kế hệ thống báo động cháy nổ cho một kho hàng

Bài tập dài môn học cảm biến Lời nói đầu Ngày khoa học công nghệ đà phát triển vợt bậc đồ dùng ®Ịu Èn chøa nh÷ng øng dơng cđa khoa häc kÜ thuật Trong nhà máy lớn hay nhỏ tồn phận cảm biến, chúng giúp chuyển đổi từ thay đổi môi trờng bên tạo lên tín hiệu đIện qua xử lý sau báo cho ngời quản lý Phần lớn thiết bị điện có ứng dụng cảm biến Nh ta thấy vai trò quan trọng cảm biến việc xử lý ảnh hởng môi trờng đến sống Bài tập lớn dựa sở cảm biến ,các mạch đo analog,các phân kênh,bộ so sánh, qua chuẩn hoá để đa thông báo vào máy tính, đa báo động đèn còi Đề : Thiết kế hệ thống báo động cháy nổ cho kho hàng I/ Số liệu ban đầu: điểm đo nhiệt độ dùng cảm biến bán dẫn Tranzito nhiệt độ với dải đo đến 100 Báo động nhiệt độ 60 3C báo khói Chỉ thị số kết đo ghép nối với máy tính thể kết đo 3.báo động đèn còi (hoặc chuông Bài tập dài môn học cảm biến II/ Yêu cầu thuyết minh tính toán trình bày đại cơng phơng pháp đo nhiệt độ cảm biến bán dẫn Chọn phơng pháp đo sơ đồ khối Chọn cảm biến phơng pháp đo tơng tự Thiết kế Card thu thập tám kênh ghép nối với máy tính thị số Thiết kế hệ thống báo động Tính sai số kết luận Tổng quan cảm biến bán dẫn cảm biến quang điện I./Đại cơng phơng pháp đo nhiệt độ A.Dùng chuyển đổi nhiệt điện - Chuyển đổi nhiệt điện chuyển đổi dựa trình nhiệt nh đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt Thực tế đo lờng đại lợng không điện ngời ta thờng dùng hai tợng hiệu ứng nhiệt điện hiệu ứng thay đổi điện trở dây dẫn hay chất bán dẫn nhiệt độ thay đổi Tơng ứng với hai tợng ngời ta phân thành hai loại : chuyển đổi cặp nhiệt điện chuyển đổi nhiệt ®iƯn trë CỈp nhiƯt ®iƯn (cỈp nhiƯt ngÉu) - Nguyên lý làm việc cặp nhiệt điện dựa tợng nhiệt điện Nếu hai dây dẫn khác nối với hai điểm và hai điểm đợc đốt nóng mạch xuất dòng điện sức điện động nhiệt điện hiệu số hàm nhiệt độ hai điểm nối: ET(t1)=f(t1)- f(t2) - Điểm đốt nóng gọi đầu công tác, điểm lại gọi đầu tự Nếu giữ nhiệt độ đầu tự số tức f(t2)=const=C : Bài tập dài môn học cảm biến ET=f(t1)-C=f*(t1) - Nh viƯc ®o nhiƯt ®é t sÏ thay b»ng viƯc đo sức điện động cặp nhiệt giữ cố định nhiệt độ đầu tự Vật liệu chế tạo cần có yêu cầu sau: quan hệ sức điện động nhiệt điện nhiệt độ phải hàm đơn trị , tính chất nhiệt điện không thay đổi, độ bền hoá với nhiệt độ phải cao , dẫn điện tốt , giá trị sức điện động nhiệt điện phải lớn - Cặp nhiệt điện điện đợc nối với hàn đợc bảo vệ tránh ăn mòn hoá học - Có thể đo đợc nhiệt độ tõ 273 − 3000 C , sai sè 0,1 3% tuỳ loại Hình vẽ: t1 t2 Nhiệt ®iƯn trë - NhiƯt ®iƯn trë lµ chun ®ỉi cã ®iƯn trë thay ®ỉi theo nhiƯt ®é cđa nã RT=f(to) Nh vËy ta cã thĨ ®o ®iƯn trë Rt ®Ĩ suy nhiƯt ®é NhiƯt ®iƯn trë dïng ®Ĩ ®o nhiệt độ loại không đốt nóng Dòng điện chạy qua phải nhỏ để không làm tăng nhiệt độ ®iƯn trë vµ nhiƯt ®é cđa nã b»ng nhiƯt ®é môi trờng Trong công nghiệp, nhiệt điện trở đợc chia làm hai loại nhiệt điện trở kim loại ( NĐT dây ) nhiệt điện trở bán dẫn 2.1 Nhiệt điện trở dây - Thờng chế tạo từ đồng (Cu) , platin (Pt) , niken (Ni) Đờng kính dây tõ 0,02-0,07 mm vµ chiỊu dµi tõ - 20 mm - NhiƯt ®iƯn trë Pt : cã tÝnh lặp cao, sai số ngẫu nhiên thấp (0,01%) nên đo đợc nhiệt độ thấp với sai khác 0,01 0C Ngoài Pt chịu đợc nhiệt độ đến 12000C mà không bị ô xi hoá nóng chảy nên dùng đo nhiệt độ cao Phơng trình đặc trng có dạng: - Tại nhiệt độ từ - 6600C : RT=Ro(1+At+Bt2) - Tại nhiƯt ®é tõ -180 - 00C : RT= Ro[1+At+Bt2+C(t-100)3] A , B , C : h»ng sè ; R0 : điện trở 00C Nhợc điểm loại đặc tính phi tuyến, không dùng đợc môi trờng ô xi hoá khử Tuy nhiên độ bền hoá học cao, tính dẻo lớn nên đợc sử dụng rộng rÃi - Nhiệt điện trở Cu Ni : giá thành rẻ , tính lặp không cao Pt , thờng dùng trờng hợp yêu cầu xác không cao nhng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật định Bài tập dài môn học cảm biến - Dải nhiệt độ làm việc Cu khoảng -50 - 180 0C Phơng trình đặc trng có dạng: RT= Ro(1+t) : hệ số nhiệt độ; = 4,13.10-3 1/0C ; t : nhiƯt ®é; R0 : nhiệt độ 00C - Nếu giá trị cđa R0 cã thĨ dïng c«ng thøc : τ + t2 RT2= RT1 τ + t RT1 , RT2: ®iƯn trë øng víi nhiƯt ®é t1 vµ t2 τ = 1/ : số phụ thuộc vào loại vật liƯu ; τ = 234 ®èi víi Cu - Khi tính R2 nhiệt độ t2 cần biết R1 ë nhiƯt ®é t1 bÊt kú 2.2 -NhiƯt ®iƯn trë Ni: cã thĨ sư dơng ®Õn nhiƯt ®é 250 - 3000C, nhiệt độ cao quan hệ RT = f(t) không đơn trị Trong khoảng nhiệt độ từ 1000C , α = 5.10-3 1/0C TÝnh chÊt ®iƯn Ni phụ thuộc nhiều vào tạp chất trình nhiệt luyện Ưu điểm Ni ®iƯn trë st cao, hƯ sè nhiƯt ®é lín cho phép chế tạo đợc chuyển đổi có kích thớc nhỏ Nhiệt đIện trở bán dẫn - Đợc sản xuất từ oxit kim loại, oxit bán dẫn tinh thể: MgO, MgAl2O4,Mn2O3,Fe3O4,Co2O3,NiO,ZnTiO4 Tán thành bột chộn với theo tỉ lệ định, nén, liên kết nhiệt độ khoảng 1000oC Hàn hai đầu dây dẫnlên bề mặt sensor =q(à,nt ,àp ,) n,p: nồng độ đIện trở lỗ trống - Nguyên lý làm việc : Với chất bán dẫn nhiệt đọ ảnh hởng chủ yếu đến mật độ đIện tử lỗ trống Khi nhiệt độ làm đứt liên kết phơng trình, hình thành cặp lỗ trống đIện tử Gọi G số cặp lỗ trống đơn vị thời gian, đơn vị bề mặt thì: G=A.T a.e-qE/KT A,a: hệ số phụ thuộc vào vật liệu K: hệ số E: nợng làm đứt mối quan hƯ T: nhiƯt ®é K - Mét sè cËp tách lại táI hợp với Gọi R số táI hợp đơn vị thời gian đơn vị thời gian R=r.n.p r : hệ số táI hợp n,p : nồng độ đIện trở lỗ trống Nếu n=p => R=r.n2 - Nếu số tích hợp táI hợp G=R Bài tập dài môn học cảm biến a n= AT  − qE / KT  T  - Nếu tính đến ảnh hởng nhiệt độ, độ lệch động ,àT độ dẫn =C.Tb.e-/T C,b : hệ sè phơ thc vËt liƯu chÕ t¹o qE β= 2K E: lợng liên kết - Đặc đIểm : + U điểm độ nhạy theo nhiệt độ cao gấp mời lần nhiệt đIện trở nhiệt + hệ số nhiệt có giá trị âm + Có thể chế tạo loại có hình dáng khác 1 β − T T T   e  o T  RT=RO  o       To ,Ro nhiƯt ®iƯn trë ë nhiƯt ®é tut ®èi α= − β + bT T2  1 RT=Ro β T e  αT=-   −  To   β T2 = 0.02÷0.08 /°C β=3000o÷5000oK MMT1 KMT1 1.4 12 Bài tập dài môn học cảm biến MT6 R(%)=2,4ữ3,4% Ro=1ữ200 - Nhiệt độlàm việc lớn nhất2.5 đạt 120oC MMT9 =19 =5 R=2,4ữ3,4% Ro=0,01ữ5 - Nhiệt độ làm việc lớn 120oC II./Phơng pháp đo A Phơng pháp tần số - Phơng pháp dựa thay đổi tần số cộng hởng khâu phát tần số theo nhiệt độ Các khâu cộng hởng hố cộng hởng điện khâu cộng hởng RC LC Nhiệt kế âm - Nguyên lý hoạt động: nhiệt kế gồm ống kim loại đựng không khí khô đợc nối liền với hai micro điện động thông qua hai lỗ nhỏ đáy ống.Tiếng phát từ micro dùng làm ống kích thích đợc truyền vào ống phản xạ lên thành ống trở micro thu Âm đợc khuyếch đại lên lại đa vể micro kích thích Với cách bố trí hệ số khuyếch đại đủ lớn, hệ làm việc nh thiết bị phát tần số tự kích Tần số phát phụ thuộc vào chiều dài ống cộng hởng tốc độ truyền âm không khí Khi nhiệt độ thay đổi tốc độ truyền không khí khô ống thay đổi tần số cộng hởng thay đổi theo Từ xác định đợc nhiệt độ Hiện đà chế tạo đợc nhiệt kế kiểu với tần số f0 00C 1030 Hz với độ nhạy Hz / 0C Nhiệt kế áp điện - Cũng dựa nguyên lý nhiệt kế âm nhng hoạt động tần số cao hơn, giải sóng siêu âm Nhiệt kế dây căng Bài tập dài môn học cảm biến - Cảm biến dây căng dây căng kim loại mà tần số thay đổi theo lực căng chiều dài dây: f o= F = ml 2l F: lực tác động lên dây căng; : ứng suất dây; m: khối lợng dây căng; l: chiều dài dây căng - Ta có ∆l/l = αt víi α lµ hƯ sè gi·n në dài giá đỡ dây căng theo nhiệt độ Sự biến dạng gây biến đổi ứng suất dây căng thay đổi tần số riêng dây căng Ta đo ft = ft - f0 ®Ĩ suy nhiƯt ®é NhiƯt ®iƯn trë kiĨu tần số - Nhiệt điện trở đợc mắc vào mạch phát dao động kiểu RC mẫu theo hình Ta cã: f o= 2π R 1R C1C R1, R2 hai nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ nên tần số cộng hởng thay đổi theo nhiệt độ Ta đo biến thiên tần số để suy nhiệt độ B Phơng pháp quang học - Đây phơng pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc dựa vào mật độ phổ lợng phát xạ theo bớc sóng Trong phơng pháp kể đến số phơng pháp sau: hoả kế phát xạ , hoả kế cờng độ sáng , hoả kế màu sắc Tại ta trình bày tóm tắt mà không sâu vào chi tiết Hoả kế phát xạ - Nguyên lý hoạt động dựa phát xạ vật đốt nóng môi trờng xung quanh Đối với vật đen tuyệt đối , lợng toàn toả đơn vị diện tích : E=.T4 = 4,96.10-2 J/ m2.s.độ4 Nhận đợc tia phát xạ ấy, suy nhiệt độ môi trờng mà không cần tiếp xúc với Trong thực tế vật không đen tuyệt đối, vật nóng có phát xạ nội dòng nhiệt qua bề mặt có dạng: E= . T4 Hệ số không đen biến thiên từ 0,04 - 0,9 phụ thuộc nhiều vào bề mặt đối tợng đốt nóng Nh nhiệt độ đo hoả quang kế xạ khác với đối tợng mét hƯ sè : Tq=T ε Ho¶ quang kế cờng độ sáng Bài tập dài môn học cảm biến - Nguyên lý so sánh cờng độ sáng đối tợng cần đo nhiệt độ với c- ờng độ sáng chuẩn ( giải sáng hẹp ) Nguồn sáng chuẩn đèn sợi đốt vonfram đà già hoá 2000 0C 100 Ta so sánh mắt ( đạt độ xác định ) để xác ta dùng phép so sánh tự động qua tế bào quang điện Hoả quang kế màu sắc - Dựa vào nguyên lý màu sắc ánh sáng phát xạ từ vật phụ thuộc vào nhiệt độ vật Dựa vào định luật suy nhiệt độ đối tợng cách so sánh cờng độ sáng hai ánh sáng có bớc sóng Năng lợng thu đợc: E1=1C11-5e-C / T E1=ε2C1λ2-5e-C /λ T NhiƯt ®é tut ®èi cã thÓ tÝnh: 1 1 C  −  λ λ2  T=   E 1ε λ   ln  E ε λ   Víi ε1, ε ®· biết trớc, đo E1 , E2 thay vào tính T Trên đà trình bày tổng quan phơng pháp đo nhiệt độ Sensor ánh sáng - Quang điện trở:là cảm biến quang dựa hiệu ứng quang điện có ánh sáng thích hợp chiếu vào vật liệu làm cho điện tử bắn làm cho tÝnh dÉn ®iƯn cđa nã biÕn ®ỉi(hiƯu øng quang điện trong) giả sử có bán dẫn phẳng tích V đợc pha tạp chấtloại n với nồng độ donor(điện tử lỗ trống) Nd có mứcnăng lợng Wd nằm dới vùng dẫn.Nếu Wd đủ lớn nhệt độ phòng tối điện tử đợc giải phóng đơn vị thời gian kích thích nhiệt a(Nd-No) No:nồng độ donor chất bán dẫn bị ion hoá nhiệt a : hệ số a=e-qWd/KT q : ®iƯn tÝch k : hƯ sè số điện tử tái hợp = r.No2 Bài tập dài môn học cảm biến r : hệ số tái hợp - phơng trình động học trình tái hợp đợc tính công thức: dNo/dt =a(Nd-No) rNo2  No = 1/2r + [ a2/4r2 + aNd/r ]1/2 trạng thái cân vật liệu chế tạo; thờng đợc chế tạo chất bán dẫn đa tinh thể,đồng nhất,các bán dẫn tinh khiết pha tạp chất,đơn tinh thể -đa tinh thể:CdS,CdSe.CdTe,PbS,PbSe,PbTe -đơn tinh thể: Ge,Si,Au,Cu tính chất quang điện trở: - điện trở: Ro:điện trở tối,cha có nguồn ánh sáng kích thích vào ,phụ thuộc vào hình dáng kích thớc cña vËt VD : PbS :104 –109 om :250C ; SbIn :102-103 om : 250C Khi cã ¸nh s¸ng chiÕu vào Rp vô nhỏ,lúc Rp=a.- a : hệ số phụ thuộc vào vật liệu,nhiệt độ,phổ xạ,ánh sáng : hệ số cỡ 0.5-1 Rp :điện trở đặc trng Rs :điện trở vật có ánh sáng chiếu vào > Rs = Ro//Rp Rs = Ro R p ( Rs − R p ) =aΦ-α - Thông thờng quan hệ điện trở thông lợng ánh sáng phi tuyến nen để tuyến tính hoá ngời ta mắc thêm song song với điện trở,độ nhạy nhiệt nhỏ độ rọi soi sáng lớn độ nhạy quang trở :Gs = Go + Gp 1 Go= R o ;Gp= R p - Khi có áp U đặt nên quang trở có dòng điện - I =Io + Ip =GoU + GpU > Io