THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ SỐ 5 KÊNH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ SỐ 5 KÊNH

đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ SỐ 5 KÊNH’’

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ

1.1 Các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo lường

1.1.1 Khái niệm:

Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết

quả bằng số với đơn vị đo

Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, nó bằng tỷ số của

đại lượng cần đo X và đơn vị đo X0

Vậy quá trình có thể viết dưới dạng:

Ax =

0

X X

⇔ X= Ax.X0

Đây là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo

với mẫu và cho ra kết quả bằng số

Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau:

- Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu

- Thao tác so sánh

- Thao tác biến đổi

- Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị

¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo

• Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một

phép đo duy nhất

• Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo ,từ sự

phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp

• Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lượng nào đó , trong

cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép tính xác

1.1.2 Các đại lượng đặc trưng của kỹ thuật đo lường

1.1.2.1 Tín hiệu đo và đại lượng đo :

- Tín hiệu đo : là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lượng đo.Nó có

thể:

+ Tín hiệu liên tục Analog (A)

+ Tín hiệu rời rạc Digital (D)

- Đại lượng đo : là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó

Đại lượng đo được phân loại như sau:

+ Theo tính chất :

o Đại lượng tiền định (đại lượng xác định được trước)

o Đại lượng đo ngẫu nhiên (đại lượng không xác định )

+ Theo bản chất :

- Đại lượng điện (bản thân nó mang năng lượng như : I ,U

- Đại lượng thông số ( R, L, C )

- Đại lượng không điện ( t0, F,P ,Q )

- Đại lượng theo thời gian ( t,ϕ,f )

+Theo dụng cụ đo :

- Vôn kế , Wattmet, tần số kế

1.1.2.2 Điều kiện đo:

Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại

lượng đo Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến

kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh

hưởng đến đối tượng đo Cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để chọn

thiết bị đo và tổ chức các phép đo cho tốt nhất

1.1.2.3 Đơn vị đo:

Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đấy được quốc

tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân theo Trên thế giới người ta đã chế

tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn., trong đó có 7 đơn vị cơ

bản :

- Chiều dài là mét (m)

- Khối lượng là kilôgam (kg)

- Thời gian là giây (s)

- Cường độ dòng điện là ampe (A)

Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành

dạng tiện lợi cho người quan sát

Thực hiện phép đo:

- Thiết bị tạo mẫu : Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất

định Thiết bị mẫu phải đạt độ chính xác cao

- Dụng cụ đo : Là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thể hiện

kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng số tuỳ theo cách biến đổi

tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo tương tự

(ânlog) và dụng cụ đo chỉ thị số (Digital)

- So sánh : + Thiết bị tự động

+ Người điều khiển

- Biến đổi

Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo

với mẫu và cho ra kết quả bằng số

Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau:

- Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu

- Thao tác so sánh

- Thao tác biến đổi

- Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị

¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo

• Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một

phép đo duy nhất

• Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo ,từ sự

phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp

• Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lượng nào đó , trong

cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết

Kết quả đo Phương pháp biến đổi thẳng:

• Chuyển đổi (khâu đầu): biến đổi giữa hai đại lượng vật lý với nhau

+ Chuyển đổi điện - điện

- liên tục rời rạc (A/D)

- rời rạc liên tục (D/A) + Chuyển đổi không điện - điện : là đại lượng không điện (t0 ,p ,F .)

sang đại lượng điện (U, I )

• Mạch đo (biến đổi ): các mạch tính toán như:

+ Mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân

+ Mạch khuyếch đại ,mạch logic (and, or, not )

• Chỉ thị (khâu cuối): để thể hiện kết quả đo

Mạch đo

Chỉ thị

Chuyển

Chuyển đổi

X: là đại lượng đo

XK: là đại lượng chuẩn phản hồi

ΔX = X − XK

- So sánh cân bằng : X − X = ΔX = 0

- So sánh không cân bằng : ΔX ≠ 0⇒ X = XK + ΔX

1.1.4.Các đại lượng đặc trưng cơ bản

- Sai số tuyệt đối : Δ = Xđo − Xthực

Xđo : do các dụng cụ đo được

Xthực : giá trị mẫu (do dụng cụ đo hay giá trị thực)

- Sai số tương đối :

γ% =

ùc Xth

Δ 100%

- Sai số quy đổi : X%(cấp chính xác dụng cụ đo)

γqd% =

max X

max

Xmax : là sai số lớn nhất của thang đo

Δmax : là sai số tuyệt đối của thang đo

- Độ nhạy (S):

S =

X

Y Δ

- Tổng trở vào ,ra của dụng cụ:

- Tổng trở vào của dụng cụ là tổng trở của dụng cụ đó

- Các dụng cụ đo có tổng trở thích hợp để khi đo các tín hiệu không bị

sai lệch

- Đặc tính động:

+ Khi xét các đặc tính động:

- Đặc tính biên độ (trong quá trình quá độ)

- Đặc tính pha tần Vì các đại lượng đo (không biến thiên hoặc biến thiên

chậm và đại lượng biến thiên nhanh)

Độ tin cậy và tính kinh tế: phụ thuộc vào trình độ, khoa học

1.2.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của

các phân tử trong các vật thể

Để đo được nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo , thông thường trong công

nghiệp nhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể

truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa , không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống

khi cần xác định nhiệt độ

Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số TX - T là cực tiểu với TX là nhiệt

độ môi trường cần đo ,T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trường cần đo

Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảm

biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh nhiệt giữa cảm biến và môi

trường theo biểu thức :

dQ = a.A(TX -T)dt

với a là độ dẫn nhiệt ,

A là diện tích bề mặt truyền nhiệt

Mặt khác nếu cảm biến có khối lượng là m và nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt)

là c thì nhiệt lượng hấp thụ được là:

c m

Vậy ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt

Tx-T

dT = τ dt (1 - 1) Nghiệm của phương trình (1 - 1)là :

τ τ

hình 1-1a hình1- 1b

Hình (1 - 1b) có tính tới tổn thất nhiệt từ môi trường cần đo truyền vào cảm

biến và TX – T1 = ΔT luôn luôn tồn tại

1.2.2 Thang đo nhiệt độ:

Là một dãy các mốc nằm trong khoảng nhiệt độ giới hạn bởi hai điểm sôi và

nóng chảy cố định của một vật chất tinh khiết, hai điểm này gọi là điểm gốc để

phân độ toàn thang

Ngày nay trên thế giới tồn tại 3 loại thang đo nhiệt độ:

1.2.2.1 Thang nhiệt độ động học tuyệt đối hay còn gọi là thang Kelvin đơn

vị là K

do nhà vật lý người Anh là Thomson đề ra năm 1852

Trong thang nhiệt độ này người ta lấy 3 trạng thái của nước ở điểm cân bằng

nước - nước đá - hơi nước một giá trị số bằng 273,150K

Từ thang nhiệt độ Kelvin người ta xác định các thang nhiệt độ mới là thang

Celsíu và thang Fahrenheit

1.2.2.2 Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius)

Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là 0C Do nhà vật lý người Thụy Điển

Celsius đưa ra năm 1742 dựa vào điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước

chia ra 100 khoảng Quan hệ giữa thang Celsius và thang Kelvin được xác định

bởi biểu thức :

t (0C) = t (0K) - 273,15 (1 - 3)

1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ 0 F do nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đưa ra

năm1706,

lấy nhiệt độ của nước đá đang tan là 32 0F và sôi ở 212 0F

Đổi từ thang 0C ra nhiệt độ 0F và ngược lại theo công thức:

t(0C ) = {t(0F) - 32}

9

5

t(0F ) =

5

9 {t(0C ) + 32}

Năm1948 hội nghị đo lường quốc tế thứ 19 đã lấy thang nhiệt độ bách phân

(Celsius) là thang nhiệt độ quốc tế

Xây dựng thang đo nhiệt độ quốc tế người ta ghi nhận các điểm cố định sau :

- Điểm sôi của O2 là -182,97 0C

- Điểm tan của nước đá (điểm gốc) 0,000C

- Điểm sôi của nước ( điểm gốc ) 100,000C

- Điểm sôi của lưu huỳnh 444,600C

- Điểm kết tinh của bạc 960,800C

- Điểm kết tinh của vàng 1063,000C

BẢNG TRẠNG THÁI ĐO NHIỆT ĐỘ

Trạng thái

0K 0C 0F

Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,6

Hoà hợp nước - Nước đá 273,15 0 32

Cân bằng nước-nước

đá-hơi nước

273,16 0,01 32,108

1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ

Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách , nếu theo nguyên tắc

làm việc của máy đo nhiệt độ thì có thể phân thành các nhóm :

+ Nhiệt kế giãn nở :

Dựa trên sự biến đổi thể tích của chất lỏng hay chiều dài của chất rắn khi nhiệt

độ thay đổi

+ Nhiệt áp kế :

Dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích chất lỏng, chất khí, hơi

trong hệ thống kín khi nhiệt độ môi trường thay đổi

+ Nhiệt kế cặp nhiệt điện :

Dựa trên nguyên tắc thay đổi sức điện động khi cặp nhiệt điện thay đổi

+ Nhiệt kế điện trở :

Dựa trên sự phụ thuộc gữa nhiệt độ của dây dẫn , bán dẫn với điện trở của

chúng

+ Hoả kế bức xạ , hoả kế phát quang :

Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi khi nhiệt độ vùng cần đo thay đổi

+ Siêu âm nhiệt độ :

Nguyên lý hoạt động dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trường truyền âm

Ví dụ : trong không khí khô ,ở áp suất khí quyển thông thường quan hệ giữa

vận tốc truyền âm và nhiệt độ theo biểu thức :

C = 331,5

15 , 273

T

(m/s)

với C : vận tốc truyền âm

T : nhiệt độ tuyệt đối của không khí khô cần đo

Bảng dưới đây giới thiệu các khoảng đo của các máy đo chủ yếu

1- Nhiệt kế giãn nở ( đo tiếp xúc)

Nhiệt kế cơ khí

Nhiệt kế thuỷ ngân

Nhiệt kế chất lỏng

-100 -35 -190

600

600

600

300 3- Nhiệt kế điện trở (đo tiếp xúc)

Nhiệt kế điện trở bằng đồng

Nhiệt kế điện trở bạch kim (Pt)

Nhiệt kế điện trở Niken

Nhiệt kế bán dẫn Silic

-50 -250 -200 -50

180

650

180

120 4- Cặp nhiệt điện (đo tiếp xúc)

Bạch kim - Rodi - Bạch kim

Crom - Nhôm

Crom - Copen

Đồng - Constantan

-20 -50 -50 -100

1600

1000

600

400 5- Hoả kế (đo không tiếp xúc)

7- Kim máy đo

8- Hai thanh kim loại của nhiệt kế

Hình 1.2 là nhiệt kế hai thanh kim loại khác nhau uốn thành lò xo , ống xoắn

nhiều vòng hàn lại với nhau thành thanh , khi nhiệt độ đốt nóng hai thanh nó sẽ

dài ra không giống nhau và lò xo sẽ uốn về phía kim loại nào có hệ số giãn nở

nhỏ làm kim chỉ chuyển dịch ta đọc được nhiệt độ bên trong

Chiều dài của 1 thanh ở 1 nhiệt độ được tính theo công thức :

lt = l0(1 + αt)

Với l0 là chiều dài của thanh ở nhiệt độ 00C , α là hệ số giãn nở nhiệt của kim

loại của thanh đó

Hình 1-2b là nhiệt kế kiểu thanh gồm 1 ống và 1 thanh kéo chế tạo bằng hai vật

liệu khác nhau Thanh kéo 1 được đặt trong ống , một đầu được gắn chặt vào

đáy ống , khi bị đốt nóng và thanh kéo dài ra không giống nhau ,tác động cơ

khí lên kim chỉ quay đi 1 góc tương ứng với nhiệt độ cần đo chia trên thang mặt

đồng hồ

Nhiệt kế giãn nở có độ chính xác thấp , nên dùng trong các hệ thống cần đo và

điều khiển nhiệt độ đơn giản

+ Nhiệt kế thuỷ tinh chất lỏng

Hình 1-3 Nhiệt kế thuỷ ngân Nguyên tắc làm việc của loại nhiệt kế này là dựa trên hiện tượng giãn nở vì

nhiệt của chất lỏng chứa trong bầu thuỷ tinh , khi chất lỏng trong bầu bị đốt

nóng , chất lỏng được dâng lên theo ống nối ngắn với bầu chứa , quan sát chiều

cao cột chất lỏng ta sẽ có nhiệt độ tương ứng được khắc trrên thang đo

Tiết diện càng nhỏ thì nhiệt kế càng nhạy với nhiệt độ, chất lỏng chứa trong

bầu thuỷ tinh có thể là ruợu hoặc thuỷ ngân

Hình 1-3 là nhiệt kế thuỷ ngân Hình 1-3 a là loại nhiệt kế thuỷ ngân thanh

thẳng, có ống nối nhỏ ,dài và dày làm bằng thuỷ tinh chịu nhiệt hoặc bằng

thạch anh Loại nhiệt kế này có độ chính xác cao hay sử dụng trong phòng thí

nhiệm

Hình 1-3b là loại nhiệt kế thuỷ ngân thanh thẳng có ống nối riêng và bảng chia

độ riêng

Nhiệt kế thuỷ ngân chế tạo đơn giản , giá thành hạ.Nhược điểm khó đọc số, số

chỉ báo chậm , độ bền kém, không thể tự ghi và truyền tín hiệu đi xa

1.2.3.2 Nhiệt áp kế

Nhiệt áp kế có cơ cấu đo kiểu lò xo áp kế Khi tăng nhiệt độ của túi nhiệt làm

cho chất lỏng, chất khí chứa trong nó tăng thể tích nhưng do túi nhiệt là thể tích

kín nên làm cho tăng áp suất và làm biến dạng lò xo, truyền qua cơ cấu truyền

động tới kim chỉ của áp kế , ống nối với túi nhiệt có đường kính từ 0,2 ÷

0,5mm gọi là ống lò xo đàn hồi ống lò xo này có thể là một hoặc nhiều vòng

tuỳ theo thiết kế của nhà chế tạo

Nhiệt áp kế phân theo tính chất làm việc như : nhiệt áp kế chất lỏng, chất khí,

chất hơi Với nhiệt áp kế chất lỏng chủ yếu là thuỷ ngân và ruợu Nhiệt áp kế

chất hơi thường dùng chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp như benzen, axeton

Trong nhiệt áp kế chất khí thì trong toàn bộ hệ thống áp suất đều chứa khí trơ

như : heli, nitơ, ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển

Hình 1-4

1- Túi nhiệt 2- ống nối 3- Lò xo đàn hồi 4- Kim chỉ

5 -Thang đo

Hình 1-4 là cấu tạo của nhiệt áp kế Túi nhiệt được chế tạo từ thép hoặc

đồng thau , ống dẫn nối chế tạo từ vật liệu là thép hoặc đồng, lò xo ống đàn hồi

làm bằng đồng thau áp suất tối đa trong hệ thống kín của nhiệt áp kế có thể đạt

tới 60atmotphe, phía ngoài của nhiệt áp kế có thể lắp thêm công tắc tín hiệu,

các bộ phận truyền tín hiệu đi xa, các cơ cấu tự ghi các thông số đo

Sai số của các loại nhiệt áp kế chất lỏng , chất khí không quá ± 1,5%; sai số

của nhiệt áp kế chất hơi có thể tới ±2,5% Nhược điểm của các loại nhiệt áp kế

là độ bền cơ học của ống nối thấp, thời gian báo kết quả đo chậm, khó sửa chữa

và lắp ráp

1.2.3.3 Đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện

+ Nguyên tắc làm việc và cấu tạo của cặp nhiệt độ

Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt điện là khi có hai thanh kim loại A và

Β khác nhau được hàn lại với nhau ở hai đầu 1 và 2

(như hình1-5) Đầu 1 có nhiệt độ là t (đầu đo nhiệt độ)

Đầu 2 có nhiệt độ là t0 (đầu tự do)

Do tính chất kim loại của hai thanh A , Β khác

nhau nên lượng điện tử tự do trong hai thanh

cũng khác nhau Số lượng điện tử tự do khuyếch

tán sang qua mối hàn cũng khác nhau, khi cân

bằng ở nhiệt độ nào đó thì ở mối nối giữa hai

thanh sẽ xuất hiện một sức điện động xác lập

Nếu đầu 1 và 2 có cùng nhiệt độ

EAB(t) = eAB(t) − c = f(t) (2-5)

với c là hằng số và c = cAB(t0) = const

Từ phương trình (2-5) Nếu bằng cách nào đó làm cho t0 không đổi thì sức

điện động là hàm số của nhiệt độ t ở đầu 1 Vật liệu làm điện cực cặp nhiệt điện

phải có yêu cầu là đồng chất , sức điện động phụ thộc vào nhiệt độ gần tuyến

tính , chịu được nhiệt độ, độ bền cơ học ở nhiệt độ cao, có độ bền hoá học, tính

đồng nhất của vật liệu dọc chiều dài điện cực

Trong kĩ thuật sử dụng các cặp nhiệt độ : crôm-crôm ; crôm-copen;

đồng-constantan; đồng-copen; sắt-copen; ở nhiệt độ cao người ta còn sử dụng

cặp nhiệt điện vonfram-reni

Trên hình 1.6 là đặc tuyến sức điện động theo nhiệt độ của các cặp nhiệt, ứng

với đầu tự do có t0 = 00C

Hình 1.6 Đặc tuyến sức điện động của các cặp nhiệt

Đặc tính kỹ thuật của cặp nhiệt điện thông dụng

Cặp nhiệt điện Dải nhiệt độ

làm việc(0C)

Sức điện động (mV)

K : Chromel/Alumel

R : Platin- Ro®i ( 13%)/Platin

S : Platin- Ro®i (10%)/Platin B: Platin- Ro®i (30%)/Platin-Ro®i(6%)

E

J

K

R S B

+ Sử dụng đồng hồ milivôn kế kiểu từ điện đo tín hiệu cặp nhiệt điện

Trên sơ đồ nguyên lý hình (1-7) là sơ đồ sử dụng đồng hồ milivôn kiểu từ

điện để đo tín hiệu của cặp nhiệt điện

Hình 1.8 Sơ đồ đo sđđ nhiệt bằng milivôn kế Dòng điện chạy trong mạch đo do sức điện động EAB (t,t0) tạo ra tính theo

công thức :

Ι =

f p dc c FD AB

0 AB

R R R R R

R

) t , t ( E

+ + + +

0 AB

R R

) t , t ( E +

với điện trở ngoài:

Rng = RAB+RFD+R0+Rdc

Điện trở của dụng cụ đo :

RM = RP + Rf với RP là điện trở của khung dây ,Rf là điện trở phụ trong

mạch đồng hồ đo

Điện áp đặt lên đồng hồ là:

Uab = I.RM = EAB(t,t0) – I.Rng

Mômen quay khung dây đồng hồ:

MΘ = S.Β.W.Ι với S diện tích khung dây

Β cường độ từ cảm trong khe hở

W số vòng của khung dây

Mặt khác có mômen cản của lò xo là Mng tính theo công thức:

Mng = k.α với k là hệ số đàn hồi của lò xo

α là góc quay của khung dây

Khi mômen quay MΘ cân bằng với mômen cản của lò xo Mng thì có:

α =

k

I.

W B

S = A.I = A

M ng

o AB

R R

) (t,t E +

Với một đồng hồ milivon đã chế tạo thì A trong biểu thức trên là một hằng

số và A =

k

W B

.

S gần như không đổi Khi giữ cho Rng+RM = const thì góc quay

của khung dây tỷ lệ với EAB(t,t0); trên bề mặt của đồng hồ milivon khắc theo

nhiệt độ cho toàn thang đo

Khi đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện phải chú ý tới đầu tự do có nhiệt độ

t0, phải chọn vùng có nhiệt độ t0 ổn định tránh sinh ra sức điện động phụ làm

cho sai số của phép đo lớn

Để chọn được vùng có t0 ổn định người ta sử dụng cặp dây bù để kéo dài

đầu tự do đi xa hoặc sử dụng cầu bù tự động để có điện áp đặt vào dụng cụ thứ

cấp không đổi ứng với nhiệt độ t của đầu đo không đổi khi nhiệt độ t0 của đầu

tự do thay đổi

Hình 1-9

Sơ đồ hình 1-9 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo nhiệt độ sử dụng cầu bù

tự động Cầu bù tự động gồm điện trở R1, R2, R3 làm bằng mangan Có hệ số

tăng điện trở theo nhiệt độ nhỏ (α = 0,000015

C

1

0 ); Rđ làm bằng đồng Nguồn điện ổn định cấp vào đường chéo của cầu là điểm a,b Khi có cầu bù do sự tăng

điện trở của Rđ nên cầu bù tự động xuất hiện một điện áp cầu Ucd để luôn luôn

bảo toàn biểu thức

AC/DC

t1

t

BA

t1

F

Dd

EAB(t,t0) = EAB(t,t’0 ) + Ucd

Trong thực tế với cầu bù tiêu chuẩn khi đầu tự do có t0 thay đổi từ 0÷500C

thì sai số của phép đo là ±30C; với nhiệt độ t0 trong từng máy đo đã cho biết

trước

1.2.4 Đo nhiệt độ bằng cảm biến điện trở

Từ năm 1821 người ta đã phát hiện ra điện trở của một số kim loại thay đổi

theo nhiệt độ Ngày nay với trình độ công nghệ kỹ thuật cao đã tạo ra được các

loại cảm biến điện trở chia ra làm 3 nhóm : kim loại, bán dẫn và nhiệt điện trở ,

ưu điểm cơ bản của cảm biến điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài

hạn

1.2.4.1 Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại

Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thay đổi

điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi so với trị

số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn Ví dụ điện trở của dây đồng thay đổi theo

nhiệt độ:

RCu t = RCuo [1+ α(t - t0)] Ω

Với RCu0 là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t0 Nhiệt độ t0 trong

thực tế người ta thường lấy ở 00C, t là nhiệt độ của môi trường đo;

α là hệ số tăng điện trở của đồng trên 10C

Bảng tính chất vật lý của một số kim loại

0,004 0,0045 0,0045 0,004 0,004 0,0047 0,0039 0,000015

0,024 0,0045

0,017 0,019 0,00128 0,0089

Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn ví dụ như bạch kim có

φ = (0,05 ÷ 0,07)mm, dây đồng φ = 0,2mm hoặc nhỏ hơn; Được quấn trên lõi

cách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu dưới,

hoặc ống gốm bịt kín

ở 00C nhiệt kế bạch kim được chế tạo với trị số : 10Ω; 48Ω và 100Ω Đồng

ở 00C được chế tạo với trị số 53Ω; 100Ω

Trên hình 1-10 là cấu tạo của một điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến

Hình 1.10 Điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến

Độ nhạy của cảm biến nhiệt độ Ni và Fe-Ni là ≈ 5.10-3

1.2.4.2 Cảm biến nhiệt điện trở Silic:

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi

được kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó

thành dương Người ta đã thấy khi ở nhiệt độ dưới 2000C thì hệ số nhiệt điện

trở của cảm biến nhiệt điện trở silic có trị số dương ; còn khi nhiệt độ lớn hơn

2000C hệ số nhiệt điện trở là âm

Phần tử cảm nhận của silic có kích thước (500×500×240)μm, được mạ kim

loại ở một phía còn phía còn lại để tiếp xúc với bề mặt đo nhiệt độ Độ nhạy

của loại cảm biến này vào khoảng 0,7% 0C có nghĩa là điện trở thay đổi 0,7%

theo từng 0C Có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến silic:

Với T, T0 tính theo nhiệt độ K

Vì độ nhạy của cảm biến nhiệt điện trở cao nên thường dùng để phát hiện nhiệt

độ biến thiên rất nhỏ từ (10-4÷10-3)K

3

4 5 2 1

1.2.5.3.Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở:

nhiệt độ là rất nhỏ, Rt 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 00C thì muốn kim milivon -

mV chỉ 00C thì điện thế ở điểm 1 và điện thế ở điểm 2 trên sơ đồ phải bằng

nhau Có nghĩa :

3 1

3

R R

R E + = 2 to

to

R R

R E +

và

U1-2 =

to 2

to

R R

R E + - 1 3

3

R R

R E + = 0

Nếu chọn R1= R2 và R3 = Rto; với Rto là trị số của cảm biến điện trở ở nhiệt độ

00C

Vậy có thể viết theo :

U1-2 = E

to 2

3 to

R R

R R +

− = E

to 2

to to

R R

R R +

to t

R R

R R +

−

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 Rd1,Rd2 nên điện thế tại điểm 2 trên sơ đồ phản ánh đúng

điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến Rt

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 6000C 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 mắt 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- Thấu kính đo (vật kính)

2- Đèn nung đỏ và dây tóc

3- Thấu kính mắt (thị kính)

4- Kính lọc

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 học dùng đo nhiệt độ từ 8000C ÷ 60000C, 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 được chia thang đo theo nhiệt độ

9000C ÷18000C Sai số không vượt quá 4 ÷8%.Nhược điểm của loại hoả kế này

là khó kiểm tra Độ chính xác không cao

PHẦN 2

SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC

CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ KHỐI

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI - CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI

2.1.1 Sơ đồ khối : Từ nhiệm vụ của đề tài thiết kế, có sơ đồ khối của hệ

thống đo và điều khiển nhiệt độ 5 kênh như hình vẽ:

Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt độ

2.1.2 Chức năng của từng khối:

khèi

khèi chuyÓn vμ

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 nhiệm 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

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 (00C ÷ 1000C)

- 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 được truyền tuần tự, liên tục

(chính xác) theo thời gian

- Chọn R1, R2, R3 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 = 0,004/00C

Rt = R0[1 + α(t0 − t0

0)](1) Với R0 là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t0

Rt là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t

Ta có :

Υcầu=

t

3 R R

E + Rt −

2

1 R R

E + R1 (2)

Thay phương trình (1) vào (2) ta có :

Υcầu =

]

− +

[ + +

]

− +

[

) t t (

α 1 R R R

) t t (

α 1 R E

0 0 0 0

0 0 3

2

1 R R

E + R1(3)

ở (3) ta thấy tuyến tính khi :

Υcầu = E.R0

0

2 R R

) t t (

α

1 0 0

+

− +

−

2

0 R R

1 +

=

0 2

0

R R

) t t (

α R

t.

α R

E 0

+

=

2 1

1

R R

t.

α R

E 0

+ = 1 3

1

R R

t.

α R

E 0

+

Khi xét (t0

0=00C)

Với cách chọn này Υcầu= 0 khi nhiệt độ là 00C Khi tăng nhiệt độ trong dải (00C

÷1000C) 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

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 −2500C ÷850C Như vậy

ở công thức (5) ta muốn thay đổi hệ số khuyếch đại phù hợp thì ta điều chỉnh

điện trở R2 sao cho phù hợp

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 1/3Vcc và 2/3 Vcc

2- OA1 –AMP là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào không đảo nhận

điện áp chuẩn 2/3Vcc, còn ngõ vào đảo thì nối ra ngoài chân 6 Tuỳ

thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà OA1 có điện áp ra

ở mức cao hay thấp để làm tín hiệu R2, điều khiển bộ và đảo

r3 r2 r1

r6

U

ng

c U

R

R R

1 2 3