chế tạo bộ biến truyền nhiệt độ

 TRƯỜNG ĐẠI HỌ C Đ I Ệ N LỰ C(EVNEPU) “CHẾ TẠO BỘ BIẾN TRUYỀN NHIỆT ĐỘ” Chủ nhiệm: TS. HOÀNG NGỌC NHÂN (EVNEPU) Tham gia: Ths. Đào Đức Thịnh (HUT) Ths. Vũ Duy Thuận (EVNEPU) Ths. Nguyễn Văn Thủy (ENVPPC) 9802 EVNEPU 12 BÁO CÁO ĐỀ TÀI BỘ CÔNG THƯƠNG 2012 2 MỤC LỤC PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN TRUYỀN NHIỆT ĐỘ (Trang 3) PHẦN 2: VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU ĐIỆN TỪ TRONG NHÀ MÁY, XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP (Trang 16) PHẦN 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐO SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN, CHUẨN DÒNG RA 0-20 mA (Trang 22) PHẦN 4: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM CHO VI ĐIỀU KHIỂN (Trang 37) PHẦN 5: THIẾT KẾ VỎ BẢO VỆ (Trang 39) PHẦN 6: KẾT QUẢ (Trang 40) KẾT LUẬN (Trang 46) TÀI LIỆU THAM KHẢO (Trang 47) PHỤ LỤC (Trang 48) 3 PHẦN1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN TRUYỀN NHIỆT ĐỘ 1.1. Giới thiệu: Trong những năm vừa qua, lĩnh vực vật lý và điện tử đã có những bước phát triển vượt bậc. Đây là hai ngành công nghệ có ảnh hưởng quan trọng nhất đến sự phát triển của khoa học kỹ thuật gần đây. Ngày nay, người ta không thể sống thiếu các tiện ích mà công nghệ mang lại trong cuộc sống hàng ngày. Và sự phát triển chúng trong quá trình điều khiển công nghiệp cũng kéo theo một nhịp độ như vậy. Sự ra đời và phát triển của vi điều khiển và các thiết bị điện tử đã góp phần tạo ra sự đổi mới trong quá trình điều khiển công nghiệp. Những tiến bộ đã dẫn đến một cách thức mới để giám sát, điều khiển và truyền thông. Trong hai mươi năm qua, điều khiển quá trình, truyền thông công nghiệp đã phát triển các mạ ch vòng 4 – 20mA đơn giản đến các chuẩn truyền thông mạnh mẽ như HART, Foundation Fieldbus và Profibus…đã được sử dụng một cách mạnh mẽ trong công nghiệp. Một trong các thiết bị cấp trường được sử dụng một cách rộng rãi là các bộ biến truyền. Các bộ biến truyền nhiệt độ là một trong những thiết bị hiện trường được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Theo khảo sát c ủa tạp chí Control Engineering thì 92% số người được hỏi cho biết họ sử dụng bộ biến truyền nhiệt độ để kiểm soát quy trình của họ. Thậm chí còn ấn tượng hơn, nhiệt độ là đại lượng cơ bản để tính toán các đại lượng đo khác như lưu lượng, mật độ và các phép đo đa biến khác. Như vậy, các bộ biến truyền nhiệt độ còn được sử dụng trong nhiều quá trình khác. Hình 1: Sử dụng bộ biến truyền nhiệt độ trong công nghiệp. 4 1.2. Một số cảm biến và phương pháp đo nhiệt độ: 1.2.1. Một số loại cảm biến [1] a. Cảm biến nhiệt điện trở. Chúng ta biết điện trở của vật dẫn thay đổi khi nhiệt độ thay đổi theo công thức sau: R = Ro ( 1+ αT+βT 2 +…). Trong đó: R là điện trở ở nhiệt độ cần đo . Ro là điện trở của nhiệt điện trở 0 o C , α, β là hệ số nhiệt điện trở ( hệ số này phụ thuộc vào bản chất kim loại dùng làm điện trở ). Dựa vào tính chất này của vật dẫn người ta dùng để chế tạo RTD. Vì điện trở phản ứng với nhiệt độ rất chậm nên người ta thường dùng các vật liệu có đáp ứng nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ để sản xuất RTD, chủ yếu là platinum, đồng. Tùy theo yêu cầu công nghệ mà RTD được chế tạo theo 3 dạng khác nhau: RTD dạng màng phim mỏng , loại ruột quấn , loại ruột gà. Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại RTD như Pt100, Pt200, PT1000, Ni120, Cu… Thông dụng nhất là Pt100. Hình 2: Pt100 và thông số dải đo. Thông số: dải đo -200 đến 800. 0 o C tương ứng với 100 Ohm. b. Cặp nhiệt điện. Chúng ta biết khi 2 thanh kim loại khác nhau về bản chất được nối với nhau tại một điểm sẽ sinh ra sự chênh lệch điên áp nhỏ mV nhờ vào hiệu ứng Seebeak. Khi nhiệt độ thay đổi sự khuếch tán điện tử tại điểm nối cũng thay đổi theo dẫn đến điện áp thay đổi. Người ta lợi dụng tính chất này của kim loại để đo nhiệt độ . Điểm hai kim loại được nối lại với nhau gọi là điểm đo ( Mesurement juntion ). Tùy theo yêu cầu công nghệ mà người ta dùng các loại cặp nhiệt khác nhau , như loại K , loại J .v.v. Điện áp ngõ ra phụ thuộc vào nhệt độ đầu đo và nhiệt độ tham chiếu (thường là nhiệt độ môi trường nơi đặt cảm biến), do đó mạch xử lý phải có phần bù nhiệt thường là IC cảm biến nhiệt. Các loại TC: 5 Bảng 1: Thông số của các loại cặp nhiệt điện Đặc tuyến: Hình 3: Đặc tuyến điện áp - Nhiệt độ của các loại cặp nhiệt điện. c. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn. Các linh kiện bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ: diode hoặc transitor nối theo kiểu diode. Điện áp trên diode hoặc giữa 2 mối nối C-E của transitor là hàm của nhiệt độ. Tầm đo nhỏ hơn so với thermocouples và RTD, do cấu trúc của cảm biến bán dẫn mà người ta thường sử dụng đo nhiệt độ môi trường với độ chính xác khá cao và có giá thành thấp. Hình 4: Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (LM35). 6 1.2.2. Các phương pháp đo nhiệt độ [1] Tùy theo nhiệt độ đo, đặc điểm của đối tượng đo mà người ta phân ra làm: - Đo tiếp xúc: Thường dải nhiệt thấp, có thể lên đến vài trăm độ. - Đo không tiếp xúc: Thường dải nhiệt cao a. Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc. • Sử dụng nhiệt điện trở: - Cơ sở: Dựa vào sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính dẫn điện của các kim loại như: Platin, Niken, đồng … có thể chế tạo cảm biến điện trở. Khi nhiệt độ thay đổi, tính dẫn điện của kim loại cũng thay đổi. Trong công nghiệp thường sử dụng 2 loại nhiệt điện trở là dây đồng( Cu) và dây Platin( Pt). Các mạch đo dùng trong nhiệt điện trở R t thường dùng mạch đo 2 dây và 3 dây. + Mạch đo dùng 2 dây: chỉ dùng khi vị trí điểm đo tới đồng hồ khoảng cách cần từ 3m đến 5m. Hình 5: Sơ đồ mạch đo dùng 2 dây. Trong đó: R t là cảm biến nhiệt điện trở. R d điện trở của dây dẫn kéo dài. r 1, r 2 là điện trở con trượt trong máy đo. Tại nhiệt độ O độ C, điều chỉnh biến trở để cầu cân bằng, khi đo đồng hồ hiển thị là O. Khi nhiệt độ thay đổi, cầu sẽ mất cân bằng, từ giá trị điện áp hiển thị trên M-D (hình 5) sẽ tính được nhiệt độ cần đo. + Mạch đo 3 dây: Để giảm ảnh hưởng của điện trở dây đến kết quả đo, người ta sử dụng cầu 3 dây như hình 6. Về nguyên lý cũng dựa vào hoạt động của cầu giống như cầu 2 dây. 7 Hình 6: Sơ đồ mạch đo dùng 3 dây. • Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện - Nguyên lý đo: Dùng 2 thanh kim loại khác nhau về bản chất nối 2 đầu với nhau, sau đó đưa vào môi trường nhiệt độ. Khi được nung nóng thì trong vòng dây sẽ xuất hiện dòng điện, dòng điện này do sức điện động trong vòng dây sinh ra: Hình 7: Cặp nhiệt điện. E đ = k(T x -T 0 ) Trong đó: E đ là sức điện động đo được, k là hệ số nhiệt của cặp nhiệt điện, Tx, To là nhiệt độ điểm cần đo và nhiệt độ đầu tự do (thường là nhiệt độ môi trường). - Phương pháp này có ưu điểm là đo được nhiệt độ ở môi trường có nhiệt độ cao. Tuy nhiên nó có nhược điểm là sai số tương đối lớn khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng cách bù trừ nhiệt độ đầu tự do như sau: + Ổn định nhiệt độ môi trường (phương pháp này chỉ dùng trong phòng thí nghiệm). + Dùng dây bù : Dùng dây bù có tính chất giống nhau( giống dây làm cặp nhiệt điện) kéo về nơi có nhiệt độ tương đối ổn định để lắp đồng hồ. + Dùng cầu bù: Cầu bù được tạ o nên bởi 4 điện trở được nối với nguồn 1 chiều và được mắc với nguồn 1 chiều. Thông thường trong thiết bị đo nhiệt độ người ta có thể dùng cầu bù. Sơ đồ hệ thống cầu bù như sau: 8 Hình 8: Mạch đo sử dụng mạch cầu bù. R t là điện trở bằng dây đồng thay đổi theo nhiệt độ môi trường. R 1 ,R 2 ,R 3 là các điện trở manganin (không thay đổi theo nhiệt độ môi trường) Ở nhiệt độ hiệu chỉnh, cầu cân bằng điện áp ra trên đường chéo bằng không.Khi nhiệt độ đầu tự do thay đổi t’ 0 # t 0 điện áp ra của cầu bù vào sức điện động mất đi nhiệt độ thay đổi. Hình 9: Mạch đo sử dụng LM35 để bù nhiệt độ. - Ưu điểm của TC là rẻ, dễ chế tạo, thang đo lớn. - Nhược điểm : do điện áp không tuyến tính với nhiệt độ nên độ chính xác không cao. Ngoài điểm đo , 2 điểm nối sensor với cơ cấu hiển thị cũng sinh ra điện áp ( 2 điểm này gọi là hot juntion và cold juntion). Để bù điện áp này người ta phải lắp thêm mạch bù trong cơ cấu hiển thị. 9 Dựa vào nguyên lý trên chúng ta có thể xếp các loại cảm biến vào loại RTD hay TC. Ngoài ra chúng ta còn nhiều phương pháp đo nhiệt độ nhưng chủ yếu là dạng cơ được xếp vào loại nhiệt kế, như: nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế dùng silicon lỏng dạng ống bourdon, súng bắn nhiệt độ phân tích nhiệt độ theo quang phổ của nguồn nhiệt .v.v. b. Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc. Nguyên lý của phương pháp đo không tiếp xúc dựa vào bức xạ nhiệt của đối tượng cần đo. Mỗi một đối tượng đều bức xạ ra nhiệt hoặc khi đối tượng có nhiệt đều bức xạ ra bước sóng hồng ngoại, căn cứ vào lượng nhiệt bức xạ hoặc bước sóng bức xạ có thể tính được nhiệt của đối tượng cần đo. Hiện nay, có một số thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc sử dụng nguyên lý trên: hỏa kế quang học, hỏa kế quang điện, hỏa kế bức xạ toàn phần… 1.3. Khái niệm về bộ biến truyền: Transmitter có thể được dịch là bộ biến truyền, nó có hai chức năng:  Biến đổi một đại lượng vật lý sang dạng tín hiệu điện.  Xử lý tín hiệu, hiển thị tại chỗ và biến tín hiệu cần đo thành chuẩn dòng hoặc áp hoặc là các chuẩn truyền thông công nghiệp để truyền đi xa. Các transmitter có thể có hiển thị tại chỗ hoặc không, có thể cài đặt thông số. Temperature Transmitter (bộ biến truyền nhiệt độ) : được định nghĩa như một bộ biến truyền kết hợp với công nghệ cảm biến nhiệt độ với các thiết bị điện tử ngoại vi. Thông thường các thiết bị điện tử này cho phép giám sát từ xa và cấu hình các tham số truyền. Đây là thiết bị công nghiệp dùng để chuyển đổi tín hiệu đo từ các cảm biến nhiệt độ (RTD,TC…) thành tín hiệu chuẩn(0 – 5 V, 0 – 20mA, 4 – 20mA, chuẩn HART,…) để đưa tới các thiết bị điều khiển hay hiển thị… 1.4. Một số loại biến truyền phổ biến trên thị trường: Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều hãng tham gia sản xuất bộ biến truyền nhiệt độ với các tính năng từ đơn giản đến rất tinh vi. Giao thức truyền thông của các bộ biến truyền trên thị trường cũng rất đa dạng, từ chuẩn dòng 2 dây 4-20mA (HART), Profibus PA, FOUNDATION Fieldbus,… tới wireless. 1.4.1. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Siemens: Được sử dụng trong các ứng dụng đo và giám sát nhiệt độ. Có một số tính năng đặc biệt như sau: được sử dụng nhiều nơi mà các bộ biến truyền khác không sử dụng được, tiết kiệm, thiết lập nhanh và thân thiện với người sử dụng. 10 Bảng 2: Các bộ biến truyền và thông số điển hình [2] Loại Bộ biến truyền hiện trườn (SITRANS TF) Kết nối đầu (SITRANS TH200) Kết nối thanh ray (SITRANS TR200) Hình ảnh Đầu vào RTD và TC Pt100 RTD và TC Đầu ra 4-20mA với chuẩn HART, ProfibusPA, Foundation Fieldbus 4- 20mA 4-20mA Độ chính xác 0.1 o C với pt100 0.1 o C với pt100 0.1 o C với pt100 Tính năng Giá trị cảm biến đo được hiển thị tại chỗ trên màn hình số Có thể kiểm tra trực tiếp tín hiệu ra. Đo nhiệt độ với đầu ra tuyến tính. Thiết kế mỏng,lý tưởng cho việc nâng cấp của đầu dò Pt100 với tín hiệu 4-20mA. Đo nhiệt độ với đầu ra tuyến tính. độ chính xác cao. Khả năng tương thích điện từ (EMC) theo DIN EN61.326 và NE21. 1.4.2. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Emersonprocess: Bộ biến truyền nhiệt độ Emersonprocess được thiết kế để đo và giám sát nhiệt độ. Cụ thể như sau: đáp ứng các yêu cầu đo lường đơn điểm phổ biến có độ tin cậy cao và chức năng tiên tiến. [...]... cảm biến - Giám sát cảm biến liên tục và tự giám sát - Giám sát điện áp nguồn - Giám sát sự ăn mòn và đứt dây Tùy chỉnh lỗi cảm biến Hình ảnh 1.4.5 Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Honeywell: - Bộ biến truyền nhiệt độ thông minh STT3000 giúp chuyển đổi tín hiệu mức thấp từ các cảm biến nhiệt độ như RTD và TC thành tín hiệu hiện tại và có khả năng truyền xa qua môi trường nhà máy ồn ào - Bộ biến truyền. .. năng truyền xa qua môi trường ồn ào 1.5 Nhiệm vụ thư: Tại Việt Nam một số công ty đã chế tạo được thiết bị đo nhiệt độ nhưng chưa có đơn vị nào sản xuất bộ biến truyền nhiệt độ mà có thể thương mại hóa và kiểm chuẩn Vì vậy, đề tài hướng tới việc nghiên cứu, thiết kế Bộ biến truyền nhiệt độ sử dụng trong công nghiệp, xây dựng một sản phẩm có tính thực tiễn cao Có các thông số cụ thể như sau: Bộ biến truyền. .. nghệ cảm biến trên cơ sở vi điều khiển, đảm bảo độ chính xác và ổn định, tin cậy cao Cảm biến đầu vào: cặp nhiệt điện, RTD, Ohms, DC milivolt Giao thức truyền thông: BRAIN và HART YTA320 hỗ trợ FOUNDATION Fieldbus YTA320 cho phép hai T/C, RTD, Ohm, DC milivolt Tính năng 1.4.4 Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng ABB: Chức năng của bộ biến truyền nhiệt độ ABB là khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến, trực... PA 4-20 mA/tính hiệu HART hoặc FOUNDATION fieldbus Độ chính xác 0.2 oC 0.15oC cho Pt100 0.1oC cho Pt100 Tính năng Dễ dàng cài đặt và gỡ bỏ với cho phí thấp Khả năng tương thích với các cảm biến phổ biến Một cảm biến đơn và một cảm biến kép trong cùng một bộ biến truyền Làm việc ổn định.Dùng chuyển đổi tín hiệu nhiệt Sự kết hợp bộ biến truyền và cảm biến giúp cải thiện Tăng loại bỏ EMI và lọc kết quả... kết quả trong trường hợp không ổn định khi đo Hình ảnh 1.4.3 Bộ biến truyền nhiệt độ của Yokogawa Electric Corporation: Một số tính năng quan trọng tiến bộ hơn so với các sản phẩm kết nối dây trực tiếp cùng loại: -   Loại bỏ các yêu cầu calib đặc biệt Bảo trì và kỹ thuật đơn giản Cho phép chuẩn đoán tiên tiến 11 Bảng 4: Bộ biến truyền nhiệt độ của Yokogawa Electric Corporation [4] YTA50/YTA70 YTA110/YTA310/YTA320...Bảng 3: Các bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Emersonprocess [3] Loại Rosemount 248 Rosemount 644 Rosemount 3144P Đầu vào 2-,3-,4-dây RTD, cặp nhiệt điện 2-,3-,4-dây RTD, cặp nhiệt điện Thiết lập 2 ngõ vào độc lập 2-,3-,4-dây RTD, cặp nhiệt điện Đầu ra Theo chuẩn HART 2-dây,tuyến tính với nhiệt độ hoặc tín hiệu đầu vào 420mA/HART HART hoặc FOUNDATION fieldbus... tới các sản phẩm mạ kẽm cách nhiệt Các tín hiệu có thể dễ dàng được truyền đi qua một khoảng cách dài tới các khối vào/ra của hệ thống điều khiển hay các bộ điều khiển quá trình   12 Bảng 5 : Các bộ biến truyền nhiệt độ của hãng ABB [5] Loại TTH200 TTR200 Đầu vào RTD và TC RTD và TC Đầu ra 4- 20mA 4- 20mA Độ chính xác ±0.05% thang đo ±0.05% thang đo Tính năng - Giám sát cảm biến liên tục và tự giám sát... vào bao gồm các mạch đo và ADC:   22 - Mạch đo điện trở nhiệt (RTD) sử dụng mạch cầu tuyến tính và mạch khuyếch đại - Mạch đo cặp nhiệt độ (TC) sử dụng mạch khuyếch đại cho tín hiệu cặp nhiệt điện - Mạch đo nhiệt độ môi trường (Temp) sử dụng cảm biến nhiệt độ số giao tiếp một dây để ghép nối trực tiếp với uC - MUX và ADC dồn kênh tín hiệu và biến đổi thành số để có thể xử lý bằng uC Mạch chính bao... Khuyếch đại sử dụng OPAM OP=07 có độ chính xác cao Thông số OP-07 có trong phần phụ lục.K=(1+R3/R2)=101 R3=100K, R2=1K D11 bảo vệ điện áp ra cho mạch ADC 3 Mạch đo và bù nhiệt độ môi trường: Sử thay đổi nhiệt độ môi trường làm sai số kết quả đo Việc đo nhiệt độ môi trường được thực hiện bằng cảm biến số DS18B20 kết nối trực tiếp với uC qua giao tiếp một dây Bù nhiệt độ được thực hiện bằng phần mềm +5... và có khả năng truyền xa qua môi trường nhà máy ồn ào - Bộ biến truyền nhiệt độ STT3000 giúp đo nhiệt độ đáng tin cậy, chính xác và ổn định trên trên các ứng dụng giám sát, kiểm soát và an toàn Nó được ứng dụng rộng dãi trong các lĩnh vực giám sát nhiệt độ khí thải, trong các quá trình làm nóng lạnh v.v…   13 Bảng 6: Các bộ biến truyền của hang Honeywell [6] STT 3000 Smart Temperture STT 3000 Series . vậy, các bộ biến truyền nhiệt độ còn được sử dụng trong nhiều quá trình khác. Hình 1: Sử dụng bộ biến truyền nhiệt độ trong công nghiệp. 4 1.2. Một số cảm biến và phương pháp đo nhiệt độ: 1.2.1 DIN EN61.326 và NE21. 1.4.2. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Emersonprocess: Bộ biến truyền nhiệt độ Emersonprocess được thiết kế để đo và giám sát nhiệt độ. Cụ thể như sau: đáp ứng các. 1.4.4. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng ABB: Chức năng của bộ biến truyền nhiệt độ ABB là khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến, trực tiếp hay liên quan tới các sản phẩm mạ kẽm cách nhiệt.