HaUI- Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ TÊN ĐỀ TÀI: Số 1: Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại GVHD: Thầy Nguyễn Vũ Linh Sinh viên thực hiện: Trần Công Hậu Sinh viên lớp: ĐHCNKT Điện K6 Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Điện BÀI TẬP LỚN: VMTT Số : Họ tên HS-SV :…… Trần Cơng Hậu …………Nhóm : 3……Lớp : Điện 1 Mẫu: MC - 11) Khóa : 6…… Khoa : Điện………MSV: 0641040048 NỘI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin – tmax = 0-(100+10*n)C - Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V I=0-20mA + Dùng cấu đo để thị - Đưa tín hiệu cảnh báo đèn, còi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: Ud=(tmaxtmin)/2 - n: Số thứ tự sinh viên danh sách PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, lựa chọn cảm biến - Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, thiết kế mạch nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo… Kết luận hướng phát triển Yêu cầu thời gian : Ngày giao đề: Ngày hồn thành: 25-12-2013 ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Điện BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề tài: : Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Giáo viên hướng dẫn: Thầy: Nguyễn Vũ Linh Sinh viên thực :Trần Công Hậu MSV: 0641040048 Lời mở đầu Đất nước ta đà phát triển thành đất nước cơng nghiệp Vì vấn đề điều khiển vận hành thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao xuất chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí vấn đề quan trọng đáng để ý.Trong thực tế có nhiều tốn liên quan đến vấn đề đo điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lị sấy cơng nghệp,các lị luyện gang ,sắt, thép Trong kì sau học mơn vi mạch tương mơn liên quan nhóm chúng em giao đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từTrong trình làm đề tài giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn thầy cô môn “Đo lường điều khiển” giúp đỡ em hoàn thành thời hạn đề tài Nhưng lượng kiến thức hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Em mong đóng góp thầy để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Chương 1: Tổng quan mạch đo 1.1 Sơ đồ khối -Sơ đồ cấu trúc mạch đo: Mạch ổn dịng Chuẩn hóa điện áp Cảm biến Khuếch đại Khối So sánh Chỉ thị Khối cảnh báo Hình 1: Sơ đồ cấu trúc mạch đo 1.2 Thiết kế tổng quan - Khối cảm biến RTD: Sử dụng cảm biến RTD- PT100 - Khối mạch đo: Sử dụng phương pháp nguồn dòng 2mA - Khối cảnh báo: Sử dụng đèn, còi - Mạch khuếch đại, so sánh: LM 358 - Mạch ổn dòng: sử dụng LM358 Sơ đồ mạch: Chương 2: Giới thiệu thiết bị 2.1 Cảm biến nhiệt độ RTD- PT100 2.1.1 Giới thiệu cảm biến Cảm biến nhiệt độ RTD-PT100 hay gọi nhiệt điện trở kim loại (Resistance Temperature Detector) RTD-PT100 cấu tạo từ kim loại Platinum quấn tùy theo hình dáng đầu dị nhiệt có giá rị điện trở oC 100 Ohm Đây loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp nguồn ổn định Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với thay đổi nhiệt độ tính theo cơng thức - Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ RTD- PT100.: Rt = R0 ( 1+ AT+BT2+C(T-100)T3) Trong đó: A= 3,9083.10-3 B= 5,775.10-7 C= - 4,183.10-12 ( t 0oC) 2.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động RTD-PT100 (Resistance Temperature Detector)) Điện trở dây kim loại có bọc đoạn sứ bao quanh tồn dây kim loại Phần bao bọc lại đặt ống bảo vệ (thermowell) thường có dạng hình trịn,chỉ đưa đầu dây kim loại để kết nối với thiết bị chuyển đổi Phần ống bảo vệ đặt nơi cần đo nhiệt độ, thông thường can nhiệt chỉđo nhiệt độ tối đa 600o C Hình 2: Hình ảnh RTD-PT100 Hai đầu dây kim loại để chừa phần ống bảo vệ kết nối tới thiết bị gọi 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 cầu điện trở có nhánh Pt100(có điện trở 100 ơm độ C) Ðáp ứng RTD khơng tuyến tính có độ ổn định xác cao, hay dùng ứng dụng yêu cầu độ xác cao Nó thường dùng khoảng nhiệt độ từ -250 đến +8000 Can nhiệt pt100 kí hiệu thường sử dụng để nói đến RTD với hệ số alpha=0.00391 R0=100 Ohm 2.1.3 Cách đo RTD- PT100 Cảm biến RTD- PT100 cấu tạo dây kim loại plantium dựa nguyên tắc thay đổi điện trở kim lại theo