Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp Lời mở đầu Trong trình phát triển đất nớc vấn đề công nghiệp hoá đại hoá đất nớc đợc đặt lên hàng đầu Do đó, khoa học có vị trí quan trọng Những thành tựu đà đợc ứng dụng vào phục vụ đời sống ngời hàng ngày Và ngành đo lờng đợc nâng lên tầm cao Bởi hệ thống máy sản xuất khâu kiểm tra giám sát, lấy tín hiệu phản hồi Nó đợc thể số, cách ghi tự động hoá phát tín hiệu cho cấu chấp hành ®Ĩ hiƯu chØnh hay ®iỊu chØnh l¹i ho¹t ®éng Kü thuật đo lờng rộng đo đại lợng không điện lớn nhiều so với đại lợng điện, đồng thời lại yêu cầu cao nên đồi hỏi nhiều nghiên cứu nh áp dụng thành khoa học Bản đồ án thiết kế hệ thống đo nhiệt độ thị số kênh, dải nhiệt độ làm việc từ 00C đến 1000C bao gồm phần sau: Phần I: Tổng quan đo nhiệt độ Phần II: Thiết kế tính chọn phần tử hệ thống đo nhiệt độ kênh PhÇn III: TÝnh chän ngn cung cÊp cho hƯ thèng Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo môn TBĐ- ĐT đà giúp đỡ em suốt trình học tập trờng đặc biệt thầy giáo trần quốc thắng - Ngời đà trực tiếp hớng dẫn, giúp đỡ để em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp đề tài Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ thị số kênh Phần Tổng quan đo nhiệt độ 1.1 Các vấn đề kỹ thuật đo lờng 1.1.1 Khái niệm: Đo lờng trình đánh giá định hớng đại lợng cần đo để có kết số với đơn vị đo Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp Kết đo lờng giá trị số đại lợng cần đo Ax, tỷ số đại lợng cần đo X đơn vị đo X0 Vậy trình có thĨ viÕt díi d¹ng: X Ax = X X= Ax.X0 Đây phơng trình phép đo, rõ so sánh đại lợng cần đo với mẫu cho kết số Quá trình đo đợc tiến hành thông qua thao tác đo lờng sau: - Thao tác xác định mẫu thành lập mẫu - Thao tác so sánh - Thao tác biến đổi - Thao tác thể kết hay thị Phân loại cách thực phơng pháp đo Đo trực tiếp : cách đo mà kết nhận đợc trùc tiÕp tõ mét phÐp ®o nhÊt Đo gián tiếp : cách đo mà kết ®ỵc suy tõ phÐp ®o ,tõ sù phèi hỵp nhiều phép đo trực tiếp Đo thống kê : phép đo nhiều lần đại lợng ®ã , cïng mét ®iỊu kiƯn vµ cïng mét giá.Từ dùng phép tính xác suất để thể kết đo có độ xác cần thiết 1.1.2 Các đại lợng đặc trng kỹ thuật đo lờng 1.1.2.1 Tín hiệu đo đại lợng đo : - Tín hiệu đo : tín hiệu mang thông tin giá trị đại lợng đo.Nó có thể: + TÝn hiƯu liªn tơc Analog (A) + TÝn hiƯu rêi rạc Digital (D) - Đại lợng đo : thông số xác định trình vật lý Đại lợng đo đợc phân loại nh sau: + Theo tính chất : o Đại lợng tiền định (đại lợng xác định đợc trớc) o Đại lợng đo ngẫu nhiên (đại lợng không xác định ) + Theo chất : Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp - Đại lợng điện (bản thân mang lợng nh : I ,U - Đại lợng thông số ( R, L, C ) - Đại lợng không điện ( t0, F,P ,Q ) - Đại lợng