ĐO NHIỆT ĐỘ DÙNG RTD THÔNG MINH

Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh tuthienbao.com-ĐỒ ÁN ĐO NHIỆT ĐỘ DÙNG RTD THÔNG MINH SVTH: Mai Anh Tuấn Nguyễn Anh Tuấn Đỗ Quốc Uy Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh MỤC LỤC I Lời mở đầu II Các phương pháp đo nhiệt độ nguyên lý đo 2.1 2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại 2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn 2.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu .4 2.3 Cảm biến dựa lớp chuyển tiếp bán dẫn 2.4 Cảm biến dựa xạ quang học – Hỏa quang kế III Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ dùng RTD thông minh 3.1 Các yêu cầu thông số kỹ thuật thiết bị 3.2 Thiết kế tổng quan Sơ đồ khối .6 3.3 Nguyên lý hoạt động IV V Cảm biến nhiệt điện trở .4 3.3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động thiết bị 3.3.2 Các khối 3.3.3 Tính tốn sai số 12 Kết luận 12 Tài liệu tham khảo .13 Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh I Lời mở đầu Nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp đời sống hàng ngày kỹ thuật công nghiệp Việc đo nhiệt độ u cầu thiết thực Hiện cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến sử dụng nhiều công nghiệp dân dụng Đồ án môn học nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ thực thiết kế thiết bị thông minh đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD Đồ án gồm phần chính: Phần 1: Các phương pháp đo nhiệt độ nguyên lý đo Phần 2: Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ dùng RTD thông minh Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Lan Hương hướng dẫn để chúng em hoàn thành đồ án Chúng em mong nhận góp ý thầy bạn để hồn thiện kiến thức II Các phương pháp đo nhiệt độ nguyên lý đo Các phương pháp đo nhiệt độ: - Cảm biến nhiệt điện trở - Cảm biến cặp nhiệt ngẫu Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh - Cảm biến dựa lớp chuyển tiếp bán dẫn - Cảm biến dựa xạ quang học- Hỏa quang kế II.1 Cảm biến nhiệt điện trở - Gồm hai loại: + Nhiệt điện trở kim loại ( RTD ) + Nhiệt điện trở bán dẫn II.1.1 Nhiệt điện trở kim loại - RTD điện trở có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo phương trình: RRTD=R0( 1+ αt+ βt2+γt3) Với R0 điện trở RTD oC α, β, γ số phụ thuộc vào chất liệu RTD - Từ đo RRTD suy nhiệt độ T - Các kim loại thường dùng: Pt, Cu, Ni II.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn - Là điện trở có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo phương trình: RT = A.eβ/T Đo RT suy nhiệt độ T II.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu - Nguyên lý đo: dựa hiệu ứng Seebeck: Nếu hai dây dẫn khác nối với hai điểm hai điểm đốt nóng mạch xuất dòng điện gây sức điện động nhiệt điện, cho công thức: ET = KT ( tn – ttd ) Trong đó: KT: hệ số hiệu ứng nhiệt điện tn: nhiệt độ đầu nóng ttd: nhiệt độ đầu tự Đo ET suy nhiệt độ đầu nóng II.3 Cảm biến dựa lớp chuyển tiếp bán dẫn Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh Quan hệ dòng điện nhiệt độ theo phương trình sau: Đo I suy T II.4 Cảm biến dựa xạ quang học – Hỏa quang kế Đo nhiệt độ không tiếp xúc với dải nhiệt độ cao ( 1600 oC ) Nguyên lý đo dựa vào công thức mật độ phổ lượng phát xạ theo bước sóng vật đen lý tưởng bị đốt nóng: Trong đó: λ- bước sóng T- nhiệt độ tuyệt đối C1 = 37.03*10-17 Jm2/s oC C2 = 1.432*10-2 m oC - Có phương pháp hỏa quang kế: + Hỏa quang kế xạ + Hỏa quang kế cường độ sáng + Hỏa quang kế màu sắc III Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ dùng RTD thông minh III.1 Các yêu cầu thông số kỹ thuật thiết bị - Thiết bị đo dùng cảm biến RTD, thay đổi với loại Pt100, Pt1000 JPt100 - Đảm bảo sai số 1% - Dải đo nhiệt độ từ oC tới 100 oC III.2 Thiết kế tổng quan Sơ đồ khối - Sơ đồ khối: Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh - Thiết kế tổng quan: + Khối cảm biến RTD: Sử dụng loại RTD Pt100, JPt100 Pt1000 để đo nhiệt độ + Khối mạch đo: Sử dụng phương pháp nguồn dòng 1mA + Khối ADC: Sử dụng ADC 0809 với độ phân giải bit để chuyển tín hiệu điện áp tương tự thành dạng tín hiệu số bit vào vi xử lý + Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi xử lý AT89C51 để đọc liệu, xử lý liệu hiển thị kết LCD + Khối hiển thị: hiển thị LCD III.3 Nguyên lý hoạt động III.3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động thiết bị Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh - Thiết bị sử dụng loại RTD Pt100, Pt 1000 JPt 100 đo dải nhiệt độ cho phép thỏa mãn đề từ oC tới 100 oC - Người sử dụng chọn loại cảm biến từ phím chọn để sử dụng đo nhiệt độ - Mạch tạo nguồn dòng tạo dòng điện khơng đổi 1mA - Nhiệt độ thay đổi làm giá trị điện trở RTD thay đổi, giá trị điện áp Uout thay đổi - Điện áp Uout đưa qua ADC 0809 để chuyển thành liệu số - Tín hiệu số ngõ ADC đưa vào vi xử lý hiển thị LCD III.3.2 Các khối - Khối tạo nguồn dòng 1mA, sơ đồ mạch điện hình đây: Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh Điện áp đầu vào 5V, dòng điện là: Iref = UR14/R14 = 5/5000 = 0.001 (A) = (mA) - Khối mạch đo : tạo điện áp phụ thuộc vào giá trị điện trở RTD Sơ đồ mạch nguyên lý khối sau : Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh Theo sơ đồ ta có : Uout = Iref*RPt100*R10/R11 = (10-3)*RPt100*35000/1000 = 0.035*RPt100 Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị điện trở RTD thay đổi theo phương trình: RRTD=R0( 1+ αt+ βt2+γt3+…) Với Pt100 R0= 100, α= 3.940*10-3, β= -5.8*10-8, γ= -4*10-12 Khi nhiệt độ thay đổi từ oC tới 100 oC RRTD thay đổi từ 100 Ohm tới 135.24 Ohm, dẫn tới Uout thay đổi từ 3.5V tới 4.7334 V Điện áp U out đưa qua ADC 0809 trước vào vi xử lý Khi người dùng muốn sử dụng loại cảm biến lắp cảm biến vào mạch đo đồng thời chọn chế độ đo qua nút gạt Sw1 - Khối ADC: sử dụng ADC 0809 với thông số sau: + Độ phân giải bit + ngõ đầu vào tương tự Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh + chân địa chọn ngõ vào ADD A, ADD B, ADD C + chân thiết lập giá trị điện áp tham chiếu Vref(+) Vref(-) Các ngõ vào chọn nhờ chân địa ADD A, ADD B, ADD C theo bảng trạng thái sau: + VREF(-) giá trị điện áp vào nhỏ mà ADC chuyển đổi Tức giá trị điện áp vào VREF(-) giá trị đầu ADC tương ứng 0000 0000 + VREF(+) giá trị điện áp vào lớn mà ADC chuyển đổi Tức giá trị điện áp vào VREF(+) giá trị đầu ADC tương ứng 1111 1111 Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy 10 Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh Trong thiết kế giá trị điện áp khỏi khối mạch đo dao động từ 3.5V tới 4.7334V để đảm bảo sai số theo yêu cầu nên nhóm em chọn giá trị VREF(-) = 3V VREF(+) = 5V Vấn đề đề cập sau phần đánh giá sai số thiết bị đo - Khối xử lý hiển thị: tín hiệu số từ ADC đưa vào vi xử lý AT89C51 để hiển thị LCD III.3.3 Tính tốn sai số Sai số q trình chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC với độ phân giải n bit tính cơng thức: Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy 11 Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh Sai số = (VREF(+) - VREF(-))/(2n *D) Với VREF(+) : giá trị điện áp tham chiếu VREF(-) : giá trị điện áp tham chiếu n : độ phân giải ADC D : khoảng đo ( dải tín hiệu vào) Trong thiết kế : ADC 0809 có độ phân giải bit Trong dải đo nhiệt độ từ oC tới 100 oC, giá trị điện áp Uout loại cảm biến Pt100, JPt100 Pt1000 thay đổi từ 3.5V tới 4.7334 V Từ suy khoảng đo D= 4.7334 – 3.5 = 1.2334 V Ta chọn điện áp tham chiếu VREF(+) VREF(-) cho sai số nhỏ % Ta chọn VREF(+)= 5V VREF(-)= V Khi thay vào cơng thức tính sai số ta có sai số ADC : s = (5-3)/(28 *1.2334) = 0.0063 = 0.63 % sai số phép đo thỏa mãn điều kiện sai số < % IV Kết luận Thiết bị đo nhiệt độ hiển thị số có dải đo nhiệt độ từ oC tới 100 oC, thay đổi với loại cảm biến Pt100, JPt100 Pt1000 Sai số đảm bảo nhỏ % Với ADC 0809 sử dụng ta sử dụng tối đa ngõ vào tương tự mở rộng loại cảm biến RTD cần thiết Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy 12 Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh V Tài liệu tham khảo Bài giảng Kỹ thuật cảm biến – TS Nguyễn Thị Lan Hương Handbook of Modern Sensors – JACOB FRADEN http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/8104/NSC/ADC0809.html Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy 13 ... biến – TS Nguyễn Thị Lan Hương Handbook of Modern Sensors – JACOB FRADEN http://www.alldatasheet .com/ datasheetpdf/pdf/8104/NSC/ADC0809.html Mai Anh Tuấn-Nguyễn Anh Tuấn-Đỗ Quốc Uy 13