dùng vi mạch tương tựvà vi mạch số tính toán thiết kế mạch đo và mạch cảnh báo nhiệt độ sử cụng cặp nhiệt ngẫu

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 cảm biến nhiệt điện trở.. Vi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ

NỘI KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo

và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu.

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Bá Khá

Sinh viên thực hiện: Hồ Sỹ Linh (n=47 và a=7)

Nhóm: 2

Khoa: Điện

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

1.1 Tổng quan

1.1.1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu

1.2 Hình thành sơ đồ khối

1.2.1 Sơ đồ khối

1.2.2 Chức năng của các khối

1.3 Tổng quan mạch đo

1.3.1 Mạch đo

1.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

2.1Các linh kiện có trong mạch

2.1.1 Cặp nhiệt ngẫu TCJ

2.1.2 Điện trở,biến trở

2.1.3LED

2.1.4 Transistor

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

3.1 Chuẩn hóa đầu ra từ 0÷10v

3.2 Chuẩn hóa đầu ra từ 0÷5v

3.3 Chuẩn hóa đầu ra từ 0÷-5v

3.4 Chuẩn hóa đầu ra từ 0÷20mA

3.5 Chuẩn hóa đầu ra từ 4÷20mA

3.6 khối mạch so sánh

3.7 tính toán đèn nhấp nháy cho led

3.8 tính toán mạch cảnh báo bằng còi

3.9 mạch quạt điện

3.10 hiện thị nhiệt độ bằng led 7 thanh

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 cảm biến nhiệt điện trở Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy Nguyễn Bá Khá cùng các thầy cô trong bộ môn Đo lường điềukhiển đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Do quỹ thời gian hạn hẹp cùng một số hạn chế về kiến thức thực tế, em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành tốt bài tập lớn của mình, em rất mong nhận được những sự nhận xét, sửa chữa, góp ý quý báu của quý thầy cô và các bạn giúp em hoàn thiện hơn nữa trong thời gian sắp tới!

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày… tháng…năm 2015

NỘI DUNG

Đề Tài: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng

cặp nhiệt ngẫu

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0-(100+10*n)0C

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:

2 Dùng phần mềm mô phỏng (hoặc mạch thực tế) thiết kế mạch đảm bảo:

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax-(10+5*n ) điều khiển đèn sáng liên tục: Thông số đèn 220VAC, 100W

- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= tmax-(10+5*n) Đóng điện cho quạt 1 chiều 24 VDC, 60W chạy làm mát

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và đèn sáng nhấp nháy (đèn có thông số: 24VDC, 24W) với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(5+0,1*a) giây khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C=

Yêu cầu về bố cục nội dung: (đóng quyển A4, không quá 25 trang)

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

- Lựa chọn nguồn cung cấp

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

- Tính toán mạch cảnh báo còi, đèn nhấp nháy cho LED

-

Kết luận và hướng phát triển

Chương 1: Tổng quan mạch đo

Tổng quan

Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời sự nóng bỏng nhưng vẫn

ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự Do đómuốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đo nhiệt độ hiểnthị ra đèn LED Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thưc tế về vấn đề chuyển đổi U-I , vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện

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

1.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 đovào nước đá cũng có cách thứ 2 :khi nhiệt độ thanh tư do thay đổi làm cho mạch bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện áp bù vào sức điện động bị thay đổi

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo:

Khối Chỉ thị

T0

a, Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín

hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để

chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

b, Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì tín 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 quá nhiệt độ

d, Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện

Mạch so

Chuyển đổi U sang I

II Tổng quan mạch đo

1.Mạch đo

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà chọn raloại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thông số cần đo thành đại lượng điệnhay điện áp

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

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 TCJ

Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp

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 làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp.

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 <1300 oC 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.

Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC.

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

Điện trở , biến

trở a.Điện trở

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

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

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

LED.

-Led thực chất là một diode nhưng có phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua nó

- Là thiết bị dùng để báo sáng khi mạch đo thấy nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép

Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không

có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )

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 về cực (-) tạo thành dòng IB Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo 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 qua mối tiếp

giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại 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.

LED 7 đoạn :

Tại khối hiển thị ta dùng IC giải mã 4 ngõ vào thành 7 ngõ ra để hiển thị lên LED giá trị nhiệt độ tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động Mạch thực hiện chức năng đo và hiển thị nhiệt độ, báo động nhiệt

độ tại những khoảng được lập trình trước cho IC điều khiển

Hình 5 : sơ đồ nối chân LED 7 đoạn

Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua các Input, với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trên các Bus đến các LED song song Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thị nhiệt độ lên LED

Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được thiết kế hợp lý để tránh mắt thường quansát được

Các thiết bị cảnh báo :

Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để cảnh báo, hoặc ta có thể

sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ Những thiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụng nguồn điện một chiều hay xoay chiều

1.6 Nguồn cấp cho mạch :

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 12V tùy theo yêu

cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu từ nguồn xoay

chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó là 5V, 9V, 12V

Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng chỉnh lưu từ

dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu:

Hình 16: relay và cấu tạo

Rơle (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện Dòng điện chạy qua cuộn dây của rơle tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt

vì thế rơle có hai vị trí chuyển mạch qua lại

Các chân đấu nối và chân chuyển mạch của rơle thường được ký hiệu là COM (POLE), NC và NO

+ NC là điểm thường đóng, chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dây rơle không nhiễm từ (khi 2 đầu cuộn dây không được cấp điện)

+NO = là điểm thường mở, COM/POLE được kết nối với NO khi cuộn dây rơle được từ hóa (được cấp điện).+Hai chân A, B là 2 đầu của cuộn dây (nơi cấp nguồn nuôi cuộn hút)

4.Giới thiệu về TC7107

-ICL7107 của hang Intersil là một bộ chuyển đổi AD 3 ½ digit công suất thấp ,hiển thị tốt.Bao gồmtrong IC này là bộ giải mã Led 7 đoạn,bộ điều khiển hiển thị,bộ tạo chuẩn và bộ tạo xung đồng hồ.Các đặctính của nó bao gồm: tự chỉnh ”0” nhỏ hơn 10uV ,điểm “0” trượt không quá 1uV/Oc,độ dốc dòng ngõ vàotối đa là 10Pa

-IC này có các đặc điểm rất quan trọng sau:

+Độ chính xác rất cao

+Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu

+Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ

- Hình thể hiện mạch xử lý tương tự của ICL7107 Mỗi chu kì đo được chia thành 3 pha (1) tự chỉnh

”0”(A-Z), (2) Tích hợp tín hiệu (INT ) và (3) giải tích (DE) và một số thong số khác

- (1) Pha tự chỉnh “0”

- Trong pha này thực hiện 3 việc:

- Ngõ vào cao và thấp bị ngắt kết nối khỏi các chân và ngắn mạch nội với chân COMMON analog

- Tụ tạo chuẩn được nạp tới điện áp chuẩn

- Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0” CAZ để bù cho điện ápoffset (trôi) trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích hợp và bộ so sánh Vì bộ so sánh nằm trong vòng lặp nên độchính xác A-Z chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của hệ thống Trong bất cứ trường hợp nào, điện áp offset do ngõvào nhỏ hơn 10uV

- (3) pha giải tích

- Còn gọi là tích hợp tham chiếu ngõ vào thấp luôn được kết nối với chân COMMON và ngõ vào caođược kết nối qua tụ chuẩn đã đc nạp từ pha trước.Mạch trong IC đảm bảo rằng tụ điện sẽ đc nối đúng cực đểlàm bộ tích hợp ngõ ra chuyển về “0” Thời gian cần thiết đểngõ ra chuyển về giá trị “0” tỷ lệ với tín hiệuvào.Đặc biệt số được hiển thị là :

- DISPLAY COUNT=1000.VIN/VREF

- (4) ngõ vào chênh lệch

- Ngõ vào có thể chấp nhận các điện áp chenh lệch trong phạm vi của bộ khuếch đại ngõ vào,hay cụthể là từ 0.5V dưới nguồn dương đến 1V trên nguồn âm.Trong phạm vi này hệ thống có CMRR(commommode rejection ratio) 86dB.Tuy nhiên cần bảo đảm ngõ ra bộ tích hợp không bão hòa.Trường hợp xấu nhất

là điện áp MODE chung tích cực lớn với một điện áp ngõ vào tích cực âm toàn giai.Tín hiệu ngõ vào điềukhiển bộ tích phân dương khi phần lớn độ lắc ngõ ra đã được tận dụng bởi điện thế Mode chung tích cựcdương Dành cho những ứng dụng cao độ lắc của tích hợp ngõ ra có thể đc giảm xuống nhở hơn độ lắc toàngiai 2V với ít sai số hơn.Bộ tích phân ngõ ra có thể lắc trong khoảng 0.3V với cả 2 nguồn mà không mất sựtuyến tính

- (5) Tham chiếu sai biệt:

- Diện áp tham chiếu có thể đc tạo ra từ mọi nơi từ điện áp nguồn của bộ chuyển đổi Nguồn chính củalỗi Mode chung là điện áp vòng tạo bởi tụ tham chiếu nạp hay xả làm sai lệch giá trị điện dung của nó.Nếu

có điện áp Mode chung lớn, tụ tham chiếu có thể được nạp(tăng điện áp)khi được dung đến để giải tích mộttín hiệu dương nhưng sẽ xả (giảm điện áp) khi được dùng để giải tích một tín hiệu âm.Sự khác biệt trongtham chiếu điện áp vào dương à âm sẽ gây ra lỗi.Tuy nhiên bằng cách chọn tụ tham chiếu chẳng hạn tụ cóđiện dung đủ lớn thì lỗi này có thể kiểm soát hơn 0.5 lần đếm

- (6) Vùng xử lý số của ICL7107