Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các cảm biến được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo.
Trang 1Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao Ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếpxúc nghĩa là các cảm biến được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo.
- Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi 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 kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thườngdùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài.
- 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 làvật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng bằng mật độ phổ E nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một dơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức :
1)/(251
Trang 2Trong đó : C1, C2 – hằng số, - độ dài sóng, T – nhiệt độ tuyệt đối C1=37,03.10-17 Jm2/s; C2=1,432.10-2 m.độ.
1.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ1.2.1 Nhiệt điện trở
Nguyên lý hoạt động của các loại nhiệt điện trở chủ yếu là dựa trên sự thay đổi giá trị điện trở của các loại vật liệu dẫn điện và bán dẫn khi có sự thay đổi nhiệt độ của chúng Chính vì vậy mà người ta sử dụng nhiệt điện trở làm phần tử cảm biến nhiệt độ; tuy nhiên tùy theo yêu cầu sử dụng mà người ta có thể dùng nhiệt điện trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn.
1 Nhiệt điện trở kim loại
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì việc chế tạo nó thích hợp hơn cả là sử dụng các kim loại nguyên chất như: platin, đồng, niken Để tăng độ nhạy cảm nên sử dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt Tuy nhiên tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta có thể sử dụng nhiệt điện trở loại này hay khác Cụ thể: nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn bằng đồng thường làm việc trong khoảng nhiệt độ từ -500¸+1500C với hệ số nhiệt điện trở
a=4,27.10-3; Nhiệt điện trở từ dây dẫn platin mảnh làm việc trong khoảng nhiệt độ -1900¸ +6500C với a=3,968.10-3
; Nhưng khi làm việc ngắn hạn, cũng như khi đặt điện trở nhiệt trong chân không hoặc khí trung tính thì nhiệt độ làm việc lớn nhất của nó có thể còn cao hơn.
Cấu trúc của nhiệt điện trở kim loại bao gồm: dây dẫn mảnh kép đôi quấn trên khung cách điện tạo thành phần tử nhạy cảm, nó được đặt trong chiếc vỏ đặc biệt có các cực đưa ra Giá trị điện trở nhiệt được chế tạo từ 10¸100W.
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ có dạng sau:
R(q) = R0(1+a.q +b.q 2+g.q 3+ )
Trong đó : R0 -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ ban đầu 00C.
Trang 3Rq -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ q q -nhiệt độ [0C]
a,b,g -các hệ số nhiệt điện trở = const
Để thấy rõ hơn nữa về bản chất của nhiệt điện trở kim loại, chúng ta có thể xem qua điện trở suất của nó được tính theo công thức :
Trong đó: n- -số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích e -điện tích của điện tử tự do.
m- -tính linh hoạt của điện tử, được đặc trưng bởi tốc độ của nó
trong trường có cường độ 1vôn/cm.
Các kim loại dùng làm điện trở nhiệt thường có điện trở suất nhỏ r » 10-5¸10-6 W/cm, và có mật độ điện tử lớn (không phụ thuộc vào nhiệt độ) Khi nhiệt độ tăng r phụ thuộc vào sự dao động của mạng tinh thể kim loại, tức là nó được xác định bởi tính linh hoạt của các điện tử Như vậy khi có sự thay đổi nhiệt độ thì cũng làm cho tính linh hoạt của các điện tử thay đổi theo Tuy nhiên tính linh
Hình1.1 Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vôn_ampecủa nhiệt điện trở kim loại (b).
platinR
Trang 4điện trở suất của kim loại nguyên chất có thể xác định theo dạng: r = r0 + r(q), trong đó r0 không phụ thuộc vào nhiệt độ; còn r(q) là một hàm phụ thuộc khôngcố định: ứng với nhiệt độ trong khoảng nào đó thì nó là tuyến tính r(q) = K.q, nhưng ứng với nhiệt độ rất thấp (» 00C) thì quan hệ đó là hàm bậc năm của nhiệt độ Trên hình 1.1.a biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ, hình 1.1.b là dạng đặc tính vôn-ampe của nhiệt điện trở kim loại.