nhiệt độ( Phương trình Callendar-vab dusen) sau : T RT = R0 + R0α [ T – δ - ( 100 T – 1)( 100 ) ] Với: RT : Điện trở nhiệt độ T R0=100Ω điện trở 0oC α : Hệ số nhiệt độ T=0oC ( kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC) δ=1,499(kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC) + Cảm biến RTD- PT100 hoạt động 0oC điện trở 100Ω + Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính sau: - Cảm biến RTD- PT100 hoạt động 0oC điện trở 100Ω - Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính sau: Rt = R0(1+0,385%T) với sai số nhiệt độ ±0,5oC tức tăng 1oC điện trở RTD- PT100 tăng 0,385 Ω 2.1.4 Bảng giá trị điện trở PT100 10 Hình : Bảng chân lí RTD-PT100 11 2.2 Khối khuếch đại thuật tốn sử dụng LM358 2.2.1 Cấu tạo LM358 Hình 5- Khối chi tiết khối khuếch đại LM358 -LM358 cấu tạo gồm có kênh khuếch đại thuật tốn +Kênh 1: chân 2,chân chân đầu vào chân chân đầu +Kênh 2: chân 5,chân chân đầu vào chân chân đầu 12 Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo 3.1 Sơ đồ mạch đo : 13 3.2 Mạch tạo nguồn dòng với dòng 1mA Chân nối với Vcc=+12V Chân nối với nguồn âm -12V Nguôn vào chân nguồn +5V Vì nguyên lý hoạt động cảm biến PT100 : Điện trở thay đổi nhiệt độ thay đổi nên cần cung cấp nguồn dịng ổn định chạy qua để điện trở thay đổi điện áp đầu cảm biến thay đổi theo tỉ lệ −3 Để đo điện áp với cấp xác V ta tạo nguồn dịng 1mA 10 14 Ta có Up=+5V OA lý tưởng Up=Un=+5v 5v Ir2= =1mA 5k 3.3 Mạch khuếch đại dùng LM358 với chuẩn hóa đầu 0-10v 15 RV1 50k 93% +12v R3(1) V=1.10005 U1:B R3 1k LM358 R7 +4.96 Volts 1k -12v Ta có RV Ku=1+ R7 Vì tín hiệu sau qua phân áp nhỏ nên ta cần đưa qua mạch khuếch tín hiệu so sánh với mức logic & tương ứng 3.4 Mạch cảnh báo sử dụng còi đèn 16 +5v LS1 +12v U2:A U2:A(OP) Ur SPEAKER +12v Q1 NPN +88.8 Volts LM358 R5 R4 14k 10k -12v R6 +88.8 10k Volts Dải đo từ: toC = tmin ÷ tmax = 0÷(100+10.n) Với n=48 → toC = ÷ 580 oC Từ sơ đồ ta có: 17 D1 LED-RED Uout = Iref.RPt100.(1+R4/ R3) =2.10-3*RPt100*20/1=0,042*RPt100 Lựa chọn cảm biến nhiệt độ kim loại RTD- PT100 Loại cảm biến có dải đo nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi,giá trị điện trở RTD thay đổi theo phương trình RRTD = Ro(1+�t+�t2+�t3) Các thông số RTD Pt100 sau: Ở 0oC điện trở Ro=100Ω �=3,94.10-3, �=-5,8.10-8, �=-4.10-12 Khi nhiệt độ thay đổi từ 0÷580oC RRTD: RRTD 0oC =100 Ω RRTD 580oC = 100.(1+3,94.10-3.580 - 5,8.10-8.5802 - 4.10-12.5803) = 326,49 Ω Giá trị nhiệt độ cảnh báo: Td = t max −tmin = 0,5.580 438−0 = 290oC Để tạo cảnh báo nhiệt độ vượt giới hạn ta cần phải đưa tín hiệu đo vào so sánh để so sánh với tín hiệu chuẩn hóa hình vẽ Ở với mức nhiệt độ cho phép T=1/2 Tmax nên giá trị điện áp đưa qua khuếch đại Ur=1/2Urmax=5v Vì ta cần phải tạo nguồn điện áp chuẩn để so sánh với giá trị điện áp trả từ mạch đo Nguyên lí so sánh LM358 : -nếu Up>Un IC trả mức logic cao đầu - UpUn ngõ mức cao(HIGHT) transistor kích dẫn, dẫn nguồn cho cịi kêu đèn sáng 20 LỜI KẾT Trên toàn phần trình bày nhóm em thiết kế mạch đo, cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt trở kim loại Trong thời gian thực tập chúng em đạt kết sau: - Học hỏi nhiều có thêm nhiều kiến thức - Có khả phân tích, thiết kế lắp ráp sản phẩm hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh nhiệt tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức suốt trình học tập thực tập Nhóm sinh viên thực Nhóm Lớp Điện K6 HaUI Hướng phát triển: Từ đề tài phát triển lên, xây dựng nhiều ứng dụng có hiệu thực tế Em đề xuất số hướng phát triển sau: + Thiết kế them mạch so sánh để điều khiển thêm thiết bị + Thiết kế mạch hiển thị LED + Mạch an tồn xảy cố 21 ... HỌC : VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề tài: : Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Giáo vi? ?n hướng dẫn: Thầy: Nguyễn Vũ Linh Sinh vi? ?n...Khóa : 6…… Khoa : Điện? ??……MSV: 0641040048 NỘI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin... quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, lựa chọn cảm biến - Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, thiết kế mạch nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết