ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ

Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Giáo Viên Bộ Môn :TỐNG THỊ LÝ Sinh viên thực hiện :VŨ THỊ LAN ANH Mã sinh viên: 0941040611 Lớp: Điện 7K9 LỜI NÓI ĐẦU  Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép... Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự vi mạch số và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ. Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của cô giáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS Số : ……… Họ tên HS-SV: Nguyễn Mạnh Đạt MSV : 0941040585 Lớp : Điện Khoá : Khoa : Điện I NỘI DUNG Đề tài: Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo cảnh báo, hiển thị nhiệt độ + Nhiệt độ cần đo: t0C = 00C đến (50+10*N)0C + Chuẩn hóa đầu ra: 0-20mA + 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 đo Led N số thứ tự sinh viên danh sách Với N = 13 +Nhiệt độ đo khoảng – 1700C +Cảnh báo còi đèn nhấp nháy nhiệt độ vượt 6100C II PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: 1/ Tổng quan trình đo nhiệt độ - Tìm hiểu phương pháp đo - Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo(liên hệ thực tiễn theo nhóm) - Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấp xác ) 2/ Thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng VMTT&VMS - Xác định sơ đồ khối hệ thống - Tính chọn khối 3/ Vẽ mạch mạch mô phần mềm Proteus 4/ Phân tích nhận xét kết Yêu cầu thời gian : Ngày giao đề 14/10/2016 Ngày hoàn thành : 3/12/2016 Chó ý: Ngoài nội dung hướng dẫn lớp sinh viên có câu hỏi, thắc mắc tr×nh làm tập lớn gửi địa : ttly.haui@gmail.com Trước bảo vệ tập lớn sinh viên phải nộp: - File mềm gồm file trình bày tập lớn file mô - Quyển in khổ giấy A4 Hà nội ngày….tháng …9 năm 2015 Chương Tổng quan trình đo nhiệt độ I Tổng quan phương pháp đo 1.1 Khái niệm nhiệt độ 1.1.1 Khái niệm: Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất.Tuỳ theo trạng thái vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác Ở trạng thái lỏng, phân tử dao động quanh vị trí cân vị trí cân dịch chuyển làm cho chất lỏng hình dạng định.Còn trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động phân tử,nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên có trao đổi lượng không sinh công, trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: Bảo toàn lượng : Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Ở trạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 1 Thang đo nhiệt độ: Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo thời kỳ.Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng, thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội Hiện có thang đo nhiệt độ là: 1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15 2- Thang Celsius ( C ): 3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến nay.Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường nhiệt xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí nước, chuyển đổi đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng truyền từ vật sang chuyển đổi gây tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối 1.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc: Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối, tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khẳ lớn Bức xạ nhiệt vật thể đặc trưng nghĩa số lượng xạ đơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng II Tính chọn cảm biến 2.1 Phân loại cảm biến - Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ) - Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ) - Thermistor - Bán dẫn ( Diode, IC ,….) - Ngoài có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kếPyrometer ) Dùng hồng ngoại hay lazer 2.2 Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở • Hình1:hình dạng cấu tạo RTD - Cấu tạo RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng đầu đo - Nguyên lí hoạt động: 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 - Ưu điểm: độ xác cao Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế - Khuyết điểm: Dải đo bé Cặp nhiệt điện, giá thành cao Cặp nhiệt điện - Dải đo: -200~400oC - Ứng dụng: Trong ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất… Hiện 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 (khi oC) Điện trở cao độ nhạy nhiệt cao - RTD thường có loại dây, dây dây Loại dây cho kết đo xác • Cảm biến đo nhiệt độ PT100 Cảm biến nhiệt độ PT100 hay gọi nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 cấu tạo từ kim loại Platinum quấn tùy theo hình dáng đầu dò nhiệt có giá trị điện trở 0oC 100 Ohm Đây loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp nguồn ổn định -Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ PT100: Rt = R0( 1+ αT+βT2+C(T-100)T3) Trong đó: Rt : điện trở nhiệt độ T R0 : điện trở 00C(=100Ω) α=3.9083x10-3 β=-5.775x10-7 C=-4.183x10-12( t00C) Với nhiệt độ từ 00C đến 1000C dùng công thức : Rt = R0( 1+ αT) Cấu tạo dây đo nhiệt PT100 Các thông số nguyên tắc hoạt động a Các thông số : Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm đầu dò ống trụ có đường kính 4mm chiều dài ống trụ 30mm ,2 dây đầu có chiều dài 1m Hình 2: hình dạng PT100 Dải nhiệt độ đo từ -200ºC đến 500ºC b Sơ đồ cấu tạo bên đầu dò hình trụ Hình 3: cấu tạo bên đầu dò hình trụ PT100 Điện trở ống trụ RPT100 = RPT + R3 + R2 L2,L3 nối với dây đầu • Nguyên tắc hoạt động Khi có thay đổi nhiệt độ đầu dò dẫn đến thay đổi điện trở ống trụ Mỗi giá trị nhiệt độ khác tương ứng với giá trị điện trở khác nhau.