Tải bản đầy đủ

Đề tài thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp module analog PLC s7 200

GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG
PLC S7 - 200


MỤC LỤC

Trang

Phần A : GIỚI

THIỆU

Phần B : NỘI DUNG
Phần I : LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Chương I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ -------------------------------------------------1
I – Khái niệm chung -- 1 --------------------------------------------------------------------------------II – Các phương pháp đo nhiệt độ ---------------------------------------------------------------------2
III – Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ -- 17
IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ --- 20
Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC ----- ------------------------------------------- 25
I – Sơ lược về lòch sử phát triển --- ----------------------------------------------------------------- 25
II – Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC ----25
III – So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác – Lợi ích của việc sử dụng PLC
IV – Một vài lónh vực tiêu biểu ứng dụng PLC ---- ------------------------------------------------ 30
V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214 ------ 30
Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƯC SỬ DỤNG TRONG MẠCH ------- 36
Phần II : NỘI

DUNG

A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG-------------- ---------------------------------------------------- 39
I – Yêu cầu 39
II – Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối---- 39
III – Thiết kế chi tiết-- ------------------------------------------------------------------------------- 39
1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại --- 39
2 – Mạch điều khiển - ----------------------------------------------------------------------------------- 43
3 – Mạch giải mã – Hiển thò --- ------------------------------------------------------------------------ 48
4 – Thiết bò ----------------------------------------------------------------------------------------------- 51
5 – Nguồn cung cấp 51
6 – Sơ đồ nguyên lý 54
B – PHẦN MỀM ------- ------------------------------------------------------------------------ 55
1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC ------ 55
2 – Chương trình điều khiển - 57
Phần III : THI CÔNG MẠCH
I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch in ---- ------------------------------------------------------------ 66
II – Cân chỉnh mạch đầu đo --- ------------------------------------------------------------------------ 69

Phần C : KẾT

LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO ---------------- 70


PHAÀN I:

LYÙ THUYEÁT
LIEÂN QUAN


CHƯƠNG I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
I-Khái niệm chung:
Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh
hoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác đònh nhiệt độ của môi trường hay của một
vật nào đó. Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở thành một việc làm vô cùng cần
thiết. Đo nhiệt độ là một trong những phương thức đo lường không điện.
Nhiệt độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài
ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin). Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới một
vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được.
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp
nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến
thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta
lựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp:
- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện
là từ 2000C đến 10000C,độ chính xác có thể đạt tới +/-1% -> 0.1%.
- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện
(cặp nhiệt ngẫu) là từ –2700C đến 25000C với độ chính xác có thể đạt tới +/1% -> 0.1%.
- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các cảm biến
tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ –2000C đến 2000C,sai số đến +/0.1%.
- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ,quang phổ… có khoảng
đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% -> 10%.
Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(0C), thang đo Kelvin (0K),
thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R).
T(0C) = T(0K) – 273.15
T(0F) = T(0R) - 459.67
T(0C) = [ T(0F) –32 ]*5/9
T(0F) = T(0C)*9/5 +32
*Sự liên hệ giữa các thang đo ở những nhiệt độ quan trọng:
Kelvin(0K)
0
273.15
273.16
373.15

Celcius(0C)
-273.15
0
0.01
100

Rankin(0R)
0
491.67
491.69
671.67

Fahrenheit(0F)
-459.67
32
32.018
212


II-Các phương pháp đo nhiệt độ:
Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm ba khâu chính:
a-Khâu chuyển đổi:
Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi mang tính đặc
trưng của vật liệu khi chòu sự tác động của nhiệt độ. Có các tính chất đặc
trưng sau đây:
- Sự biến đổi điện trở.
- Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối nối của các
kim loại khác nhau.
- Sự biến đổi thể tích, áp suất.
- Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bò đốt nóng.
Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất đầu
tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở kim loại
hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới dạng các linh kiện bán dẫn như:
diode, transistor, các IC chuyên dùng.
b-Khâu xử lý:
Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽ được xử lý
trước khi qua đến phần chỉ thò. Các bộ phận ở khâu xử lý gồm có: phần hiệu
chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-Digital-Converter)… Ngoài ra còn
có thể có các mạch điện bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng
trở…
c-Khâu chỉ thò:
Khâu chỉ thò trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đó kết quả
đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳng của kim chỉ thò.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đãsản xuất nhiều loại IC
giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổi ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng
khâu chỉ thò số dễ dàng như dùng LED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng
LCD. Ở đó, kết quả đo được thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân.
1-Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:
Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong
các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi, không khí trong phòng

Nguyên lý làm việc của thiết bò này là dựa vào sự thay đổi điện trở theo
nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở là một hàm theo nhiệt độ: R =
f(T). Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà
vỏ ngoài có thể làm bằng thủy tinh, kim loại hoặc gốm.
Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trò điện trở R tùy thuộc vào
nhiệt độ T theo một hàm tổng quát sau:


R(T) = Ro.F(T – To)
Với : Ro :điện trở ở nhiệt độ To
F : hàm phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu
F = 1 khi T = To
-Đối với điện trở kim loại :
R(T) = Ro( 1 + AT + BT2 + CT3)
T : tính bằng 0C
To = 00C
-Đối với nhiệt điện trở bằng oxyt bán dẫn :
R(T) = Ro.exp[ B(1/T –1/To)]
T : nhiệt độ tuyệt đối (0K)
To = 273.150K
Những hệ số trong công thức tính điện trở R thường được biết trước một
cách chính xác nhờ sự đo những nhiệt độ đã biết.
a)Nhiệt điện trở kim loại (Thermetal):
Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo dưới dạng dây nhỏ quấn quanh một
đế cách điện (thường bằng sứ tròn, dẹp hay vòng xuyến) và được bọc bằng
một lớp vỏ bảo vệ (thuỷ tinh, sứ, thạch anh …). Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở
kim loại đòi hỏi cần phải thỏa các yêu cầu:
-Hệ số nhiệt lớn.
-Điện trở suất lớn.
-Tính ổn đònh hóa-lý cao.
-Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao.
*Muốn đo điện trở của nhiệt điện trở kim loại,ta có thể dùng mạch cầu
Wheatston như sau:
R1

R2
G

Rt

RN

E
RB

với Rt : nhiệt điện trở
RN :điện trở mẫu
RB : điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở
E : nguồn một chiều
R1 ,R2 : điện trở cầu đo


RV :điện trở dây dẫn nhiệt điện trở
Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 :
VR1 = VR2
VRT = VRN
Nếu dòng qua R1 và Rt là I1 ,dòng qua R2 và RN là I2 :
I1.R1 = I2.R2
I1.Rt = I2.RN
Rt
RN
R1
=> ----- = ---- => Rt = ------.RN
R1 R2
R2
R1
Nếu chú ý cả điện trở các dây dẫn thì : Rt = ___ .RN – 2RV
R2
Với trò số R1,R2,RN đã biết chính xác,điện trở Rt được xác đònh.
Kết quả đo ,Rt không phụ thuộc vào nguồn cung cấp E.Nguồn E thay đổi
vẫn không ảnh hưởng đến kết quả đo Rt .Đây chính là ưu điểm của phương
pháp đo.
Độ chính xác của sự xác đònh Rt phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G.
Độ nhạy của điện kế càng cao ,sự xác đònh cân bằng càng đúng.
Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,RN cũng ảnh hưởng đến sai số của
Rt.
Điện trở đầu ra của mạch đầu đo:
RRA = (R1 + R2)//(RN + Rt)
Trong thực tế, người ta thường giữ cho dòng điện qua nhiệt điện trở
trong khoảng I = (1 -> 4) mA ở phép đo cần độ chính xác cao và I=(4>10)mA
ở phép đo cần độ chính xác thấp hơn (trong công nghiệp),vì nếu để dòng
chảy qua nhiệt điện trở lớn thì hiện tượng tự nung ở nhiệt điện trở là đáng kể,
sẽ gây ra một sai số lớn, làm mất đặc tính cảm biến nhiệt của nhiệt điện trở.
*Lưu ý khi sử dụng nhiệt điện trở :
-Khi mua nhiệt trở cần căn cứ vào quy cách để chọn nhiệt điện trở phù
hợp với điều kiện đo.Ví dụ nếu cần đo trong môi trường dễ ăn mòn thì phải
dùng loại vỏ bằng thép hợp kim không rỉ có tính chống mòn. Nhiệt độ và áp
lực môi trường đo không vượt quá giới hạn quy đònh của từng loại.
-Không nên đặt nhiệt kế ở những nơi có chấn động, rung động, va chạm.
Đầu dây nối vào dây đồng hồ chỉ nhiệt độ không được nóng quá 100 0C. Vò trí
đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo vệ) tốt nhất là theo hướng thẳng
đứng. Khi buộc phải đặt hướng vò trí nằm ngang thì phải quay ổ đấu dây ra
của nhiệt điện trở theo hướng xuống dưới để tránh nước lọt vào. Nếu đo nhiệt


độ ở đường ống có dòng khí hoặc nước chảy qua thì vò trí đầu đo cần đặt quá
tâm ống (đầu ống ở vò trí 2/3 đường kính ống nước hoặc khí).
*Một số nhiệt điện trở kim loại thông dụng:
-Nhiệt điện trở Platin:
Nhiệt điện trở Platin thường được chế tạo dưới dạng dây quấn
đường kính (0.05 -> 0.1)mm, đo nhiệt độ từ –2000C -> 10000C với độ chính
xác tương đối cao,ngay cả trong những điều kiện môi trường dễ oxy hóa ( =
3,9.10-3/0C).
Tuy nhiên, ở nhiệt độ xấp xỉ 10000C hoặc cao hơn, Platin thường kém
bền và chỉ thò nhiệt mất chính xác.
-Nhiệt điện trở Nickel:
Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10-3/0C) từ 00C đến
1000C, điện trở suất là 1,617.10-8 (còn của Platin là 1,385.10-8). Nickel chống
lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn 2500C.
-Nhiệt điện trở đồng:
Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điện trở theo
nhiệt. Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phép sử dụng ở nhiệt độ
lớn hơn 1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng, để đảm bảo có giá trò
điện trở nhất đònh, chiều dài dây phải lớn gây nên một sự cồng kềnh bất tiện.
-Nhiệt điện trở Tungstène:
Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn của Platin trong trường hợp nhiệt
độ cao và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn Platin với một độ tuyến
tính hơn Platin.Tungstène có thể được cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh
cho phép thực hện điện trở có giá trò cao, như vậy với giá trò điện trở cho
trước, chiều dài dây sẽ giảm thiểu.
b)Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor):
Đây là loại cảm biến nhiệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, được chế
tạo bằng chất bán dẫn, thường gọi là Thermistor. Đặc điểm của Thermistor là
điện trở của nó biến đổi rất lớn theo nhiệt độ. Thành phần chính của nó là
bột của oxyt kim loại như Mangan, Nickel, sắt… hoặc hỗn hợp tinh thể
MnAl2O, Zn2TiO4.
Nhiệt kế Thermistor được chế tạo bằng cách ép đònh hình, sau đó nung
nóng đến 1000C trong môi trường oxy hóa.Việc chọn tỷ lệ hỗn hợp các oxyt
hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung giữ vai trò quan trọng, quyết đònh
chất lượng của Thermistor.
Trong những năm gần đây, các nhiệt kế Thermistor được sử dụng nhiều
vì nó có ưu điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn đònh, kích thước nhỏ, hình
dáng thay đổi dễ dàng khi chế tạo.


Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại:
+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive Thermistor) làm
việc trên nguyên tắc: khi nhiệt độ tăng thì R tăng, loại này cấu tạo từ một
trong những hợp chất sau: Ceramic, Sắt, Titan, Bari…
+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor) làm việc
trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì R giảm. Thành phần chính của loại này
là bột oxyt kim loại Mn, Fe,Ni hoặc các hỗn hợp tinh thể Aluminate Mn
(MnAl2O) , Titanate kẽm (Zn2TiO4).
*Nguyên lý làm việc – Đặc tuyến làm việc:
-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:
R

A

B

C

M
T

O

Vùng A : hệ số nhiệt âm
Vùng B : hệ số nhiệt dương rất lớn
Vùng C : hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở
dễ bò phá hủy.
Điểm M: là điểm điều hành nhiệt điện trở.Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi
cường độ dòng tăng vọt, nhiệt điện trở hoạt động bình thường trong khi chờ
đến nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt và điểm điều hành này thay đổi theo thành
phần các hợp chất cấu tạo Thermistor. Độ biến thiên có thể từ 10% đến 90%
trên độ bách phân.
-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT:
R

O

T

Đặc tuyến của NT có dạng hyperbol do sự thay đổi của chất bán dẫn
theo nhiệt độ.


Trò số của điện trở giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng. Quan hệ này được
biểu diễn bởi hàm:
R(T) = A.eB/T
A : hệ số điện trở phụ thuộc điện trở suất của bán dẫn.
B : hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làm chất bán
dẫn và loại Thermistor.
B = 3000 ->5000 : thermistor đo nhiệt độ thấp
B = 6000 ->13000 : thermistor đo nhiệt độ cao.
Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy của Thermistor càng tăng.Đó là một
ưu điểm của nhiệt kế này.
Phạm vi sử dụng thermistor từ 1000C đến 4000C. Vì là chất bán dẫn nên
khi sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 2000C thì Thermistor phải có bọc chất liệu
nhiệt.
2-Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện (Thermocouple) :
Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt chuyển đổi thành sức điện động để đưa
vào các voltmet chỉ thò bằng kim,bằng vạch sáng hoặc bằng các con số.
*Cấu tạo-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 E T2T1A/B 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 đònh, được biết và dùng làm
chuẩn (T1 = Tref), 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 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 có 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 (Tref) phải biết rõ, tất cả sự không chính xác
của Tref sẽ dẫn đến một sự không chính xác của Tc.


*Hình dạng và nguyên lý làm việc:

Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai 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 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.
-Hình dạng các đầu cặp nhiệt:

Phương pháp hàn đầu mối nối cặp nhiệt thông thường là hàn điện, hàn
hồ quang, hàn C2H2, hàn hóa chất.
Cặp nhiệt loại 1,2,3 : đo ở nhiệt độ <= 1000C.
Cặp nhiệt loại 4,5 : đo ở quán tính nhiệt độ thấp
- Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện:
E = A.  T +B.  T2 +C.  T3
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 điệ n thế này chỉ
phụ thuộc vào tính chất vật liệu cấu tạo dây dẫn và nhiệt độ của chúng.
VM – VN = PTA/B (sức điện động ứng Peltier)
A(T)

M.

.N

B(T)

PTA/B
+ 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 :
PTA/B + PTB/C +PTC/D + PTD/A = 0
A

P=0
B

D
C

- 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 TM , TN :
ETNTMA =

TM

 hA.dT

: sức điện động Thompson

TN

với hA là hệ số Thompson của dây dẫn A, là một hàm của nhiệt độ
oMTM

A

NTNo

TMTN
EA


Nếu hai đầu của một mạch điện được cấu tạo bởi một dây dẫn duy nhất
và đồng cấp, đồng thời có cùng nhiệt độ thì EATMTN = 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):
ET2T1A/B =

PT2A/B

-

PT1A/B

+

T2

 (hA  hB)dT

T1

(T1)

.a

A

.d
B

.b

(T2)

c.

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 = Tref, sức điện
động của cặp nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T2 là nhiệt độ cần xác
đònh.
*Cách sử dụng:
Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây cảm biến
hoặc do sự cấu tạo không đồng nhất của cảm biến làm thay đổi đặc tính nhiệt
điện của cảm biến.
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 tinh 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 bò 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.
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 –500C đến 25000C, nhưng ở nhiệt độ cao thì độ chính xác kém
dần).
Chú ý đến điều kiện sử dụng cặp nhiệt điện:
+Dùng cho lò nung cố đònh, 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 bò ăn mòn: chọn ống bảo vệ bằng sứ hoặc
thép đặc biệt chòu ăn mòn.
*Một số cặp nhiệt điện thông dụng:
-Thermocouple Platin_Rhodium Platin:
Nhiệt độ sử dụng : T = -500C -> 15000C
Đường kính dây : 0,51mm
Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV
Loại 10% Platin : T = 00C -> 6000C , cấp chính xác là +/-2,5%
T = 6000C -> 16000C , cấp chính xác là +/-0,4%
Loại 13% Platin : T = 00C -> 5380C , cấp chính xác là +/-1,4%
T = 5380C -> 15000C , cấp chính xác là +/-0,25%
Loại 30% Platin : T = 00C -> 17000C , cấp chính xác là +/-0,5%
-Thermocouple Wolfram-Rhenium:
Đường kính dây : 0,40mm
Sức điện động Seebeck : E = (0  38,5)mV
Loại Wolfram_Rhenium 5% : T = 00C  27600C
Loại Wolfram_Rhenium 26% : T = 00C  19500C
Chuyên dùng để đo nhiệt độ rất cao.
-Thermocouple Chromel_Alumel:
Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C  12500C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-5,35  50)mV
Cấp chính xác :
T = 00C  4000C là : +/-3%
T = 4000C  12500C là +/-0,75%
-Thermocouple Chromel_Constantan:
Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C  8700C


Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-9,8  66)mV
Cấp chính xác :
T = 00C  4000C là +/-3%
T = 4000C  8700C là +/-0,75%
-Thermocouple Fer_Constantan :
Nhiệt độ sử dụng : T = -2100C  8000C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-8  45)mV
Cấp chính xác :
T = 00C  4000C là +/-3%
T = 4000C  12500C là +/-0,75%
-Thermocouple Cu_Constantan :
Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C  3700C
Đường kính dây : 1,63mm
Sức điện động Seebeck : E = (-6,25  19)mV
Cấp chính xác :
T = -1000C  -400C là +/-2%
T = -400C  1000C là +/-8%
T = 1000C  3500C là +/-0,75%
3-Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học :
Hoả kế quang học là tên gọi chung của các dụng cụ đo nhiệt độ bằng
cách ứng dụng các tính chất của hệ thống thấu kính quang học để thu lấy các
bức xạ của vật thể rồi căn cứ theo độ bức xạ của vật thể để xác đònh nhiệt độ .
a-Nguyên lý cơ bản :
Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiện tượng
bức xạ của các vật thể ở các nhiệt độ cao, trong đó có liên quan đến vai trò
của vật đen tuyệt đối. Đó là một thực thể vật chất có khả năng hấp thu hoàn
toàn tất cả các bức xạ nhận được mà không phóng xạ.
b-Một số dạng của hỏa kế quang học thông dụng :
Hiện nay, trong công nghiệp, người ta dùng rất nhiều loại hỏa kế quang
học như hỏa kế bức xạ, hỏa kế vi sai, hỏa kế đo màu sắc, hỏa kế nhiệt ngẫu…
Nếu hỏa kế tiêu thụ toàn bộ năng lượng của bức xạ toàn phần của vật
thể, đó là hỏa kế bức xạ toàn phần.
Hoả kế quang điện dùng sự so sánh giữa sự phát sáng của dây tóc ngọn
đèn được chế tạo đặc biệt với độ sáng của vật nung nóng và xác đònh chính
xác dây tóc và nhiệt độ.
Hỏa kế quang điện cho kết quả đo không phụ thuộc vào người quan sát
và có thể nối liên mạch với các thiết bò khống chế nhiệt độ tự động.


c-Phạm vi sử dụng:
Phạm vi sử dụng là nhiệt độ của vật cần đo không dưới 8000C. Tất cả
các loại hỏa kế quang học đều có sai số không vượt quá 1%. Tuy nhiên, bảng
chỉ nhiệt trên các hỏa kế chỉ hoàn toàn chính xác với vật đen tuyệt đối (quy
ước có bức xạ bằng 1).Vì vậy, với giá trò thật của nhiệt độ các vật cần đo phụ
thuộc vào mức độ đen của từng chất phát sáng. Hoả kế quang điện là dụng cụ
đo nhiệt độ gián tiếp nên có nhiều thuận lợi, có thể đo từ xa mà không cần
tiếp xúc với vật cần đo.
4-Đo nhiệt độ dùng diode và transistor:
Những thành phần được sử dụng, diode hay transistor Silicium được mắc
như diode (cực nền và cực thu nối chung) được cung cấp theo chiều thuận
dòng điện I không đổi, điện áp V ở hai đầu cực của chúng, tùy thuộc vào nhiệt
độ, điều này có thể xem như tín hiệu điện đi ra từ cảm biến tùy thuộc vào
nhiệt độ.
V

V

I
a)

b)

I

V2

V1

I1

Vd
c)

I2

Các thành phần được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ:
a)diode
b)Transistor mắc thành diode
c)Hai Transistor giống nhau được mắc như diode
Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của mối nối p-n đối với nhiệt độ
để chế tạo ra các diode và transistor chuyên dùng, làm cầu cảm biến nhiệt
trong đo lường và khống chế nhiệt độ.
*Sơ đồ mạch cảm biến dùng transistor:
Trong đó:
T1 : transistor cảm biến kết hợp với R1 làm cầu phân cực, nhiệt
độ thay đổi ảnh hưởng đến mối nối BE của T1.
IC1 : làm mạch khuếch đại tín hiệu đầu vào.
IC2 : khuếch đại đảo.
R5, R6 :dùng để hiệu chỉnh mạch.
Ở nhiệt độ khoảng 00C ,dòng qua R4 bằng dòng qua R5 và R6. Ở nhiệt
độ cao, dòng qua R4 nhỏ hơn dòng qua R5, R6. Lúc này ngõ ra của IC1 giảm
xuống làm dòng qua R4, R5 giảm theo,làm sụt áp tại ngõ vào của IC2. IC2
mắc theo mạch khuếch đại đảo, hệ số khuếch đại bằng 1 nên tại ngõ ra của


IC2 có một điện áp đúng bằng điện áp đầu vào nhưng ngược dấu.Điện áp này
được hiển thò bằng đồng hồ chỉ thò.
*Sơ đồ mạch cảm biến dùng diode :

Trong đó:
R1 : phân cực cho dòng chạy qua diode.
IC1 : dùng khuếch đại đảo, hệ số khuếch đại bằng 1, bù trừ điện
áp DC của diode cảm biến D.
IC2 : khuếch đại không đảo, hệ số khuếch đại bằng 5.
Nguyên lý hoạt động được dùng tương tự như mạch dùng transistor cảm
biến.
4-Đo nhiệt độ bằng IC:
*Giới thiệu:
Kỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo được những mạch kết nối gồm
những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biến hoàn hảo đo nhiệt
độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp VBE dưới tác động của nhiệt độ .Các
cảm biến này tạo ra các dòng điện hặc điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối,với
độ tuyến tính cao; nó có điều lợi là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt
động giới hạn chỉ trong khoảng –500C đến 1500C.
*Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ:
Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới
dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán
dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt
đối. Đo tín hiệu điện, ta biết được giá trò của nhiệt độ cần đo.


Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất
bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di
chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống
nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm
mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng
thuận của mối nối p-n (trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo
nhiệt độ.
Ví dụ khảo sát cảm biến IC AD590. Cảm biến này tạo ra một dòng điện
thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng đo nhiệt độ trong
trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa.
+Sơ đồ nguyên lý IC AD590:

Các transistor Q3 và Q4 có cùng điện áp VBE và có dòng cực phát giống
nhau và bằng:
IE3 = IE4 =IT /2
Dòng điện này đi qua Q4 cũng chính là dòng điện cực phát của Q1 ,nó
xác đònh điện áp nền-phát là:
VBE1 = (KT/q).log(IT / 2Io)
Với
K : hằng số Boltzmann
T : 0K
q: điện tích
Io : dòng điện nghòch (thông thường Io << IT) khi phân cực thuận.
Dòng điện IT /2 đi qua Q3, qua Q2 có điện áp nền-phát là :
VBE2 = (KT/q).log(IT /16Io)
Thực tế Q2 gồm 8 transistor giống Q1, mỗi transistor có dòng điện IT /16


Sự sai biệt điện áp giữa VBE1 và VBE2, xuất hiện ở hai đầu điện trở R có
dòng điện IT/2 chạy qua là:
VBE1 – VBE2 = (KT/q).log8 = R.IT/2
=>IT = (2/R).(KT/q).log8
*Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng IC AD590:
(VIN) ngõ vào
Eref=2,5V

IT

10k

AD590

200
IT

1k
0,1%

AD580

1k
R

10k

+
G=10
(Vout)
10mV/0C Ngõ ra

Dòng điện IT tạo nên ở hai đầu điện trở R = 1K một điện áp có trò số
bằng TmV(T là nhiệt độ tuyệt đối của cảm biến).
Nguồn điện áp chuẩn do IC AD580L có Eref = 2,5V và nhờ mạch phân
áp tạo ra điện áp có giá trò khoảng 273,15mV với bộ khuếch đại có độ lợi G
= 10, ở ngõ ra tín hiệu Vo tỉ lệ với nhiệt độ của cảm biến (theo 0C):
Vo = 10(T – 273,15)mV = 10(T0C) (mV)
*Đặc tính một số IC đo nhiệt độ thông dụng:
-AD 590:
 Ngõ ra là dòng điện.
 Độ nhạy 1A/0K
 Độ chính xác : +4C
 Nguồn cung cấp : Vcc = 4V  30V
 Phạm vi sử dụng : -550C  1500C
-LX5700:
 Ngõ ra là điện áp
 Độ nhạy : -10mV/0C
 Độ chính xác : 3,8K
 Độ tuyến tính :>= 1K
 Phạm vi sử dụng : -550C  1500C
 Loại này ít sử dụng vì độ chính xác thấp.
-LM135, LM235, LM335:
 Ngõ ra là điện áp.
 Độ nhạy : 10mV/0C




Dòng làm việc : 400A  500A : không thay đổi đặc



LM135 có sai số cực đại là 1,50C khi nhiệt độ lớn hơn

tính.
1000C.
Phạm vi sử dụng:
LM335 : -100C  1250C
LM235 : -400C  1400C
LM135 : -550C  2000C
LM35 : -550C  1500C
- LM134, LM234, LM334:
 Ngõ ra là dòng điện.
 Làm việc với khoảng điện áp rộng : từ 1V  40V
- LM134-3, LM134-6:

Tầm nhiệt sử dụng : -500C  1250C.

Độ chính xác : +3C
- LM234-3, LM234-6:

Tầm nhiệt sử dụng : -250C  1000C.

Độ chính xác cao : +6C.


III-GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ:
Về mạch điện đo nhiệt độ rất đa dạng phong phú, từ mạch đo chỉ thò
bằng đồng hồ microampe đến mạch đo chỉ thò số, cũng như bộ chuyển đổi
mạch cũng rất đa dạng.
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn các loại cảm
biến ,các mạch chuyển đổi, chỉ thò cho phù hợp.
1-Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt trở:
Sơ đồ nguyên lý như sau:


Mạch điện sử dụng một nhiệt điện trở đưa vào trong nhánh của cầu
Wheatston kéo trực tiếp Ampe kế và không thông qua transistor để chỉ thò
nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm cho điện trở của nhiệt trở thay đổi, làm
thay đổi mức điện áp ngõ ra do đó làm thay đổi dòng dẫn của transistor.
Trong mạch này thì :
R1,R2,R3,R6 : tạo thành cầu Wheatston.
R4 : phân cực ổn đònh dòng.
R5 : biến trở thay đổi tải ,điều chỉnh dòng qua mA kế.
R3 : biến trở chỉnh 0 (lúc cầu cân bằng)
Cũng có thể dùng mạch này để điều khiển nhiệt độ nếu thay thế
microampe bằng mạch khuếch đại và bộ phận Relay.
2-Đo nhiệt độ bằng sự bù tiếp giáp cho cặp nhiệt kiểu K:

Mạch này nêu ra AD590 được kết nối để bù nhiệt cho cặp nhiệt kiểu K.
Các tiếp giáp quy chiếu phải có tiếp xúc nhiệt sát với vỏ thiết bò AD590.
V+ phải ít nhất 4V và dòng điện ICL8069 phải được xác lập ở 1 đến
2mA, sự chuẩn hóa không yêu cầu nối ngắn mạch hoặc tháo cặp nhiệt.
Điều chỉnh R1 sao cho V2 = 10,98mV. Nếu cần các đo đạc chính xác
cao, điều chỉnh R2 đến hệ số Seebeck chính xác cho cặp nhiệt được sử dụng,
sau đó ghi lại V1 và xác lập R1 để tăng điện áp này (tức là xác lập V2 =V1).
Đối với các kiểu cặp nhiệt khác thì điều chỉnh các giá trò tương ứng hệ số
Seebeck.


3-Nhiệt kế dựa trên transistor:

Các transistor cảm biến có thể là bất kỳ loại NPN nào : 2N2222, 3904.
Mạch này cung cấp điện áp ra 0  10V tương ứng 00C  1000C ở
transistor cảm biến Q2 .Độ chính xác là +/-10C. Không cần phải chuẩn hóa,
loại NPN tín hiệu nhỏ thông dụng bất kỳ đều có thể được dùng làm bộ cảm
biến.Yêu cầu chuẩn hoá bò loại bỏ do Q1 vận hành như một nguồn dòng điện
giá trò-được chuyển mạch, thay đổi giữa khoảng 10 và 100A khi LTC1043
chuyển đổi giữa các chân 12 và 14. Hai giá trò dòng đện này không quan
trọng khi tỷ suất đó giữ không đổi.


IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ:
Mục đích của mạch khống chế nhiệt độ là giữ nhiệt độ ở môi trường cần
nung nóngở một nhiệt độ nhất đònh.Vì vậy ta cần sử dụng một số mạch để
khống chế, thực hiện yêu cầu của người sử dụng.
Nguyên lý của mạch khống chế là dùng phương pháp so sánh điện áp, ta
sử dụng mạch khuếch đại thuật toán. Mạch làm việc theo nguyên lý sau:
Cho vào đầu không đảo (+) của OPAMP một điện áp chuẩn, điện áp
chuẩn này được tính toán trước để tương ứng với một tỷ lệ nhiệt độ nhất đònh;
điện áp từ bộ cảm biến được đưa đến đầu vào đảo (-) của OPAMP:

Khi điện áp từ bộ khuếch đại cảm biến lớn hơn điện áp chuẩn, mạch sẽ
tác động cắt nguồn nhiệt.
1-Mạch khống chế ngưỡng nhiệt dưới và ngưỡng nhiệt trên :


Qua sơ đồ mạch nguyên lý trên cho phép ta khống chế nhiệt giữa hai
ngưỡng dưới và trên trong mạch sử dụng cảm biến Thermistor TH1.
Phần mạch bên trái Thermistor là mạch khống chế nhiệt dưới, phần bên
phải là mạch khống chế nhiệt trên.
Điện áp phân cực tónh cho hai OPAMP lấy từ mạch phân áp giữa biến
trở R1 và Thermistor TH1 để đưa đến đầu vào đảo và không đảo của hai
OPAMP.
+Nguyên lý làm việc của mạch:
-Khi nhiệt độ tăng cao làm cho nội trở của TH1 giảm mạnh, với sự thay
đổi điện áp so sánh giữa hai đầu vào của OPAMP và so sánh với một điện áp
chuẩn tương ứng với một nhiệt độ đã đònh trước, điều khiển ngõ ra của
OPAMP để đóng mở Relay. Từ đó điều khiển đóng hay mở nguồn nhiệt.
Giả sử nhiệt độ tăng quá mức ngưỡng trên, nội trở TH1 giảm làm cho
ngõ ra của OPAMP2 ở mức thấp làm Q2 dẫn, Relay 2 hút làm ngắn mạch
tải.Trong lúc đó OPAMP1 chuyển qua bão hòa dương làm Q1 ngắt, Relay1
nhả, thông mạch tải.
-Khi nhiệt độ giảm quá mức ngưỡng dưới, nội trở TH1 tăng làm cho ngõ
ra của OPAMP2 ở mức cao làm Q2 ngắt, Relay2 nhả, thông mạch tải; còn
ngõ ra của OPAMP1 ở mức thấp làm Q1 dẫn, Relay1 hút làm ngắn mạch tải .
Điểm cần chú ý trong mạch này là các OPAMP chuyển trạng thái với độ
nhạy rất cao của áp vi sai ở đầu vào khoảng vài trăm V. Với áp phân cực
tónh ở đầu vào là 6V nên áp vi sai thay đổi khoảng 200V tương ứng với mức
0,1%. Như vậy đòi hỏi sai số trong nhánh cầu cũng ở mức 0,01%. Với các sai
số nhỏ của TH1 như vậy nên độ nhạy của nó rất cao. Trong thực tế độ nhạy
chính xác đóng ngắt mạch cỡ 0,5% với nhiệt độ trong phòng.
2-Mạch khống chế quá nhiệt dùng diode Silic:
Trong một số trường hợp cần khống chế mức nhiệt độ quá thấp mà các
nhiệt trở thông thường không đáp ứng được. Hơn nữa ở nhiệt độ thấp, do
công suất tiêu tán trên nhiệt trở lại biến thành nhiệt nên giảm đi độ chính xác
của mạch.


Vì vậy để giải quyết, người ta dùng diode Si làm phần tử cảm biến:

Khi có dòng bằng hay lớn hơn 1mA chạy qua diode D1 thì điện áp thuận
của nó khoảng 600mV. Giá trò điện áp thuận lại phụ thuộc vào nhiệt độ, có
trò số nhiệt âm khoảng –2mV/0C. Với dòng thuận 1mA, công suất tiêu tán chỉ
bằng 600mW nên hiệu ứng tỏa nhiệt do nung nóng không đáng kể.
Điện áp phân cực cho hai đầu OPAMP được ổn đònh bằng diode Zener
5,6V. Diode D1 dùng làm phần tử cảm biến nhiệt, biến trở R3 dùng để chỉnh
cầu cân bằng cho áp vi sai bằng 0.
Nếu nhiệt độ môi trường tăng quá ngưỡng, nội trở của D1 giảm,
OPAMP chuyển sang trạng thái bão hòa âm, làm Q1 dẫn, Relay có điện. Nếu
nhiệt độ giảm dưới mức ngưỡng, nội trở D1 tăng, OPAMP chuyển sang trạng
thái bão hòa dương, làm Q1 ngưng dẫn, ngắt Relay.
Như vậy mạch chỉ làm việc để Relay ngắt nguồn khi nhiệt độ môi
trường quá ngưỡng trên.
3-Công tắc quá nhiệt chính xác:


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×