saBỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÀI TẬP LỚNĐỀ TÀI: Ứng dụng VMTTVMS thiết kế mạch đo và cảnh báo, hiển thị nhiệt độBỘ MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TỐNG THỊ LÝSINH VIÊN THỰC HIỆN: La Thị ThuNguyễn Đức TuấnNguyễn Minh Quân PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚNĐề tài: Ứng dụng VMTTVMS thiết kế mạch đo và cảnh báo, hiển thị nhiệt độYêu cầu: Dải đo từ toC = 0oC tmax = 0 – (50 + 10N) oCChuẩn hóa đầu ra: 4 – 20 mACảnh báo: Đưa tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp nháy, còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh báo: 40 + 10NHiển thị nhiệt độ ra Led 7 thanhN là số thứ tự sinh viên trong danh sách PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘI Các phương pháp đo1. Phương pháp đo tiếp xúca. Nhiệt điện trở kim loại: Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…Tầm đo:100 0C Cấu tạo của nhiệt điện trở RTDCấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 Ohm tại 0oC. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng caoRTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây b. Thermistor– Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…– Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. – Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. – Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp. – Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. – Tầm đo: 501500C Cấu tạo Thermistor. – Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. – Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC Điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – Điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC. – Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50150 0C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹtmít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ. c. Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)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. Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất. Hình b: Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệpỞ môi trường nhiệt độ cao từ 16000 C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệtd. IC cảm biến nhiệt độ (điốt và tranzitor)Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn. Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền. Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. Tầm đo: 50 R2 = 30.37KUo2= =>UI = 1.483V (trong thực tế mô phỏng chọn R2 = 30.9K và UI = 1.484V)6. Khối hiển thịSử dụng 5 LED 7 thanh đơn để hiển thị nhiệt độ PHẦN 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUSMạch nguyên lý Mạch Layout Mạch mô phỏng 3D PHẦN 4: PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢI.PHÂN TÍCH HỆ THỐNGSử dụng nhiệt ngẫu loại J: trong khoảng nhiệt độ từ0360 0CCó điện áp tại đầu ra của nhiệt ngẫutừ 00.02VSử dụng mạch khuếch đại đầu ra để khuếch đại điện áp lên 02.0VSau đó được đưa vào mạch khuếch đại không đảo giúp chuẩn hóađầu ra từ 010VTừ đầu ra của mạch chuẩn hóa Đưa vào bộ cộngkhông đảo giúp điều chỉnh điện áp để đưa vào TC7107Agiúp giải mã và hiển thị ra LED 7 thanh Đưa vào khối so sánh giúp so sánh điện áp đầu vào với điện áp chuẩn định sẵn ,đầu ra của khối so sánhcùng với mạch tạo xung được tổng hợp thông qua phần tử AND rồi đưa vào đèn và còi trong khối cảnh báo.Khi t=0 4990C điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn (UCH) trong khối so sánhđiện áp ra ở mức thấpkhối cảnh báo không hoạt độngKhi t>= 5000C điện áp vào lớn hơnđiện áp chuẩn (UCH) trong khối so sánhĐiện áp đầu ra ở mức cao khối cảnh báo hoạt động làm còi kêu và đèn nhấp nháy II. NHẬN XÉT KẾT QUẢQuá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch khá đơn giản và còn nhiều bất cập mọi tính toán chỉ là trên lý thuyết.Nhiệt độ đo khá cao phải dùng các loại cảm biến dạng cặp nhiệt điện, tuy nhiên các cảm biến loại này đầu ra không tuyến tính, hệ số SeeBeck thay đổi theo từng khoảng nhiệt độ như hình dưới đây: Trong phạm vi môn học ta tạm coi như đầu ra cảm biến tuyến tính hết trong khoảng đo (điều này dẫn tới sai số) và chỉ tính toán trên các thông số đầu, cuối. Mạch còn khá đơn giản, để cơ cấu đo chính xác ta cần hiệu chỉnh them, nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý và vi điều khiển để có thể hiển thì trực quan bằng số dễ đọc và quá trình điều khiển cảnh báo có thể dễ dàng hơn.Ứng dụng cùng với vi mạch số và vi mạch điều khiển ta có thể dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào các mạch như mạch đo nhiệt độ cao như trong lò nung, trong luyện kim…
saBỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÀI LỚN TẬP ĐỀ TÀI: Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo cảnh báo, hiển thị nhiệt độ BỘ MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TỐNG THỊ LÝ SINH VIÊN THỰC HIỆN: Đoàn Duy Đạt Bài tập lớn Vmtt-vms Sinh viên: Đoàn Duy Đạt PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN Đề tài: Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo cảnh báo, hiển thị nhiệt độ LED Yêu cầu: - Dải đo từ toC = 0oC - tmax = – (50 + 10*N) oC - Chuẩn hóa đầu ra: – 20 mA - Cảnh báo: Đưa tín hiệu cảnh báo đèn nhấp nháy, còi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: 40 + 10*N - Hiển thị nhiệt độ Led N số thứ tự sinh viên danh sách MỤC LỤC PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ .5 I - Các phương pháp đo Phương pháp đo tiếp xúc Phương pháp không tiếpxúc II - KHẢO SÁT TÍNH NHIỆT ĐỘ CẦN ĐO 10 III - TÍNH CHỌN CẢM BIẾN .11 Tổng quan nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples) 11 Cấu tạo .12 Nguyên lý 12 PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG VMTT&VMS 14 I - HÌNH THÀNH SƠ ĐỒ KHỐI 14 Sơ đồ khối 14 Yêu cầu cho khối 14 II - TÍNH CHỌN CÁC KHỐI 15 Khối cảm biến 15 Khối khuếch đại chuẩn hóa đầu 15 Khối so sánh 17 Khối cảnh báo .18 Khối giải mã 19 Khối hiển thị 21 PHẦN 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS 22 I Mạch nguyên lý .22 II Mạch Layout 23 III Mạch mô 3D 24 PHẦN 4: PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ .25 I PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 25 II NHẬN XÉT KẾT QUẢ 25 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘN 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘT ĐỘ I - Các phương pháp đong pháp đo Phương pháp đo tiếp xúcng pháp đo tiếp xúcp xúc a Nhiệt điện trở kim loại: – Cấu tạo: Gồm chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính đầu – Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho sức điện động thay đổi (mV) – Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao – Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao – Thường dùng: Lị nhiệt, mơi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén, … – Tầm đo:-100 0C Cấu tạo nhiệt điện trở RTD - Cấu tạo RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,… quấn tùy theo hình dáng đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở hai đầu dây kim loại thay đổi, tùy chất liệu kim loại có độ tuyến tính khoảng nhiệt độ định Phổ biến RTD loại cảm biến Pt, làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài Thường có loại: 100, 200, 500, 1000 Ohm 0oC Điện trở cao độ nhạy nhiệt cao - RTD thường có loại dây, dây dây b Thermistor – Cấu tạo: Làm từ hổn hợp oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… – Nguyên lý: Thay đổi điện trở nhiệt độ thay đổi – Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo – Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp – Thường dùng: Làm chức bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử – Tầm đo: 50-1500C Cấu tạo Thermistor – Thermistor cấu tạo từ hổn hợp bột oxid Các bột hòa trộn theo tỉ lệ khối lượng định sau nén chặt nung nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện hổn hợp thay đổi nhiệt độ thay đổi – Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC - Điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – Điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng loại NTC – Thermistor tuyển tính khoảng nhiệt độ định 50-150 0C người ta dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, bác nhà ta thường gọi Tẹt-mít Cái Block lạnh có vài gắn chặt vào cuộn dây động c Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples) Phương pháp đo nhiệt độ cảm biến nhiệt ngẫu dựa sở hiệu ứng nhiệt điện Người ta nhận thấy hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có chất hoá học khác nối với mối hàn thành mạch kín nhiệt độ hai mối hàn t t0 khác mạch xuất dòng điện Sức điện động xuất hiệu ứng nhiệt điện gọi sức điện động nhiệt điện Nếu đầu cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, đầu thứ hai để hở hai cực xuất hiệu điện Phương pháp đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu phương pháp phổ biến thuận lợi Hình b: Cấu tạo điển hình cặp nhiệt công nghiệp Ở môi trường nhiệt độ cao từ 16000 C trở lên, cặp nhiệt ngẫu không chịu lâu dài, để đo nhiệt độ mơi trường người ta dựa tượng q trình q độ đốt nóng cặp nhiệt d IC cảm biến nhiệt độ (điốt tranzitor) - Cấu tạo: Làm từ loại chất bán dẫn - Nguyên lý: Sự phân cực chất bán dẫn bị ảnh hưởng nhiệt độ - Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, bền - Thường dùng: Đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử - Tầm đo: -50