fitted Line Plot của TC( Bậc hai) 20

Hình 21 Residual Plots for Điện áp của NTC, TC 24

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Số liệu điện áp đầu ra đo được đối với cảm biến nhiệt độ NTC 12

Bảng 2 Số liệu điện áp đầu ra đo được đối với cảm biến nhiệt độ TC 12

I TỔNG QUAN.

1 Cơ sở lí thuyết.

1.1 Khái niệm cảm biến nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lýkhông có tính chất điện( nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đạilượng(thường mang tính chất điện) có thể đo và xử lý được

1.2 Các loại cảm biến nhiệt độ [1]

Hiện nay cảm biến nhiệt độ được chia ra làm các loại sau:

 Cặp nhiệt điện( Thermocouple )

 Nhiệt điện trở( RTD-resitance temperature detector )

 Thermistor

 Bán dẫn( Diode, IC ,….)

 Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc( hỏa kế- Pyrometer ) Dùng hồng ngoại hay lazer

1.2.1 Cặp nhiệt điện( Thermocouples).

Hình 1 Cặp nhiệt điện( 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 khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

 Tầm đo: -100 - 1400 oC

Cấu tạo của cảm biến Thermocouples: 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 này tùy 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 đếnkhông chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ chonó( offset trên bộ điều khiển)

1.2.2 Nhiệt điện trở( RTD-resitance temperature detector).

Hình 2 Nhiệt điện trở( RTD-resitance temperature detector)

 Cấu tạo: Gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Niken, Patium,…được quấn theo hình dáng của đầu to

 Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt

độ nhất định

 Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế

 Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện

 Thường dùng: Trong các nghành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất,…

 Tầm đo: -2000C – 70000C

Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD: Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ:

sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD làloại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxyhóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000ohm tại 00C Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.

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

1.2.3 Thermistor

Hình 3 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: 500C

Cấu tạo Thermistor: Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt vànung 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 loại NTC

Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-1500C do vậy người 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 nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ

1.2.4 Bán dẫn

Hình 4 Cảm biến LM35

 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: Rẻ 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: -500C >> 1500C

 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 dựatrên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường.Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rấtnhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xáccao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền,

…

 Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương

tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng lànhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từmột điện áp chuẩn có trong mạch

1.2.5 Nhiệt kế bức xạ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer).

Hình 5 Nhiệt kế bức xạ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer)

 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 môitrường đo

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

 Tầm đo: -540C >> 10000C

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 tiếpxúc 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 Chúnghoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ nănglượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhậnbước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo

2 Mục Tiêu.

 Tìm được phương pháp đo nhiệt độ hiệu quả nhất

 Tiến hành đo nhiệt độ bằng dây TC và dây NTC thu thập số liệu

 Sử dụng phần mềm minitab để xử lí dữ liệu nhiệt độ thu được

 Từ kết quả thu được từ minitab đưa ra được phương pháp đo nhiệt độ hiệuquả nhất

3 Phương pháp nghiên cứu.

 Lược khảo tài liệu thiết kế & phân tính thí nghiệm

 Lược khảo tài liệu các phương pháp do nhiệt độ

 Chuẩn bị dụng cụ và tiến hành đo nhiệt độ bằng dây TC và NTC

 Thu thập số liệu kết quả nhiệt độ thu được từ dây TC và NTC

 Sử dụng phần mềm Minitab để xử lí kết quả nhiệt độ thu được

 Từ kết quả thu được đưa ra nhận xét và kết luận cuối cùng cho thí nghiệm

II THỰC HÀNH:

1 Quy trình chuẩn hóa một cảm biến

1.1 Kỳ vọng đường quan hệ vào ra của cảm biến

Khi đồ thị chỉ thị biên dạng của đầu ra từ cảm biến trùng với biên dạng đồ thị từđầu vào của cảm biến, lúc đó phép đo chính xác nhất Vì thế ta kỳ vọng biên dạng

đồ thị đầu ra gần giống nhất với biên dạng đồ thị đầu vào

1.2 Tại sao biến vật lý luôn phải đối chiếu với vật chuẩn

Khi tiến hành đo đạt một đại lượng vật lý( không liên quan đến điện) bằng mộtcảm biến thì ta cần đối chiếu kết quả thu được với một thiết bị đo chuẩn để có thểtạo ra một thuật toán đúng cho sự tương quan giữa điện áp đầu ra của cảm biến vớigiá trị của đại lượng cần đo

2 Mô tả thí nghiệm thu thập số liệu từ cảm biến thông qua mạch INA128 2.1 Các công cụ trang thiết bị cần thiết

 Nhiệt kế chuẩn có hiển thị nhiệt độ

 Thiết bị cung cấp nhiêt( hột quẹt gas)

 Đồng hồ VOM

 Cầu điện trở có một điện trở là NTC và các điện trở còn lại có giá trị điện trởbằng với giá trị điện trở của NTC ở 0oC Đối với dây TC thì không cần gắntrở

 Nguồn ±12V DC cấp cho cầu trở, 5V DC cấp nguồi cho IC

 INA128 và các linh kiện liên quan

Hình 6 Dây TC

Hình 7 NTC

Hình 8 Thiết bị đo nhiệt độ chuẩn

2.2 Quá trình thực nghiệm

 Đầu tiên cố định đầu đo NTC vào đầu đo nhiệt độ của nhiệt kế

 Dùng máy sấy tóc nung nóng đầu đo của nhiệt kế và cảm biến lên 650C( với650C là giới hạn trên tự cho)

 Vì độ nhạy, khả năng nhận giữ và xã nhiệt của cảm biến và đầu đo nhiệt kếkhông giống nhau nên ta chỉ lấy số liệu ở cạnh xuống của đồ thi nhiệt độ, tứclúc nguồn nhiệt cung cấp cho cảm biến được lấy từ năng lượng nhiệt do đầu

đo nhiệt độ chuẩn cung cấp Vì lúc đó nhiệt độ của hai thiết bị cân bằng nhất

 Tiến hành đo giá trị điện áp của đầu ra INA128 bằng VOM ở mỗi -50C sovới giới hạn trên vừa được chọn và ghi nhận lại giá trị trên

 Đặc giới hạn dưới là 300C( vì nhiệt độ phòng là 280C)

 Tiến hành đo đạt như trên 6 lần

3 Ứng dụng cầu 4R.

Cấu tạo chính của cầu 4R gồm các điện trở R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầuđiện trở Wheatstone như hình dưới

Hình 9 Cấu tạo cầu điện trở Wheatstone

 Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào là Ub và Ua là điện áp tínhiệu ra được đo

 Tại trạng thái cân bằng( trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số khônghoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị

4 Nguyên lý mạch

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu NTC, TC

Hình 11 Mô phỏng mạch khuếch đại tín hiệu

 Mạch gồm các thành phần quan trọng: Bộ phân tín hiệu đầu vào là 4 trở( trong

đó có 1 NTC) và 2 jack cắm để kết nối với dây TC

 Bộ phận nguồn gồm nguồn đôi ±12 VDC cấp cho cầu điện trở, Ic7805 và 2 tụ

để cấp nguồn cho INA128

 Bộ xử lý gồm INA128 và biến trở 10k để chỉnh hệ số khuếch đại( gain)

Hình 12 Điều chỉnh Gain cho mạch khuếch đại [2]

 Công thức (1) như hình a dùng để tính độ khuếch đại cho Ic Ở đây dùng độkhuếch đại chung là 50 lần tương đương với chỉnh biến trở ~1k

III KẾT QUẢ, PHÂN TÍCH, KẾT LUẬN

1 Kết quả

Qua quá trình thử nghiệm với 6 lần đo cho mỗi loại cảm biến NTC, TC tươngứng với 7 mức nhiệt độ được khảo sát 350C – 650C, mỗi bước 50C ta thu được bảng

số liệu với các điện áp đầu ra đo được như sau:

Bảng 1 Số liệu điện áp đầu ra đo được đối với cảm biến nhiệt độ NTC

2 Phân tích Minitab.[3]

2.1 Mối liên hệ giữa điện áp và nhiệt độ đối với NTC.

Bài toán 1 yếu tố( nhiệt độ), 7 mức, 6 lần lặp Áp dụng phương pháp phân tích

ANOVA trên phần mềm Minitab ta thu được kết quả như sau:

One-way ANOVA: dien ap versus Nhiet do

Method

Null hypothesis All means are equal

Alternative hypothesis At least one mean is different

Hình 13 Interval Plot of Điện áp vs Nhiệt độ của NTC

Residual Plots for dien ap

 Hình vẽ Plot biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp với sự thay đổi nhiệt độ thông qua phép phân tích Regression

Trường hợp 1: Mối liên hệ bậc nhất

Regression Analysis: dien ap versus Nhiet do

The regression equation is

Fitted Line: dien ap versus Nhiet do

Hình 15 Fitted Line Plot của NTC( Bậc nhất)

Trường hợp 2: Mối liên hệ bậc 2

Polynomial Regression Analysis: dien ap versus Nhiet do

The regression equation is

dien ap = - 0.4194 + 0.02241 Nhiet do + 0.002467 Nhiet do^2

Fitted Line: dien ap versus Nhiet do

Hình 16 Fitted Line Plot của NTC( Bậc hai)

 Vì P < α = 0.05 nên phủ định giả thuyết H0 nên H1 đúng

 Vậy ở các mức nhiệt độ khác nhau sẽ ảnh hưởng lên điện áp ngõ ra khácnhau Mối liên hệ của nó được biểu diễn bởi đồ thị phương trình bậc 2 chính

xác hơn bám sát vào sự thay đổi điện áp với độ tin cậy cao hơn so với

phương trình bậc nhất cụ thể là: Phương trình bậc nhất bám sát 99.0%:

dien ap = - 6.341 + 0.2692 Nhiet do

Phương trình bậc 2 bám sát 99.6%:

dien ap = - 0.4194 + 0.02241 Nhiet do + 0.002467 Nhiet do

mối liên hệ nhiệt độ và áp suất có dạng phi tuyến hơn là tuyến tính

2.2 Mối liên hệ giữa điện áp và nhiệt độ đối với TC.

Bài toán 1 yếu tố ( nhiệt độ), 7 mức, 6 lần lặp Áp dụng phương pháp phân tích

ANOVA ta thu được kết quả như sau:

One-way ANOVA: Dien ap versus Nhiet do

Method

Null hypothesis All means are equal

Alternative hypothesis At least one mean is different

Interval Plot of Dien ap vs Nhiet do

Hình 17 Interval Plot of Điện áp vs Nhiệt độ của TC

Residual Plots for Dien ap

 Hình vẽ Plot biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp với sự thay đổi nhiệt độ thông qua phép phân tích Regression

Trường hợp 1: mối liên hệ bậc nhất

Regression Analysis: Dien ap versus Nhiet do

The regression equation is

Fitted Line: Dien ap versus Nhiet do

Hình 19 Fitted Line Plot của TC( Bậc nhất)

Trường hợp 2: Mối liên hệ bậc 2

Polynomial Regression Analysis: Dien ap versus Nhiet do

The regression equation is

Dien ap = - 4.793 + 0.1240 Nhiet do + 0.000425 Nhiet do^2

Fitted Line: Dien ap versus Nhiet do

Hình 20 Fitted Line Plot của TC( Bậc hai)

Kết luận: Từ kết quả phân tích ta có P = 0.00

 Vậy ở các mức nhiệt độ khác nhau sẽ ảnh hưởng lên điện áp ngõ ra khác nhau Qua 2 dạng đồ thị bậc nhất và bậc 2 ta thấy sự thay đổi nhiệt độ ảnh

hưởng lên điện áp với mức độ bám sát độ tin cậy gần như nhau (bậc nhất là

98,2%, bậc 2 là 98,3%) và dạng đồ thị gần như là một đường thẳng do đó nó thể hiện nhiệt độ và điện áp là mối liên hệ tuyến tính với dạng bậc nhất: Dien ap = - 5.814 + 0.1666 Nhiet do

2.3 Mối liên hệ giữa loại cảm biến và nhiệt độ lên giá trị điện áp.

Áp dụng phương pháp phân tích thiết kế giai thừa trên Minitab ta có:

Multilevel Factorial Design

Factors: 2 Replicates: 6

Base runs: 14 Total runs: 84

Base blocks: 1 Total blocks: 6

Blocks 5 0.035 0.00% 0.035 0.007 0.26 0.935

Linear 7 845.295 97.09% 845.295 120.756 4414.40 0.000

Nhiet do 6 400.659 46.02% 400.659 66.776 2441.10 0.000

Loai cam bien 1 444.636 51.07% 444.636 444.636 16254.23 0.000

2-Way Interactions 6 23.499 2.70% 23.499 3.916 143.17 0.000

Nhiet do*Loai cam bien 6 23.499 2.70% 23.499 3.916 143.17 0.000

Error 65 1.778 0.20% 1.778 0.027

Total 83 870.606 100.00%