Ở 10 ºC đo giá trị điện trở RPT100 =107,6 Ω Khi tăng 1ºC RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω • Cầu đo điện trở: Hình 4: mạch nối dây Pt100 Ta sử dụng mạch cầu để đo điện trở, PT nhánh cầu Vo=E*( ) Khi 00C RPT=100Ω Nên ta chọn R1 =R2 =R3=100Ω để cầu cân Suy V0/00c= 0V Chương Thiết kế phân tích mạch đo cảnh báo nhiệt độ I Xác định sơ đồ khối hệ thống 1.1 Sơ đồ khối Để thực phép đo đại lượng phụ thuộc vào đặc tính đại lượng cần đo, điều kiện đo, độ xác yêu cầu phép đo mà ta thực nhiều cách khác sở hệ thống đo lường khác sở hệ thống đo lường khác Sơ đồ khối đo: Chuẩn hóa đầu 4-20mA Khối Cảm Biến Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số Khối khuếch đại tín hiệu LED LED cảnh báo nhấp nháy Mạch so sánh, cảnh báo Còi báo 1.2 Vai trò tác dụng khối • Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu cho mạch so sánh, khuếch đại • Mạch khuếch đại : khuếch đại tín hiệu từ cảm biến • Khối chuẩn hóa đầu 4-20mA: chuẩn hóa dòng điện mức 4-20mA • Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu cảm biến với điện áp đặt, để đưa cảnh báo để LED nhấp nháy • Còi báo : báo động nhiệt độ vượt giá trị cho phép 10 • LED cảnh báo nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trường hợp nhiệt độ vượt giá trị cho phép • Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu giá trị Volt đầu cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân • Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC LED • LED thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng cảm biến II Tính chọn khối 2.1 Khối cảm biến Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo nhiệt điện trở RTD ( RTD-Resistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt 11 động nhiệt điện trở dựa thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở • Rt = R0 ( + αt) • Rt : Điện trở nhiệt độ t • R0 : Điện trở độ C • α : Hệ số nhiệt điện trở Với PT100 1V=1oC Vậy theo yêu cầu cần đo nhiệt độ 180oC tương ứng với 180V Với điện áp lớn ta cần phải có mạch phân áp cho đầu tương ứng 10mV=10oC để phù hợp với IC số Vì ta lắp thiết bị hình vẽ Ta có: Ur=Uv.R2/(R1+R2) Với Ur=0,01 V Uv=1 V Vậy ta có : R23/(R22+R23)=0,01  Chọn R23=100 Ω => R22=9,9 kΩ Từ cách lắp đặt thiết bị ta đầu đo nhiệt độ 180oC tương ứng với 1.8V Trong dải đo rộng từ 0-180v, chọn bước nhảy để đo nhiệt độ độ 2.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu 2.2.1 Khối chuẩn hóa đầu 4-20mA 12 Ta có:U1 thay đổi từ VIN+ thay đổi từ thay đổi từ 4mA 20mA Hình : khối chuẩn hóa từ 4-20mA 2.2.2 Khối khuếch đại tín hiệu 13 đầu IL Ta có: U0= →R21= Ucb với Ucb=1.8V U0=-5V chọn R20=1kΩ R21= -1*(-5)/1.8=2.8kΩ Vậy thay R21 điện trở 2kΩ nối tiếp với biến trở 1kΩ 2.3 Khối cảnh báo 2.3.1 Khối so sánh cảnh báo còi led 14 Theo đề bài: tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị toC= 170oC điện áp so sánh +3.17V 2.4 Khối ADC hiển thị Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF Nối VREF+ với nguồn 3V đầu vào VIN+ phải đưa từ 3,000V đến 3,180V Ta sử dụng cộng đảo sau: VIN+ Vậy chọn R16=5k→R3=3k Với − R3 × R3 × × (−5) = 0,18 → R11 = = = 83.3kΩ R11 0,18 0,18 Thay R11 VR2 90kΩ Vậy với VIN+ thay đổi từ 3,000V đến 3,18V LED hiển thị từ 0000C tới 1800C 15 2.4 Khối nguồn Trong thiết kế có sử dụng nguồn ±5V, ±12V nguồn cấp sử dụng từ mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn sau: 2.6 Khối LED Trước hết xem qua cấu trúc loại đèn led đoạn số đèn cấu tạo đoạn led có chung anode (AC) hay cathode 16 (KC); xếp hình số vuông (như hình trên) có led đặt làm dấu phẩy thập phân cho số thị; điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân led xếp thành hàng chân hàng chân A chung hay K chung 17 Sơ đồ cấu tạo hình dạng led Cấp nguồn cho chân đoạn tương ứng với chân sáng Ví dụ hình đưa chân lên mức logic đoạn sáng Nếu cấp cho chân chân đoạn sáng tạo thành số Tương tự hiển thị số mức logic tương ứng chân abcdefg 1101101 Số 3là 1111001 Số 0110011 Bộ LED hiển thị giá trị nhiệt độ cảm biến đo 2.7 Mạch đo Từ sơ đồ khối ta ghép lại mạch đo nhiệt độ hoàn chỉnh 18 Đánh giá nhận xét kết Kết luận : Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch đơn giản nhiều bất cập, mạch đơn giản để cấu đo xác ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý vi điều khiển để hiển trực quan số dễ đọc trình điều khiển cảnh báo dễ dàng ứng dụng với vi mạch số vi mạch điều khiển ta dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào mạch mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều hòa không khí, hay lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh … Trong trình làm em nhiều bất cập thiếu sót mong thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn giúp đỡ em trình làm tập lớn !!! 19 20 ... 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến nay.Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp... tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện... phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường nhiệt xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng