BÁO cáo bài tập dài đề tài đo NHIỆT độ BẰNG PT100, dải đo 650 ºc

lOMoARcPSD|9242611 BÁO CÁO BÀI TẬP DÀI ĐỀ TÀI: ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG PT100, DẢI ĐO 650 ºC MÔN: Kỹ thuật cảm biến GVHD: thầy Đào Đức Thịnh Nhóm SV: Nguyễn Đình Khánh - 20181549 Nguyễn Đăng Tuấn - 20186314 Lê Đức Anh - 20181319 Lời cảm ơn: Trong trình làm tập lớn, nhóm em hướng dẫn của thầy Đào Đức Thịnh Song kết đạt cịn nhiều thiếu sót mong nhận góp ý chân thành từ thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn lOMoARcPSD|9242611 Khái quát Pt100 1.1 Định nghĩa Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa nhiệt điện trở bạch kim Vì Bạch kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt loại kim loại khác nên chúng sử dụng rộng rãi nhiệt điện trở Pt100 đầu dò cảm biến nhiệt bên có lõi làm Bạch kim Bên ngồi có bọc số lớp bảo vệ cho phần lõi bên truyền nhiệt tốt cho phần lõi 1.2 Cấu tạo Pt100 Hình 1: Cấu tạo Pt100 Cấu tạo PT100 khơng phải hồn tồn Bạch kim Việc chế tạo Bạch kim tốn cho thiết bị đo thơng dụng Vì có thành phần cảm biến nhiệt thật Bạch kim Nhằm giảm thiều chi phí sản suất thành phần khác Pt-100 làm thép không gỉ, đồng, chất bán dẫn, thủy tinh siêu mỏng… 1.3 Nguyên lý hoạt động Pt100 Nguyên lý hoạt động PT100 đơn giản dựa mối quan hệ mật thiết kim loại nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện trở kim loại tăng Bạch kim tương tự lOMoARcPSD|9242611 Theo tiêu chuẩn nhiệt độ 0ºC điện trở PT100 100Ω 1.4 Đặc điểm Pt100 Giá trị điện trở PT100 tính theo công thức:    PT100 sử dụng rộng rãi thực tế lí sau:  Có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99,99%) tăng độ xác tính chất điện  Có tính trơ mặt hố học tính ổn định cấu trúc tinh thể cao đảm bảo tính ổn định cao đặc tính dẫn điện q trình sử dụng  Hệ số nhiệt điện trở 0ºC 3,9.10-3/ ºC  Điện trở 100ºC lớn gấp 1,385 lần so với 0ºC  Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -200ºC ÷ 1000ºC  Có quan hệ điện trở nhiệt độ gần tuyến tính hệ số tăng nhiệt độ điện trở đủ lớn việc lấy kết đo dễ dàng lOMoARcPSD|9242611 Hình Độ tuyến tính điện trở Bạch kim theo nhiệt độ 1.5 Chọn cảm biến thương mại Cảm biến nhiệt độ Vikorsensor Cảm biến nhiệt độ gọi cảm biến nhiệt điện trở, RDT hay PT100 Với cảm biến nhiệt độ PT100, chúng thường có ba dây, dây nguồn, hai dây chung màu, dây khác màu Ngồi cịn có loại hai dây bốn dây Với loại cảm biến nhiệt độ RDT, thông thường chúng có dây, dây dây RDT Loại dây xác nhất, dùng nhà máy dược, thực phẩm Thông số kỹ thuật:      Thương hiệu Hàn Quốc, sản xuất Hàn Quốc Nhiệt độ: -200~400°C -200~650 độ C Vật liệu: SS304, SS316, Ceramic, Teflon, Polyimid (tùy chọn) Đường kính: Phi 6.4mm, 8mm, 10mm, 12.7mm… (tùy chọn ) Chiều dài: 50mm, 60mm, 100mm, 300mm, 400mm, 700mm, 1200mm… (tùy chọn) Cấu tạo cảm biến đo nhiệt độ: lOMoARcPSD|9242611 Cấu tạo từ kim loại Platinum, quấn tùy theo hình dáng đầu dị nhiệt có giá trị điện trở 0*C 100 Ω Hình ảnh cảm biến nhiệt độ: Hình Hình ảnh Pt100 hãng Vikorsensor Thiết kế mạch đo 2.1 Sơ đồ khối lOMoARcPSD|9242611 Điện áp sau mạch cầu Pt100 phân áp cho IC7107 hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng Tín hiệu tương tự từ mạch phân áp đưa vào IC7107 Tại đây, IC7107 thực việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số sau hiển thị trực tiếp ½ lên LED 2.2 Tính tốn thiết kế 2.2.1 Mạch đo cảm biến phân áp Khảo sát nhiệt độ cần đo thuộc dải từ đến 650°C a Mạch đo Mạch cầu lOMoARcPSD|9242611 Hình Mạch cầu Wheastone cho Pt100 Khi nhiệt độ t thay đổi, Rt thay đổi từ mạch cầu ta tìm được:  Độ lệch áp hàm theo độ thay đổi nhiệt đọ (do so với 0°C nên nhiệt độ cần đo).α  Sử dụng Pt100 loại dây bù nhiệt độ, t = 0°C Pt100 có Ω  Là giá trị điện trở dây dẫn, Ω (dây dẫn dài 100 feet)  Mạch cầu có giá trị Ω, điện áp cấp Vc = 5V Các dịng nên: ; Lại có: Ω (1/K) độ nhạy Suy ra: (1) (2) Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ) Các điện áp , qua khối khuếch đại vi sai mạch đo lOMoARcPSD|9242611 Suy ra: Chọn: kΩ Suy ra: Kết hợp với (1) (2) ta được: Thay giá trị vào ta được: (V) Tại: t = 0°C, = 0V t = 650°C, = 1,34V Coi tuyến tính theo t nên = 0.002t (V) b Mạch phân áp Sau qua mạch đo, điện áp đầu V3 phân áp để hiển thị số nhiệt độ đo Coi V3 tuyến tính theo t V3 = 0,002t (V) Khi t 1,34V = Để hiển thị điện áp V4 IC7107 phải hiển thị số phẩy) Do đó, 200k, R9 = 650°C, = số 650, đưa vào 0,065V( sau dấu chọn R8 = 10k lOMoARcPSD|9242611 2.2.2 ADC hiển thị a Tổng quan chuyển đổi tương tự-số (ADC) Các chuyển đổi tương tự- số, viết tắt ADC thực hai chức lượng tử hóa mã hóa Lượng tử hóa gán cho mã nhị phân cho giá trị rời rạc sinh trình lượng tử hóa b Tổng quan chuyển đổi tín hiệu tương tự - số Biến đổi tương tự – số (analog – digital) thành phần cần thiết việc xử lý thông tin cách điều khiển sử dụng phương pháp số Tín hiệu thực Analog Một hệ thống tiếp nhận liệu phải có phận giao tiếp Analog – Digital (A/D) Các chuyển đổi tương tự số, viết tắt ADC thực hai chức lượng tử hóa mã hóa Lượng tử hóa gán cho mã nhị phân cho giá trị rời rạc sinh q trình lượng tử hóa  Quan hệ In – Out: lOMoARcPSD|9242611 Biến đổi AD có tính chất tỉ lệ Tín hiệu vào Analog biến đổi thành phân số X cách so sánh với tín hiệu tham chiếu Vref Đầu ADC mã phân số Bất kỳ sai số tín hiệu Vref dẫn đến sai số mức ra, người ta cố gắn giữ cho Vref ổn định tốt Hình Quan hệ vào khối ADC Nếu ADC xuất mã gồm n bit số mức rời rạc 2n Đối quan hệ tuyến tính, tần vào lượng tử hóa theo mức Mỗi mức tín hiệu Analog phân biệt với hai mã nhau, kích thước LSB (Least Significant Bit) Q = LSB =  Trong Q: Lượng tử  LSB: Bit có trọng số thấp  FS: Giá trị toàn thang FS 2n lOMoARcPSD|9242611 Hình Quan hệ vào Tất giá trị Analog lượng tử Q biểu diễn mã số, mà mã tương ứng với giá trị trung bình lượng tử (có thể hiểu khoảng LSB) gọi mức ngưỡng Các giá trị Analog nằm khoảng từ mức ngưỡng sai biệt ± ½ LSB thể mã, sai số lượng tử hóa Sai số giảm cách tăng số bit mã ADC  Độ phân giải Là giá trị biến đổi nhỏ tín hiệu vào yêu cầu để thay đổi mã lên mức Độ phân giải đưa với giả thiết lý tưởng  Độ xác Sự sai biệt giá trị điện áp tín hiệu vào so với giá trị FS tương đương với mã xuất Thường có ghi đặc tính ADC thương mại  ADC Tùy theo công nghệ chế tạo mà ADC có đầu vào đơn cực hay lưỡng cực, đa số nằm khoảng 0…5V 0…10V đơn cực -5…+5V –10V…+10V ADC lưỡng cực Tín hiệu vào cần phù hợp với tầm vào xác định cho lOMoARcPSD|9242611 ADC Nếu đầu vào không hết thang tạo mã vô dụng đầu Vấn đề giải cách chọn tầm đầu vào ADC sau chỉnh độ lợi thích hợp cho đầu vào nguồn Analog Khi sử dụng ADC đơn cực mà có tín hiệu vào lưỡng cực khoảng ±Vpp ta cần phải cộng điện áp vào Vi với điện áp +Vpp, ta có Vi nằm khoảng +2Vpp; tín hiệu đưa tới đầu vào ADC Nếu sử dụng ADC lưỡng cực khơng cần cộng tín hiệu đầu ta nhận mã lưỡng cực  Đầu ADC Đa số ADC có đầu Bits, 16 Bits … dù có loại 3½ Digit, mã BCD, 10 Bits, 14 Bits Đầu ADC thường mã nhị phân tự nhiên có dấu ADC dùng cho máy đo thị số đa dụng thường mã BCD Hình Các ngõ vào, ADC Hình vẽ cho thấy đầu vào đầu ADC Mọi ADC yêu cầu có tín hiệu Vr Bất kỳ sai số Vr gây lỗi độ lợi đặc tính AD Vì Vr tín hiệu đảm bảo độ xác ổn định AD Dùng IC ổn áp thỏa mãn điều  Tín hiệu điều khiển Mọi ADC có tính xung Clock tín hiệu điều khiển để hoạt động Thiết bị giao tiếp với ADC khởi động trình AD cách phát xung Start vào đầu vào Start ADC, ADC nhận biết cạnh lên xung Start sau kéo đường EOC (End of Conversion) xuống thấp (khơng tích cực) Lúc ADC thực q trình biến đổi, tương ứng với xung Clock đưa vào ADC thực bước biến đổi, sau bước định tùy theo ADC, q trình biến đổi hồn thành Khi biến đổi xong, AD nâng đường EOC lên mức cao, tín hiệu Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 dùng để kích ngắt cứng máy tính (nếu dùng giao tiếp với máy tính) Để đọc liệu đầu ADC phải nâng đường OE (Output Enable) ADC lên mức cao, sau đọc xong lại trả đường mức thấp c Lựa chọn ADC Theo u cầu tốn nhóm chúng em chọn IC ADC ICL7107 ADC tích phân hai độ dốc Hình IC7107 Kỹ thuật thấy rõ sơ đồ khối Ta thấy điện áp vào tích phân khoảng thời gian t1, lúc đếm đếm hết Tại cuối t1, đếm reset tích phân chuyển qua mức tham chiếu âm, đầu tích phân giảm tuyến tính đếm ngưng đếm reset Điện áp nạp tụ khoảng thời gian t gần điện tích xả khoảng thời gian t2 Kỹ thuật có số ưu điểm, chất lượng khử ổn Tín hiệu vào tích phân qua chu kỳ, mức ồn có số bội số 1/t1 bị loại Tần số thấp nhược diểm phương pháp Phương pháp thường dùng cho đồng hồ số, máy đo đa thị, cảm biến nhiệt độ ứng dụng có u cầu khơng cao tần số lấy mẫu Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Hình Sơ đồ khối phương pháp ADC hàm dốc tuyến tính ICL7107 có trở kháng đầu vào cao không yêu cầu mạch điều khiển thị bên ngồi Các thành phần tích cực bo mạch bao gồm trình điều khiển phân cực số, giải mã phân đoạn, tham chiếu điện áp mạch đồng hồ ICL7106 điều khiển trực tiếp hình tinh thể lỏng (LCD) không phân kênh, ICL7107 điều khiển trực tiếp hình điốt phát quang cực dương (LED) chung Các thơng số chính: - Điện áp hoạt động: 5V - Điện áp chân Analog: 2.4V ~ 3.2V - Dải nhiệt độ: 0*C to 70*C - Dòng điện chờ: 1.0 ~ 1.8mA - Kiểu chân: DIP 40 - Tần số hoạt động: >=48kHz d Hiển thị Nguyên lý hiển thị LED ½ ICL7107 thể hình dưới, điện áp đo chuyển đổi thành số tương ứng ADC bên IC sau giải mã dạng để hiển thị Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 e Nguồn Mạch ổn áp 5V dùng IC LM7805: • Điện áp vào: 24V AC lấy điện áp từ cuộn thứ cấp MBA • Điện áp ra: 5V DC • Dịng cực đại trì: 1A Hình 10 Sơ đồ khối nguồn f Nguồn Ref Với dải đo 200mV, Ic7107 dùng nguồn tham chiếu 0.1V Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Nhóm thiêt kế theo hướng dẫn nhà sản xuất với thông số mạch phân áp từ nguồn 5V R4= 1k Ω R1= 24k Ω Hình 11 Các thơng số linh kiện theo hãng 2.2.3 Mạch nguyên lý chung Hình 12 Mạch nguyên lý chung Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) ... số nhiệt điện trở 0ºC 3,9.10-3/ ºC  Điện trở 10 0ºC lớn gấp 1,385 lần so với 0ºC  Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -20 0ºC ÷ 100 0ºC  Có quan hệ điện trở nhiệt độ gần tuyến tính hệ số tăng nhiệt độ. .. việc lấy kết đo dễ dàng lOMoARcPSD|9242611 Hình Độ tuyến tính điện trở Bạch kim theo nhiệt độ 1.5 Chọn cảm biến thương mại Cảm biến nhiệt độ Vikorsensor Cảm biến nhiệt độ gọi cảm biến nhiệt điện... thiết kế 2.2.1 Mạch đo cảm biến phân áp Khảo sát nhiệt độ cần đo thuộc dải từ đến 650? ?C a Mạch đo Mạch cầu lOMoARcPSD|9242611 Hình Mạch cầu Wheastone cho Pt100 Khi nhiệt độ t thay đổi, Rt thay