Bài tập lớn Vi mạch tương tự: Dùng các vi mạch tương tụ và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Bài tập lớn vi mạch tương tự và vi mạch số trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội: Dùng các vi mạch tương tụ và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Điện

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC :

STT: 11

MỤC LỤC

Lời Mở Đầu 4

Tổng quan về mạch đo 7

1 1 Khái niệm về nhiệt độ 7

1.1.1 Khái niệm: 7

1.1.2 Thang đo nhiệt độ: 7

1.1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 8

1.1.4 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc: 8

1 2 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ 8

1.2.1 Sơ đồ khối 8

1.2.2 Vai trò tác dụng của các khối: 10

CHƯƠNG 2 Giới thiệu về các linh kiện và thiết bị chính sử dụng trong hệ thống đo 11

2 1 Giới thiệu về Nhiệt điện trở kim loại: 11

2.1.1 Giới thiệu về nhiệt điện trở PT 11

2.1.2 Nhiệt điên trở nickel (Ni) 14

2 2 Bộ khuếch đai thuật toán μA741A741 15

2.2.1 Cấu tạo: 16

2.2.2 Chức năng: 17

2 3 Điện trở 17

2 4 Cơ cấu chỉ thị 18

2 5 Các thiết bị cảnh báo 18

2 6 Mạch tạo xung dùng IC555 18

2 7 Đèn led 20

2 8 Led 7 thanh 20

2 9 Bộ ADC ICL7107 21

CHƯƠNG 3 Tính toán và thiết kế mạch đo 24

3 1 Tính toán và lựa chọn cảm biến 24

3 2 Mạch đo và mạch hiển thị 24

3.2.1 Mạch đo cảm biến 24

3.2.2 Mạch hiển thị dùng ICL7107 và 5 LED 7 thanh 25

3 3 Tính toán, thiết kế mạch nguồn 25

3.3.1 Tính toán, lựa chọn linh kiện 25

3.3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 26

3 4 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 26

3.4.1 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0 ÷10V 26

3.4.2 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U=0 ÷ -5V 27

3.4.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 0÷20mA 28

3.4.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4÷20mA 29

3 5 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED 30

3 6 Tính toán, thiết kế mạch so sánh phát hiện ngưỡng nhiệt độ 31

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 33

Lời Mở 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 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 nghệp,các lò luyện

gang ,sắt, thép

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày

cũng như kỹ thuật và công nghiệp Việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế

là một yêu cầu thiết thực Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến

được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng

Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế

mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

(Ví dụ : pt, Cu, Zn….)

Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương và các môn liên quan nhóm

chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từ trong quá

trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo hướng dẫn

cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển” 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 trân thành cảm ơn!

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ

NỘI

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Họ và tên HS-SV : Phạm Tuấn Đạt Lớp : Điện 2_K11

Yêu cầu: - Dải đo từ: toC = 0oC – tmax = 0oC – (100+50*n)oC

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

- Đưa tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt đọ vượt quá giá trị:

toC=tmax/2

Trong đó :a: chữ số hàng đơn vị của danh sách(ví dụ: STT=3→a=3;STT=10→a=0)

n: số thứ tự sinh viên trong danh sách

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

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, mạch hiển thị

- Lựa chọn nguồn cấp.

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

- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Bảo toàn năng lượng :

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất.Ởtrạng thái rắn,sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằngđối lưu.Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển cácphần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng

1.1.2 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độcủa nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Cónhiều đơn vị đo nhiệt độ,chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ pháttriển của khoa học kỹ thuật và xã hội.Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chínhlà:

1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đo nhiệt

độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế(SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ

1.1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Cóhai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu.Cấu tạo của nhiệt kế nhiệtđiện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất traođổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đốivới môi trường khí hoặcnước,chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặtnhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn haonhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kếcàng lớn càng tốt.Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt

kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

1.1.4 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:

Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là vậthấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất.Bức xạ nhiệt của mọi vậtthể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vịdiện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.2 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ

Sơ đồ khối của hệ thống đo:

Mạch khuếch đại, chuẩn hóa

Cảm Biến

Mạch nhấp nháy cho LED

Còi báo

Mạch

so sánh Nguồ

n áp

1.2.2 Vai trò tác dụng của các khối:

 Khối nguồn áp U0: làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biếnluôn là +5V nguồn nuôi cảm biến

 Khối nhiệt độ To: đưa nhiệt độ ban đầu vào cảm biến

 Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh,khuếch đại, vào ADC

 Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điệntheo yêu cầu bài toán

 Chỉ thị: là các Ampmeter hoặc Volmeter hiển thị dòng hoặc áp vịtrí cần đo và trước sau chuẩn hóa

 Mạch so sánh: so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt,

để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường

 Còi báo: báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị đặt

 Mạch nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong chế độ nhiệt độ bìnhthường, tắt khi vượt quá nhiệt theo yêu cầu bài toán

 Hiển thị mã BCD

CHƯƠNG 2 Giới thiệu về các linh kiện và thiết bị chính sử dụng

trong hệ thống đo.

2.1 Giới thiệu về Nhiệt điện trở kim loại:

Sự chuyển động của các hạt mang điện tích theo một hướng hình thành một dòng điện trong kim loại Sự chuyển động này có thể do mật lục cơ học hay điện trường gây nên và điện tích có thể là âm hay dương dịch chuyển với chiều ngược nhau Độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ hay điện trở của kim loại có hệ số nhiệt độ dương Như thế điện trở kim loại có hệ số nhiệt điện trở dương PTC (Positive Temperature Coefficient): điện trở kim lọa tăng khi nhiệt độ tăng Để hiệu ứng này có thể sử dụng được trong việc đo nhiệt độ, hệ

số nhiệt độ cần phải lớn Điều đó có ngĩa là có sự thay đổi điện trở khá lớn đối với nhiệt độ Ngoài ra các tính chất của kim loại không được thay đổi nhiều sau một thời gian dài Hệ số nhiệt độ không phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và không bị anhr hưởng bởi các hóa chất Giữa nhiệt độ và điện trở thường có sự tuyến tính, nó được diễn tả bởi một biểu thức đa cấp cao:

R(t) = Ro * (1+At+Bt2+Ct3+…) Trong đó:

- Ro: điện trở được xá định ở một nhiệt độ nhất định

- t2 , t3 : các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu chính xác của phép đo

- A,B,C : các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự lien hệ giữa nhiệt độ và điện trở một cách rõ ràng

Thông thường đặc tính của nhiệt điện trở được thể hiện bởi chỉ một hệ số a (alpha) nó thay thế cho hệ số nhiệt độ trung bình trong thang đo (ví dụ từ 0oC đến 100oC)

Alpha = (R100 – R0)/ 100*R0 (oC-1)

Theo yêu cầu của đề bài ta sẽ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.Nhiệt điện trở kim loại có 2 loại thông dụng là nhiệt điện trơ platin và nhiệt điện trở nikel

2.1.1 Giới thiệu về nhiệt điện trở PT

Nhiệt điện trở Pt được dùng rộng rãi trong và phổ biến trong công nghiệp.Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở Pt, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinhkhiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN

IEC751-1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm 1995), USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng, cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar-Van Dusen:

Tiêu chuẩn IEC751 chỉ định ngĩa 2”đẳng cấp”dung sai A và B Trên thực tế xuất hiện thêm loại C và D Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác.

Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp Do đó khi bị tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với các platin dòng Nhờ thế có sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp hơn trong công nghiệp Trong công nghiệp nhiệt điện trở platin thường dùng có đường kính 30mm

Đẳng cấp dung sai Dung sai (oC)

- Được làm từ kim loại platin quấn tủy theo hình dáng của đầu dò nhiệt điện trở RTD có giá trị điện trở R0 tại 00C là 100Ω

- Đầu dò RTD gồm 2 loại

+ Loại dây nối : Thiết bị đơn giản,sợi dây cảm biến được quy ẩn xung quanh

1 lõi hoặc trục Lõi hình tròn hoặc phẳng phải cách điện được

+Loại màng mỏng : Người ta phủ 1 lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10-7

mm đến 10-6mm) lên 1 cái đế bằng sứ Ưu điểm của loại này là giá thành thấp

và khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặtvào các vỏ nhỏ

- Cách nối dây(3 cách)

+ loại 2 dây:cấu hình đơn giản, độ chính xác thấp

+ loại 3 dây:cấu hính phức tạp,độ chính xác không cao

+ loại 4 dây:cấu hình đơn giản,độ chính xác cao,giá thành cao

=> Để thiết bị cảm biến đơn giản và ít bị sai số thì ta sẽ chọn đầu dò loại dây nối và loại 4 dây

 R0 : Điện trở ở 0 độ C

 αt) : Hệ số của nhiệt điện trở

Điện trở Pt 100 là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kim loại.Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell) thường có dạng trụ tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ

Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100Ω ở 0oC)

Ðáp ứng của RTD không tuyến tính nhưng nó có độ ổn định và chính xác rất cao, do vậy hay được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Nó thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ (-250oC )→ (+850oC) mà can nhiệtPt100 là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số alpha=0.00391

và R0=100Ω

2.1.2 Nhiệt điên trở nickel (Ni).

Nhiệt điện trở Ni so với Pt thì rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt đọ lớn gần gấp hai lần (6.18*10-3 o C-1 ) Tuy nhiên dải đo từ (-60oC) → (+250oC), vì trên 350oC nickel có sự thay đổi về pha Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công nghiệ điều hòa nhiệt độ phòng

Do nhiệt điện trở platin có độ tuyến tính theo nhiệt độ cao, điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài ; mặt khác do dải đo nhiệt độ trongphạm vi bài tập cũng hẹp [0oC – (100+50*n)oC]= [0oC – (100+50*12)oC]= [0oC –700oC].Nên ta sẽ sử dụng nhiệt điện trở platin cụ thể trong bài ta sẽ sử dụng nhiệt điện trở Pt100.

2.2 Bộ khuếch đai thuật toán μA741A741

Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng Anh: operational amplifier), thường được

gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao

gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Khuếch đại có nghĩa là dùng năng lượng nhỏ làm thay đổi một năng lượng lớn khác Năng lượng nhỏ gọi là năng lượng điều khiển.Năng lượng lớn gọi là năng lượng bị điều khiển

Bộ KĐTT cũng như các bộ khuếch đại thông thường khác đều dùng để khuếch đại điện áp,dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ KĐTT là tác dụng của mạch điện có bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các phần tử mạch ngoài (coi bộ KĐTT như hộp đen).Để thực hiện được điều đó, bộ KĐTT phải có các đặc tính co bản là :hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa vào rất lớn và trở kháng ra của nó rất nhỏ

Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán giải tích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT được

sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật đo lường và điều khiển

Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển, nên đã chế tạo được các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng Và các vi mạch KĐTT trong các mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lý tưởng Tuy nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều cácthiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học.Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ.Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm

hư hỏng

Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng khuếch đại các tín hiệu điện nhưđiện áp, dòng điện, công suất Trong phạm vi bài này ta sẽ

sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ so sánh đểđưa ra khối cảnh báo cho mạch đo

Chân 2: Cửa vào đảo Chân 6: Cửa ra

Chân 3: Cửa vào không đảo Chân 7: Nguồn cung cấp dương

Chân 4: Nguồn cung cấp âm Chân 8: Không sử dụng

2.2.2 Chức năng:

Khuếch đại thuật toán lý tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn(Zi=∞),trở kháng rabằng 0(Zi=0),hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn(K0=∞) và điện áp cửa ra bằng 0V,khi điện vào các ngõ vi sai bằng nhau(U0=0V,kí hiệu Ui+=Ui-)

Trong thực tế ký thuật không có bộ KĐTT lí tưởng.để đánh giá được các bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng thực so với KĐTT lí tưởng người ta căn cứ vào thong số của mạch tích hợp KĐTT thực với các thông số lý tưởng trên.Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản ta vẫn có thể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như là IC KĐTT lí tưởng