Độ nhạy cảm của nhiệt điện trở được xác định theo biểu thức: θ ΔΔθR
S» Trong đó: DR -sự thay đổi điện trở khi có sự thay đổi nhiệt độ Dq Việc sử dụng nhiệt điện trở kim loại để đo nhiệt độ cao rất tin cậy, đảm bảo độ chính xác cao đến 0,0010C và sai số đo không quá 0,5 đến 1%; Tuy nhiên khi đó dòng tải qua nó có giá trị không lớn lắm Nếu như có dòng điện lớn luôn chạy qua nhiệt điện trở, thì sự quá nhiệt của nó sẽ lớn hơn rất nhiều so với môi trường xung quanh Khi đó độ quá nhiệt xác lập sẽ được xác định bởi điều kiện truyền nhiệt trên bề mặt của nhiệt điện trở (tốc độ chuyển động của môi trường cần kiểm tra so với nhiệt điện trở, và tỷ trọng của môi trường đó) Hiện tượng này được sử dụng để đo tốc độ thông lượng (dòng chảy) của chất lỏng và khí, cũng như để đo tỷ trọng của khí Bên cạnh ưu điểm trên thì bản thân nhiệt điện trở kim loại có những nhược điểm sau:
Thứ nhất nó là khâu phi chu kỳ được mô tả bằng phương trình vi phân bậcnhất đơn giản
Trang 5Nhiệt điện trở được chế tạo từ vật liệu bán dẫn được gọi là termistor; Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển.Termistor được chế tạo từ hợp kim của đồng - măng gan hoặc cô ban - măng gandưới dạng thỏi, đĩa tròn hoặc hình cầu Loại này hoàn toàn trái ngược với nhiệt điện trở kim loại: khi nhiệt độ tăng thì điện trở của nó lại giảm theo quy luật:
R(q) = R0.e-aq = R0(1- aq +
α- ) (1.7)
Trong đó hệ số nhiệt điện trở của termistor thường có giá trị
a = (0,03 ¸ 0,06)
termistor cũng cóhai đặc tính: Đặc tính nhiệt là quanhệ giữa điện trở của termistor với nhiệt độ (hình 1.2.a) và đặc tính vôn - ampe là quan hệ giữa điện áp đặt trên termistor với dòng điện chạy qua nó ứng với nhiệt độ nào đó q0(hình 1.2.b) Chúng ta thấy rằng đặc tính vôn - ampe của termistor có giá trị cực đại của U ứng với I1 nào đó, là do khi tăng dòng lớn hơn I1 thì nó sẽ nung nóng termistor và làm cho giá trị điện trở của nó giảm xuống
q03 > q02 > q01
q01
q02
q03
0 IR [W]
12001000 800 600 400 200
0 20 40 60 80 100 q°Cb)a)
Hình 1.2 Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vôn - ampe (b) của nhiệt điện trở bán dẫn.
Trang 6Các loại termistor thường được chế tạo từ vài chục W đến vài chục KW Termistor có điện trở lớn cho phép đặt nó ở
vị trí cần kiểm tra khá xa so với nơi bố trí hệthống đo lường Chúng có thể làm việc trongkhoảng nhiệt độ từ –600C đến +1800C, vàcho phép đo nhiệt độ với độ chính xác0,00050C Để sử dụng termistor ở nhiệt độlớn hơn, hoặc nhỏ hơn khoảng nhiệt độ làmviệc bình thường thì người ta phải sử dụngđến các tổ hợp chất bán dẫn khác So vớiđiện trở nhiệt kim loại thì termistor có kích
thước và trọng lượng nhỏ hơn, do đó cho phép chúng ta đặt nó ở những nơi chật hẹp để kiểm tra nhiệt độ của đối tượng nào đó.
1.2.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu
Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là một mạch có từ hai hay nhiều thanh dẫn điện gồm hai dây dẫn A và
B Chỗ nối giữa hai thanhkim loại này được hàn vớinhau Nếu nhiệt độ các mốihàn t và t0 khác nhau thìtrong mạch khép kín có mộtdòng điện chạy qua Chiềucủa dòng nhiệt điện nàyphụ thuộc vào nhiệt độ
tuơng ứng của mối hàn, nghĩa là t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại Nếu để hở một đầu thì giữa hai cực xuất hiện một sức điện động (sđđ) nhiệt Như vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm được nhiệt độ t của đối tượng đo với t0 =const.
Cách đấu dụng cụ đo vào mạch bộ biến đổi nhiệt điện trên hình 1.4b.+
E_
Trang 71.2.3 Cảm biến quang đo nhiệt độ
Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt Dụng cụ đo nhiệt độ vật thể bằng bức xạ nhiệt được gọi là hoả kế bức xạ hay một cách đơn giản là hoả kế.
Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra các chất do nội năng của chúng (với bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngoài) Ta nhận thấy rằng cường độ bức xạ nhiệt giảm mạnh khi nhiệt độ của vật giảm.
Hoả kế được dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300 - 60000 C và cao hơn Để đo nhiệt độ đến 30000 C phương pháp duy nhất là dùng hoả kế vì nó không phải tiếp xúc với môi trường đo Ta nhận thấy với phương pháp đo không tiếp xúc có tính ưu việt là không làm sai lệch nhiệt của đối tượng đo.
Ngoài ra để đo nhiệt độ người ta còn dùng: Nhiệt kế áp suất, nhiệt kế áp suất khí, nhiệt kế áp suất chất lỏng
Trang 8Chương 2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODUL XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ ĐONHIỆT ĐỘ
2.1 MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ Bao gồm:
2.1.1 Khối nguồn cấp2.1.2 Khối nguồn dòng
Cảm biến nhiệt độ PT100 là cảm biến nhiệt độ dạng điện trở Khi nhiệt độthay đổi, giá trị điện trở của PT100 sẽ thay đổi theo nếu cấp cho PT100 một giátrị dòng điện không đổi thì giá trị điện áp trên cảm biến sẽ được tính theo địnhluật:
U= R I U : Là giá trị điện áp trên hai đầu cảm biến
R : Điện trở của cảm biến tại T0C.
2.1.3 Khối ADC
Các bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thudữ liệu Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lýthì mọi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chấtlỏng), độ ẩm và vận tốc và một số ít những đại lượng vật lý của thế giới thực màta gặp hằng ngày Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện ápqua một thiết bị được gọi là các bộ biến đổi Các bộ biến đổi cũng có thể coi nhưcác bộ cảm biến Mặc dù chỉ có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sángvà nhiều đại lượng tự nhiên khác nhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dạng dòngđiện hoặc điên áp ở dạng liên tục Do vậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự sốsao cho bộ vi điều khiển có thể đọc được chúng Một chip ADC được sử dụngrộng rãi là ADC0804.
2.1.4 Khối khuếch đại
Vì tín hiệu điện áp ra có biên độ nhỏ, do vậy ta cần có bộ khuếch đại
Trang 92.1.5 Khối hiển thị
Trong mạch sử dụng khối hiển bằng led 7 đoạn.
-Bộ phận hiển thị gồm 4 LED 7 đoạn anod chung Vì các vi xử lí xử lí
các dữ liệu là số nhị phân (1,0 ) nên cần có sự giãi mã từ số nhị phân sang sốthập phân Sự giải mã có thể dùng giải mã bằng phần cứng (IC giải mã) Tuynhiên với phần mềm quét LED người ta có thể giảm bớt được các IC giải mãgiảm giá thành của mạch điện Nhưng để kết nối với mạch hiển thị phải cầncó IC giao tiếp vào ra vì các port của 8051 đã dùng cho mục đích khác 8255là IC giao tiếp vào ra song song thông dụng và có thể điều khiển được bằngphần mềm nên em sử dụng 8255 để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (phầnhiển thị…) Vì dòng ra các port của 8255 rất nhỏ (lớn nhất là port A khoảng5mA) nên cần có IC đệm dòng để nâng dòng lên đủ kéo cho LED sáng Emchọn IC đệm 74245 Khi đưa dữ liệu ra để hiển thị tất cả các LED đều nhậnnhưng tại một thời điểm chỉ cho phép một LED được nhận dữ liệu nên phảicó mạch giải mã để chọn LED.
2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ2.2.1 Khối nguồn cấp
in1 gn
out 3BT1
C10 +D1
C-OUT 5LV 6OSC 7
Hình 2.4 Nguồn cấp cho mạch.
Trang 102.2.2 Mạch nguồn dòng
Hình 2.5 Mạch tạo nguồn dòng.
2.2.3 Mạch khuếch đại
Hình 2.6 Mạch khuếch đại không đảo.
Trang 11out 3
Ae A2 fc a g b
R20ATMEGA8 MASTER
PB1 15PB2 16PB3/MOSI17PB4/MISO18PB5/SCK 19AVCC20AVREFGND2122PC0/ADC023PC1/ADC124PC2/ADC225PC3 26PC4/SDA 27PC5/SCL 28R11
C10 +C14 +
BUZZ + 1- 2
ATMEGA8 SLAVERESET1
PB1 15PB2 16PB3/MOSI17PB4/MISO18PB5/SCK 19AVCC20AVREF21GND22PC0 23PC1 24PC2 25PC3 26PC4/SDA27PC5/SCL 28R12
C-OUT5LV 6OSC 7
D6
Trang 12Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT3.1 THUẬT TOÁN CHO CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Code chương trình#include <mega8.h>
// Standard Input/Output functions#include <stdio.h>
#define FIRST_ADC_INPUT 3#define LAST_ADC_INPUT 5
unsigned int adc_data[LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT+1];#define ADC_VREF_TYPE 0x00
// ADC interrupt service routine// with auto input scanning
interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void){
register static unsigned char input_index=0;// Read the AD conversion result
adc_data[input_index]=ADCW;// Select next ADC input
if (++input_index > (LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT)) input_index=0;
ADMUX=(FIRST_ADC_INPUT|ADC_VREF_TYPE)+input_index;// Start the AD conversion
//unsigned int bit ok_hold=1,ok_cf=1,ok_ch=1;bit ch1=1,ch2=0;//xac dinh cac kenh dau vaobit test_ok=0;
//***********************************************void buzz()
{
unsigned int dem=0;
for (dem=0;dem<60;dem++){
}}
Trang 13//*********************************************** void test_channel()
unsigned int kenh=0;
kenh=adc_data[1] ; //kiem tra kenh 1if (kenh>860)
if ((ch1==1)&&(ch2==1)){
delay_ms(200); //while(test_ok==0){
test_channel(); }
test_ok=0; while (1) { {
if (ch1==0) {
RT=adc_data[1];
ad=RT/2-245 ; tg=ad;// } else
Trang 14{
RT=adc_data[2]; ad=RT/2-245 ; tg=ad;// }
}
if (ok_cf==0) {
ad=tg; ad=ad*1.8+32; d1=0;
// putchar(0x60); }
else { d1=1;
}
d4=ad/100;
d3=(ad-d4*100)/10; d2=(ad-d4*100-d3*10); k_hold=PIND.7;
if (k_hold==0) {
while(k_hold==0) {
k_hold=PIND.7; // }
buzz();
}
k_cf=PIND.6; // //ok_cf=1 >F if (k_cf==0) {
while (k_cf==0) {
k_cf=PIND.6; }
}
Trang 15k_ch=PIND.5; if (k_ch==0)
{
while(k_ch==0) {
k_ch=PIND.5; }
buzz(); ch1=ch1^1; ch2=ch2^1;
if (i>200) {
bat=adc_data[0]; if (bat<1000)
power=power^1;
i=0; } }; }
Trang 16KẾT LUẬNĐề tài đã đạt được một số vấn đề sau:
- Nghiên cứu các loại cảm biến đo nhiệt độ.- thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng PT 100- Hiển thị kết quả đo trên LED