bài tập lớn đo lường điều khiển

Bài tập lớn này ứng dụng môn học Kĩ thuật đo lường và cảm biến vào việc thiết kế một phần trong quá trình xây dựng hệ thống giám sat nhiệt độ.Môn học Kĩ thuật đo lường và cảm biến là một

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN



BÀI TẬP LỚN MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

Tên đề tài: Đo nhiệt độ phòng server (máy tính) và báo động khi nhiệt độ quá

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển thành một đất nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiêt bị công nghiệp nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề đáng 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,…đến thiết kế các bộ giám sát nhiệt độ

Bài tập lớn này ứng dụng môn học Kĩ thuật đo lường và cảm biến vào việc thiết kế một phần trong quá trình xây dựng hệ thống giám sat nhiệt độ.Môn học Kĩ thuật đo lường và cảm biến là một trong những học phần đáp ứng nhu cầu không thể thiếu của một người kỹ sư đặc biệt là trong lĩnh vực điện, tự động hóa,… đó là biết vận dụng các thiết bị đo lường và cảm biến để ứng dụng vào thiết kế, sửa chữa , vận hành máy móc trong đời sống ngày càng hiện đại Qua quá trình tham gia học phần Kĩ thuật đo lường và cảm biến chúng em học tập được nhiều kiến thức về kĩ thuật đo lường, cách sử dụng cũng như vận hành các thiết bị đo lường các đại lượng (điện, nhiệt, năng lượng,…) trong thực tế để vận dụng vào việc nghiên cứu các môn học chuyên ngành tiếp theo Cũng học tập được kiến thức về nguyên lý, cấu tạo và cách sử dụng của các loại cảm biến thông dụng hiện nay như cảm biến sợi quang, cảm biến hồng ngoại, cảm biến nhiệt , cảm biến khoảng cách , …để ứng dụng vào việc thiết kế, vận hành các hệ thống tự động hóa và phục vụ cho công việc sau này.

Chính từ những kiến thức từ môn học và nhận thấy yêu cầu cần thiết của công nghệ

giám sát nhiệt độ phòng máy, chúng em nhận tham gia đề tài “xây dựng hệ thống đo và

điều khiển nhiệt độ phòng máy (server)” vận dụng từ những kiến thức đã được trang bị

từ môn học, kiến thức thực tế và các nguồn thông tin tham khảo khác Tuy nhiên, do còn

ít kinh nghiệm thực tiễn và kiến thức về thiết kế, vận dụng chưa được vững vàng nên trong quá trình xây dựng đề tài còn nhiều điều vướng mắc dẫn đến việc bài tập lớn của chúng em không thể tránh khỏi còn nhiều sai sót, chúng em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo từ thầy(cô).

Em xin chân thành cảm ơn

Nhóm 5

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG THIẾT KẾ 4

1.1 Yêu cầu đề bài 4

1.2 Sơ đồ nguyên lý 4

Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 5

2.2 Các loại cảm biến nhiệt độ thông thường 5

2.2.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 5

2.2.2 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD) 6

2.2.3 Điện trở oxit kim loại (Thermistor) 7

2.2.4 Cảm biến nhiệt bán dẫn 8

2.2.5 Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế) 8

2.3 Lựa chọn cảm biến cần cho hệ thống, và mô phỏng mạch đo nhiệt độ 9

2.4 Vị trí đặt cảm biến trong phòng máy tính (server) 9

2.5 Tìm hiểu về cảm biến PT100 và cách lắp đặt 9

2.5.1 Sơ đồ khối của mạch đo 9

2.5.2 Khối nguồn 10

2.5.3 Khối dồn kênh (Multiplexer-MUX): 11

2.5.4 Khối VXL 8501 11

2.5.6 Khối nút nhấn và cảnh báo 12

2.5.7 Khối hiện thị LCD 13

2.5.8 Khối RS232 14

2.6 Sơ đồ mạch và nguyên lý mạch 15

2.6.1 Mô phỏng sơ đồ hệ thống 15

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 16

3.1 Kết quả đạt được 16

3.1.1 Kết quả đạt được sau khi hoàn thiện xây dựng hệ thống đo nhiệt độ: 16

3.2 Giải pháp khác: 17

3.2.1 Sơ đồ khối: 17

3.2.2 Thiết bị lựa chọn 18

3.3 Sơ đồ đấu nối 23

3.3.4 Một số hình ảnh thực tế 23

3.4.5 Hạn chế, cách khắc phục khi thực hiện bản thiết 25

3

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG THIẾT KẾ

1.1 Yêu cầu đề bài

Các thông số về kích thước của phòng máy:

+ Diện tích phòng máy : 40m2

+ Chiều rộng : 5m

+ Chiều dài : 8m

+ Chiều cao : 3m

Dải nhiệt độ yêu cầu 150C- 600C với sai số ±10C

Khoảng cách từ mô đun chính đến điểm đo khoảng 20m – 30m

Khoảng cách từ mô đun chính đến điểm đặt loa và đèn báo là 40 – 50m

Báo động từ xa: loa (bắt buộc), đèn (nháy khi có sự cố), chế độ tắt báo động bằng tay

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo

5

Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN

2.2 Các loại cảm biến nhiệt độ thông thường.

2.2.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Hình 2: Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

- Cấu tạo: Được làm từ 2 chất liệu kim loại khác nhau, được hàn dính một đầu

- Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi tác động lên hai chất liệu kim loại khác nhau của cặp nhiệt điện sẽ cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

- Ưu điểm: Độ bền cao, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: Cặp nhiệt điện thường dùng tại các lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

- Dải đo: Cặp nhiệt điện thông thường hoạt động ở dải thang đo từ -100oC ~

1400oC

- Ứng dụng: Với những đặc tính và ưu điểm như vậy, ngày nay cặp nhiệt điện đượcứng dụng nhiều trong các thiết bị máy móc của nền sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật liệu…

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R, S, T…)

đó là vì mỗi loại cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác nhau Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu của mình

Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những điểm sau đây:

- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều)

- Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt

- Không để các đầu dây nối của cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo

- Đấu nối đúng chiều âm, dương cho cặp nhiệt điện

2.2.2 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

Hình 3: Nhiệt điện trở

(Resitance temperature detector –RTD)

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

- Nguyên lí hoạt động: 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 độnhất định

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không bị hạn chế

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện

- Dải đo: Dải đo của RTD thong thường trong khoảng từ -200oC ~700oC

- Ứng dụng: RTD có ứng dụng trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

Hiện nay 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 (khi ở 0 oC) Điện trở càng cao thì

độ nhạy nhiệt càng cao

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất

7

2.2.3 Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

Hình 4: Điện trở Oxit kim loại (Thermistor)

- Cấu tạo: Điện trở oxit kim loại được làm từ hỗn hợp các oxid kim loại như : mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Điện trở oxit kim loại có khả năng tự thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Các điện trở oxit kim loại có độ bền cao, rẻ tiền, dễ chế tạo, dễ ứng dụng

- Khuyết điểm: Các điện trở oxit kim loại có khuyết điểm là có dãy tuyến tính hẹp

- Dải đo: Điện trở oxit kim loại có khả năng làm việc ở môi trường nhiệt độ vào khoảng 50oC

- Ứng dụng: Đực dùng vào việc làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động

cơ, mạch điện tử

- Có hai loại thermistor: Loại hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Loại hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC

2.2.4 Cảm biến nhiệt bán dẫn

- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

- Dải đo: Cảm biến nhiệt điện trở hoạt động ở dải nhiệt từ -50oC ~ 150oC

- Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

- Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: kiểu diod, các kiểu IC LM35, LM335,LM45

2.2.5 Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

- Cấu tạo: Nhiệt bức xạ được làm từ các

mạch điện tử, quang học

- Nguyên lý: Nhiệt bức xạ đo tính chất bức

xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc

nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường

- Dải đo: Dải đo từ -97 oC ~ 1800oC

Hỏa kế gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo

9

Hình 6: Nhiệt bức xạ ( hỏa kế)

2.3 Lựa chọn cảm biến cần cho hệ thống, và mô phỏng mạch đo nhiệt độ

-Trên thị trường hiện nay có khá nhiều các loại cảm biến đo nhiệt độ như cảm biếndòng LM( LM35, LM335,…) hay cảm biến thông minh dòng DS1820

 Dùng cảm biến nhiệt độ Pt100 kết hợp với VXL 8501 và IC biến đổi A/D và hiển thị bằng LCD thanh đo được nhiệt độ từ -550C đến +1250C với khoảng nhiệt

độ -100C đến +850C thì dộ chính xác ± 0.50C Cảm biến họ DS độ chính xác rất cao do tín hiệu được truyền có độ phân giải lên đến 12Bit trong 750ms Ở loại cảmbiến này có tích hợp ROM 64Bit, bộ nhớ Logic, mạch ổn định tín hiệu đầu ra Chính vì vậy mà nó khắc phục những nhược điểm của cảm biến họ LM

Ở đây, chúng ta cần dùng cảm biến có thể đo ở dải nhiệt độ 10°C-60°C và sai số thấp 1°C Nhận thấy cảm biến nhiệt độ pt100 có dải nhiệt độ đo từ -55°C đến + 125°C chi phí thấp và có độ chính xác cao , sai số trong khoảng cho phép là cảm biến phù hợp với điều kiện yêu cầu

2.4 Vị trí đặt cảm biến trong phòng máy tính (server)

Với đặc tính của cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ của môi trường nên cảm biến sẽ được đặt bên trong môi trường đó để có thể đo một cách chính xác nhất nhiệt độ của cả môi trường.Trong phòng máy có rất nhiều vị trí để đặt cảm biến và chúng ta cần lựa chọn đặt ở những điểm có thể khái quát rõ ràng nhất nhiệt

độ của phòng

Để đo chính xác dải nhiệt độ trong phòng máy ở đây chúng ta sẽ sử dụng 3 cảm biến nhiệt độ Pt100 được đặt ở các vị trí lần lượt là: 1 cảm biến trên trần của lò,2 cảm biến còn lại lần lượt đặt ở vị trí đối diện 2 bên tường không có thiết bị gia nhiệt

Thiết bị hiển thị và chuông báo sự cố nhiệt độ phòng sấy nên đặt cạnh cửa phòng

để thuận tiện cho việc theo dõi

2.5 Tìm hiểu về cảm biến PT100 và cách lắp đặt

2.5.1 Sơ đồ khối của mạch đo

Hình 7: Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt độ buồng sấy

Cấu trúc hệ thống đo nhiệt độ buồng sấy gồm bảy thành phần chính: Khối nguồn cung cấp điện áp ổn định cho hệ thống, khối cảm biến phát hiện sự thay đổi nhiệt độ phòng theo thời gian, khối dồn kênh MUX, khối ADC và ,vxl 8501 hệ thống nút ấn và cảnh báo,khối hiện thị thông số của kết quả đo được và RS232 truyền thông tin ra máy tính

2.5.2 Khối nguồn

Đây là khối cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống mạch Nguồn cung cấp ổn định

là 5V thông qua IC ổn áp 7805 Nguồn đầu vào là biến áp hạ áp 220VAC-12VAC được thông qua mạch chỉnh lưu

Khối cảm biến đầu vào

Khối cảm biến đầu vào phát hiện nhiệt độ môi trường, cảm biến đầu vào gồm các điểm: điểm 1 Pt100, điểm 2 Pt100, điểm 3 Pt100 Đây là những cảm biến để đo nhiệt độ môi trường sử dụng Pt100 Các đầu ra của cảm biến được đưa vào bộ MUX

11

hình 8: đấu dây cảm biến pt 100

Thông số kỹ thuật của đầu dò nhiệt độ pt100

Nguồn cung cấp: 24 Vdc (có dòng sử dụng nguồn loop)

Đường kính: từ 3mm đến 20 mm

Chất liệu: thép ALSI 304 hoặc 316

Thời gian phải hồi: 3s

Nhiệt độ hoạt động: -100…+450°C (0…1200°C đối với loại Thermocouple)

Độ dài đầu dò: có nhiều độ dài dao động từ 50mm đến 1500mm

Ngõ ra: 3 dây có thể là tín hiệu điện trở hoặc dòng (Ohm hoặc 4-20 mA)

2.5.3 Khối dồn kênh (Multiplexer-MUX):

Khối dồn kênh hay còn gọi là khối ghép kênh, đa hợp (Multiplexer-MUX) là 1 dạng mạch tổ hợp cho phép chọn 1 trong nhiều đường ngõ vào song song (các kênh vào) để đưa tới 1 ngõ ra (gọi là kênh truyền nối tiếp) Việc chọn đường nào trong các đường ngõ vào do các ngõ chọn quyết định Ta thấy MUX hoạt động như

1 công tắc nhiều vị trí được điều khiển bởi mã số

Khối dồn kênh hay khối ghép kênh MUX ở đây dùng để dồn các tín hiệu từ cảm biến về (3 điểm) Dồn kênh sử dụng CD4051 có 8 kênh đầu vào và 1 kênh đầu ra thông qua 3 chân điều khiển Đầu ra của bộ dồn kênh được nối với bộ ADC

2.5.4 Khối VXL 8501

Đây là khối hiện thị thông số của kết quả đo được Nhiệt độ ở 3 điểm được hiện thịtrực tiếp lên LCD 20x4 và nhiệt độ cảnh báo Việc sử dụng hiện thị LCD sẽ đơn giản hơn và tốn ít tài nguyên của vi xử lý đồng thời dễ điều khiển hiện thị.

2.5.8 Khối RS232

Đây là khối dùng để giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn truyền thông RS232 Các thông số của mạch đo có thể hiện thị lên máy tính thông qua phần mền giao diện đồng thời cũng điều khiển từ máy tính

Việc ghép nối truyền thông qua máy tính dùng RS232 đã khá hữu ích trong việc quan sát thông số của thiết bị trên máy tính và điều khiển từ máy tính Nên truyền thông qua RS232 được sử dụng trong bài toán này

Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính

Hình 14: Ghép nối truyền thông qua máy tính dùng RS232

15

2.6 Sơ đồ mạch và nguyên lý mạch

2.6.1 Mô phỏng sơ đồ hệ thống

- Mạch sử dụng thạch anh 12MHz, cảm biến nhiệt độ Pt100 với dải nhiệt độ -55ºC đến +125ºC , hiển thị trên LCD đóng ngắt Role

- Nếu trường hợp có sự cố xảy ra nhiệt độ lò lên trên 50ºC thì bặt loa để cảnh báo ,báo động cho nhân viên đến kiểm tra và khắc phục

Hình 17: Hình ảnh hiển thị trên máy tính

Đặc điểm của bô điều khiển nhiệt độ FOX 1004

-Nguồn :220/ 1pha

-ngõ ra: 1 ngõ ra,tải 2A

-kiểu điều khiển : làm nóng hoặc lạnh

-kèm sẵn 1 cảm biến diode ,dây dài 3m

Cảm biến (đầu dò) :dây +màu trắng vào chân số 1 ;dây-màu đen vào chân số 2Nguồn :nguồn chính vào chân số 11 và 12

*nguồn cấp vào chân chung của relay (ngõ ra ) :dùng 1 đoạn dây ngắn nối từ chân

số 11 qua số 9

Tải(máy nén,điện trở đồ nóng,bóng dèn quạt, )vào chân số 10 và 12

Lưu ý: ngõ ra của bộ điều khiển nhiệt độ FOX-1004 chỉ cho phép điều khiển ở mức tải dưới 2A Đối với trường hợp cần điều khiển thiết bị lớn hơn 2A, chúng ta

có thể điều khiển thiết bị gián tiếp thông qua một relay kiến hoặc contactor

3.2.2.2 Cài đặt bộ điều khiển nhiệt độ Fox 1004

Sơ đồ cài đặt của đồng hồ điều khiển nhiệt độ như sau:

*Ngõ ra chính(main): Giống với FOX-D1004, có 2 cách cài đặt điều khiển nhiệt

độ cho kiểu chọn cách tính độ lệch điều khiển(DIS):

-Với DIS=P thì nhiệt độ điểm Set là nhiệt độ cao nhất Nhiệt độ thấp nhất=Set-diF

Ví dụ: ta cài điều khiển nhiệt độ trong khoảng 37.0oC đến 37.8oC thì ta cài

Set=37.8 và diF=0.8

-Với DIS=Pn thì ta cài giống FOX-1004 Nhiệt độ điểm Set là ngưỡng giữa của nhiệt độ cao nhất và thấp nhất Ví dụ: cài điều khiển nhiệt độ trong khoảng

37.0oC~37.8oC ta cài Set=(37.8+37.0)/2=37.4, diF=(37.8-37.0)/2 =0.4 => Nhiệt

độ cao nhất=Set+diF, nhiệt độ thấp nhất=Set-diF

21