đồ án thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ bằng cảm biến

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ bằng cảm biến sử dụng nhiệt điện trở.. Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ

Đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ bằng cảm biến sử dụng nhiệt điện trở.

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Bá Khá

Sinh viên thực hiện : Hoàng thị thu Hoài

Lớp : ĐH Điện 3-K6.

Năm 2013

Lời mở đầu

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển thành một đất nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng 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 sấy công nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép

Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từTrong 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” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên 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!

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

-Sơ đồ cấu trúc mạch đo:

-Mạch ổn dòng sử dụng ic thuật toán LM358

-cảm biến : PT100

- Khuếch đại, so sánh: LM358

-cảnh báo: đèn, còi

Mạch ổn

Khối So sánh

Khuếch đại Cảm biến

Chỉ thị

Khối cảnh báo

Chương 2: Giới thiệu các thiết bị chính

1.Cảm biến nhiệt độ Pt100

a.giới thiệu về cảm biến

Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại (Resistance Temperature Detector) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá rị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định Giá trị điện trở thay đổi tỉ

lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ được tính theo công thức dưới đây

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

Rt = R0 ( 1+ AT+BT2+C(T-100)T3)

Trong đó:

A=3.9083x10-3

B=5.775x10-7

C=-4.183x10-12 ( t<0oC) ,

C=0 ( t>0oC)

b.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PT100(Resistance Temperature Detector))

Điện trở này là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kim loại.Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell) thường có dạng hình tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển

đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ, thông thường can nhiệt này chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 600 độ C

Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị gọi

là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới

phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100 ôm ở 0 độ C)

Ðáp ứng của RTD không tuyến tính nhưng nó có độ ổn định và chính xác rất cao,

do vậy hay được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Nó thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ -250 đến +8000 Can nhiệt pt100 là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số alpha=0.00391 và R0=100 Ohm

1.2 Cách đo Pt100

Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại plantium dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở kim lại theo nhiệt độ( Phương trình Callendar-vab dusen) như sau :

R T = R 0 + R 0 α [ T – δ - ( – 1)() ]

Với:

R T : Điện trở ở nhiệt độ T

R 0=100Ω điện trở ở 0oC

α : Hệ số nhiệt độ ở T=0oC ( kiểu +0,00391 Ω/ Ω/oC)

δ=1,499(kiểu +0,00391 Ω/ Ω/oC)

+ Cảm biến Pt100 hoạt động ở 0oC thì điện trở là 100Ω

+ Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính như sau:

- Cảm biến Pt100 hoạt động ở 0oC thì điện trở là 100Ω

- Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính như sau:

Rt = R0(1+0,391%T) với sai số nhiệt độ là ±0,5oC tức là cứ tăng 1oC thì điện trở Pt100 tăng 0,391 Ω

1.3 Bảng giá trị điện trở của PT100

2 Khối khuếch đại thuật toán sử dụng LM358

2.1 Cấu tạo LM358

hình ảnh LM358

-LM358 cấu tạo gồm có 2 kênh khuếch đại thuật toán

Kênh 1: chân 2,chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra

Kênh 2: chân 5,chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra

Chân 4 là chân nối với nguồn âm, chân 8 là chân nối nguồn dương

Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch đo

3.1Sơ đồ mạch đo :

3.2 Mạch tạo nguồn dòng với dòng 1mA

Chân 8 nối với Vcc=+12V

Chân 4 nối với nguồn âm -12V

Nguôn vào chân 3 là nguồn +5V

Vì nguyên lý hoạt động của cảm biến PT100 là :

Điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi nên cần cung cấp 1 nguồn dòng ổn định chạy qua nó để khi điện trở thay đổi thì điện áp giữa 2 đầu của cảm biến thay đổi theo tỉ lệ

Để đo được điện áp với cấp chính xác V ta tạo 1 nguồn dòng 1mA

Ta có

Up=+5V

OA lý tưởng

 Up=Un=+5v

3.1 Mạch khuếch đại dùng Lm358 với chuẩn hóa đầu ra 0-10v

Ta có

Ku=1+

Vì tín hiệu sau khi đi qua phân áp rất nhỏ nên ta cần đưa qua bộ mạch khuếch đại

để tín hiệu có thế so sánh được với mức logic 0 & 1 tương ứng

Yêu cầu của đề tài : đưa ra cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá giá trị

T=(Tmax-Tmin) /2=250/2=125

Để tạo được bộ cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá giới hạn ta cần phải đưa tín hiệu đo được vào bộ so sánh để so sánh với tín hiệu đã được chuẩn hóa như hình vẽ

Ở đây với mức nhiệt độ cho phép T=1/2 Tmax nên giá trị điện áp đưa qua bộ khuếch đại sẽ là Ur=1/2Urmax=5v Vì thế ta cần phải tạo 1 nguồn điện áp chuẩn để

so sánh với giá trị điện áp trả về từ mạch đo Nguyên lí so sánh của LM358 là :

-nếu Up>Un thì IC trả về mức logic cao tại đầu ra

- nếu Up<Un thì IC trả về mức logic thấp tại đầu ra

Tín hiệu qua bộ khuếch đại là tín hiệu + nên ta sẽ mắc vào ngõ vào P còn tín hiệu chuẩn hóa sẽ mắc vào ngõ N của OPAM

Nguyên lí hoạt động :

-Ban đầu nhiệt độ dưới mức cảnh báo thì điện trở của cảm biến nhỏ

và điện áp ở ngõ vào P sẽ nhỏ hơn điện áp ở ngõ vào N nên mức ra của IC sẽ là LOW chưa đủ kích dẫn cho transistor nên mạch còi và đèn chưa thông

-Khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở của cảm biến PT100 cũng tăng lên làm điện áp đầu ra tăng theo Đến khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép thi khi đó điện áp tại ngõ vào bộ so sánh sẽ là Up>Un và ngõ ra là mức cao(HIGHT) transistor được kích dẫn, dẫn nguồn cho còi kêu và đèn sáng

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN

4.1 Kết luận:

Với đề tài được giao cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo Nguyễn

Bá Khá Em đã cố gắng hoàn thành bài tập lớn trong thời gian quy định Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn

4.2 Hướng phát triển :

Từ đề tài này có thể phát triển lên, xây dựng nhiều ứng dụng có hiệu quả trong thực tế Em đề xuất một số hướng phát triển sau:

+ Thiết kế thêm mạch so sánh để có thể điều khiển thêm thiết bị

+ Thiết kế mạch hiển thị trên LED 7 thanh hoặc LCD + Mạch có thể đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố