Đồ án thiết kế Hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh (ĐHBK Hà Nội) - 2 potx

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 23 1.2.5.3.Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở: R 1 R 2 R 1 R 2 R d1 R 3 R t R 3 R t R d2 Hình 1- 11 Trên hình 1-11 các điện trở R 1 , R 2 , R 3 là các điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ là rất nhỏ, R t là cảm biến điện trở đặt trong vùng cần đo nhiệt độ. Sơ đồ cầu được cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn định cao. Giả sử thang chia nhiệt độ của mV được chia từ 0 0 C thì muốn kim milivon - mV chỉ 0 0 C thì điện thế ở điểm 1 và điện thế ở điểm 2 trên sơ đồ phải bằng nhau. Có nghĩa : 31 3 R R R.E + = to2 to R R R.E + và U 1-2 = to2 to R R R.E + - 31 3 R R R.E + = 0 Nếu chọn R 1 = R 2 và R 3 = R to ; với R to là trị số của cảm biến điện trở ở nhiệt độ 0 0 C. Vậy có thể viết theo : U 1-2 = E to2 3to R R RR + − = E to2 toto R R RR + − = 0 Khi nhiệt độ khác 0 0 C thì có biểu thức tính điện áp theo điện trở của cảm biến là: U 1-2 = E t2 tot R R RR + − TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 24 Khi dẫn tín hiệu đi xa và tránh ảnh hưởng của điện trở dây dẫn theo nhiệt độ tới phép đo, thì nối dây như sơ đồ hình 1-11b ; do nhánh cầu đều được thêm vào điện trở dây dẫn R d1 ,R d2 nên điện thế tại điểm 2 trên sơ đồ phản ánh đúng điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến R t . 1.2.5 Hoả kế: Tất cả các vật thể là nguồn nhiệt đều phát ra các bức xạ nhiệt. Ví dụ vật thể có nhiệt độ 600 0 C thì phát ra tia hồng ngoại có bước sóng λ = (0,75÷400)μm. Mắt con người chỉ nhìn được sóng ánh sáng λ = (0,40÷0,75)μm. Các bức xạ có λ < 0,4 μm ta cũng không nhìn thấy chngs là tia tử ngoại, đó là tia ronghen và tia Gâm. 1.2.5.1 Hoả kế quang học Trên hình 1-12 là sơ đồ nguyên tắc của hoả kế quang học. Nguyên tắc làm việc của hoả kế quang học là dựa trên sự so sánh mức độ sáng chói của vật nóng và dây tóc bóng đèn nung đỏ giữa mắ t người quan sát và vật đo; Khi so sánh mức độ sáng của dây tóc bóng đèn với nguồn nhiệt cần đo bằng nhau thì đọc chỉ số của milivôn kế, Milivôn kế đã được khắc theo thang nhiệt độ, điện áp rơi trên đèn tương ứng với nhiệt độ của vật cần đo. 1 8 2 3 4 9 7 - + Hình 1- 12 – Sơ đồ nguyên lý hoả kế quang học 1- Th ấu kính đo (vật kính) 2- Đèn nung đỏ và dây tóc 3- Thấu kính mắt (thị kính) 4- Kính lọc TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 25 5- Nguồn điện 1 chiều 6- Điện trở điều chỉnh độ sáng của bóng đèn 7- Mini vôn kế 8- Kính lọc. Ưu điểm của hoả kế quang học là đo gián tiếp, dải đo rộng, dễ điều chỉnh và sử dụng. Nhược điểm là phụ thuộc vào kinh nghiệm người quan sát. Hiện nay hoả kế quang họ c dùng đo nhiệt độ từ 800 0 C ÷ 6000 0 C, có nhiều loại với phạm vi dải đo khác nhau. Cấp chính xác của hoả kế quang học là từ 1,5÷4,0 1.2.5.2 Hoả kế bức xạ: Hoả kế bức xạ làm việc trên cơ sở năng lượng của tia phát ra của nguồn nhiệt. Đây là dụng cụ đo nhiệt không tiếp xúc. Hoả kế bức xạ gồm có hệ thống quang học như gương, thấu kính, dùng để thu các tia do vật phát ra và hội tụ lại trên vật đen. Để đo nhiệt độ của vật đen người ta sử dụng các bộ cặp nhiệt điện mắc nối tiếp với nhau. Cặp nhiệt điện có thể là crom-copen. Để đo sức điện động của các cặp nhiệt độ có thể dùng milivon kế hoặc điện thế kế đã đượ c chia thang đo theo nhiệt độ. 1 3 4 5 2 2 0 C Hình – 13 Sơ đồ nguyên lý hoả kế bức xạ kiểu Pπ 1- Vật kính (thấu kính đo) 2- Thị kính 3- Lá tiết lưu 4- Bộ cặp nhiệt điện 5- Kính màu bảo vệ mắt Trên hình 1-13 là sơ đồ nguyên lý hoả kế bức xạ kiểu PM, bộ cặp nhiệt điện có 4 cặp nhiệt điện mắc nối tiếp. D ải nhiệt độ làm việc là TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 26 900 0 C ÷1800 0 C. Sai số không vượt quá 4 ÷8%.Nhược điểm của loại hoả kế này là khó kiểm tra. Độ chính xác không cao. TRNG HKB H NI N TT NGHIP 27 PHN 2 S KHI V NGUYấN TC LM VIC CA CC PHN T TRONG S KHI 2.1. S KHI - CHC NNG CA TNG KHI 2.1.1 S khi : T nhim v ca ti thit k, cú s khi ca h thng o v iu khin nhit 5 kờnh nh hỡnh v: Hỡnh 2-1 S khi h thng o nhit 2.1.2 Chc nng ca tng khi : tơng tự - số khối nguồn cấp cảm biến khối chấp hnh khuếch đại khối khối khối chuyển v khối so sánh tạo xung nhịp khối khối khối chỉ thị 220 v nhớ kênh TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 28 2.1.2.1 Khối Cảm biến: Đây là bộ phận cảm biến nhiệt (biến tín hiệu không điện thành tín hiệu điện). 2.1.2.2 Khối khuyếch đại trung gian Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu từ Sensor. 2.1.2.3 Khối so sánh. Khối này có nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào (tín hiệu đo) với tín hiệu cố định (tín hiệu đặt) để cho ra khối chấp hành. 2.1.2.4 Khối chuyển kênh: Khối này có nhi ệm vụ cho phép từng kênh đọc một. Khi xong chuyển kênh khác và báo kênh nào đang đọc. 2.1.2.5 Khối xung nhịp Khối này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển khối chuyển kênh . 2.1.2.6 Khối tương tự số : A/D Khối Analog(tín hiệu liên tục) sang Digital (tín hiệu số) có nhiệm vụ là phân tín hiệu tương tự cần đo mã hoá tín hiệu này và đưa sang chỉ thị số. 2.1.2.7 Khối chỉ thị Khối này có nhiệm vụ đọc tín hiệu và hiển thị số liệu đo, khối kênh nào đo. 2.1.2.8 Khối nguồn Khối này có nhiệm vụ cung cấp điện áp (nguồn nuôi) cho tất cả các khối trên và tạo ra nguồn luôn ổn định. 2.1.2.9 Khối chấp hành Khối này có nhiệm vụ báo hiệu, cảnh báo khi nhiệt độ đo vượt quá nhiệt độ đặt TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 29 2.2. GIỚI THIỆU TỪNG PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ KHỐI 2.2.1 Khối cảm biến 2.2.1.1 Chọn khối cảm biến Qua một vài phương pháp đo nhiệt độ ta thấy đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở là hiệu quả bởi vì: - Dải đo không lớn (0 0 C ÷ 100 0 C) - Sai số nhỏ - Đơn giản, gọn nhẹ, dễ hiểu - Độ nhạy cao - Tính lặp lại cao. 2.2.1.2 Thiết kế cảm biến: • Nhiệm vụ thiết kế: - Tạo điện áp biến thiên tuyến tính với nhiệt độ - 5 khối cảm biến này có chỉ số giống nhau - Thông tin (tín hiệu) phản ánh nhiệt độ đượ c truyền tuần tự, liên tục (chính xác) theo thời gian. Thiết kế: Với yêu cầu trên ta chọn sơ đồ cầu như hình vẽ: R 1 R t U ng U C R 2 R 3 Hình 2-2 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 30 - Chọn R 1 , R 2 , R 3 ít thay đổi theo nhiệt độ (không thay đổi theo nhiệt độ).Thông thường trong kỹ thuật dùng điện trở bằng đồng có hệ số điện trở thay đổi là: α = 0,004/0 0 C R t = R 0 [1 + α(t 0 − t 0 0 )](1) Với R 0 là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t 0 R t là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t Ta có : Υ cầu = t3 RR E + R t − 21 RR E + R 1 (2) Thay phương trình (1) vào (2) ta có : Υ cầu = ]−+[++ ]−+[ )tt.(α1RRR )tt.(α1R.E 0 00 0 00 003 0 − 21 RR E + R 1 (3) ở (3) ta thấy tuyến tính khi : 21 RR E + R 1 , E, R 0 , R 2 , R 3 là hằng số Và nếu ta chọn R 1 = R 0 với R 0 là điện trở của biến ở t 0 0 = 0 0 C R 2 = R 3 và R 2 ,R 3 >> R 1 ,R 0 ⇒ thì ta bỏ qua được R 0 α(t 0 − t 0 0 ) Lúc này ta có được phương trình (3) mới Υ cầu = E.R 0 02 R R )tt.(α1 0 00 + −+ − 20 RR 1 + = 02 .0 R R )tt.(αR.E 0 00 + + = 02 R R t.α.R.E 0 + = 21 .1 R R t.αR.E 0 + = 31 .1 R R t.αR.E 0 + Khi xét (t 0 0 =0 0 C) Với cách chọn này Υ cầu = 0 khi nhiệt độ là 0 0 C. Khi tăng nhiệt độ trong dải (0 0 C ÷100 0 C) là tuyến tính và tạo ra tín hiệu liên tục. 2.2.2 Khối khuyếch đại trung gian Khối khuyếch đại trung gian gồm năm bộ khuyếch đại thuật toán đo lường tuyến tính. ở đây ta sử dụng IC tuyến tính TL084 là loại IC dùng trong công nghiệp, có nguồn nuôi là (+12V) và (−12V). IC này có khả năng chống nhiễm TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 31 cao, có mạch chống trôi điểm 0 do nhiệt độ công suất tiêu tán định mức 680mV, tốc độ tăng áp 13C/1μ, nhiệt độ làm việc −250 0 C ÷85 0 C. Như vậy dùng 5 IC TL084. Hình 2.3 Sơ đồ chân IC TL084 ở sơ đồ này chống nhiễm đồng pha: U r = k.U cầu (5) với k = k 1 .k 2 k 1 = 1 + 2 31 R RR + k 2 = − 4 5 R R ở công thức (5) ta muốn thay đổi hệ số khuyếch đại phù hợp thì ta điều chỉnh điện trở R 2 sao cho phù hợp. -12V TL084 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 0A 0A TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 32 Hình 2.4 Sơ đồ nối thành khuyếch đại đo lường IC TL084 2.2.3 Khối tạo xung điều khiển Hình 2.5 Cấu tạo IC 555 2.2.3.1 Cấu tạo khối xung điều khiển (555) 1- Cấu phân áp gồm 3 điện trở 5 kΩ nối từ nguồn xuống mass cho ra 2 điện áp chuẩn là 1/3V cc và 2/3 V cc 2- OA1 –AMP là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào không đảo nhận điện áp chuẩn 2/3V cc , còn ngõ vào đảo thì nối ra ngoài chân 6. Tuỳ thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3V cc mà OA1 có điện áp ra ở mức cao hay thấp để làm tín hiệu R 2 , điều khiển bộ và đảo r3 r2 r1 A2 A1 r5 r7 r4 r8 A3 r6 U ng c U T 7 4 & S R & 3 cc v 8 cc v 2 5 k 5 k 6 5 3 v cc 3 1 1 5 k 2 OA2 OA1 S S 1 2 R R R 1 2 3 [...]... Dựng IC n ỏp 78 12, 79 12 to ra ngun E1 = 12Vv dựng IC n ỏp 78 05, 79 05 to ra ngun E2 = 5V - 35 Dựng 4 t hoỏ lc TRNG HKB H NI N TT NGHIP A - E1 (-1 2v) 2 ap 79 12 d1 d2 3 79 05 c1 c3 c2 c4 2 d4 d3 - E2 (-5 v) 1 78 05 78 12 B 1 3 E2 (5v) E1 (12v) LA 79 12 LA 78 12 1 3 1 3 - 12V +12V + 12 - + 35V 2 2 -1 2 - 35V 2. 2 .5 Khi ch th: Khi ch th gm hai b phn: - b phn th nht ch nhit - b phn th hai ch kờnh ang c s liu o B... Chõn 40: OSC1 * S hot ng 22 17 25 16 26 47k 18 24 0 ,22 F 19 23 -5 V 20 15 27 14 28 13 29 30 0,01F 31 1M 32 ICL 7107 0,47F 12 11 19 Các đầ u ra của IC 21 9 33 8 34 7 35 6 36 5 37 4 38 3 39 2 40 1 0,1 F 1k 100pF 100k 1k Hỡnh 4.8 S hot ng ca ICL7107 39 +5( V) TRNG HKB H NI 2. 2.8 N TT NGHIP Khi chuyn v nh kờnh 2. 2.8.1 khi chuyn kờnh Nhim v ca khi chuyn kờnh l nhn tớn hiu t 5 kờnh ti Sau ú s ch th o... NI - Ta chn Ucu = 7 (mv) 1000C - R1= R0 =100 v lỳc 00C thỡ R1 = R0 - Theo thit k sensor cụng thc 3 cú: - Ucu = - R2= N TT NGHIP E.R1.t do chn R2= R3 R1 + R2 5. 100.0,004.100 - 100 7.10 _ 3 R2 =2 857 1,4 () =28 ,57 1 (K) Chn R2= R3 =28 (K) - Tớnh RT 1000C - RT =R0[1+(t 0- T00)] = 100[1+ 0,004(100 0- 000)] = 140 () Ucu = Ucu = E.RT E.R 1 R3 + RT R1 + R2 5. 140 5. 100 = 0,0071 7,1mv 3 28 .10 + 140 100 + 28 .10... chu k th 2 tr i l t c np in t 1/3 2/ 3 UN m khụng np t 0 nh ban u + Vcc RA I nạp 4 8 UR 7 I RB 55 5 xả D 6 3 2 1 C1 34 5 C2 TRNG HKB H NI N TT NGHIP UC 2v 3 cc 1v 3 cc t1 T kđ t3 t2 TX T N t4 T t X T CK U t G iả n đ ồ x u n g 2. 2.4 Khi ngun: - Mt mỏy bin ỏp: vi s cp ly in 22 0V, f = 50 Hz Th cp chia lm hai cun cú mt im chung õy l bin ỏp trung tớnh - 4 diod to thnh chnh lu - Dựng IC n ỏp 78 12, 79 12 to ra... 30 l cc (-) , chan 31 l cc (+) Chõn 12 f(x10) 13 28 Buffer 14 27 Int egrat or d(100) Chõn 30, 31: in ỏp so sỏnh 11 e(x10) v o 10 a(x10) Chõn 29 : t ng iu chnh c(x10) b(x10) m 15 26 -5 ( V) b(100) 16 25 g(x100) f(100) 17 24 c (x100) e(100) 18 23 31 +Input 30 -Input 29 Outoze ro g(x100) a/ b(100) 32: l chõn chung (comon) ca ngun in v xung 19 22 a (x100) POLARITY (-) 20 21 Digit al _GND Hỡnh 4.7 S chõn vi... NGHIP 3- OA2 AMP l mch khuch i so sỏnh cú ngừ vo o nhn in ỏp chun 1/3 Vcc, cũn ngừ vo khụng o thỡ ni ra ngoi chõn 2 4- Hai b V- o ca R v S cú biu thc logớc nh sau : R = R1.R2.R3 S =S1.S2 5- Tranzitor T l tranzitor cú cc h, ni ra chõn 7 2. 2.3.1 Nguyờn lý lm vic ca TIMER 55 5 : - Khi mi úng in (chõn 4, 8) t C bt u np in t 0V OA1 cú Vi+ > Vi- nờn ngừ ra V01 mc cao (H), (P2 = H) OA2 cú Vi+ < Vi- nờn ngừ... ang c s liu o nhit kờnh ú 9 a2 10 a 1 11 a 0 12 y3 13 y 0 14 y1 15 y2 16 v dd h ef 4 051 b vss 8 6 vee 7 e y5 5 3 y7 4 z y6 2 y4 1 Ta cú bng trng thỏi u Vo 41 u Ra TRNG HKB H NI N TT NGHIP Ni E A2 A1 A0 L L L L L L L H L L H L L L H H L H L L H X X X Y0 Z Y1 Z Y2 Z Y3 Z Y 4- Z Khụng ni Nhim v cỏc chõn: - Y0 Y9 : Cỏc ngừ vo / ra - A0 A2 : Cỏc ngừ vo a ch - E - Z : Ngừ vo cho phộp, tỏc ng... 28 .10 3 - ' U cau U cau _ U cau 7,01_ Tớnh sai s = 100 = 100 = U cau U cau 7 - Vi sai s 0,14 % thỡ vic tớnh chn cỏc tr s ca cỏc in tr cu o l 7 100 = 0,14% phự hp - vi cỏch tớnh chn trờn ta cú R1=100() ; Rt =100 ữ 140 () E1= 5 V ; R2= R3 =28 K - Dũng in qua nhỏnh R1, R2 l : IR1,R2 = 5 E = = 0,000177 (A) R1 + R2 100 + 28 .10 3 Chn in tr R1, R2 l dõy mng Ganin 1/4w loi ny cú h s nhit in tr =0,0000 15 (1/0C)... lp vi A0ữA2 - VDD v VSS l chõn cp ngun, di in ỏp gia VDDv VSS t 3 ữ 15V Tớn hiu Analog vo/ra (Y0ữY7 v Z) cú th dao ng gia VDD v VSS Giỏ tr VDDVSS khụng vt quỏ 15V - 40 Trong trng hp hot ng nh mt b a hp/gii a hp dng s TRNG HKB H NI N TT NGHIP ( Digital Multiplexer/Demultiplexer), VEE c ni vi VSS(thng l ni Mass) + Ta cn 2 IC HEF4 051 B 1- HEF4 051 B cú nhim v c s liu o ca cỏc kờnh 2- HEF4 051 B cú nhim... tip vi mch 2 7107 nh mt milivonmet vi giỏ tr ti a o c l 199,9 (mv) Ngun cp cho vi mch l 5 (V) a Cu to ca IC 7107 Chõn 2 n 25 l cỏc chõn ra iu khin b ch th s 7 thanh 3 1 2 digital Trong ú chõn 20 l chõn Polarty (phõn cc tớnh õm, dng) Chõn 28 : cú tỏc dng nh b 38 OSC 3 b(x1) 4 37 Test a(x1) 5 36 Ref Hi gh 6 35 Re f l ow g(x1) 7 34 Ref 8 33 Ca pa ct or 9 32 C omm on (in ỏp o: chõn 30 l cc (-) , chan 31 . hiệu đo đã được số hoá qua khối biến đổi tương tự số (ICL7107) LA 79 12 1 3 2 +12V - 12V LA 78 12 1 3 2 + 12 - + 35V -1 2 - 35V A 3 1 B c4c2 d4 d3 2 78 12 ap A 1 d2 d1 c1 c3 79 12 2 3 78 05 79 05 -. ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 36 2. 2 .5 Khối chỉ thị: Khối chỉ thị gồm hai bộ phận: - bộ phận thứ nhất chỉ nhiệt độ - bộ phận thứ hai chỉ kênh đang đọc số liệu đo. . 35V A 3 1 B c4c2 d4 d3 2 78 12 ap A 1 d2 d1 c1 c3 79 12 2 3 78 05 79 05 - E1 (-1 2v) - E2 (-5 v) E2 (5v) E1 (12v) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 37 2. 2.6 Khối so sánh tín hiệu Khâu so sánh tín hiệu thường dùng