Đề Tài: Ứng dụng VMTTVMS thiết kế mạch đo và cảnh báo, hiển thị nhiệt độ.

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấnđề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và châtlượng sản phẩm đồn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo Viên Bộ Môn :

Sinh viên thực hiện :

Mã sinh viên:

Lớp:

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ (300+2*n)0C.

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:

2 Dùng phần mềm mô phỏng (hoặc mạch thực tế) thiết kế mạch đảm bảo:

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax-(50+n)= điều khiển đènsáng liên tục: Thông số đèn 220VAC, 100W

- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= tmax-(50+n) Đóng điện cho quạt 1 chiều 24VDC,96W chạy làm mát

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và đèn sáng nhấp nháy cho LED với thời giansáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(1+0,2*a) giây khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= tmax-(50+n)

- Dùng LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ

PHẦN THUYẾT MINH

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán, lựa chọn cảm biến

- Tính toán, thiết kế mạch đo, mạch hiển thị

- Lựa chọn nguồn cấp

- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

- Tính toán mạch cảnh báo còi, đèn nhấp nháy cho LED

Kết luận và hướng phát triển

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấn

đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và châtlượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực

tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấycông nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép…

Ngày nay xuất hiện nhiều phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặp nhiệt,nhiệt điện trở hay bán dẫn hoặc sử dụng phương pháp phân tích phổ để xác định nhiệt

độ đối với những nơi không trực tiếp đặt được các đầu đo nhiệt độ (nơi có nhiệt độ quácao) Nhìn chung các phương pháp đo nhiệt độ có nhiều nét giống nhau nhưng cách xửthì có thể khác nhau, tuỳ vào mục đích và yêu cầu kỹ thuật đối với từng công việc cụthể nhưng mục đích cuối cùng của phép đo là thể hiện giá trị nhiệt độ với khoảng sai sốcho phép có thể chấp nhận được

Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liên quan nhómchúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung cảm biếnnhiệt điện trở

Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo hướng dẫn

“ NGUYỄN BÁ KHÁ ” cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển số” đãgiúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chếnên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót Em mong được sự đóng góp của thầy cô

để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

pageCHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO.

1.Khái niệm về nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ 1

o 1.2.Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 1

o 1.3.Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc.

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH.

1.Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở 3

2.Giới thiệu các loại linh kiện sử dụng trong mạch 6

o 3.2.Khuếch đại thuật toán lý tưởng. 12

o 3.3.Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT 13

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MẠCH ĐO.

o 2.2.Chuẩn hóa điện áp 0-10v 17

o 2.4.Chuẩn hóa dòng điện 0-20mA 18

o 2.5.Chuẩn hóa dòng điện 4-20mA 18

Chương 1 : Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

1.Khái niệm về nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ.

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên

tử, phân tử của một hệ vật chất

Thang đo nhiệt độ :

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độcủa nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiềuđơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triển củakhoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đonhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vịquốc tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc.

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Cóhai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệtđiện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất traođổi 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 kếsát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất làvới vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càngtốt.Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môitrường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

1.3 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 hấpthụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thểđặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diệntích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

2 khái quát về mạch đo.

Sơ đồ khối đo:

2.2.2 Vai trò tác dụng của các khối.

Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh, khuếch đại

Khối khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu cầubài toán

Khối nguồnMạch

khuếch đại, chuẩn hóa

Chỉthị

LED 7 thanh

Bộ giải mã

Bộ chuyểnđổi tín hiệu tương

tự sang số

Cảm

Biến

Khối cảnhbáoMạch so

sánh,cảnh báo

Khối relay

Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sau chuẩn hóa.

Khối so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt, để đưa racảnh báo và để LED nhấp nháy, đóng mở relay cấp điện cho quạt, đèn

Khối cảnh báo: bao gồm led, còi Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cho phép còi báo

sẽ kêu, đèn led sẽ nháy

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu giá trị Voltđầu ra của cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân

Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC ra LED 7 thanh

LED 7 thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng trên cảm biến

Khối relay: đóng mở relay tùy theo đâu ra mạch so sánh

Khối nguồn: tạo nguồn cấp cho mạch

CHƯƠNG 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính

1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất.

Cảm biến đo nhiệt độ PT100 : Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt

điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theohình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm Đây là loại cảmbiến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định

-Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:

 Cấu tạo dây đo nhiệt PT100

*Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động

Các thông số cơ bản :

Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính 4mm vàchiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m

Hình 2: hình dạng PT100.

Dải nhiệt độ đo được là từ -250ºC đến 850ºC

Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ :

Hình 3: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT.100.

Điện trở của ống trụ RPT100 = RPT + R3 + R2

L2,L3 được nối với 2 dây đầu ra

*Nguyên tắc hoạt động:

Khi có sự thay đổi nhiệt độ trên đầu dò thì dẫn đến sự thay đổi điện trở của ống

trụ Mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau tương ứng với mỗi giá trị điện trở khác nhau.Ở 10ºCthì đo được giá trị điện trở RPT100 =107,6 Ω) Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω)

2.Giới thiệu các loại linh kiện.

2.1.Giới thiệu về IC 78xx,79xx ( IC ổn áp)

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,sử dụng IC ổn

áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn áp

thường được sử dụng là IC 78xx,79xx

Chức năng: IC thuộc họ LM78xx và LM79xx mạch tích hợp có chức năng tạo

điện áp ra một chiều ổn định khi mức điện áp đầu vào thay đổi, với xx là điện áp ra tương ứng vd: LM7812 có Vout=+12V; LM7912 có Vout=-12V

2.2 Giới thiệu về IC 555

Chức năng : IC 555 là một mạch tích hợp, được sử dụng khá phổ biến trong việc tạo ra

xung vuông điện áp không yêu cầu về độ chính xác cao cũng như tần số lớn

Sơ đ ồ các khối, chân NE555:

Hình 5: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ khối của NE555.

 Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi là chânchung

 Chân 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùngnhư 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sanh ở đây dùng cáctransitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc

 Chân 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái củatín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tương ứng gầnbằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế

nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng (0.35- >0,75V)

 Chân 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 cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộcvào điện áp chân 2 và chân 6 Trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

 Chân 5 (CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theocác mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này có thểkhông nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân 5 xuốngGND thông qua tụ điện từ 0.01uF này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổnđịnh

 Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác

và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

 Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điềukhiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa này đónglại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch RC lúc IC 555 dùngnhư 1 tầng dao động.

 Chân 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động

Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình

thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận,

nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược

*Nguyên lý hoạt động:

Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện ápmột chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độkhuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-Nđều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các châncực là ngược dấu nhau

- Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cựcngược Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nêntranzito coi như không dẫn điện

- Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phâncực thuận Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn Ở chế độ ngắt

và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính trong mạch điện

Ở chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng trong các mạch xung,các mạch số

- Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, vàtiếp xúc góp TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trìnhbiến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao độngkhuếch đại tín hiệu.

- Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từhợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loạiđiện trở có trị số khác nhau.

- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện đượcngăn cách bởi điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽxuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu

- Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điệntrường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sựtích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạchđiện xoay chiều

Hình 11: relay và cấu tạo.

Rơle (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện Dòng điện chạy qua cuộndây của rơle tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch.Dòng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt vì thế rơle có hai vị trí chuyển mạchqua lại

Các chân đấu nối và chân chuyển mạch của rơle thường được ký hiệu là COM(POLE), NC và NO

+ NC là điểm thường đóng, chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dâyrơle không nhiễm từ (khi 2 đầu cuộn dây không được cấp điện)

+NO = là điểm thường mở, COM/POLE được kết nối với NO khi cuộn dây rơleđược từ hóa (được cấp điện).

+Hai chân A, B là 2 đầu của cuộn dây (nơi cấp nguồn nuôi cuộn hút)

3 Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT)

nó rất nhỏ

Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toángiải tích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT được sửdụng rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật đo lường và điều khiển

Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển, nên đã chế tạođược các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng Và các vi mạchKĐTT trong các mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lý tưởng Tuy nhiên, các vimạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn

3.2

Khuếch đại thuật toán lý tưởng

KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất ,để thiết kế cácmạch điện tử chức năng Một KĐTT được ký hiệu như trên sơ đồ 1.1.2

UN: Ngõ vào đảo

UP: Ngõ vào không đảo

+Ucc: Ngõ cấp điện áp dương

-Ucc: Ngõ cấp điện áp âm

Ura: Tín hiệu cửa ra Hình 12: Ký hiệu các chân ra của KĐTT

KĐTT lý tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn (Z I= ¿∞), trở kháng ra bằng 0 (ZO

=0) hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn (KO =∞) và điện áp cửa ra bằng 0V, khi điện

áp các ngõ vi sai bằng nhau (UO=0V, khi U+I¿ =U I

−¿ ¿

¿)

Trong thực tế kỹ thuật không có bộ KĐTT lý tưởng Để đánh giá được các bộKĐTT thực so với KĐTT lý tưởng ta căn cứ vào các thông số của mạch tích hợpKĐTT thực với thông số ly tưởng trên Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản

ta vẫn có thể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như một KĐTT lý tưởng

Mạch điên tương đương KĐTT lý tưởng

Hình 13: KĐTT.

Trong đó, Z I là trở kháng vào của KĐTT, Z0 là trở kháng ra của KĐTT, U−I¿¿

điện

áp vào đến của vào đảo, U+I¿ ¿

là điện áp vào đến cảu vào không đảo, U D là điện áp vào

vi sai Từ sơ đồ, ta có biểu thức cho điên áp ra:

3.3Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT

-Mạch khuếch đại đảo

U I: điện áp vào cần khuếch đại

R F: điện trở mạch phản hồi âm

R3: điện trở mạch vào

R2: điện trở nói đất với của vào không đảo

Biểu thức của tín hiệu ra: U0=−R F

R I U I Hình 14: khuyếch đại đảo.

-Mạch khuếch đại không đảo

Hình 15: Mạch khuếch đại không đảo Hình 16: Mạch lặp lại điện áp.

-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

- Hình thể hiện mạch xử lý tương tự của ICL7107 Mỗi chu kì đo được chia thành

3 pha (1) tự chỉnh ”0”(A-Z), (2) Tích hợp tín hiệu (INT ) và (3) giải tích (DE) và một

số thong số khác

- (1) Pha tự chỉnh “0”

- Trong pha này thực hiện 3 việc:

- Ngõ vào cao và thấp bị ngắt kết nối khỏi các chân và ngắn mạch nội với chânCOMMON analog

- Tụ tạo chuẩn được nạp tới điện áp chuẩn

- Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0” CAZ để

bù cho điện áp offset (trôi) trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích hợp và bộ so sánh Vì bộ

so sánh nằm trong vòng lặp nên độ chính xác A-Z chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của hệthống Trong bất cứ trường hợp nào, điện áp offset do ngõ vào nhỏ hơn 10uV

- (2) pha tích hợp tín hiệu

- Trong quá trình tích hợp tín hiệu, vòng lặp tự chỉnh “0” được mở, ngắn mạch nộikhông còn, ngõ vào cao và thấp được nối với các chân ngoại vi Bộ chuyển đổi lúc nàytích hợp điện áp khác biệt giữa chân IN HI và chân IN LO trong một khoảng thời gian

cố định Điện áp sai biệt này có thể nằm trong phạm vi rộng: lên tới 1V từ cả hainguồn Mặt khác tín hiệu vào không hồi trở lại nguồn cung cấp thì IN LO có thể bị nốivới chân COMMON analog để thiết lập điện áp mode chung chính xác Cuối pha nàycác cực của tín hiệu tích hợp được xác định

- (3) pha giải tích

- Còn gọi là tích hợp tham chiếu ngõ vào thấp luôn được kết nối với chânCOMMON và ngõ vào cao được kết nối qua tụ chuẩn đã đc nạp từ pha trước.Mạchtrong IC đảm bảo rằng tụ điện sẽ đc nối đúng cực để làm bộ tích hợp ngõ ra chuyển về

“0” Thời gian cần thiết đểngõ ra chuyển về giá trị “0” tỷ lệ với tín hiệu vào.Đặc biệt

- (5) Tham chiếu sai biệt:

- Diện áp tham chiếu có thể đc tạo ra từ mọi nơi từ điện áp nguồn của bộ chuyểnđổi Nguồn chính của lỗi Mode chung là điện áp vòng tạo bởi tụ tham chiếu nạp hay xảlàm sai lệch giá trị điện dung của nó.Nếu có điện áp Mode chung lớn, tụ tham chiếu cóthể được nạp(tang điện áp)khi được dung đến để giải tích một tín hiệu dương nhưng sẽ

xả (giảm điện áp) khi được dùng để giải tích một tín hiệu âm.Sự khác biệt trong tham