theo thêi gian ( t,,f ) +Theo dơng ®o : - Vôn kế , Wattmet, tần số kế 1.1.2.2 Điều kiện đo: Các thông tin đo lờng gắn chặt với môi trờng sinh đại lợng đo Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hởng môi trờng đến kết đo ngợc lại dùng dụng cụ đo không đợc để dụng cụ đo ảnh hởng đến đối tợng đo Cần phải tính đến điều kiện đo khác để chọn thiết bị đo tổ chức phép đo cho tốt 1.1.2.3 Đơn vị đo: Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lợng đo đợc quốc tế quy định mà quốc gia phải tuân theo Trên giới ngời ta đà chế tạo đơn vị tiêu chuẩn đợc gọi chuẩn., có đơn vị : - Chiều dài mét (m) - Khối lợng kilôgam (kg) - Thời gian giây (s) - Cờng độ dòng điện ampe (A) - Nhiệt độ độ Kelvin (K) - Cờng độ ánh sáng Candela (cd) - Số lợng vật chất mol (mol) Ngoài có đơn vị kÐo theo c¸c lÜnh vùc kh¸c 1.1.3 ThiÕt bị đo Các phơng pháp đo 1.1.3.1 Thiết bị đo : Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho ngời quan sát Thực phép đo: - Thiết bị tạo mẫu : Là thiết bị đo để khôi phục đại lợng vật lý định Thiết bị mẫu phải đạt độ xác cao - Dụng cụ đo : Là thiết bị để gia công thông tin đo lờng thể kết đo dới dạng số, đồ thị bảng số tuỳ theo Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp cách biến đổi tín hiệu thị, dụng cụ đo đợc chia thành dụng cụ đo tơng tự (ânlog) dụng cụ đo thị số (Digital) - So sánh : + Thiết bị tự động + Ngời điều khiển - Biến đổi Kết đo trình phép đo, rõ so sánh đại lợng cần đo với mẫu cho kết số Quá trình đo đợc tiến hành thông qua thao tác đo lờng sau: - Thao tác xác định mẫu thành lập mẫu - Thao tác so sánh - Thao tác biến đổi - Thao tác thể kết hay thị Phân loại cách thực phơng pháp đo Đo trực tiếp : cách đo mà kết nhận đợc trực tiếp từ phép đo Đo gián tiếp : cách đo mà kết đợc suy từ phép đo ,từ phối hợp nhiều phép đo trực tiếp Đo thống kê : phép đo nhiều lần đại lợng , điều kiện giá.Từ dùng phép tính xác suất để thể kết đo có độ xác cần thiết Kết đo Phơng pháp biến đổi thẳng: Chuyể n Mạch đo Chỉ thị Chuyển đổi (khâuđổi đầu): biến đổi hai đại lợng vật lý với + Chuyển đổi điện - điện - liên tục rời rạc (A/D) - rời rạc liên tục (D/A) + Chuyển đổi không điện - điện : đại lợng không điện (t0 ,p ,F ) sang đại lợng điện (U, I ) Mạch đo (biến đổi ): mạch tính toán nh: + Mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp + Mạch khuyếch đại ,mạch logic (and, or, not ) Chỉ thị (khâu cuối): để thể kết ®o + Dïng kim chØ , tù ghi + ChØ thị số Dùng biến đổi thẳng đo trực tiếp(vôn kế, ampe kế) X X Y Chuyển Mạch đo Y Chỉ thị đổi XK Chuyển đổi ngợc X: đại lợng đo XK: đại lợng chuẩn phản hồi X = X XK - So sánh cân b»ng : X X = X = - So sánh không cân : X X = XK + X 1.1.4.Các đại lợng đặc trng - Sai số tuyệt đối : = Xđo Xthực Xđo : dụng cụ đo đợc Xthực : giá trị mẫu (do dụng cụ đo hay giá trị thực) - Sai số tơng đối : % = Xthùc 100% - Sai sè quy ®ỉi : X%(cấp xác dụng cụ đo) max qd% = X max 100% Xmax : lµ sai sè lín nhÊt cđa thang đo max : sai số tuyệt đối thang đo - Độ nhạy (S): S= Y X Tuyến tính Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp dY S = dX Phi tuyÕn tÝnh X : lµ đại lợng vào Y : đại lợng Độ nhạy độ biến thiên tơng đối đại lợng vµ vµo: S = S1.S2.S3 Sn - Tỉng trë vµo ,ra cđa dơng cơ: - Tỉng trë vµo cđa dụng cụ tổng trở dụng cụ - Tổng trở tổng trở đầu - Các dụng cụ đo có tổng trở thích hợp để đo tín hiệu không bị sai lệch - Đặc tính động: + Khi xét đặc tính động: - Đặc tính biên độ (trong trình độ) - Đặc tính pha tần Vì đại lợng đo (không biến thiên biến thiên chậm đại lợng biến thiên nhanh) Độ tin cậy tính kinh tế: phụ thuộc vào trình độ, khoa học Q xác suất hỏng P xác suất không hỏng Q.P = Q P 1.2 đặc điểm đo đại lợng không ®iƯn ®o nhiƯt ®é 1.2.1 Kh¸i niƯm vỊ nhiƯt ®é thang đo nhiệt độ Nhiệt độ đại lợng vật lý đặc trng cho mức chuyển động hỗn loạn phân tử vật thể Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp Để đo đợc nhiệt độ phải có dụng cụ đo , thông thờng công nghiệp nhiệt độ đợc đo cảm biến phơng pháp tiện lợi truyền tín hiệu nhiệt độ xa , không ảnh hởng tới làm việc hệ thống cần xác định nhiệt độ Để đo xác nhiệt độ cần có hiệu số T X - T cực tiểu với T X nhiệt độ môi trờng cần đo ,T nhiệt độ cảm biến đặt môi trờng cần đo Khi cảm biến đợc đặt môi trờng cần đo nhiệt độ, nhiệt lợng cảm biến hấp thụ từ môi trờng tỷ lệ với độ chênh nhiệt cảm biến môi trờng theo biĨu thøc : dQ = a.A(TX -T)dt víi a lµ độ dẫn nhiệt , A diện tích bề mặt truyền nhiệt Mặt khác cảm biến có khối lợng m nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt) c nhiệt lợng hấp thụ đợc là: dQ = m.c.dT NÕu bá qua tỉn thÊt nhiƯt m«i trêng , kÕt cấu kiểu giá đỡ ta có : a.A(TX - T)dt = m.c.dT Gäi lµ h»ng sè thêi gian nhiƯt m.c = a A VËy ta cã ph¬ng trình vi phân cân nhiệt dT Tx-T dt = Nghiệm phơng trình (1 - 1)là : (1 - 1) t T = TX k.e- τ , (1 - 2) với k số Từ phơng trình (1 - 2) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thêi gian h×nh (1 -1a) t TX TX t T1 0,63 TX 0,63 TX Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp hình 1-1a hình1- 1b H×nh (1 - 1b) cã tÝnh tíi tỉn thÊt nhiƯt từ môi trờng cần đo truyền vào cảm biến TX T T1 = T luôn tồn 1.2.2 Thang đo nhiệt độ: Là dÃy mốc nằm khoảng nhiệt độ giới hạn hai điểm sôi nóng chảy cố định vật chất tinh khiết, hai điểm gọi điểm gốc để phân độ toàn thang Ngày giới tồn loại thang đo nhiệt độ: 1.2.2.1 Thang nhiệt độ động học tuyệt đối hay gọi thang Kelvin đơn vị K nhà vật lý ngời Anh Thomson đề năm 1852 Trong thang nhiệt độ ngời ta lấy trạng thái