đề tài thiết kế thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở pt 100 dải đo độ phân dải

Do đó, thầy Đào Đức Thịnh đã giao cho chúng em bài tập lớn mônthiết kế thiết bị đo với đề tài: “Thiết kế thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở Pt-100,dải đo -, độ phân giải ”.Bài tập lớn là

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MÔN HỌC: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNGNHIỆT ĐIỆN TRỞ PT-100, DẢI ĐO - ĐỘ PHÂN

HÀ NỘI, 7/2022

Lời nói đầu

Trong sản xuất, dù là công nghiệp hay nông nghiệp để xác định được khốilượng của một vật là vô cùng cần thiết Trước kia chúng ta có các hệ thống đokhối lượng dùng đối trọng hoặc lò xo bằng các kết cấu cơ khí, việc sử dụng cácloại cân này rất cồng kềnh và độ chính xác không cao Ngày nay, các quá trình hệthống hiện đại đòi hỏi phải có độ chính xác rất cao trong việc đo lường của thiếtbị Vấn đề công nghiệp đo phù hợp, hiển thị chính xác các thông số đo lườnghiện là vấn đề đang được rất nhiều các kỹ sư tích hợp đo lường và điều khiểnquan tâm Do đó, thầy Đào Đức Thịnh đã giao cho chúng em bài tập lớn mônthiết kế thiết bị đo với đề tài: “Thiết kế thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở Pt-100,dải đo -, độ phân giải ”.

Bài tập lớn là cơ hội cho mỗi sinh viên một lần nữa kiểm tra và đánh giálại kiến thức mà mình đã học được sau môn học Trong quá trình làm bài tập lớn,chúng em đã được thầy Đào Đức Thịnh hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để chúng emcó thể hoàn thành bài tập lớn của mình.

Do sự eo hẹp về thời gian và hiểu biết hạn chế của bản thân, mặc dù chúngem đã cố gắng nhưng bài tập lớn này vẫn còn nhiều thiếu sót Chúng em rấtmong nhận được nhiều ý kiến đóng góp, bổ sung từ phía thầy.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC 1

1.1 Khái niệm chung 1

1.2 Tổng quan về phương pháp đo lực 1

1.3 Sai số phát sinh khi sử dụng tenzo 5

Sai số khi dán 5

Sai số vì nhiệt 5

1.4 Mạch đo 6

Mạch cầu đo một nhánh hoạt động 6

Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động 7

Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động 8

1.5 Giới thiệu về loacell 8

Thông số kỹ thuật cơ bản 9

Một số ứng dụng của loadcell 9

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC SỬ DỤNG LOADCELL 11

2.1 Yêu cầu kĩ thuật 11

2.2 Tính toán thiết kế 11

Sơ đồ tổng quan của hệ thống 11

Nguyên lý hoạt động 11

Tính toán thông số thiết bị 11

2.3 Lựa chọn thiết bị 12

Vi điều khiển STM32F103C8T6 13

Loadcell Zemic H8C 15

ADC 12-bit trong STM32F103C8T6 16

Bộ nguồn 18

Bộ khuếch đại (sử dụng INA128) 22

Khối hiển thị led 7 thanh 24

2.4 Đánh giá sai số 24

Sai số cảm biến 25

Sai số của ADC 25

Sai số khuếch đại 25

Sai số của toàn bộ hệ thống 25

2.5 Sơ đồ nguyên lý 25

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (> ���N ) 2

Hình 1.2 Ví dụ loadcell dạng xuyến (cảm biến đo lực lớn) (< ���N ) 3

Hình 1.3 Hình ảnh tenzo 3

Hình 1.4 Mạch cầu Wheatston 1 nhánh hoạt động 6

Hình 1.5 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt động 7

Hình 1.6 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt động 7

Hình 1.7 Mạch cầu Wheatston 4 nhánh hoạt động 8

Hình 1.8 Hình ảnh các loại Loadcell 8

Hình 1.9 Hình ảnh cân điện tử sử dụng loadcell 9

Hình 1.10 Hình ảnh cân xe tải sử dụng loadcell 10

Hình 2.6 Thông số kỹ thuật của LoadCell 16

Hình 2.7 ADC 12 bit của STM32 17

Hình 2.17 sơ đồ khối của INA128 23

Hình 2.18 Khối LED 7 thanh 24

Hình 2.19 Đấu nối LED 7 24

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý nguồn 26

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý MCU 26

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý phần hiển thị 27

Hình 2.23 Top layer của PCB 27

Hình 2.24 Bottom layer của PCB 28

Hình 2.25 Vỏ thiết bị bên ngoài 28

Hình 2.26 Vỏ thiết bị (bên trong) 29

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Cấp nguồn cho ADC 17 Bảng 2-2 Cấu hình chân của INA128 23

1.1.1 Nhiệt điện trở kim loại (RTD)

Nhiệt điện trở kim loại có đặc điểm là quan hệ giữa điện trở của nó và nhiệt độ hầu như tuyến tính, tính lặp lại của quan hệ ấy rất cao nên thiết bị đơn giản.

Nhiệt điện trở kim loại được chia ra làm nhiệt điện trở kim loại quý và kim loại không quý.

a Cấu tạo

Nhiệt điện trở kim loại hay còn được gọi là nhiệt kế điện trở thường được chế tạo thành những can nhiệt có hình dáng bề ngoài như hình vẽ:

Hình 1.1 Cấu tạo bên trong RTD

Đây là loại thiết kế đơn giản nhất Sợi dây cảm biến được quấn xung quanh 1 cái lõi hoặc trục Lõi có thể là tròn hoặc phẳng, nhưng quan trọng là phải cách điện được Người ta cách điện bằng cách đặt lõi và dây quấn trong 1 cái ống bằng sứ hoặc một ống thép không gỉ Dây cảm biến được nối ra ngoài bằng những sợi dây lớn hơn Khi làm việc trong

các nhà máy, lò đốt, …, (nơi có nhiệt độ môi trường xung quanh tương đối cao) các dây dẫn từ những đầu đo của can nhiệt này lại phải có độ dài lớn dẫn đến tồn tại điện trở trên dây dẫn và giá trị này không ổn định và gây nên sai số lớn cho phép đo Để bù sai số nhiệt độ các nhà sản xuất sẽ tạo ra những loại RTD 3 đầu đo hay 4 đầu đo như dưới đây.

Hình 1.2 RTD 3 đầu đo

Ngoài loại RTD dây nối trên, RTD còn một loại goi là RTD loại bề mặt hay màng mỏng (Thin Film Element) Người ta phủ 1 lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10-7 mm đến 10-6 mm) lên 1 cái đế bằng sứ Ưu điểm của loại này là giá thành thấp và khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặt vào các vỏ nhỏ Nhưng nó không làm việc ổn định như loại Wire wound.

t: nhiệt độ tương quan với 0°C.

Bảng 1.1 Số liệu về vật liệu thông dụng sản xuất RTD

Cũng thông qua bảng số liệu ta thấy:

RTD Pt có nhiệt độ nóng chảy cao nhất tiếp theo là Ni và cuối cùng là Đồng,lại thêm Pt có tính trơ về mặt hóa học và có tính ổn định cấu trúc tinh thể dođó RTD có thể sử dụng trong các môi trường khắc nhiệt có nhiệt độ cao hơn sovới RTD Ni hay Đồng.

Pt có nhiệt dung riêng thấp nhất trong 3 kim loại nên độ nhạy hay hệ số nhiệtđiện trở thấp hơn, bởi vậy tốc độ đáp ứng của RTD Pt sẽ chậm hơn Đồng vàNi.

Pt có hê số nhiệt điện trở thấp hơn Cu và Ni nên độ tuyến tính giữa nhiệt độ vàđiện trở của Pt là thấp nhất.

Ngoài những đặc tính kĩ thuật này phải kể đến vấn đề về kinh tế, phương pháp chế tạo để so sánh RTD của các kim loại này như: RTD sản xuất bàng Pt có giá trị đắt hơn (vì làkim loại quý) so với RTD Ni hay Cu, RTD sản xuất bằng Cu, Ni dễ chế tạo hơn, … Tuy vậy ta nên dựa vào yêu cầu kĩ thuật hay hiệu quả sử dụng dể chon RTD phù họp nhất.

c Mạch đo

Mạch đo sử dụng nguồn dòng

4Hình 1.4 Mạch đo sử dụng nguồn dòng

RTD được mắc nối tiếp với một nguồn dòng chuẩn, Vout = I.R = I.(R+∆R) cũng tuyến tính với nhiệt độ đo được Từ tín hiệu điện áp thu được ta có thể đưa ra các bộ chuyển đổi để hiện thị giá trị nhiệt độ đo được.

5Hình 1.6 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn

R: điện trở tại nhiệt độ chuẩn T0 (Kelvin).

R: điện trở tại nhiệt độ đo T (K).

β: hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu chế tạo cảm biến có giá trị trongkhoảng 3000-4400K.

Giả thiết nếu β=4000K, T=298K, α=-0.045 K-1

Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn có giá trị âm, có độ lớn gấp 6 đến 10 lần nhiệt điện trở kim loại vì thế được dùng trong các mạch khống chế nhiệt độ, hoặc đo nhiệt độ trong phạm vi nhỏ.

c Mạch đo

11β ( - )

R = R e

6Hình 1.7 Mạch đo với nhiệt điện trở bán dẫn

1.2 Mạch đo

Sử dụng mạch cầu wheatston với nguồn cung cấp là nguồn: một chiều, xoaychiều, hay phân áp Mạch cầu đo có thể là mạch cầu 1 nhánh, 2 nhánh hay 4nhánh hoạt động.

Mạch cầu đo một nhánh hoạt động

Mạch này có một nhánh hoạt động Mạch này có nguồn cung cấp là ��, điện áp ra là �0.

Hình 1.4 Mạch cầu Wheatston 1 nhánh hoạt độngTa có điện áp ra:

Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động

Mạch có hai nhánh hoạt động với hai nhánh đối diện Mạch này có nguồncung cấp là ��, điện áp ra là �0.

Hình 1.5 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt độngTa có điện áp ra:

� = 0 �2 � + � ∆ ∆∆.∆∆∆

Sai số phi tuyến: 0.5%

Mạch có hai nhánh hoạt động với hai nhánh đối diện Mạch này có nguồn cungcấp là ��, điện áp ra là �0.

Hình 1.6 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt độngTa có điện áp ra:

�� ∆∆�0 =

2 �

(1.10)

Sai số phi tuyến: 0%

Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động

Mạch này có một nhánh hoạt động Mạch này có nguồn cung cấp là ��, điện áp ra là �0.

Hình 1.7 Mạch cầu Wheatston 4 nhánh hoạt độngTa có điện áp ra:

∆∆�0 = ��

Sai số phi tuyến: 0%

Chọn mạch đo và cảm biến khuếch đại

Khảo sát nhiệt độ cần đo thuộc dải từ 0 đến 250°C.a Mạch đo

Mạch cầu

Hình 3.2 Mạch cầu Wheastone cho Pt100Khi nhiệt độ t thay đổi, Rt cũng thay đổi từ mạch cầu ta sẽ tìm được:

Độ lệch áp là 1 hàm theo độ thay đổi nhiệt đọ (do so với 0°C nên chính là nhiệt độcần đo) α

Sử dụng Pt100 loại 3 dây bù nhiệt độ, tại t = 0°C thì Pt100 có R = 1000 Ω.

Là giá trị điện trở của dây dẫn, R = 10,5L Ω (dây dẫn dài 100 feet).

Mạch cầu có các giá trị R = R = R = R = 1001230 Ω, điện áp cấp VC=10 V

Các dòng I , I = 034 nên:C1

VI =

R +2R +R ;

VI =

R +R

V (R +R )V = I (R +R ) =

R +2R +RLại có:

4R +2R(1+ )+R ]

Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ)

Các điện áp V1, V2 lần lượt qua khối khuếch đại vi sai như mạch đo.Suy ra:

100.3,9.10 10.t 3,9t

4.100+4.10,5+2.100.3,9.10 t 442+0,78t (V)Tại: t = 0°C, V3 = 0V

t = 250°C, V3 = 1,53V

Coi V3 tuyến tính theo t nên V3 = 0,006t (V)b Khối khuếch đại

Hình 3.3 Khối khuếch đại

Để điện áp VOUT có dải 0-5V đưa vào ADC ta cần đưa tín hiệu V3 qua một tần khuếch đại được điện áp V4 rồi qua cầu phân áp để được hệ số khuếch đại chính xác.

Do sử dụng ADC0804 là ADC 8 bit, khi điện áp vào 0-5V, ma nhị phân mà ADC đã chuyểnđổi thành có giá trị là 0-255 trong hệ cơ số 10, mà nhiệt độ cần đo là từ 0 đến 250°C nên ta có cần khuếch đại V3 sao cho khi t = 250°C, V = (250/255).5 = 4,902OUT (V).

Suy ra hệ số mạch khuếch đại là:4,902

RChọn R = 279 kΩ, R = 108 kΩ

Suy ra V = 3,7V43

Giá trị biến trở R = 8,67V1 kΩ

1.3 Tổng quan về Pt-100

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 làmbằng Bạch kim Bên ngoài có bọc một số lớp bảo vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi.

1.3.1 Cấu tạo của Pt-100

Hình 2.1 Cấu tạo của đầu cảm biến nhiệt độ 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…

Thông số kỹ thuật cơ bản

Giá trị điện trở của PT100 được tính theo công thức:

T0 αt+βt +γ(t-102 3R =R ( +1 0)t )

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

Hình 1-3 Độ tuyến tính của điện trở Bạch kim theo nhiệt độ

Một số ứng dụng của loadcell

Ứng dụng phổ biến thường thấy của loadcell là được sử dụng trong cái loại cânđiện tử Từ ứng dụng trong những cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao tới nhữngchiếc cân trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải yêu cầu độ bền cao.

Hình 1.9 Hình ảnh cân điện tử sử dụng loadcell

Hình 1.10 Hình ảnh cân xe tải sử dụng loadcell

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC SỬ DỤNG LOADCELL2.1 Yêu cầu kĩ thuật

Thiết kế thiết bị đo lực sử dụng load cellLoại 3mV/V

Tính toán thông số thiết bị

Hình 2.2 Loadcell + khuếch đại + ADC

Nhật xét: khi chế tạo xong nhà chế tạo cho ta độ nhạy của loadcell là:

���� ≥ → 240 ≥ �

Theo đề bài, độ phân giải thiết bị là 0.05% → Giá trị lớn nhất của đầu racủa

ADC:

��� �� ��

2.3 Lựa chọn thiết bị

= 2000 → Ta chọn ADC 11 bit

Vi điều khiển STM32F103C8T6

Hình 2.3 STM32F103C8T6

STM32F103 là vi điều khiển 32-bit có lõi vi xử lý là Arm 32-bit M3 với tần số xung nhịp tối đa là 72MHz Tốc độ thực hiện lệnh là 1.25 DMIPS/MHz

Cortex-Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điềukhiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bịngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lậptrình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nộibộ…

Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAREmbedded Workbench, Keil C… Ở đây mình sử dụng Keil C nên các bài viết saumình chỉ đề cập đến Keil C.

Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như:STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard PeripheralLibraries, Mbed core Mỗi thư viện đều có ưu và khuyết điểm riêng, ở đây mìnhxin phép sử dụng Standard Peripheral Libraries vì nó ra đời khá lâu và khá thôngdụng, hỗ trợ nhiều ngoại vi và cũng dễ hiểu rõ bản chất của lập trình.

Mạch nạp: có khá nhiều loại mạch nạp như : ULINK, J-LINK , DAP, STLINK… ở đây mình sử dụng Stlink vì giá thành khá rả và debug lỗicũng tốt.

CMSIS-Hình 2.4 cấu trúc của STM32F103C8T6

Đặc điểm của vi điều khiển STM32F103C8T6:

ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz.Bộ nhớ:

o 64 kbytes bộ nhớ Flash (bộ nhớ lập trình).o 20 kbytes SRAM.

Clock, reset và quản lý nguồn.o Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V.

o Power on reset (POR), Power down reset (PDR) và programmablevoltage detector (PVD).

o Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz → 20Mhz.

o Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz.o Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC.Trong trường hợp điện áp thấp:

o Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ.

o Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưutrữ data khi mất nguồn cấp chính.

ADC 12-bit với 12 kênh

o Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V.o Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh.o Có cảm biến nhiệt độ nội.

DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quásâu của CPU.

o 7 kênh DMA.

o Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART.7 timer.

o 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM.

o 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ nhưngắt input, dead-time

o 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi.

o 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàmDelay….

Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:o 2 bộ I2C(SMBus/PMBus).

o 3 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control).

o 2 SPIs (18 Mbit/s).

o 1 bộ CAN interface (2.0B Active)o USB 2.0 full-speed interfaceKiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.

Loadcell Zemic H8C

Hình 2.5 Loadcell Zemic H8C