Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ SỐ KÊNH’’ PHẦN TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Các vấn đề kỹ thuật đo lường 1.1.1 Khái niệm: Đo lường trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết số với đơn vị đo Kết đo lường giá trị số đại lượng cần đo Ax, tỷ số đại lượng cần đo X đơn vị đo X0 Vậy q trình viết dạng: Ax = X X0 ⇔ X= Ax.X0 Đây phương trình phép đo, rõ so sánh đại lượng cần đo với mẫu cho kết số Q trình đo tiến hành thơng qua thao tác đo lường sau: - Thao tác xác định mẫu thành lập mẫu - Thao tác so sánh - Thao tác biến đổi - Thao tác thể kết hay thị ¾ Phân loại cách thực phương pháp đo • Đo trực tiếp : cách đo mà kết nhận trực tiếp từ phép đo • Đo gián tiếp : cách đo mà kết suy từ phép đo ,từ phối hợp nhiều phép đo trực tiếp • Đo thống kê : phép đo nhiều lần đại lượng , điều kiện giá.Từ dùng phép tính xác suất để thể kết đo có độ xác cần thiết TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.1.2 Các đại lượng đặc trưng kỹ thuật đo lường 1.1.2.1 - Tín hiệu đo đại lượng đo : Tín hiệu đo : tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo.Nó có thể: + Tín hiệu liên tục Analog (A) + Tín hiệu rời rạc Digital (D) - Đại lượng đo : thơng số xác định q trình vật lý Đại lượng đo phân loại sau: + Theo tính chất : o Đại lượng tiền định (đại lượng xác định trước) o Đại lượng đo ngẫu nhiên (đại lượng không xác định ) + Theo chất : - Đại lượng điện (bản thân mang lượng : I ,U - Đại lượng thông số ( R, L, C ) - Đại lượng không điện ( t0, F,P ,Q ) - Đại lượng theo thời gian ( t,ϕ,f ) +Theo dụng cụ đo : - Vôn kế , Wattmet, tần số kế 1.1.2.2 Điều kiện đo: Các thông tin đo lường gắn chặt với môi trường sinh đại lượng đo Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng môi trường đến kết đo ngược lại dùng dụng cụ đo không để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo Cần phải tính đến điều kiện đo khác để chọn thiết bị đo tổ chức phép đo cho tốt 1.1.2.3 Đơn vị đo: Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế quy định mà quốc gia phải tuân theo Trên giới người ta chế tạo đơn vị tiêu chuẩn gọi chuẩn., có đơn vị : - Chiều dài mét (m) - Khối lượng kilôgam (kg) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI - Thời gian giây (s) - Cường độ dòng điện ampe (A) - Nhiệt độ độ Kelvin (K) - Cường độ ánh sáng Candela (cd) - Số lượng vật chất mol (mol) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngồi cịn có đơn vị kéo theo lĩnh vực khác 1.1.3 Thiết bị đo Các phương pháp đo 1.1.3.1 Thiết bị đo : Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Thực phép đo: - Thiết bị tạo mẫu : Là thiết bị đo để khôi phục đại lượng vật lý định Thiết bị mẫu phải đạt độ xác cao - Dụng cụ đo : Là thiết bị để gia công thông tin đo lường thể kết đo dạng số, đồ thị bảng số tuỳ theo cách biến đổi tín hiệu thị, dụng cụ đo chia thành dụng cụ đo tương tự (ânlog) dụng cụ đo thị số (Digital) - So sánh : + Thiết bị tự động + Người điều khiển - Biến đổi Kết đo trình phép đo, rõ so sánh đại lượng cần đo với mẫu cho kết số Quá trình đo tiến hành thông qua thao tác đo lường sau: - Thao tác xác định mẫu thành lập mẫu - Thao tác so sánh - Thao tác biến đổi - Thao tác thể kết hay thị ¾ Phân loại cách thực phương pháp đo • Đo trực tiếp : cách đo mà kết nhận trực tiếp từ phép đo TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP • Đo gián tiếp : cách đo mà kết suy từ phép đo ,từ phối hợp nhiều phép đo trực tiếp • Đo thống kê : phép đo nhiều lần đại lượng , điều kiện giá.Từ dùng phép tính xác suất để thể kết đo có độ xác cần thiết Kết đo Phương pháp biến đổi thẳng: Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị • Chuyển đổi (khâu đầu): biến đổi hai đại lượng vật lý với + Chuyển đổi điện - điện - liên tục rời rạc (A/D) - rời rạc liên tục (D/A) + Chuyển đổi không điện - điện : đại lượng không điện (t0 ,p ,F ) sang đại lượng điện (U, I ) • Mạch đo (biến đổi ): mạch tính tốn như: + Mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân + Mạch khuyếch đại ,mạch logic (and, or, not ) • Chỉ thị (khâu cuối): để thể kết đo + Dùng kim , tự ghi + Chỉ thị số Dùng biến đổi thẳng đo trực tiếp(vôn kế, ampe kế) ΔX X XK Chuyển đổi Y Y’ Mạch đo Chuyển đổi ngược Chỉ thị TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP X: đại lượng đo XK: đại lượng chuẩn phản hồi ΔX = X − XK - So sánh cân : X − X = ΔX = - So sánh không cân : ΔX ≠ 0⇒ X = XK + ΔX 1.1.4.Các đại lượng đặc trưng - Sai số tuyệt đối : Δ = Xđo − Xthực Xđo : dụng cụ đo Xthực : giá trị mẫu (do dụng cụ đo hay giá trị thực) - Sai số tương đối : γ% = Δ 100% Xthùc - Sai số quy đổi : X%(cấp xác dụng cụ đo) γqd% = Δ max 100% X max Xmax : sai số lớn thang đo Δmax : sai số tuyệt đối thang đo - Độ nhạy (S): S= ΔY Tuyến tính ΔX S= dY Phi tuyến tính dX X : đại lượng vào Y : đại lượng Độ nhạy độ biến thiên tương đối đại lượng vào: S = S1.S2.S3 Sn - Tổng trở vào ,ra dụng cụ: - Tổng trở vào dụng cụ tổng trở dụng cụ - Tổng trở tổng trở đầu TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các dụng cụ đo có tổng trở thích hợp để đo tín hiệu khơng bị sai lệch - Đặc tính động: + Khi xét đặc tính động: - Đặc tính biên độ (trong q trình q độ) - Đặc tính pha tần Vì đại lượng đo (không biến thiên biến thiên chậm đại lượng biến thiên nhanh) Độ tin cậy tính kinh tế: phụ thuộc vào trình độ, khoa học Q xác suất hỏng P xác suất không hỏng Q.P = 1⇒ Q↓ ⇒ P↑ 1.2 ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.2.1 Khái niệm nhiệt độ thang đo nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn phân tử vật thể Để đo nhiệt độ phải có dụng cụ đo , thông thường công nghiệp nhiệt độ đo cảm biến phương pháp tiện lợi truyền tín hiệu nhiệt độ xa , không ảnh hưởng tới làm việc hệ thống cần xác định nhiệt độ TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Để đo xác nhiệt độ cần có hiệu số TX - T cực tiểu với TX nhiệt độ môi trường cần đo ,T nhiệt độ cảm biến đặt môi trường cần đo Khi cảm biến đặt mơi trường cần đo nhiệt độ, nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh nhiệt cảm biến môi trường theo biểu thức : dQ = a.A(TX -T)dt với a độ dẫn nhiệt , A diện tích bề mặt truyền nhiệt Mặt khác cảm biến có khối lượng m nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt) c nhiệt lượng hấp thụ là: dQ = m.c.dT Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt môi trường , kết cấu kiểu giá đỡ ta có : a.A(TX - T)dt = m.c.dT Gọi τ số thời gian nhiệt τ= m.c a.A Vậy ta có phương trình vi phân cân nhiệt dT = Tx-T dt (1 - 1) τ Nghiệm phương trình (1 - 1)là : t T = TX − k.e- τ , (1 - 2) với k số Từ phương trình (1 - 2) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian hình (1 -1a) t t TX TX T1 0,63 TX 0,63 TX τ τ TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP τ τ hình 1-1a hình1- 1b Hình (1 - 1b) có tính tới tổn thất nhiệt từ môi trường cần đo truyền vào cảm biến TX – T1 = ΔT luôn tồn 1.2.2 Thang đo nhiệt độ: Là dãy mốc nằm khoảng nhiệt độ giới hạn hai điểm sôi nóng chảy cố định vật chất tinh khiết, hai điểm gọi điểm gốc để phân độ toàn thang Ngày giới tồn loại thang đo nhiệt độ: 1.2.2.1 Thang nhiệt độ động học tuyệt đối hay gọi thang Kelvin đơn vị K nhà vật lý người Anh Thomson đề năm 1852 Trong thang nhiệt độ người ta lấy trạng thái nước điểm cân nước - nước đá - nước giá trị số 273,150K Từ thang nhiệt độ Kelvin người ta xác định thang nhiệt độ thang Celsíu thang Fahrenheit 1.2.2.2 Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius) Trong thang đo đơn vị nhiệt độ 0C Do nhà vật lý người Thụy Điển Celsius đưa năm 1742 dựa vào điểm tan nước đá điểm sôi nước chia 100 khoảng Quan hệ thang Celsius thang Kelvin xác định biểu thức : t (0C) = t (0K) - 273,15 (1 - 3) 1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ 0F nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đưa năm1706, lấy nhiệt độ nước đá tan 32 0F sôi 212 0F Đổi từ thang 0C nhiệt độ 0F ngược lại theo công thức: t(0C ) = {t(0F) - 32} TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP t(0F ) = {t(0C ) + 32} Năm1948 hội nghị đo lường quốc tế thứ 19 lấy thang nhiệt độ bách phân (Celsius) thang nhiệt độ quốc tế Xây dựng thang đo nhiệt độ quốc tế người ta ghi nhận điểm cố định sau : - Điểm sôi O2 -182,97 0C - Điểm tan nước đá (điểm gốc) 0,000C - Điểm sôi nước ( điểm gốc ) 100,000C - Điểm sôi lưu huỳnh 444,600C - Điểm kết tinh bạc 960,800C - Điểm kết tinh vàng 1063,000C BẢNG TRẠNG THÁI ĐO NHIỆT ĐỘ C 0 -273,15 -459,6 Hoà hợp nước - Nước đá 273,15 32 Cân nước-nước đá- 273,16 0,01 32,108 373,15 100 212 Trạng thái Điểm tuyệt đối K F nước Nước sôi TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách , theo nguyên tắc làm việc máy đo nhiệt độ phân thành nhóm : + Nhiệt kế giãn nở : Dựa biến đổi thể tích chất lỏng hay chiều dài chất rắn nhiệt độ thay đổi + Nhiệt áp kế : Dựa nguyên tắc biến đổi thể tích chất lỏng, chất khí, hệ thống kín nhiệt độ môi trường thay đổi + Nhiệt kế cặp nhiệt điện : Dựa nguyên tắc thay đổi sức điện động cặp nhiệt điện thay đổi + Nhiệt kế điện trở : Dựa phụ thuộc gữa nhiệt độ dây dẫn , bán dẫn với điện trở chúng + Hoả kế xạ , hoả kế phát quang : Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi nhiệt độ vùng cần đo thay đổi + Siêu âm nhiệt độ : Nguyên lý hoạt động dựa quan hệ nhiệt độ mơi trường truyền âm Ví dụ : khơng khí khơ ,ở áp suất khí thơng thường quan hệ vận tốc truyền âm nhiệt độ theo biểu thức : C = 331,5 T (m/s) 273,15 với C : vận tốc truyền âm T : nhiệt độ tuyệt đối khơng khí khơ cần đo Bảng giới thiệu khoảng đo máy đo chủ yếu Giới hạn đo 0C Tên máy đo nhiệt độ Min 10 Max ... ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách , theo nguyên tắc làm việc máy đo nhiệt độ phân thành nhóm : + Nhiệt kế giãn nở :... tín hiệu nhiệt độ xa , khơng ảnh hưởng tới làm việc hệ thống cần xác định nhiệt độ TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Để đo xác nhiệt độ cần có hiệu số TX - T cực tiểu với TX nhiệt độ môi trường... cụ đo tương tự (ânlog) dụng cụ đo thị số (Digital) - So sánh : + Thiết bị tự động + Người điều khiển - Biến đổi Kết đo trình phép đo, rõ so sánh đại lượng cần đo với mẫu cho kết số Q trình đo