Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, bán dẫn… Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc dụng cụ đặt ngoài môi trường đo.. Đo nhiệt độ bằng phương pháp
KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ
Các phương pháp đo nhiệt độ
Hiện nay có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ trong công nghiệp, trong đó các phương pháp đo nhiệt độ cơ bản như sau: [2] Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc, nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong môi trường đo Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, bán dẫn… Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc (dụng cụ đặt ngoài môi trường đo) Các thiết bị đo nhiệt độ: cảm biến quang, hoả quang kế (hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế màu sắc)…
1.1.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt kế tiếp xúc Áp đầu dò của cảm biến vào bề mặt tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo và đợi kết quá hiển thị
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường được sử dụng là các nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc, gồm: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu [2]
Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -55°C - 200°C hiện nay người ta thường ứng dụng các IC bán dân ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các điốt, tranzito để đo nhiệt độ
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 và nước chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy
Với vật rắn khí: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy điện tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt
Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất ): cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài
1.1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc
Là dùng thiết bị đo hồng ngoại bắn tia hồng ngoại vào bề mặt vật cần đo mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt từ vật cần đo phát ra
Hỏa quang kế: Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể có thể đặc trưng bằng một mật độ phổ E nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật và xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng
Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại đo nhiệt độ bằng cách phát hiện năng lượng hồng ngoại phát ra từ tất cả các vật liệu có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối (0 ° Kelvin)
* Ưu điểm của 2 phương pháp đo nhiệt độ:
Phương pháp đo trực tiếp : Đo chính xác nhiệt độ hơn đo nhiệt độ bằng tia hồng ngoại IR
Tốc độ đo nhanh cho kết quả nhanh
Phương pháp đo gián tiếp ( Không tiếp xúc):
Không cần trực tiếp với môi trường đo mà vẫn đo được nhiệt độ của nguồn phát ra nhiệt
Tốc độ đo nhanh kết quả hiện thị nhanh
* Nhược điểm của 2 phương pháp đo nhiệt độ:
Phương pháp đo trực tiếp :
Cần phải tiếp xúc với nguồn nhiệt mới đo được kết quả
Cần có máy đo nhiệt độ tiếp xúc riêng biệt kết hợp với đầu dò ( hay cảm biến nhiệt độ).
Phương pháp đo gián tiếp ( Không tiếp xúc):
Chi phí đầu tư máy đo nhiệt độ hồng ngoại thường cao hơn máy đo tiếp xúc trực tiếp Đo nhiệt độ không chính xác hơn với phương pháp đo hồng ngoại ( tùy vào thiết bị đo).
Các loại cảm biến trong hệ thống
Cảm biến nhiệt được hiểu là thiết bị được dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo Theo đó, khi nhiệt độ có sự thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu và từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc và quy ra thành nhiệt độ bằng một con số cụ thể
Cảm biến nhiệt được biết đến với khả năng thực hiện các phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với khi thực hiện bằng các loại cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế
Cảm biến nhiệt còn có tên gọi khác là nhiệt kế điện trở metal
Cấu tạo cảm biến nhiệt:
Hình 1.1 Cấu tạo cảm biến nhiệt
Cảm biến đo nhiệt độ có cấu tạo chính là 2 dây kim loại khác nhau được gắn vào đầu nóng và đầu lạnh
Ngoài ra, nó còn được cấu tạo bởi nhiều bộ phận khác, cụ thể như sau:
Bộ phận cảm biến: đây được xem là bộ phận quan trọng nhất, quyết định đến độ chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến Bộ phận này được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối
Dây kết nối: các bộ phận cảm biến có thể được kết nổi bằng 2,3 hoặc 4 dây kết nổi Trong đó, vật liệu dây sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện sử dụng đầu đo
Chất cách điện gốm: bộ phận này với nhiệm vụ chủ yếu là làm chất cách điện ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa các dây kế nối với vỏ bảo vệ
Phụ chất làm đầy: gồm bột alumina mịn, được sấy khô và rung Phụ chất này với chức năng chính là lắp đầy tất cả khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động
Vỏ bảo vệ: giống như tên gọi, bộ phận này được dùng đẻ bảo vệ bộ phận cảm biến và dây kết nối Bộ phận này phải được làm bằng vật liệu phù hợp với kích thước phù hợp và khi cần thiết có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung Đầu kết nối: Bộ phận này được làm bằng vật liệu cách điện (gốm), chứa các bảng mạch, cho phép kết nối của điện trở Trong đó, bộ chuyển đổi 4-20mA khi cần thiết có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối
Cảm biến nhiệt hoạt động dưa trên cơ sở là sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội
Cụ thể, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ có một sức điện động V được phát sinh tại đầu lạnh Nhiệt độ ở đầu lạnh phải ổn định và đo được và nó phụ thuộc vào chất liệu Chính vì vậy mà mới có sự xuất hiện của các loại cặp nhiệt độ và mỗi loại cho ra một sức điện động khác nhau: E,
Nguyên lí làm việc của cảm biến nhiệt chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa vật liệu kim loại và nhiệt độ Cụ thể, khi nhiệt độ là 0 thì điện trở ở mức 100Ω và điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngược lại
Việc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu giúp nâng cao hiệu suất làm việc của cảm biến nhiệt và giúp cho việc vận hành, lắp đặt được dễ dàng hơn
Cặp nhiệt điện hay còn được gọi là thermocouple, cặp nhiệt ngẫu là loại cảm biến nhiệt độ mạch kín bao gồm hai dây dẫn bằng kim loại khác nhau được nối ở hai đầu, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đặc biệt là trong ứng dụng cần đo những khu vực có nhiệt độ cao và nhiệt độ dao động liên tục
Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau tương ứng với các ưu điểm khác nhau như: phạm vi nhiệt độ hoạt động, tuổi thọ sử dụng, khả năng chống rung, kháng hóa chất,… Trong đó, thermocouple loại K là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay
Cặp nhiệt điện có cấu tạo cơ bản gồm 5 bộ phận chính:
Hình 1.2 Cấu tạo của cặp nhiệt điện
1 Measuring junction: gồm 2 thanh kim loại được làm từ chất liệu khác nhau và được hàn 1 đầu với nhau Đây được xem là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện
2 Thermocouple wires: là bộ phận dây kết nối để nối giữa phần đo nhiệt và bộ điều khiển
3 Ceramic insulators: là phần sứ cách nhiệt được dùng để giữ dây cặp nhiệt ngẫu cách điện dọc theo chiều dài của đầu dò
4 Protective sheath: là phần vỏ bảo vệ bên ngoài của thermocouple Lớp vỏ này thường được làm bằng inox đối với loại 1200ºC trở xuống, còn đối với loại cao hơn 1200ºC thì phần vỏ này được làm bằng sứ
5 Connection head: là phần chứa dây kết nối cũng như bộ chuyển đổi của cặp nhiệt điện Khi ta dùng các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA thì sẽ được cho vào đây
Lựa chọn thiết bị
Nhiệt độ là 1 đại lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp qua các loại cảm biến nhiệt độ dữa trên sự chuyển động của các hạt điện tích hình thành nên dòng điện trong kim loại
Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng mà ta thường hay dùng: Cặp nhiệt ngẫu, nhiệt điện trở kim loại, IC cảm biến nhiệt độ
Chúng ta có thể thấy các cảm biến nhiệt độ thường gặp như là : PT100, LM135, LM235, LM335: 10mV output, LM35: 10mV/ 0 k output, LM34: 10mV/ 0 F output, AD590:1 à A output Trong đú loại cảm biến cho kết quả cú độ chớnh xỏc tốt nhất là cảm biến Pt100, do cảm biến Pt100 có tính chất thay đổi nhiệt điện trở tốt nhất
Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa là nhiệt điện trở bạch kim
Vì bạch kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại khác nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở Pt100 là một đầu dò cảm biến nhiệt bên trong có các lõi được làm bằng bạch kim Bên ngoài có bọc một số lớp bảo vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi
Hình 1.4 Cấu tạo của pt100
Cấu tạo của PT100 không phải hoàn toàn bằng bạch kim Việc chế tạo bằng bạch kim là khá tốn kém cho một thiết bị đo thông dụng Vì thế chỉ có thành phần cảm biến nhiệt mới thật sự là bạch kim Nhằm giảm thiều chi phí sản suất các thành phần khác của Pt-100 có thể được làm bằng thép không gỉ, đồng, chất bán dẫn, tấm thủy tinh siêu mỏng…[2]
Nguyên lý hoạt động của Pt100
Nguyên lý hoạt động của PT100 đơn giản dựa trên mối quan hệ mật thiết giữa kim loại và nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại cũng tăng Bạch kim cũng tương tự như vậy Theo tiêu chuẩn thì khi nhiệt độ là 0ºC điện trở của PT100 sẽ là 100Ω
Hình 1.5 Nguyên lí hoạt động pt100 Đặc điểm của Pt100
Giá trị điện trở của PT100 được tính theo công thức:
PT100 được sử dụng rộng rãi trong thực tế bởi các lí do sau:
Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,99%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện
Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng
Hệ số nhiệt điện trở ở 0ºC bằng 3,9.10-3/ ºC
Điện trở ở 100ºC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0ºC
Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200ºC ÷ 1000ºC
Có quan hệ điện trở và nhiệt độ gần như tuyến tính và hệ số tăng nhiệt độ của điện trở đủ lớn để cho việc lấy kết quả đo dễ dàng [3]
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ
Lựa chọn vi điều khiển
Arduino Uno R3 là một board vi mạch được nghiên cứu và phát triển bởi Arduino.cc Được thiết kế chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P, cùng với đó là việc tối ưu hóa các chức năng trong một thiết bị nên Arduino có thể liên kết với nhiều thiết bị bên ngoài khác một cách đơn giản và dễ dàng Nhờ điều đó mà chỉ với một con Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ Đặc điểm
Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, gồm 6 chân đầu vào analog (độ phân giải 10bit) , 14 cổng kỹ thuật số I / O ( được sử dụng là chân vào ra) được kết nối với các thiết bị bên ngoài Trong số 14 chân đó có 6 chân phát xung PWM nhằm giúp đơn giản hóa việc kết nối và điều khiển với nhiều thiết bị sử dụng xung PWM [1]
Có bốn đèn LED: Một ở bên phải dãn nhãn ON, sáng lên khi cấp nguồn cho bo mạch, và ba trong nhóm khác Các đèn LED được dán nhãn TX và RX sáng lên khi dữ liệu đang được gửi đi hoặc nhận giữa bo mạch Arduino và các thiết bị khác gắn thông tin qua cổng nối tiếp và USB
Khi bấm nút Reset trên Arduino, bạn sẽ thấy đèn màu cam nhấp nháy để báo hiệu LED này được nối với chân số 13 Khi chân số 13 được sử dụng thì LED này sẽ sáng lên
Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với nhiều hệ điều hành như Windows, MAC hoặc Linux Systems, nhưng Windows có thể nói là thích hợp hơn để sử dụng [1]
Thông số kỹ thuật phần cứng:
Vi điều khiển(Microcontroller): Atmega328 họ 8 bit
Điện áp hoạt động (Operating Voltage): 5V (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động (Clock Speed): 16MHz
Điện áp vào khuyên dùng (Input Voltage): 7 – 12 V
Điện áp vào giới hạn (Input Voltage limits ): 6 – 20V
Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog (Analog Input): 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA
Dòng ra tối đa (5V): 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V): 50mA
Bộ nhớ flash (Flash Memory): 32KB
(A.Tmega328) với 0,5KB dùng bởi Bootloader
Hình 2.2 Thông số chân Arduino Uno
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là
Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân
IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V
RESET: Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
GND (Ground): Chân mass chung cho toàn mạch Arduino
Arduino UNO có 14 chân digital từ chân số 0 đến chân số 13 Các chân này vừa được dùng để đọc vừa được dùng để xuất tín hiệu Mức điện áp tối đa cho phép ở các chân này là 0V đến 5V Với việc tích hợp nhiều tính năng mà một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
Chân PWM (~): PWM được cung cấp bởi các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11, cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit bằng hàm analogWrite
Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial
Chân giao tiếp SPI: 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Chân Analog có 2 chân có chức năng đặc biệt như sau:
Chân A4 (SDA) và A5 (SCL): 2 chân này dùng để hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị bên ngoài khác
Hình 2.4 Các chân Analog Ứng dụng
Điều khiển đèn tín hiệu giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy trên các biển quảng cáo…
Điều khiển các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh
Làm đàn bằng ánh sáng.
Lựa chọn thiết bị khác
LCD là các kiểu màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các thông tin dạng ký tự trong bảng mã ASCII
LCD 16x2 là loại LCD phổ biến, có khả năng hiển thị trên 2 dòng mỗi dòng 16 ký tự Đặc điểm
LCD 16x2 gồm có 16 chân tín hiệu Các chân tín hiệu được mô tả như bảng sau:
Bảng 2.1 Thông số chân LCD 16x2
Số chân Tên Chức năng
3 Vo Điều chỉnh độ tương phản
4 RS Chọn thanh ghi dữ liệu (1)/ lệnh (0)
5 R/W Điều khiển quá trình đọc (1)/ ghi (0)
6 E Chân chốt dữ liệu cho LCD (Enable)
7 D0 Chân vào/ ra dữ liệu D0
8 D1 Chân vào/ ra dữ liệu D1
9 D2 Chân vào/ ra dữ liệu D2
10 D3 Chân vào/ ra dữ liệu D3
11 D4 Chân vào/ ra dữ liệu D4
12 D5 Chân vào/ ra dữ liệu D5
13 D6 Chân vào/ ra dữ liệu D6
14 D7 Chân vào/ ra dữ liệu D7 15,16 A, K Anode và Cathode đèn nền
LCD 16x2 được tích hợp sẵn bộ font chữ tiêu chuẩn ( 5x10 và 5x7) trong bộ nhớ do vậy khi cần hiển thị ký tự lên LCD chỉ cần gửi mã ASCII của ký tự đó tới bus dữ liệu (D0 D7) Các ký tự gửi xuống LCD sẽ được lưu trong bộ nhớ DDAM ( Display DRAM) của thiết bị
Các lệnh riêng điều khiển LCD:
Bảng 2.2 Các lệnh điều khiển LCD
0 0 0 0 0 0 0 0 1 x Đưa con trỏ về đầu dòng
0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S Đặt hướng di chuyển con trỏ
0 0 0 0 0 0 1 D C B Bật/tắt màn hình và con trỏ
0 0 0 0 0 1 D/C R/L x x Di chuyển con trỏ/dịch màn hình
0 0 0 0 1 8/4 2/1 10/7 x x Đặt độ dài giao diện
0 0 0 1 A A A A A A Di chuyển con trỏ trong
0 1 BF x x x x x x x Đọc cờ báo bận
1 0 D D D D D D D D Ghi mã ASCII tới màn hình
1 1 D D D D D D D D Đọc mã ASCII từ màn hình
LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển
Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này cho bạn
Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối
Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay [2] Ưu điểm
Tiết kiệm chân cho vi điều khiển
Dễ dàng kết nối với LCD
Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Các lỗi thường gặp khi sử dụng I2C và LCD
Hiển thị một dãy ô vuông
Màn hình chỉ in ra một ký tự đầu
Các lỗi này chủ yếu là do sai địa chỉ bus, để fix lỗi các bạn thay địa chỉ mặc định là “0x27” thành “0x3F
Trong trường hợp vẫn không được các bạn fix lỗi bằng cách nạp code tìm địa chỉ bus của I2C
Sau khi tìm xong các bạn thay địa chỉ vừa tìm được vào vị trí “0x27” là xong
Bảng 2.3 Chân đấu nối giao tiếp I2C với LCD
Hình 2.7 Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16×2
2.2.3 Bộ chuyển đổi cảm biến Pt100 thành tín hiệu nhiệt độ 4-20mA
SBWZ-PT100 chống nhiễu tốt và độ ổn định cao thích hợp sử dụng trong công nghiệp với độ chính xác cao
Nguồn cấp: 24VDC Đầu ra: 4 ~ 20mA giới hạn là 28mA
Phạm vi đầu ra: điện trở nhiệt
Cặp nhiệt điện: 0 ~ 300°C Độ chính xác của phép đo: điện trở nhiệt: ±0.2% FS Độ lệch nhiệt độ: ±0.3% FS ~ ±0.5 FS
Phương pháp điều chỉnh: chiết áp
Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 80°C Độ ẩm hoạt động: