GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG BẰNG CẶP CẢM BIẾN NHIỆT NGẪU

NỘI DUNG Đề Tài:Dùng cảm biến nhiệt ngẫu giám sát nhiệt độ từ : Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = (100 + n)°C Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với 1. I=0 ÷ 20mA 2. n: là số dư của phép chia tổng số cuối cùng trong mã Sv trong nhóm cho 10 Phần Thuyết Minh Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan về mạch đo Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo Tính toán,lựa chọn cảm biến Tính toán, thiết kế mạch đo Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa Dùng phần mềm mô phỏng mạch

Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ

ĐỀ TÀI:GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG BẰNG CẶP CẢM BIẾN

NHIỆT NGẪU

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN THU HÀ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Phúc 0841 240 098

Nguyễn Huy Phương 0841 240160 Nguyễn Hữu Phương 0841 240 159 Nguyễn Thế Quang 08412 40165

Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = (100 + n)°C

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với

Yêu cầu bố cục nội dung:

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán,lựa chọn cảm biến

- Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp

+Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo

+Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần đo(áp dụng với trường hơp đo ở nhiệt độ cao )

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao.( 0 – 91)

Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng cặp nhiệt ngẫu

.Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu :

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt

độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế

· Nhiệt độ đầu tự do t0 đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn 0

nhưng thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết Phương pháp khắc phục :có 2 phương pháp : giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt Với cách thứ nhất ta chỉ việc ngâm đầu đo vào nước đá cũng có cách thứ 2 :khi nhiệt độ thanh tư

do thay đổi thay đổi làm cho mạch bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện áp bù vào sức điện động bị thay đổi

Ta có :

( , )= ( , )+

II.Hình thành sơ đồ khối

6 mạch chuyển đổi u sang i

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

Khối Chỉ thị

T0

U đặt

II.Chức năng của các khối trong mạch đo:

Chuyển đổi U sang I

Cảnh báo

b, Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vìtín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạch điện khác.

c, Mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quánhiệt độ

d, Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu điện áp sang tín hiệudòng điện để hiển thị ra

e, khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trởkim loại

Sau đó qua bộ lọc và khuếch đại tín hiệu

Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấu hiển thị.0

3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không có điện trong đại lượng cần đo

- Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:

+ Nhiệt điện kế kim loại

+ Nhiệt điện trở kim loại

+ Nhiệt điện trở bán dẫn

+ Cảm biến thạch anh

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính

I Các linh kiện có trong mạch

1.Cặp nhiệt ngẫu TCK

Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp

1.1.Cấu tạo :

1) Vỏ bảo vệ: 2) Mối hàn :3) Dây điện cực :4) Sứ cách điện:

5) Bộ phận lắp đặt: 6) Vít nối dây: 7) Dây nối; 8) Đầu nối dây

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng

sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ

để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làmviệc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp

1.2.Vật liệu chế tạo điện cực

1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi

7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben

- Cặp Platin - Rođi/Platin:

Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600oC , Eđ =16,77mV Nhiệt độ làm việc dài hạn

<1300oC Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300oC thì E ˜ 0

Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100oC

Đường kính điện cực thường chế tạo φ = 0,5 mm

Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn

- Cặp nhiệt Chromel/Alumel:

Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe Cực âm là

Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si)

Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100oC, Eđ = 46,16 mV

Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC

Đường kính cực φ= 3 mm

- Cặp nhiệt Chromel/Coben:

Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni

Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800oC, Eđ = 66 mV

Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC

- Cặp nhiệt Đồng/Coben:

Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben

Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC

Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC

Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

Cách đọc điện trở : vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta cần

 Vòng số 3 là bội số của cơ số 10

Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo, để hiển thì đầu ra có thể chính xác

b Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn Chúng

có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện.Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh

Cấu tạo bên trong của OP 741

-OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng

Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Khuếch đại điện âm hoặc dương

So sánh hai điện thế nhập

Khi V + > V - Khi V + < V - Khi V + = V -

Ngoài ra, mạch tích phân ,vi phân ,mạch cộng ,mạch trừ

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy

từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE vềcực (-) tạo thành dòng IB

một công thức

IC = β.IB

Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt quamối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn Ptại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn

N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor

1.6 Nguồn cấp cho mạch : 12v

1.7 Ic LM358

Có chức năng là để so sánh điện áp tại chân 3 U3 với điện áp ở chân 2 U2 nếu :

U3>U2 thì điện áp U1ở chân 1 sẽ dương và đèn Led sẽ sáng.

U<U2 thì điện áp U1ở chân 1 sẽ âm và đèn không sáng

Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch đo

I.Tính toán cảm biến (TCK)

Theo tính chất của vật liệu làm nên cặp nhiệt ngẫu cứ khoảng 1oC tương ứng với 0,4mV như hình :

Ở đề tài này yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100 + n)°C

(với n=6) tức là khoảng 0oC÷106oC cho nên ta sẽ chọn cặp nhiệt ngẫu làm từ

II.Tính toán thiết kế mạch khuếch đại và chuẩn hóa.

Để chuẩn hóa đầu ra là 10V ta sử dụng mạch khuếch đại với OP 741 với các thông

số như sau:

Chuẩn hóa đầu ra 10V

VI.Mạch chuyển đổi U-I

được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.

Hình 5.3 Cơ cấu chỉ thị từ điện

+ Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay

Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:

M q ==B.S.I.W

với B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S: tiết diện khung dây

W: số vòng dây của khung dây

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây

+Các đặc tính chung: từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau:

- chỉ đo được dòng điện 1 chiều

-đặc tính thang đo đều

- độ nhạy là 1 hằng số

VI.Toàn mạch của đề tài

Nguyên lý hoạt động:đầu tiên nhiệt độ sẽ được chuyển từ tín hiệu không điện sang tín hiệu điện nhờ TCK(cặp nhiệt ngẫu).Tín hiệu điện áp ra rất nhỏ cho nên ta phải khuếch đại đến điện áp tiêu chuẩn 0÷10V nhờ mạch khuếch đại không đảo.Tín hiệu ra của mạch khuếch đại là tín hiệu tiêu chuẩn ,nó sẽ được đưa vào mạch chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấu chỉ thị điện từ.Ngoài ra ,tín hiệu điện áp còn được đưa vào mạch so sánh để so sánh với điện áp đặt và đưa ra cảnh báo ở loa khinhiệt độ tăng cao hơn 80

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Với đề tài được giao em đã cố gắng hoàn thành đồ án trong thời gian quy định Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn.

3.2 Hạn chế

Hạn chế: sai số lớn do hệ số Ku của khối khuếch đại lớn,thực tế khó có thể chỉnh về điện áp 0V,do điện trở không thể tiến đến vô cùng