nớc điểm cân nớc - nớc đá - nớc giá trị số 273,150K Từ thang nhiệt độ Kelvin ngời ta xác định thang nhiệt độ míi lµ thang CelsÝu vµ thang Fahrenheit 1.2.2.2 Thang nhiƯt độ bách phân (Thang Celsius) Trong thang đo đơn vị nhiệt độ 0C Do nhà vật lý ngời Thụy Điển Celsius đa năm 1742 dựa vào điểm tan nớc đá điểm sôi nớc chia 100 khoảng Quan hệ thang Celsius thang Kelvin đợc xác định biểu thức : t (0C) = t (0K) - 273,15 (1 - 3) 1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ 0F nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đa năm1706, lấy nhiệt độ nớc đá tan 32 0F sôi 212 0F Đổi từ thang 0C nhiệt độ 0F ngợc lại theo công thức: t(0C ) = t(0F) - 32 9 t(0F ) = t(0C ) + 32 Năm1948 hội nghị đo lờng quốc tế thứ 19 đà lấy thang nhiệt độ bách phân (Celsius) thang nhiệt độ quốc tế Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp Xây dựng thang đo nhiệt độ quốc tế ngời ta ghi nhận điểm cố định sau : - Điểm sôi O2 -182,97 0C - Điểm tan nớc đá (điểm gốc) 0,000C - Điểm sôi nớc ( điểm gốc ) 100,000C - §iĨm s«i cđa lu hnh 444,600C - §iĨm kÕt tinh bạc 960,800C - Điểm kết tinh vàng 1063,000C Bảng trạng thái đo nhiệt độ Trạng thái K C F Điểm tuyệt đối Hoà hợp nớc - Nớc đá 273,15 -273,15 -459,6 32 Cân nớc-nớc đáhơi nớc Nớc sôi 273,16 0,01 32,108 373,15 100 212 1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách , theo nguyên tắc làm việc máy đo nhiệt độ phân thành nhóm : + NhiƯt kÕ gi·n në : Dùa trªn sù biến đổi thể tích chất lỏng hay chiều dài chất rắn nhiệt độ thay đổi + Nhiệt áp kế : Dựa nguyên tắc biến đổi thĨ tÝch chÊt láng, chÊt khÝ, h¬i hƯ thèng kín nhiệt độ môi trờng thay đổi + Nhiệt kế cặp nhiệt điện : Trờng ĐHKB hà nội đồ án tốt nghiệp Dựa nguyên tắc thay ®ỉi søc ®iƯn ®éng cỈp nhiƯt ®iƯn thay ®ỉi + Nhiệt kế điện trở : Dựa phụ thuộc gữa nhiệt độ dây dẫn , bán dẫn với điện trở chúng + Hoả kế xạ , hoả kế phát quang : Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi nhiệt độ vùng cần đo thay đổi + Siêu âm nhiệt độ : Nguyên lý hoạt động dựa quan hệ nhiệt độ môi trờng truyền âm Ví dụ : không khí khô ,ở áp suất khí thông thờng quan hệ vận tốc truyền âm nhiệt độ theo biÓu thøc : √ T 273,15 (m/s) C = 331,5 víi C : vËn tèc trun ©m T : nhiƯt độ tuyệt đối không khí khô cần đo Bảng dới giới thiệu khoảng đo máy đo chủ yếu Giới hạn đo 0C Tên máy đo nhiƯt ®é 1- NhiƯt kÕ gi·n në ( ®o tiÕp xúc) Nhiệt kế khí Nhiệt kế thuỷ ngân Nhiệt kế chất lỏng 2- Nhiệt áp kế (đo tiếp xúc) Nhiệt áp kế chất lỏng Nhiệt áp kế thuỷ ngân Nhiệt áp kế chất khí Nhiệt áp kế chất 3- NhiƯt kÕ ®iƯn trë (®o tiÕp xóc) NhiƯt kÕ ®iƯn trë b»ng ®ång NhiƯt kÕ ®iƯn trë b¹ch kim (Pt) NhiƯt kÕ ®iƯn trë Niken Min Max -100 -35 -190 600 350 150 -120 -35 -120 -60 600 600 600 300 -50 -250 -200 180 650 180 10