Đề tài Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ SỐ 5 KÊNH’’ PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1. Các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo lường 1.1.1 Khái niệm: Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo. Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, nó bằng tỷ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X0. Vậy quá trình có thể viết dưới dạng: Ax = 0X X ⇔ X= Ax.X0 Đây là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số. Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau: - Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu. - Thao tác so sánh. - Thao tác biến đổi. - Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị. ¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo • Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất . • Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo ,từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp. • Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lượng nào đó , trong cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 1.1.2. Các đại lượng đặc trưng của kỹ thuật đo lường 1.1.2.1 Tín hiệu đo và đại lượng đo : - Tín hiệu đo : là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lượng đo.Nó có thể: + Tín hiệu liên tục Analog (A) + Tín hiệu rời rạc Digital (D) - Đại lượng đo : là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó . Đại lượng đo được phân loại như sau: + Theo tính chất : o Đại lượng tiền định (đại lượng xác định được trước) o Đại lượng đo ngẫu nhiên (đại lượng không xác định ) + Theo bản chất : - Đại lượng điện (bản thân nó mang năng lượng như : 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 bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo. Cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để chọn thiết bị đo và tổ chức các phép đo cho tốt nhất. 1.1.2.3 Đơn vị đo: Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đấy được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân theo. Trên thế giới người ta đã chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn., trong đó có 7 đơn vị cơ bản : - Chiều dài là mét (m) - Khối lượng là kilôgam (kg) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 - Thời gian là giây (s) - Cường độ dòng điện là ampe (A) - Nhiệt độ là độ Kelvin (K) - Cường độ ánh sáng là Candela (cd) - Số lượng vật chất là mol (mol) Ngoài ra còn có các đơn vị kéo theo trong các lĩnh vực khác ... 1.1.3. Thiết bị đo và Các phương pháp đo. 1.1.3.1 Thiết bị đo : Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Thực hiện phép đo: - Thiết bị tạo mẫu : Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. Thiết bị mẫu phải đạt độ chính xác cao. - Dụng cụ đo : Là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thể hiện kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng số...tuỳ theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo tương tự (ânlog) và dụng cụ đo chỉ thị số (Digital) - So sánh : + Thiết bị tự động + Người điều khiển - Biến đổi Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số. Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau: - Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu. - Thao tác so sánh. - Thao tác biến đổi. - Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị. ¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo • Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất . TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 • Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo ,từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp. • Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lượng nào đó , trong cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết. Kết quả đo Phương pháp biến đổi thẳng: • Chuyển đổi (khâu đầu): biến đổi giữa hai đại lượng vật lý với nhau. + Chuyển đổi điện - điện - liên tục rời rạc (A/D) - rời rạc liên tục (D/A) + Chuyển đổi không điện - điện : là đại lượng không điện (t0 ,p ,F ...) sang đại lượng điện (U, I....). • Mạch đo (biến đổi ): các mạch tính toán như: + Mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân + Mạch khuyếch đại ,mạch logic (and, or, not....) • Chỉ thị (khâu cuối): để thể hiện kết quả đo + Dùng kim chỉ , tự ghi + Chỉ thị số Dùng biến đổi thẳng là những cái đo trực tiếp(vôn kế, ampe kế). X ΔX Y Y’ XK Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị Chuyển đổi ngược TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 X: là đại lượng đo XK: là đại lượng chuẩn phản hồi ΔX = X − XK - So sánh cân bằng : X − X = ΔX = 0 - So sánh không cân bằng : ΔX ≠ 0⇒ X = XK + ΔX 1.1.4.Các đại lượng đặc trưng cơ bản - Sai số tuyệt đối : Δ = Xđo − Xthực Xđo : do các dụng cụ đo được Xthực : giá trị mẫu (do dụng cụ đo hay giá trị thực). - Sai số tương đối : γ% = ùcXth Δ 100% - Sai số quy đổi : X%(cấp chính xác dụng cụ đo) γqd% = maxX maxΔ 100% Xmax : là sai số lớn nhất của thang đo Δmax : là sai số tuyệt đối của thang đo - Độ nhạy (S): S = X Y Δ Δ Tuyến tính S = dX dY Phi tuyến tính X : là đại lượng vào Y : là đại lượng ra Độ nhạy là độ biến thiên tương đối giữa đại lượng ra và vào: S = S1.S2.S3.....Sn - Tổng trở vào ,ra của dụng cụ: - Tổng trở vào của dụng cụ là tổng trở của dụng cụ đó - Tổng trở ra là tổng trở đầu ra. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 - Các dụng cụ đo có tổng trở thích hợp để khi đo các tín hiệu không bị sai lệch. - Đặc tính động: + Khi xét các đặc tính động: - Đặc tính biên độ (trong quá trình quá độ) - Đặc tính pha tần .Vì các đại lượng đo (không biến thiên hoặc biến thiên chậm và đại lượng biến thiên nhanh). Độ tin cậy và 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 về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ. Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của các phân tử trong các vật thể. Để đo được nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo , thông thường trong công nghiệp nhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa , không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống khi cần xác định nhiệt độ. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số TX - T là cực tiểu với TX là nhiệt độ môi trường cần đo ,T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trường cần đo. Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh nhiệt giữa cảm biến và môi trường theo biểu thức : dQ = a.A(TX -T)dt với a là độ dẫn nhiệt , A là diện tích bề mặt truyền nhiệt . Mặt khác nếu cảm biến có khối lượng là m và nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt) là c thì nhiệt lượng hấp thụ được là: dQ = m.c.dT Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt môi trường , kết cấu kiểu giá đỡ thì ta có : a.A(TX - T)dt = m.c.dT Gọi τ là hằng số thời gian nhiệt τ = A.a c.m Vậy ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt Tx-T dT = τdt (1 - 1) Nghiệm của phương trình (1 - 1)là : T = TX − k.e- τ t , (1 - 2) với k là hằng số Từ phương trình (1 - 2) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian hình (1 -1a) t t τ τ TX TX T1 0,63 TX 0,63 TX TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 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 và TX – T1 = ΔT luôn luôn tồn tại 1.2.2 Thang đo nhiệt độ: Là một dãy các mốc nằm trong khoảng nhiệt độ giới hạn bởi hai điểm sôi và nóng chảy cố định của một vật chất tinh khiết, hai điểm này gọi là điểm gốc để phân độ toàn thang. Ngày nay trên thế giới tồn tại 3 loại thang đo nhiệt độ: 1.2.2.1 Thang nhiệt độ động học tuyệt đối hay còn gọi là thang Kelvin đơn vị là K do nhà vật lý người Anh là Thomson đề ra năm 1852. Trong thang nhiệt độ này người ta lấy 3 trạng thái của nước ở điểm cân bằng nước - nước đá - hơi nước một giá trị số bằng 273,150K. Từ thang nhiệt độ Kelvin người ta xác định các thang nhiệt độ mới là thang Celsíu và thang Fahrenheit. 1.2.2.2 Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius). Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là 0C . Do nhà vật lý người Thụy Điển Celsius đưa ra năm 1742 dựa vào điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước chia ra 100 khoảng. Quan hệ giữa thang Celsius và thang Kelvin được xác định bởi biểu thức : t (0C) = t (0K) - 273,15 (1 - 3) 1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ 0F do nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đưa ra năm1706, lấy nhiệt độ của nước đá đang tan là 32 0F và sôi ở 212 0F. Đổi từ thang 0C ra nhiệt độ 0F và ngược lại theo công thức: t(0C ) = {t(0F) - 32} 9 5 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 t(0F ) = 5 9 {t(0C ) + 32} Năm1948 hội nghị đo lường quốc tế thứ 19 đã lấy thang nhiệt độ bách phân (Celsius) là thang nhiệt độ quốc tế Xây dựng thang đo nhiệt độ quốc tế người ta ghi nhận các điểm cố định sau : - Điểm sôi của O2 là -182,97 0C - Điểm tan của nước đá (điểm gốc) 0,000C - Điểm sôi của nước ( điểm gốc ) 100,000C - Điểm sôi của lưu huỳnh 444,600C - Điểm kết tinh của bạc 960,800C - Điểm kết tinh của vàng 1063,000C BẢNG TRẠNG THÁI ĐO NHIỆT ĐỘ Trạng thái 0K 0C 0F Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,6 Hoà hợp nước - Nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước-nước đá- hơi nước 273,16 0,01 32,108 Nước sôi 373,15 100 212 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách , nếu theo nguyên tắc làm việc của máy đo nhiệt độ thì có thể phân thành các nhóm : + Nhiệt kế giãn nở : Dựa trên sự biến đổi thể tích của chất lỏng hay chiều dài của chất rắn khi nhiệt độ thay đổi . + Nhiệt áp kế : Dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích chất lỏng, chất khí, hơi trong hệ thống kín khi nhiệt độ môi trường thay đổi . + Nhiệt kế cặp nhiệt điện : Dựa trên nguyên tắc thay đổi sức điện động khi cặp nhiệt điện thay đổi. + Nhiệt kế điện trở : Dựa trên sự phụ thuộc gữa nhiệt độ của dây dẫn , bán dẫn với điện trở của chúng. + Hoả kế bức xạ , hoả kế phát quang : Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi khi nhiệt độ vùng cần đo thay đổi. + Siêu âm nhiệt độ : Nguyên lý hoạt động dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trường truyền âm Ví dụ : trong không khí khô ,ở áp suất khí quyển thông thường quan hệ giữa vận tốc truyền âm và nhiệt độ theo biểu thức : C = 331,5 15,273 T (m/s) với C : vận tốc truyền âm. T : nhiệt độ tuyệt đối của không khí khô cần đo Bảng dưới đây giới thiệu các khoảng đo của các máy đo chủ yếu Tên máy đo nhiệt độ Giới hạn đo 0C Min Max TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 11 1- Nhiệt kế giãn nở ( đo tiếp xúc) Nhiệt kế cơ khí Nhiệt kế thuỷ ngân Nhiệt kế chất lỏng -100 -35 -190 600 350 150 2- Nhiệt áp kế (đo tiếp xúc) Nhiệt áp kế chất lỏng Nhiệt áp kế thuỷ ngân Nhiệt áp kế chất khí Nhiệt áp kế chất hơi -120 -35 -120 -60 600 600 600 300 3- Nhiệt kế điện trở (đo tiếp xúc) Nhiệt kế điện trở bằng đồng Nhiệt kế điện trở bạch kim (Pt) Nhiệt kế điện trở Niken Nhiệt kế bán dẫn Silic -50 -250 -200 -50 180 650 180 120 4- Cặp nhiệt điện (đo tiếp xúc) Bạch kim - Rodi - Bạch kim Crom - Nhôm Crom - Copen Đồng - Constantan -20 -50 -50 -100 1600 1000 600 400 5- Hoả kế (đo không tiếp xúc) Hoả kế bức xạ Hoả kế quang học 800 800 1800 6000 1.2.3.1 Nhiệt kế giãn nở : + Nhiệt kế hai thanh kim loại : TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 12 8 Hình 1.2 : Nhiệt kế hai thanh kim loại 1- ống 2- Thanh kéo. 3- Đáy ống. 4- 6, Lò xo. 5- Vỏ máy 7- Kim máy đo 8- Hai thanh kim loại của nhiệt kế Hình 1.2 là nhiệt kế hai thanh kim loại khác nhau uốn thành lò xo , ống xoắn nhiều vòng hàn lại với nhau thành thanh , khi nhiệt độ đốt nóng hai thanh nó sẽ dài ra không giống nhau và lò xo sẽ uốn về phía kim loại nào có hệ số giãn nở nhỏ làm kim chỉ chuyển dịch ta đọc được nhiệt độ bên trong. Chiều dài của 1 thanh ở 1 nhiệt độ được tính theo công thức : lt = l0(1 + αt) Với l0 là chiều dài của thanh ở nhiệt độ 00C , α là hệ số giãn nở nhiệt của kim loại của thanh đó Hình 1-2b là nhiệt kế kiểu thanh gồm 1 ống và 1 thanh kéo chế tạo bằng hai vật liệu khác nhau .Thanh kéo 1 được đặt trong ống , một đầu được gắn chặt vào đáy ống , khi bị đốt nóng và thanh kéo dài ra không giống nhau ,tác động cơ khí lên kim chỉ quay đi 1 góc tương ứng với nhiệt độ cần đo chia trên thang mặt đồng hồ. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 13 Nhiệt kế giãn nở có độ chính xác thấp , nên dùng trong các hệ thống cần đo và điều khiển nhiệt độ đơn giản. + Nhiệt kế thuỷ tinh chất lỏng. Hình 1-3 Nhiệt kế thuỷ ngân Nguyên tắc làm việc của loại nhiệt kế này là dựa trên hiện tượng giãn nở vì nhiệt của chất lỏng chứa trong bầu thuỷ tinh , khi chất lỏng trong bầu bị đốt nóng , chất lỏng được dâng lên theo ống nối ngắn với bầu chứa , quan sát chiều cao cột chất lỏng ta sẽ có nhiệt độ tương ứng được khắc trrên thang đo. Tiết diện càng nhỏ thì nhiệt kế càng nhạy với nhiệt độ, chất lỏng chứa trong bầu thuỷ tinh có thể là ruợu hoặc thuỷ ngân . Hình 1-3 là nhiệt kế thuỷ ngân . Hình 1-3 a là loại nhiệt kế thuỷ ngân thanh thẳng, có ống nối nhỏ ,dài và dày làm bằng thuỷ tinh chịu nhiệt hoặc bằng thạch anh. Loại nhiệt kế này có độ chính xác cao hay sử dụng trong phòng thí nhiệm. Hình 1-3b là loại nhiệt kế thuỷ ngân thanh thẳng có ống nối riêng và bảng chia độ riêng. Nhiệt kế thuỷ ngân chế tạo đơn giản , giá thành hạ.Nhược điểm khó đọc số, số chỉ báo chậm , độ bền kém, không thể tự ghi và truyền tín hiệu đi xa. 1.2.3.2 Nhiệt áp kế TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 14 Nhiệt áp kế có cơ cấu đo kiểu lò xo áp kế . Khi tăng nhiệt độ của túi nhiệt làm cho chất lỏng, chất khí chứa trong nó tăng thể tích nhưng do túi nhiệt là thể tích kín nên làm cho tăng áp suất và làm biến dạng lò xo, truyền qua cơ cấu truyền động tới kim chỉ của áp kế , ống nối với túi nhiệt có đường kính từ 0,2 ÷ 0,5mm gọi là ống lò xo đàn hồi. ống lò xo này có thể là một hoặc nhiều vòng tuỳ theo thiết kế của nhà chế tạo. Nhiệt áp kế phân theo tính chất làm việc như : nhiệt áp kế chất lỏng, chất khí, chất hơi. Với nhiệt áp kế chất lỏng chủ yếu là thuỷ ngân và ruợu. Nhiệt áp kế chất hơi thường dùng chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp như benzen, axeton Trong nhiệt áp kế chất khí thì trong toàn bộ hệ thống áp suất đều chứa khí trơ như : heli, nitơ, ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển. Hình 1-4 1- Túi nhiệt 2- ống nối 3- Lò xo đàn hồi 4- Kim chỉ 5 -Thang đo TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 15 Hình 1-4 là cấu tạo của nhiệt áp kế. Túi nhiệt được chế tạo từ thép hoặc đồng thau , ống dẫn nối chế tạo từ vật liệu là thép hoặc đồng, lò xo ống đàn hồi làm bằng đồng thau. áp suất tối đa trong hệ thống kín của nhiệt áp kế có thể đạt tới 60atmotphe, phía ngoài của nhiệt áp kế có thể lắp thêm công tắc tín hiệu, các bộ phận truyền tín hiệu đi xa, các cơ cấu tự ghi các thông số đo Sai số của các loại nhiệt áp kế chất lỏng , chất khí không quá ± 1,5%; sai số của nhiệt áp kế chất hơi có thể tới ±2,5%. Nhược điểm của các loại nhiệt áp kế là độ bền cơ học của ống nối thấp, thời gian báo kết quả đo chậm, khó sửa chữa và lắp ráp. 1.2.3.3 Đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện. + Nguyên tắc làm việc và cấu tạo của cặp nhiệt độ. Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt điện là khi có hai thanh kim loại A và Β khác nhau được hàn lại với nhau ở hai đầu 1 và 2 (như hình1-5). Đầu 1 có nhiệt độ là t (đầu đo nhiệt độ) Đầu 2 có nhiệt độ là t0 (đầu tự do). Do tính chất kim loại của hai thanh A , Β khác nhau nên lượng điện tử tự do trong hai thanh cũng khác nhau . Số lượng điện tử tự do khuyếch tán sang qua mối hàn cũng khác nhau, khi cân bằng ở nhiệt độ nào đó thì ở mối nối giữa hai thanh sẽ xuất hiện một sức điện động xác lập . Nếu đầu 1 và 2 có cùng nhiệt độ là t0 ta có phương trình sức điện động tổng: EAB = eAB(t0) + eBA(t0) = 0 (2-1) Hình: 1- 5 từ đây ta rút ra eBA(t0) = - eAB(t0) (2-2) khi t và t0 khác nhau thì ta có: EAB = eAB(t) + eBA(t0) (2-3) hay EAB = eAB(t) − eÂB(t0) (2-4) Trị số của EAB phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ của 2 đầu. Nếu t0 = const thì 2 t0 A B 1 t TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 16 EAB(t) = eAB(t) − c = f(t) (2-5) với c là hằng số và c = cAB(t0) = const Từ phương trình (2-5) . Nếu bằng cách nào đó làm cho t0 không đổi thì sức điện động là hàm số của nhiệt độ t ở đầu 1. Vật liệu làm điện cực cặp nhiệt điện phải có yêu cầu là đồng chất , sức điện động phụ thộc vào nhiệt độ gần tuyến tính , chịu được nhiệt độ, độ bền cơ học ở nhiệt độ cao, có độ bền hoá học, tính đồng nhất của vật liệu dọc chiều dài điện cực. Trong kĩ thuật sử dụng các cặp nhiệt độ : crôm-crôm ; crôm-copen; đồng-constantan; đồng-copen; sắt-copen; ở nhiệt độ cao người ta còn sử dụng cặp nhiệt điện vonfram-reni. Trên hình 1.6 là đặc tuyến sức điện động theo nhiệt độ của các cặp nhiệt, ứng với đầu tự do có t0 = 00C Hình 1.6 Đặc tuyến sức điện động của các cặp nhiệt Đặc tính kỹ thuật của cặp nhiệt điện thông dụng Cặp nhiệt điện Dải nhiệt độ làm việc(0C) Sức điện động (mV) Độ chính xác 30 40 20 10 200 600 60 50 1000 1400 E (mv) T (0C) E : Chromel/Constantan J: S¾t/Constantan T: §ång/Constantan K : Chromel/Alumel R : Platin- Ro®i ( 13%)/Platin S : Platin- Ro®i (10%)/Platin B: Platin- Ro®i (30%)/Platin-Ro®i(6%) E J K R S B TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 17 Đồng – Constantan φ = 1,63 mm -270 ÷ 370 -6,26÷19,03 -100 ÷ 400C; ± 2% -80 ÷ 1000C; ±0,8% 100 ÷ 3500C; ±0,75% Sắt – Constantan φ = 3,25mm -210 ÷ 800 -8,1÷45,5 0 ÷ 4000C; ±3% 400 ÷ 8000C; ±0,75% Chromel – Alumen φ = 3,25mm -270 ÷ 1250 -5,35÷50,63 0 ÷ 4000C; ±3% 400 ÷ 12500C; ±0,75% Platin – Rodi(10%)Platin φ = 0,51mm -50 ÷ 1500 -0,24÷15,58 0 ÷ 6000C; ±2,5% 600 ÷ 15000C; 0,4% Chromel – Constantan φ = 3,25mm -276 ÷ 870 -9,84÷66,48 0 ÷ 4000C; ±3% 400 ÷ 8700C; ±0.75% Platin -Rodi(13%)platin φ = 3,25mm -50 ÷ 1500 -0,23÷17,4 0 ÷ 5380C; ±1,4% 538 ÷ 15000C; ±0,25% Platin-Rodi (30%) platin-Rodi(6%); φ = 0,51mm 0 ÷ 1700 0 ÷ 12,426 870 ÷ 17000C; ±0,5% Vonfram – Reni (5%)Vonfram- Reni(26%) 0 ÷ 2700 0 ÷ 38,45 + Sử dụng đồng hồ milivôn kế kiểu từ điện đo tín hiệu cặp nhiệt điện Trên sơ đồ nguyên lý hình (1-7) là sơ đồ sử dụng đồng hồ milivôn kiểu từ điện để đo tín hiệu của cặp nhiệt điện TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 18 Hình 1.8 Sơ đồ đo sđđ nhiệt bằng milivôn kế Dòng điện chạy trong mạch đo do sức điện động EAB (t,t0) tạo ra tính theo công thức : Ι = fpdccFDAB 0AB RRRRRR )t,t(E +++++ = Mng 0AB RR )t,t(E + với điện trở ngoài: Rng = RAB+RFD+R0+Rdc Điện trở của dụng cụ đo : RM = RP + Rf với RP là điện trở của khung dây ,Rf là điện trở phụ trong mạch đồng hồ đo Điện áp đặt lên đồng hồ là: Uab = I.RM = EAB(t,t0) – I.Rng Mômen quay khung dây đồng hồ: MΘ = S.Β.W.Ι với S diện tích khung dây Β cường độ từ cảm trong khe hở W số vòng của khung dây. Mặt khác có mômen cản của lò xo là Mng tính theo công thức: Mng = k.α với k là hệ số đàn hồi của lò xo α là góc quay của khung dây Khi mômen quay MΘ cân bằng với mômen cản của lò xo Mng thì có: S.Β.W.I = k.α t b Rf t0 c t0 c F D t1 t1 a Rp Rđc TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 19 α = k I.W.B.S = A.I = A. Mng oAB RR )(t,tE + Với một đồng hồ milivon đã chế tạo thì A trong biểu thức trên là một hằng số và A = k W.B.S gần như không đổi. Khi giữ cho Rng+RM = const thì góc quay của khung dây tỷ lệ với EAB(t,t0); trên bề mặt của đồng hồ milivon khắc theo nhiệt độ cho toàn thang đo. Khi đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện phải chú ý tới đầu tự do có nhiệt độ t0, phải chọn vùng có nhiệt độ t0 ổn định tránh sinh ra sức điện động phụ làm cho sai số của phép đo lớn. Để chọn được vùng có t0 ổn định người ta sử dụng cặp dây bù để kéo dài đầu tự do đi xa hoặc sử dụng cầu bù tự động để có điện áp đặt vào dụng cụ thứ cấp không đổi ứng với nhiệt độ t của đầu đo không đổi khi nhiệt độ t0 của đầu tự do thay đổi. Hình 1-9 Sơ đồ hình 1-9 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo nhiệt độ sử dụng cầu bù tự động. Cầu bù tự động gồm điện trở R1, R2, R3 làm bằng mangan. Có hệ số tăng điện trở theo nhiệt độ nhỏ (α = 0,000015 C 1 0 ); Rđ làm bằng đồng. Nguồn điện ổn định cấp vào đường chéo của cầu là điểm a,b. Khi có cầu bù do sự tăng điện trở của Rđ nên cầu bù tự động xuất hiện một điện áp cầu Ucd để luôn luôn bảo toàn biểu thức AC/DC t1 t B A t1 F D d a b c Rđ a R3 R2 mv Rhc t0 C TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 20 EAB(t,t0) = EAB(t,t’0 ) + Ucd Trong thực tế với cầu bù tiêu chuẩn khi đầu tự do có t0 thay đổi từ 0÷500C thì sai số của phép đo là ±30C; với nhiệt độ t0 trong từng máy đo đã cho biết trước. 1.2.4 Đo nhiệt độ bằng cảm biến điện trở Từ năm 1821 người ta đã phát hiện ra điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ. Ngày nay với trình độ công nghệ kỹ thuật cao đã tạo ra được các loại cảm biến điện trở chia ra làm 3 nhóm : kim loại, bán dẫn và nhiệt điện trở , ưu điểm cơ bản của cảm biến điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn. 1.2.4.1 Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi so với trị số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Ví dụ điện trở của dây đồng thay đổi theo nhiệt độ: RCu t = RCuo [1+ α(t - t0)] Ω Với RCu0 là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t0. Nhiệt độ t0 trong thực tế người ta thường lấy ở 00C, t là nhiệt độ của môi trường đo; α là hệ số tăng điện trở của đồng trên 10C. Bảng tính chất vật lý của một số kim loại TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 21 Tên vật liệu Điện trở suất ở 200C 10-6Ωm Hệ số nhiệt độ Nhiệt độ nóng chảy 0C Điện trở 0C -1 Độ nở dài 10-3m,0C -1 Nhôm (Al) Vonfram Sắt (Fe) Đồng (Cu) Bạc (Ag) Niken (Ni) Bạch kim (Pt) Mangan (Mn) 0,029 0,056 0,1 ÷ 0,14 0,0175 0,016 0,0106 0,045 0,42 0,004 0,0045 0,0045 0,004 0,004 0,0047 0,0039 0,000015 0,024 0,0045 __ 0,017 0,019 0,00128 0,0089 __ 659 3500 1530 1083 961 1453 1769 960 Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn ví dụ như bạch kim có φ = (0,05 ÷ 0,07)mm, dây đồng φ = 0,2mm hoặc nhỏ hơn; Được quấn trên lõi cách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu dưới, hoặc ống gốm bịt kín. ở 00C nhiệt kế bạch kim được chế tạo với trị số : 10Ω; 48Ω và 100Ω. Đồng ở 00C được chế tạo với trị số 53Ω; 100Ω. Trên hình 1-10 là cấu tạo của một điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến nhiệt 1- Tấm mica có đường ren 2- Dây platin 3- Đầu nối ra 4- Đệm mica 5- Dây bạc để gắn đệm mica TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 22 Hình 1.10 Điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến Độ nhạy của cảm biến nhiệt độ Ni và Fe-Ni là ≈ 5.10-3 C 1 0 . Độ nhạy của cảm biến nhiệt độ điện trở của Pt là 4.10-3 C 1 0 1.2.4.2 Cảm biến nhiệt điện trở Silic: Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó thành dương. Người ta đã thấy khi ở nhiệt độ dưới 2000C thì hệ số nhiệt điện trở của cảm biến nhiệt điện trở silic có trị số dương ; còn khi nhiệt độ lớn hơn 2000C hệ số nhiệt điện trở là âm. Phần tử cảm nhận của silic có kích thước (500×500×240)μm, được mạ kim loại ở một phía còn phía còn lại để tiếp xúc với bề mặt đo nhiệt độ. Độ nhạy của loại cảm biến này vào khoảng 0,7% 0C có nghĩa là điện trở thay đổi 0,7% theo từng 0C. Có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến silic: R(T) = R0.eΒ( T 1 - To 1 ) αR = 2T B Với T, T0 tính theo nhiệt độ K Vì độ nhạy của cảm biến nhiệt điện trở cao nên thường dùng để phát hiện nhiệt độ biến thiên rất nhỏ từ (10-4÷10-3)K 3 4 5 2 1 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 23 1.2.5.3.Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở: R1 R2 R1 R2 Rd1 R3 Rt R3 Rt Rd2 Hình 1- 11 Trên hình 1-11 các điện trở R1, R2, R3 là các điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ là rất nhỏ, Rt là cảm biến điện trở đặt trong vùng cần đo nhiệt độ. Sơ đồ cầu được cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn định cao. Giả sử thang chia nhiệt độ của mV được chia từ 00C thì muốn kim milivon - mV chỉ 00C thì điện thế ở điểm 1 và điện thế ở điểm 2 trên sơ đồ phải bằng nhau. Có nghĩa : 31 3 RR R.E + = to2 to RR R.E + và U1-2 = to2 to RR R.E + - 31 3 RR R.E + = 0 Nếu chọn R1= R2 và R3 = Rto; với Rto là trị số của cảm biến điện trở ở nhiệt độ 00C. Vậy có thể viết theo : U1-2 = E to2 3to RR RR + − = E to2 toto RR RR + − = 0 Khi nhiệt độ khác 00C thì có biểu thức tính điện áp theo điện trở của cảm biến là: U1-2 = E t2 tot RR RR + − TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 24 Khi dẫn tín hiệu đi xa và tránh ảnh hưởng của điện trở dây dẫn theo nhiệt độ tới phép đo, thì nối dây như sơ đồ hình 1-11b ; do nhánh cầu đều được thêm vào điện trở dây dẫn Rd1,Rd2 nên điện thế tại điểm 2 trên sơ đồ phản ánh đúng điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến Rt. 1.2.5 Hoả kế: Tất cả các vật thể là nguồn nhiệt đều phát ra các bức xạ nhiệt. Ví dụ vật thể có nhiệt độ 6000C thì phát ra tia hồng ngoại có bước sóng λ = (0,75÷400)μm. Mắt con người chỉ nhìn được sóng ánh sáng λ = (0,40÷0,75)μm. Các bức xạ có λ < 0,4 μm ta cũng không nhìn thấy chngs là tia tử ngoại, đó là tia ronghen và tia Gâm. 1.2.5.1 Hoả kế quang học Trên hình 1-12 là sơ đồ nguyên tắc của hoả kế quang học. Nguyên tắc làm việc của hoả kế quang học là dựa trên sự so sánh mức độ sáng chói của vật nóng và dây tóc bóng đèn nung đỏ giữa mắt người quan sát và vật đo; Khi so sánh mức độ sáng của dây tóc bóng đèn với nguồn nhiệt cần đo bằng nhau thì đọc chỉ số của milivôn kế, Milivôn kế đã được khắc theo thang nhiệt độ, điện áp rơi trên đèn tương ứng với nhiệt độ của vật cần đo. 1 8 2 3 4 9 7 - + Hình 1- 12 – Sơ đồ nguyên lý hoả kế quang học 1- Thấu kính đo (vật kính) 2- Đèn nung đỏ và dây tóc 3- Thấu kính mắt (thị kính) 4- Kính lọc TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 25 5- Nguồn điện 1 chiều 6- Điện trở điều chỉnh độ sáng của bóng đèn 7- Mini vôn kế 8- Kính lọc. Ưu điểm của hoả kế quang học là đo gián tiếp, dải đo rộng, dễ điều chỉnh và sử dụng. Nhược điểm là phụ thuộc vào kinh nghiệm người quan sát. Hiện nay hoả kế quang học dùng đo nhiệt độ từ 8000C ÷ 60000C, có nhiều loại với phạm vi dải đo khác nhau. Cấp chính xác của hoả kế quang học là từ 1,5÷4,0 1.2.5.2 Hoả kế bức xạ: Hoả kế bức xạ làm việc trên cơ sở năng lượng của tia phát ra của nguồn nhiệt. Đây là dụng cụ đo nhiệt không tiếp xúc. Hoả kế bức xạ gồm có hệ thống quang học như gương, thấu kính, dùng để thu các tia do vật phát ra và hội tụ lại trên vật đen. Để đo nhiệt độ của vật đen người ta sử dụng các bộ cặp nhiệt điện mắc nối tiếp với nhau. Cặp nhiệt điện có thể là crom-copen. Để đo sức điện động của các cặp nhiệt độ có thể dùng milivon kế hoặc điện thế kế đã được chia thang đo theo nhiệt độ. 1 3 4 5 2 2 0C Hình – 13 Sơ đồ nguyên lý hoả kế bức xạ kiểu Pπ 1- Vật kính (thấu kính đo) 2- Thị kính 3- Lá tiết lưu 4- Bộ cặp nhiệt điện 5- Kính màu bảo vệ mắt Trên hình 1-13 là sơ đồ nguyên lý hoả kế bức xạ kiểu PM, bộ cặp nhiệt điện có 4 cặp nhiệt điện mắc nối tiếp. Dải nhiệt độ làm việc là TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 26 9000C ÷18000C. Sai số không vượt quá 4 ÷8%.Nhược điểm của loại hoả kế này là khó kiểm tra. Độ chính xác không cao. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 27 PHẦN 2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ KHỐI 2.1. SƠ ĐỒ KHỐI - CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI 2.1.1 Sơ đồ khối : Từ nhiệm vụ của đề tài thiết kế, có sơ đồ khối của hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ 5 kênh như hình vẽ: Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt độ 2.1.2 Chức năng của từng khối: t−¬ng tù - sè khèi nguån cÊp c¶m biÕn khèi chÊp hμnh khuÕch ®¹i khèi khèi khèi chuyÓn vμ khèi so s¸ nh t¹o xung nhÞp khèi khèi khèi chØ thÞ 220 v nhí kªnh TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 28 2.1.2.1 Khối Cảm biến: Đây là bộ phận cảm biến nhiệt (biến tín hiệu không điện thành tín hiệu điện). 2.1.2.2 Khối khuyếch đại trung gian Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu từ Sensor. 2.1.2.3 Khối so sánh. Khối này có nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào (tín hiệu đo) với tín hiệu cố định (tín hiệu đặt) để cho ra khối chấp hành. 2.1.2.4 Khối chuyển kênh: Khối này có nhiệm vụ cho phép từng kênh đọc một. Khi xong chuyển kênh khác và báo kênh nào đang đọc. 2.1.2.5 Khối xung nhịp Khối này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển khối chuyển kênh . 2.1.2.6 Khối tương tự số : A/D Khối Analog(tín hiệu liên tục) sang Digital (tín hiệu số) có nhiệm vụ là phân tín hiệu tương tự cần đo mã hoá tín hiệu này và đưa sang chỉ thị số. 2.1.2.7 Khối chỉ thị Khối này có nhiệm vụ đọc tín hiệu và hiển thị số liệu đo, khối kênh nào đo. 2.1.2.8 Khối nguồn Khối này có nhiệm vụ cung cấp điện áp (nguồn nuôi) cho tất cả các khối trên và tạo ra nguồn luôn ổn định. 2.1.2.9 Khối chấp hành Khối này có nhiệm vụ báo hiệu, cảnh báo khi nhiệt độ đo vượt quá nhiệt độ đặt TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 29 2.2. GIỚI THIỆU TỪNG PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ KHỐI 2.2.1 Khối cảm biến 2.2.1.1 Chọn khối cảm biến Qua một vài phương pháp đo nhiệt độ ta thấy đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở là hiệu quả bởi vì: - Dải đo không lớn (00C ÷ 1000C) - Sai số nhỏ - Đơn giản, gọn nhẹ, dễ hiểu - Độ nhạy cao - Tính lặp lại cao. 2.2.1.2 Thiết kế cảm biến: • Nhiệm vụ thiết kế: - Tạo điện áp biến thiên tuyến tính với nhiệt độ - 5 khối cảm biến này có chỉ số giống nhau - Thông tin (tín hiệu) phản ánh nhiệt độ được truyền tuần tự, liên tục (chính xác) theo thời gian. Thiết kế: Với yêu cầu trên ta chọn sơ đồ cầu như hình vẽ: R1 Rt Ung UC R2 R3 Hình 2-2 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 30 - Chọn R1, R2, R3 ít thay đổi theo nhiệt độ (không thay đổi theo nhiệt độ).Thông thường trong kỹ thuật dùng điện trở bằng đồng có hệ số điện trở thay đổi là: α = 0,004/00C Rt = R0[1 + α(t0 − t00)](1) Với R0 là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t0 Rt là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t Ta có : Υcầu= t3 RR E + Rt − 21 RR E + R1 (2) Thay phương trình (1) vào (2) ta có : Υcầu = ]−+[++ ]−+[ )tt.(α1RRR )tt.(α1R.E 0 00 0 00 003 0 − 21 RR E + R1(3) ở (3) ta thấy tuyến tính khi : 21 RR E + R1, E, R0, R2, R3 là hằng số Và nếu ta chọn R1= R0 với R0 là điện trở của biến ở t00 = 00C R2 = R3 và R2,R3 >> R1,R0 ⇒ thì ta bỏ qua được R0α(t0 − t00) Lúc này ta có được phương trình (3) mới Υcầu = E.R0 02 RR )tt.(α1 000 + −+ − 20 RR 1 + = 02 .0 RR )tt.(αR.E 000 + + = 02 RR t.α.R.E 0 + = 21 .1 RR t.αR.E 0 + = 31 .1 RR t.αR.E 0 + Khi xét (t00=00C) Với cách chọn này Υcầu= 0 khi nhiệt độ là 00C. Khi tăng nhiệt độ trong dải (00C ÷1000C) là tuyến tính và tạo ra tín hiệu liên tục. 2.2.2 Khối khuyếch đại trung gian Khối khuyếch đại trung gian gồm năm bộ khuyếch đại thuật toán đo lường tuyến tính. ở đây ta sử dụng IC tuyến tính TL084 là loại IC dùng trong công nghiệp, có nguồn nuôi là (+12V) và (−12V). IC này có khả năng chống nhiễm TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 31 cao, có mạch chống trôi điểm 0 do nhiệt độ công suất tiêu tán định mức 680mV, tốc độ tăng áp 13C/1μ, nhiệt độ làm việc −2500C ÷850C. Như vậy dùng 5 IC TL084. Hình 2.3 Sơ đồ chân IC TL084 ở sơ đồ này chống nhiễm đồng pha: Ur = k.Ucầu (5) với k = k1.k2 k1 = 1 + 2 31 R RR + k2 = − 4 5 R R ở công thức (5) ta muốn thay đổi hệ số khuyếch đại phù hợp thì ta điều chỉnh điện trở R2 sao cho phù hợp. -12V TL084 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 0A 0A TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 32 Hình 2.4 Sơ đồ nối thành khuyếch đại đo lường IC TL084 2.2.3 Khối tạo xung điều khiển Hình 2.5 Cấu tạo IC 555 2.2.3.1 Cấu tạo khối xung điều khiển (555) 1- Cấu phân áp gồm 3 điện trở 5 kΩ nối từ nguồn xuống mass cho ra 2 điện áp chuẩn là 1/3Vcc và 2/3 Vcc 2- OA1 –AMP là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào không đảo nhận điện áp chuẩn 2/3Vcc, còn ngõ vào đảo thì nối ra ngoài chân 6. Tuỳ thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà OA1 có điện áp ra ở mức cao hay thấp để làm tín hiệu R2, điều khiển bộ và đảo r3 r2 r1 A2 A1 r5 r7 r4 r8 A3 r6 U ng c U T 7 4 & S R & 3 ccv 8 ccv 2 5 k 5 k 6 5 3 vcc3 1 1 5 k 2 OA2 OA1 S S1 2 R R R 1 2 3 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 33 3- OA2 – AMP là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào đảo nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc, còn ngõ vào không đảo thì nối ra ngoài chân 2. 4- Hai bộ Và- Đảo của R và S có biểu thức logíc như sau : R = R1.R2.R3 S =S1.S2 5- Tranzitor T là tranzitor có cực để hở, nối ra chân 7 2.2.3.1 Nguyên lý làm việc của TIMER 555 : - Khi mới đóng điện (chân 4, 8) tụ C bắt đầu nạp điện từ 0V. OA1 có Vi+ > Vi- nên ngõ ra V01 ở mức cao (H), (P2 = H) OA2 có Vi+ < Vi- nên ngõ ra V02 ở mức thấp (L), (S1 = L) Do S = S1.S2 ⇒ S = H (mức cao) → chân ra (3) ở mức cao, hay S2 = L Ura ≈ Unguồn Mặt khác cùng thời điểm này do S = H (mức cao) → R3 = S = H (mức cao) R = R1.R2.R3 R3 = H R2 = H → R = L (mức thấp) R1 = H (chân 4 nối với nguồn) Cực B của Tranzitor T ở mức thấp hay T bị khoá Tụ nạp điện theo mạch “ Vcc – RA – D – C – Vcc’’ , có hằng số : tn = 0,693RA.C (khi xả Diod phân cực thuận nên dòng điện không qua RB và hằng số thời gian nạp và xả của tụ không tính đến điện trở của Diod là do điện trở này rất nhỏ so với RA, RB và được cân bằng với điện trở thuận của tranzitor T khi tụ xả) Khi điện áp trên tụ : U6;2≥ 1/3 UN (điện áp chân 2; 6) khi đó OA2 lật trạng thái. OA2 có Vi+ > Vi- → V0 = H (mức cao) Nhưng mức này do OA1 chưa thay đổi do điện áp trên tụ vẫn nhỏ hơn 2/3 UN → R = L (mức thấp) S vẫn ở mức cao, tức là tụ vẫn nạp bình thường. Khi điện áp trên tụ bằng 2/3 UN thì OA1 lật trạng thái, tức là Vi+ < Vi- R2 = L TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 34 → V0= L Do biểu thức logic ở trên nên ta có R = H (mức cao) Lúc này do R = H = S2 S1 = H → S = L chân ra 3 có điện áp = 0 (mức thấp) đồng thời do R= B = H (mức cao), nên tranzito T được mở thông. Tụ không được nạp điện và chuyển sang xả điện vào chân 7 qua T ra chân 1 nối đất, tụ xả theo hằng số thời gian : tX = 0,693RBC. Tụ xả đến khi điện áp trên tụ nhỏ hơn 2/3 UN tìh OA1 đổi lại trạng thái cứtc là có V0 = H (mức cao). R2 = H nhưng do lúc này OA2 chưa đổi trạng thái nên chân 3 vẫn ở mức thấp và T vẫn mở thông nên tụ vẫn xả. Tụ xả đến khi điện áp trên tụ nhỏ hơn 1/3 UN thì OA2 đổi lại trạng thái ban đầu, có V0 = 0 S1 = 0 theo biểu thức logic (2) có S = H (mức cao), nên chân ra 3 của 555 ở mức cao tức là Ur ≈ Un Đồng thời : R = 0 do R1 = 1 = S R2 = 1 R3 = 1 T khoá và tụ lại bắt đầu nạp và quá trình nạp được lặp lại như trên Có một điều khác từ chu kỳ thứ 2 trở đi là tụ được nạp điện từ 1/3 → 2/3 UN mà không nạp từ 0 như ban đầu. UR 8 7 I AR 4 3 2C 5 6 2 1 55 5x¶ I n¹p BRD C 1 + Vcc TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 35 2.2.4 Khối nguồn: - Một máy biến áp: với sơ cấp lấy điện 220V, f = 50Hz. Thứ cấp chia làm hai cuộn có một điểm chung. Đây là biến áp trung tính. - 4 diod tạo thành chỉnh lưu - Dùng IC ổn áp 7812, 7912 tạo ra nguồn E1 = ± 12Vvà dùng IC ổn áp 7805, 7905 tạo ra nguồn E2 = ± 5V. - Dùng 4 tụ hoá để lọc X t4 t cc 2 3 v C NT 32 T X T C K t t 3 v1 cc T k ® U t 1 T t G i¶n ® å x u n g U TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 36 2.2.5 Khối chỉ thị: Khối chỉ thị gồm hai bộ phận: - bộ phận thứ nhất chỉ nhiệt độ - bộ phận thứ hai chỉ kênh đang đọc số liệu đo. Bộ phận thứ nhất dùng 4 LED 7 thanh HD113 để chỉ: phần thập phân, hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm. Bộ phận thứ hai : sử dụng 1 LED 7 thanh HD113 để cho biết kênh nào đang hoạt động(kênh phát tín hiệu). Hệ cơ số đếm thập phân của tín hiệu đo đã được số hoá qua khối biến đổi tương tự số (ICL7107) LA 7912 1 3 2 +12V - 12V LA 7812 1 3 2 +12 - + 35V -12 - 35V A 31 B c4c2 d4d3 2 7812 ap A 1d2d1 c1 c3 7912 2 3 7805 7905 - E1 (-12v) - E2 (-5v) E2 (5v)E1 (12v) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 37 2.2.6 Khối so sánh tín hiệu Khâu so sánh tín hiệu thường dùng khuyếch đại thuật toán k y hiệu OA - OA có hai cổng vào (+) U+ là cổng vào không đảo dấu (+) U- là cổng vào đảo dấu - S cổng ra - M là điểm nối đất của sơ đồ, là điểm chuẩn để đo điện thế của các điểm khác nhau trong sơ đồ - Vp+, Vp- là nguồn nuôi OA a A Vp+ M Vp- S U- U+ TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 38 1 d(x1) 2 c(x1) 3 b(x1) 4 a(x1) 5 f(x1) 6 g(x1) 7 e(x1) 8 e(x1) 9 c(x10) 10 b(x10) 11 a(x10) 12 f(x10) 13 e(x10) 14 d(100) 15 b(100) 16 f(100) 17 e(100) 18 POLARITY(-) a/b(100) 20 19 a(x100) Digital_GND21 22 g(x100) c(x100) g(x100) -5(V) 23 24 25 Integrator Buffer 26 27 28 Outozero29 -Input30 +Input31 Comm on32 Capactor33 Ref34 Ref low35 Ref High36 OSC2 OSC 3 Test37 38 39 40 OSC1 IC L 7107 Hình 4.7. Sơ đồ chân vi mạch 7107 2.2.7 Khối tương tự – số (A/D ) Để hiển thị nhiệt độ làm việc ta đưa điện áp đến một khâu hiển thị số và chuyển đổi tương tự sang số, kết hợp với bộ giải mã để cho ra ở đầu ra là mã 7 thanh 1 3 2 digital tương thích với hiển thị LED. Có thể sử dụng trực tiếp vi mạch 7107 như một milivonmet với giá trị tối đa đo được là ±199,9 (mv). Nguồn cấp cho vi mạch là ±5 (V) a. Cấu tạo của IC 7107 Chân 2 đến 25 là các chân ra điều khiển bộ chỉ thị số 7 thanh 1 3 2 digital. Trong đó chân 20 là chân Polarty (phân cực tính âm, dương) của bộ chỉ thị, chân 21 là chân nối đất, chân số 1 nối với nguồn +5(V) Chân 26: nối với nguồn - 5(V) Chân 27: có tác dụng là mạch tích phân Chân 28: có tác dụng như bộ đệm Chân 29: tự động điều chỉnh về o Chân 30, 31: điện áp so sánh (điện áp đo: chân 30 là cực (-), chan 31 là cực (+) Chân 32: là chân chung (comon) của nguồn điện và xung. Chân 33: bộ tích luỹ điện dung tụ điện Chân 34: lấy lại chuẩn (Ref: Reference) Chân 35: Ireflow: lấy lại chuẩn mức thấp Chân 36: Refhigh: lấy lại chuẩn mức cao TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39 Chân 37: Test : kiểm tra đèn tín hiệu hiển thị Chân 38: OSC3 Chân 39: OSC2 các chân của bộ dao động: Oscicator Chân 40: OSC1 * Sơ đồ hoạt động Hình 4.8. Sơ đồ hoạt động của ICL7107 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 19 9 8 7 6 5 4 3 2 1 -5V 0,22μF 0,47μF 47kΩ 1MΩ 0,01μF 0,1 μF 1kΩ 100kΩ 100pF 1kΩ +5(V) C ¸c ® Ç u ra c ñ a ICIC L 7 107 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40 2.2.8 Khối chuyển và nhớ kênh 2.2.8.1 khối chuyển kênh Nhiệm vụ của khối chuyển kênh là nhận tín hiệu từ 5 kênh tới. Sau đó sẽ chỉ thị đo lần lượt từng kênh một (từ sensor 1, sensor 2, sensor3, sensor4, sensor 5) và chỉ thị cho biết kênh nào đang đọc và đo nhiệt độ sensor của kênh đó. Việc chuyển kênh có thể được thực hiện theo nhiều cách, nhưng tổng quát có thể chia ra làm 2 cách là dùng mạch có tiếp điển (điều khiển bằng cơ) và dùng mạch không tiếp điển, hiện nay với dùng phổ biến là mạch không tiếp điểm với lý do là mạch có tiếp điểm có + tuổi thọ không cao do sự đóng mở các tiếp điểm nên có sự hao mòn về điện hồ quang và về cơ khí. + Không đáp ứng được yêu cầu cầu các hệ tác động nhanh. + Kích thước và không gian chiếm chỗ khá lớn, hệ thống điều khiển phức tạp, cồng kềnh và kém tin cậy... Bên cạnh đó thì dùng mạch không tiếp điểm có rất nhiều ưu điểm là + Có thể tác động nhanh + Kích thước nhỏ, dễ điều khiển + Độ tin cậy cao... Với những lý do đó ta chọn cách dùng mạch không tiếp điểm Dùng IC 4051B là (loại HEF4051B của Nhật) - IC HEF4051B bao gồm mạch đa hợp/ giải đa hợp với 3 ngõ vào cho phép (A0 ÷A2),một ngõ vào cho phép hoạt động mức thấp (E), tám ngõ vào/ra độc lập và một ngõ vào/ra chung (Z). - IC gồm tám khoá hai chiều, một phía được nối với các ngõ vào/ra độc lập(Y0÷Y7), phía còn lại được nối với ngõ chung (Z) - Khi chân (E) = L, khoá chọn các trạng thái bởi các chân từ A0÷A2. Khi chân E = H, khoá ở trạng thái trở kháng cao, độc lập với A0÷A2. - VDD và VSS là chân cấp nguồn, dải điện áp giữa VDDvà VSS từ 3 ÷ 15V Tín hiệu Analog vào/ra (Y0÷Y7 và Z) có thể dao động giữa VDD và VSS . Giá trị VDD−VSS không vượt quá 15V - Trong trường hợp hoạt động như một bộ đa hợp/giải đa hợp dạng số TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 41 ( Digital Multiplexer/Demultiplexer), VEE được nối với VSS(thường là nối Mass) + Ta cần 2 IC HEF4051B • 1- HEF4051B có nhiệm vụ đọc số liệu đo của các kênh • 2- HEF4051B có nhiệm vụ đọc kênh đang đọc số liệu đo nhiệt độ ở kênh đó Ta có bảng trạng thái Đầu Vào Đầu Ra 3 y 1216 15 d d v y 2 14 13 0 y 1 y 2 a 911 10 a 0 a 1 h e f 4 0 5 1 b y 5 y 4 6 y 7 yz 5 1 2 43 ss v e vee 86 7 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 42 E A2 A1 A0 Nối L L L L L ... H L L L L H ... X L L H H L ... X L H L H L ... X Y0 – Z Y1 – Z Y2 – Z Y3 – Z Y4- Z ... Không nối ¾ Nhiệm vụ các chân: - Y0 – Y9 : Các ngõ vào / ra - A0 – A2 : Các ngõ vào địa chỉ - E : Ngõ vào cho phép, tác động mức thấp - Z : Chân chung vào / ra 2.2.8.2 Khối Điều khiển tuần tự (Khối nhớ kênh) Ta sử dụng loại IC số HEF 4017B - Giới thiệu chung : IC HEF 4017 B là IC đếm thập phân. Bộ đếm sẽ hoạt động đếm lên hoặc khi chân CP0 chuyển mức thấp lên cao trong khi chân CP1 ở mức thấp hoặc ngược lại. Khi chân MR = L, bộ đếm được reset về 0, lúc này bộ đếm không lệ thuộc vào trạng thái của xung clock đưa vào. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 43 Sơ đồ chân IC HEF 4017 B ¾ Nhiệm vụ các chân : - CP0 : Clock input (kích khởi đếm lên) - CP1 : Clock input (kích khởi đếm xuống) - MR : Reset lại ngõ vào - (00 – 09) : Các ngõ ra đã giải mã 2.3 TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ 5 KÊNH 2.3.1 Tính chọn các phần tử cảm biến (sensor) Dùng nguồn ổn áp cung cấp đo (khối sensor) nên ta phải lựa chọn các điện trở phù hợp tính năng kỹ thuật như ( R1, R2, R3 không bị thay đổi theo nhiệt độ, Rt biến thiên tuyến tính theo nhiệt độ...). Tính đến các thông số: R1 R2 R3 RT UcÇu 16v01 706 v 8 ss 07 3 03 05 6 04 2 0 12 0 5 9 110 h ef 4 01 7b 8 4 0 0 10 9 0 1cp cp 5-90 rm dd 12 13 15 14 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 44 - Ta chọn Ucầu = 7 (mv) ở 1000C - R1= R0 =100 Ω và lúc ở 00C thì R1 = R0 - Theo thiết kế sensor ở công thức 3 có: - Ucầu = 21 1 + .. RR tαRE do chọn R2= R3 - R2= 3_10.7 100.004,0.100.5 - 100 ⇔ R2 =28571,4 (Ω) =28,571 (KΩ) Chọn R2= R3 =28 (KΩ) - Tính RT ở 1000C - RT =R0[1+α(t0- T00)] = 100[1+ 0,004(1000- 000)] = 140 (Ω) U’cẫu = 21 1 - 3 + E.R + . RRRR RE T T U’cẫu = mv1,7≈0071,0=10.28+100 5.100 140+10.28 140.5 3-3 - Tính sai số = 100. %14,0=100. 7 7,01_7 =100. _ = Δ ' cau caucau cau cau U UU U U - Với sai số 0,14 % thì việc tính chọn các trị số của các điện trở cầu đo là phù hợp - với cách tính chọn trên ta có R1=100(Ω) ; Rt =100 ÷ 140 (Ω). E1= 5 V ; R2= R3 =28 KΩ - Dòng điện qua nhánh R1, R2 là : IR1,R2 = 000177,0=10.28+100 5 = + 321 RR E (A) Chọn điện trở R1, R2 là dây măng Ganin 1/4w loại này có hệ số nhiệt điện trở γ =0,000015 (1/0C) Kiểm tra công suất trở đã chọn PR1 =I2R1,R2.R1=(0,000177)2.100 =3,132.10-6 (w) PR2 = I2R1,R2.R2 =( 0,000177)2.28.103 = 0,87.10-3 (w) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 45 PR1,R2 =PR1 +PR2 =0,870003.10-3 (w) . Vậy chỉ số công suất của trở đã chọn là phù hợp. Dòng điện trên nhánh R3 và Rt (xét ở 00C thì Rt =R1 =R0) Và chọn R3 =28 kΩ điện trở là dây măng Ganin 1/4w IR3,Rt = 000177,0=100+10.28 5 = + 33 tRR E (A) Vậy dòng tổng của nguồn E =5 v cấp cho cả 5 khối ở 00C là lớn nhất và (Rt tăng lên theo nhiệt độ ⇒ I giảm ). Ta có trị số : ICB =5(IR1+R2+Ir3,Rt) =5.2.IR1,R2=10.0,000177 =0,00177 (A) Công suất tổng ở 00C là Pcầu =5.2.PR1,R2 =10.0,87.10-3≈ 8,7.10-3 (W) ⇒ chọn Pcầu =0,009 (W) 2.3.2 Khối khuếch đại trung gian. Tính U cầu ở 1000C Ucàu = 007,0≈100.10.28+100 004,0.100.5 = + ... 3 21 0 1 RR tαRE (v) Khi chỉ thị số 1000C thì ứng với đầu vào của IC 7107 là 1000 số mỗi số nhảy là 0,1 mV Uvào =1000.0,1 =100 (mV) Hệ số khuếch đại là K= 14≈ 7 100 =7107 cau vao U U (lần) K = K1.K2 = 14= )+( ). + +1( 5 6 2 31 R RR R RR Chọn R1 theo điện trở tiêu chuẩn R1=R3 =28 KΩ, chọn R2 =4R1 =4.28 = 112( KΩ) ⇒ nếu R2 giảm thì hệ số khuếch đại K1sẽ lớn dần. Lúc này ta chọn Kmin có nghĩa R2max=112 (KΩ) Vậy ta có: 5 6 )+(). 112 28+28 +1(=14= R RR K TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 46 ⇒ 3,9=+ 5 6 R RR Chọn R5 =2,2 (kΩ) ⇒ R6+R =9,3.R5 =9,3.2,2 =20,46 (kΩ) Ta chọn R6 =20 (kΩ) Biến trở R có Rmax =5 (kΩ) Công suất nguồn nuôi phải cấp cho khối khuếch đại là : Pkđ =0,68.5 =3,4 (W) ⇒ Ikđ =0,141 (A) (dòng của cả 5 bộ khuếch đại) 2.3.3 Khối xung điều khiển Uv R2 R1 R3 R4 R5 R6 R7 R Ur 0A1 0A2 0A3 8 7 I AR 4 3 2C 5 6 2 1 55 5x¶ I n¹p BRD C 1 + Vcc TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 47 - Khi t =T1 là thời gian nạp của tụ C từ UDD/3 tới 2UDD/3 là : o T1 =0,693 C.RA - Khi t =T2 là thời gian phóng điện của tụ từ 2UDD/3 tới UDD/3 là : o T2 = 0,693 C.RB - Chu kỳ của xung ra là : o T =T1 + T2 =0,693.C.(RA+RB) - Vậy ta điều chỉnh để xung ra đối xứng là khi thời gian nạp và thời gian xả của tụ là bằng nhau, tức là : T1=T2 ⇔ RA =RB - Để đảm bảo thời gian đọc tự động 10 giây cho mỗi kênh như nhiệm vụ, tức là: - T = T1+T2 =10 (s) ⇔ 0,693.C(RA+RB)=10 Ta chọn tụ C có trị số là: C=10 (μF) ⇒ RA=RB = =−610.10.693,0.2 10 720 (KΩ) X t4 t cc 2 3 v C NT 32 T X T C K t t 3 v1 cc T k ® U t 1 T t G i¶n ® å x u n g U TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 48 Vậy với cách tính chọn các giá trị của tụ C =10(μF) và RA=RB=720 (KΩ), Sẽ đảm bảo được thời gian tự động là 10 giây. Tiêu thụ dòng điện của IC 555 là : 0,7 mA/1V vậy 5 V thì dòng điện tiêu thụ là : IXđk =0,7.5 =3,5 (mA) P555 =U.I =5.3,5.10-3=0,0175 (W) 2.3.4 Khối chỉ thị (đèn LED, tính chọn R,PLED) Ta có Ung = UR + ΔUcm7107 + ΔULED Trong đó: Ung là nguồn nối vào anod của LED 7 thanh = 5 (V) Δ Ucm7107 : là điện áp sụt áp ở đầu ra của IC7107 = 1 (V) ΔULED : là điện áp sụt trên LED = 1,6 (V) • Tính chọn R: UR = Ung − ΔUcm7107 − ΔULED = 5 -1 -1,6 = 2,4 (V) Với ILED là dòng qua LED (10mA ÷ 20mA) Chọn ILED = 15mA = 15.10-3A RLED = LED R I U = 3-10.15 4,2 = 160Ω •Tính chọn PLED = UR.ILED = 2,4.15.10-3 = 0,036 (W) 2.3.5 Khâu so sánh: Ta chọn IC TL081 cũng có thông số giống IC TL084 PSS = 0,68.5 = 3,4 (W) ⇒ ISS = U PSS = 24 4,3 = 0,141(A) Tính chọn các Rđ : Với dải đo nhiệt độ theo thiết kế là : t=(0÷100) 0C, tương ứng với mức điện áp đầu vào của ICL 7107 là 100 (mv), nên ta tính chọn : Rđn=200 (KΩ) (với n=1÷5) Để đảm bảo cân đối ở điện trở khi điều chỉnh điện áp trong dải đo nhiệt độ TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 49 PHẦN 3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ – NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC TÍNH TOÁN KHỐI NGUỒN 3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: 3.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC: 3.2.1 Sơ đồ TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 50 Bộ tạo xung 555 tạo ra xung và được đưa đến bộ đếm HEF 4017B để đếm t t t t t t t t t t 05 gi¶n ®å xung ho¹t ®éng cña ic hef 4017b cc 0 2 04 30 1 0 0 1cp mr 0 1/3v 0cp cc t nt xt 2/3v (®Çu ra 555 0cp ) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 51 - ở chu kỳ đầu T1 + T2 là 10s thì A0, A1,A2 ở mức thấp. Nên lúc đó phát lệnh đọc kênh 1 - Chu kỳ tiếp theo thì A0, ở mức cao, A1, A2 ở mức thấp. Nên lúc đó phát lệnh đọc kênh 2 - Chu kỳ tiếp theo A1 ở mức cao, A0, A2 ở mức thấp. Nên lúc đóphát lệnh đọc kênh 3 - Đến chu kỳ tiếp theo A0, A1 ở mức cao, A2 ở mức thấp. Nên phát lệnh đọc kênh 4 - Đến chu kỳ tiếp theo A2 ở mức cao, nên phát lệnh đọc kênh 5 - ở chu kỳ sáu chân MR ở mức cao lên ,có tác dụng reset lại quá trình đọc các kênh 3.2.2 Nguyên lý làm việc 3.2.2.1 Đặt giá trị nhiệt độ điều khiển (bằng tay) - ở chế độ đặt nhiệt độ cho từng kênh ta dùng phương pháp điều khiển bằng tay để đảm bảo thời gian đặt nhiệt độ.( công tắc CT2 đưa về vị trí 2 ) ở chế độ này CT1 đưa về vị trí 1 dẫn tới E của 1HEF 4051 B ở mức cao, nên theo bảng chân lý thì IC này không hoạt động hay không đọc số liệu đo các kênh. Khi CT1 ở vị trí 1 thì E của 2 HEF 4051 B ở mức thấp, khi đó theo bảng chân lý thì các ngõ vào ra được nối bởi trạng thái của các chân A0- A2 . Khi đó ta nhấn nút M2 cấp 1 xung điện áp cho chân (14) CP0 của IC HEF 4017 dẫn tới MP0 ở mức cao (theo giản đồ xung), đồng thời ta nhấn nút M1 thì chân (15) MR (reset lại) cũng ở mức cao ,theo bảng hoạt động của 4017 B thì O0 = H, (O1- O9) = L dẫn tới đầu vào CMOS 2HEF 4051 (A0-A2) = L, khi đó chân Y0 nối với Z tương ứng với việc đặt nhiệt độ cho kênh 1 nhờ Rđc19 để đạt được nhiệt độ quy định. Khi chân O0 của 4017 B ở mức cao được đưa tới ma trận Diod được bố trí như trong sơ đồ nguyên lý để hiển thị số kênh đang đọc là kênh 1 (b,c). Nếu ta nhấn tiếp nút M2 (khoảng cách nhấn nút M2 tuỳ thuộc vào thời gian quy định và người vận hành ), theo giản đồ xung của HEF 4017 lúc này TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 52 CP0 = H, MR= L ,O1= H dẫn tới đầu vào của 4051 A0 =H ; A1=A2=L ,theo bảng chân lý thì Y1 được nối với Z tương ứng với việc đặt nhiệt độ đo cho kênh 2 và khi O1=H thì ở ma trận Diod cho tín hiệu kênh số 2 . Quá trình đặt nhiệt độ cho từng kênh được diễn nhờ việc nhấn nút M2 theo chu kỳ như vậy cho tới hết kênh 5 . Nút M1 có tác dụng reset lại để có thể đặt lại nhiệt độ cho các kênh hay khi chuyển sang chế độ đo nhiệt độ của các kênh thì ta chuyển CT1 sang 2 và nhấn M1 . Tuy vậy khi đo nhiệt độ làm việc của từng kênh ta chuyển sang chế độ điều khiển tự động để đảm bảo đúng thời gian đọc từng kênh (lúc này CT2 đưa về vị trí 1, CT1 đưa về vị trí 2). Khi CT1 đưa về vị trí 2 thì ngược lại với quá trình đặt nhiệt độ là E của 2 HEF 4051 B ở mức cao nên theo bảng chân lý thì các chân vào ra của IC này bị khoá, còn E của 1 HEF 4051 B ở mức thấp nên các chân vào ra được nối theo trang thái của các chân A0-A1 . Khi CT2 đưa về vị trí 1 là đầu ra của IC 555 . Khi cấp nguồn cho IC 555, ở chu kỳ đầu trong khoảng thời gian nạp tụ T1 thì chân ra (3) ở mức cao tương ứng với đầu vào CP0 của 4017 ở mức cao, theo giản đồ xung của 4017 thì MR = O0 =H ; O1-O9 =L , dẫn tới đầu vào của CMOS 1 HEF 4051 B có A0-A2 = L theo bảng chân lý thì chân Y0 nối Z mà Y0 là tín hiệu được đưa tới từ Sensor 1 qua khối khuếch đại và so sánh , từ chân ra Z của 4051 B được đưa vào ICL 7107 để chuyển đổi tín hiệu và số hoá qua bộ hiển thị LED trong khoảng thời gian từ T1 –T2 ( T2 là thời gian xả tụ ). tới chu kỳ tiếp trong khoảng thời gian T2-T3 là thời gian nạp tụ, thì tương tự ta có đầu vào của 1HEF 4051 B có A0 =H ; A1,A2,E =L , theo bảng chân lý thì Y1nối với Z tương ứng với việc đo, đọc và hiển thị kênh 2 . Quá trình diễn ra tương tự như vậy cho tới hết chu kỳ 5 để hiển thị kênh 5 .Khi bắt đầu có tín hiệu ở chu kỳ 6 thì cho O5 ở HEF 4017 ở mức cao theo cách nối ở sơ đồ tín hiệu được đưa về chân (15) MR dẫn tới MR=H theo bảng chân lý thì O0=H ; O1-O9 =L hay nói cách khác là MR có tác dụng reset lại các chân và quá trình được lặp lại từ Sensor 1 .Quá trình reset này diễn ra rất nhanh (thời gian này không đáng kể gì so với 10 giây ). TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 53 ở bộ KĐ so sánh A4 có tác dụng so sánh tín hiệu đo được đưa tới từ Ucầu so với tín hiệu đặt. Khi Uc< Uđ thì đầu ra ở mức cao dẫn tới hệ thống đèn hay chuông không hoạt động và quá trình đo được thực hiện bình thường, khi Uc >Uđ thì đầu ra ở mức thấp lúc này hệ thống cảnh báo sẽ làm việc và báo hiệu nhiệt độ đo vượt quá mức đặt . TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 54 3.2.3 Tính chọn nguồn 3.2.3.1 Nguyên lý làm việc của vi mạch ổn áp điện một chiều Trên hình (3-2) là sơ đồ cấu trúc của vi mạch ổn áp ra là dương nguồn, được chế tạo công nghiệp(ví dụ như seri 78xx, 79xx)với các giá trị điện áp chuẩn từ 5V ÷24V. Trong loại IC ổn áp này chỉ có 3 chân đó là chân dương, chân âm, và chân nối đất. Dương điện áp ra , điện áp sụt trên IC tối đa là 3/2V Giả sử điện áp vào tăng lên một lượng nào đó, dẫn tới cực gốc T3 có điện thế so với đất giảm xuống(điều này do tinh chất của diod D2) T2 thông, điện áp phản hồi âm R7 giảm xuống, điện thế giữa cực phát ra và cực góp T4 mở thông hơn làm điện thế tại cực gốc của T1 bớt thông làm điện áp ra là Uổn= const. Trường hợp điện áp đầu vào giảm xuống, hiện tượng xảy ra ngược lại dẫn tới T1 mở thông hơn làm Uổn= const. Bây giờ ta xét trường hợp đột biến phụ tải, giả sử tải tăng lên làm điện thế của cực gốc T2 và T4 bớt thông làm điện thế của cực gốc T1 tăng lên làm Uổn= const. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của IC ổn áp có đầu ra là âm nguồn cũng tương tự, nó đều xây dựng trên cơ sở mạch Tranzito và các linh kiện tạo mức điện áp chuẩn. T1 R9 R8 R7 R1 R2 R3 R4 Đ2 Đ1 R5 T’1 T2 T3 T4 R6 Uổn Uvào TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 55 Qua sự trình bày nguyên lý làm việc của vi mạch ổn áp điện một chiều ta thấy rằng T1’ và T1 ở hình (3-2) đóng vai trò như một điện trở động mắc nối tiếp với phụ tải, thay đổi trị số nhờ việc mở nhiều hay ít của T1’ và T1 theo sự biến động của điện áp vào và cũng như sự biến động của phụ tải đầu ra. 3.2.3.2 Tính chọn vi mạch ổn áp a.Tính chọn vi mạch ổn áp cho nguồn E1 Nguồn E1 ta sử dụng cặp IC ổn áp 7812 và 7912 có dòng định mức là 1A, nhiệt độ cho phép lớn nhất là 750C. Qua tính toán ở phần trên ta thấy dòng qua 7812 và 7912 là như nhau nên việc tính chọn 7812 phù hợp thì 7912 cũng phù hợp. Dòng qua IC 7812 lớn nhất là : Itổng = ICB + Ikđ + Ixđk + 5Iled + Iss + 2IIC4051B+IIC4017+IIC7107 = 0,00177+0,141+0,0035 + 5.0,015 + 0,141+2IIC4051B+ IIC4017+ IIC7107 = 0,32 + 2IIC4051B+IIC4017+IIC7107 Do dòng của các IC không lớn nên ta chọn Itổng= Id =0,4(A) Ta chọn Uvào là điện áp sau chỉnh lưu và lọc lấy: Uvào= 15(V) Ta có: Uổn áp= 12(V) Vậy điện áp sụt trên 7812 là: ΔU = Uvào- Uổn áp= 15 − 12 = 3(V) Công suất tiêu tán trên 7812 là : P7812 = 3.0,4 = 1,2(W) Diện tích tản nhiệt của 7812 : S = tT P.1200 cp 7812 − Với Tcp= 750C (nhiệt độ cho phép) t nhiệt độ môi trường t = 250C S = 2575 2,1.1200 − = 28,8 cm 2 ⇒ lấy tròn 30 cm2 Vậy ta cũng coi 7912 như 7812 với: S = 30cm2 P = 1,2W b.Tính chọn vi mạch ổn áp cho nguồn E2: Sử dụng cặp IC 7805 và 7905 có trị số dòng điện đi qua định mức là 1A và Tcp= 750C TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 56 Qua tính toán ở phần trên ta thấy dòng qua 7805 và 7905 là như nhau nên việc tính chọn 7805 phù hợp thì 7905 cũng phù hợp. - Dòng qua 7805 và 7905 là I7805 = I7905 = Id − Ikd − Iss = 0,4 − 0,141 − 0,141 = 0,11 (A) - Điện áp sụt trên 7805 hoặc 7905 là : ΔU = 12 − 5 = 7(V) - Công suất tiêu tán trên 7805 hoặc 7905 là: P7805 = P7905 = ΔU.I7805 = 7.0,11 = 0,77 (W) - Diện tích tản nhiệt cho 7805 hoặc 7905 là : S = tT P.1200 cp 7805 − = 2575 77,0.1200 = 33,6(cm2) Lấy tròn S = 35(cm2) 3.2.3.3 Tính toán chỉnh lưu Diod: Điện áp của chỉnh lưu cầu : Ud = Ud1+ 2ΔUD Ud1= 2,1 )15(15 −− = 25(V) (Điện áp Ud1 thông thường tăng lên 1,1 ÷ 1,3 lần) ΔUD là điện áp sụt trên diod silic = 0,6(V) vậy Ud = 25 + 2.0,6 = 26,2(V) U2 = u d K U = 9,0 2,26 = 29(V) Ulv = knv.U2 = 2 .29 = 41(V) Unv = kdu.Ulv (với kdu > 1,6) ⇒ Ulv = 1,8.41 = 74(V) (Đây là điện áp ngắn mạch của Diod) Dòng Ihd = khd.Id = 0,71.0,4 = 0,284(A) = Ilv Idmv : dòng định mức Diod khi có đủ cánh tản nhiệt và diện tích tản nhiệt (Idm > 2,5Ilv). Ta chọn Idmv = 3.0,284 = 0,852(A) Chọn Diod silic loại BYP 401 – 100 Idmv = 1(A) Iipk = 30(A) PD = ΔUD.Ilv.2 = 0,6.0,284.2 = 0,3408(W) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 57 Unv = 100(V) - Chọn tụ lọc của nguồn tạo ra ±E1 là tụ hoá 470μF, 25(V). - Chọn tụ lọc của nguồn tạo ra ±E2 là tụ hoá 1000μ, 25(V). 3.2.4 Tính toán biến áp nguồn: PSS= 3,4 W Pkđ= 3,4 W 5.Pled = 5.0,036 = 0,18 W P555 = 0,0175 W Pcầu = 0,009 W 2P7812 = 2.0,77 = 1,54 W 2P7805 = 2.1,442 = 2,884 W PD = 0,3408 W PIC = 0,7293 W Ptổng = 13,36 W - Công suất biểu kiến của máy biến áp là: S = ϕCos Ptæng ở đây hệ số cosϕ không lớn nên ta lấy cosϕ = 0,7 S = 7,0 36,13 = 20 (VA) - Dòng điện thứ cấp I2 = 2U S = 29 20 = 0,68 (A) - Dòng điện thứ cấp I1 = 1 22 U U.I = 220 29.68,0 = 0,089 (A) - Ta dùng MBA một pha, ba trụ có tần số f = 50 Hz Diện tích trụ sơ bộ: QFe = kΘ. fm S (kΘ hệ số làm mát lấy kΘ = 6) = 6. 50.3 20 = 2,14 (cm2) Với QFe nhỏ ta chọn trụ hình chữ nhật với QFe = a.b Theo kinh nghiệm ta có : b/a = (1 ÷ 1,5) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 58 h/a = 3 Là tốt Vậy ta có a.b =2,14 b/a = 1,2 nên ⇒ a = 1,4 cm b = 1,7 cm QFe thực tế = 1,4 × 1,7 = 2,4 cm2 - Chiều cao cửa sổ mạch từ : h = 1,4.3 = 4,2 (cm) - Chọn loại thép ∃330, lá thép dày 0,5mm. - Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trống trụ Bt = 1(T). • Tính toán sơ bộ dây ở cuộn sơ cấp máy biến áp: W1 = tFe 1 B.Q.f.44,4 U = 1.10.4,2.50.44,4 220 4_ = 4129,12 vòng Lấy W1 = 4129 vòng. • Số vòng dây thứ cấp: W2 = 1 2 U U W1 = 220 29 4129 = 544,2 (vòng) Lấy W2 = 544 vòng. • Chọn mật độ dòng điện (J = 2 ÷ 2,75 (A/mm2) • Chọn sơ bộ J1 = J2 = 2 (A/mm2) • Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: s1 = 1 1 J I = 2 089,0 = 0,0445 (mm2). Chọn dây dẫn tròn, cách điện cấp B có các thông số sau: • Đường kính thực của lõi đồng: d1 = 0,22mm • Tiết diện tính toán lõi đồng: s1’ = 0,046mm2 • Trọng lượng riêng của 1 mét: mCu1 = 0,308(g/m) • Điện trở 1 mét : R/m1 = 0,52 (Ω/m). • Đường kính ngoài kể cả cách điện: dn1 = 0,24 (mm) Tính lại: J1 = ' 1 1 s I = 046,0 089,0 = 1,93 (A/mm2). TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 59 • Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp: s2 = 2 2 J I = 2 68,0 = 0,34 (mm2) - Ta chọn dây dẫn tròn, cách điện cấp B có các thông số sau: d2 = 0,67(mm) s2’ = 0,353(mm2) mCu2= 2,5 (g/m) R/m2 = 0,07 (Ω/m) dn2 = 0,73(mm) - Tính lại : J2 = ' 2 2s I = 353,0 68,0 = 1,92 (A/mm2) • Kết cấu dây quấn sơ cấp + Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. + Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp. W11 = 1n g d hh − kC (lấy hg = 1mm; kC là hệ số ép chặt= 0,95) W11 = 95,010.22,0 1.2 - 10.22,0 2,4 1_1_ = 100 (vòng) - Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp: n11 = 11 1 W W = 100 4129 ≈ 41 lớp - Cách điện giữa trụ và sơ cấp: hγ = a01 = 1(mm) - Chiều cao dây quấn sơ cấp thực tế là: h1 = 4,2 − 0,2 = 4 (cm) - Ta thiết kế cách điện dây quấn sơ cấp với trụ và khoảng cách cách điện với gông hơi. b hH c a c TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 60 o Cách điện giữa các lớp dây sơ cấp: cđ1 = 0,1(mm) o Bề dày cuộn sơ cấp: Bd1 = (cđ1 + dn1).n11 + a01 = (0,1 + 0,24).41 + 1 = 14,94 (mm) ≈1,5 (cm) o Chiều dài dây quấn cuộn trong cùng (l’1) l’1 = (a + 0,2 + b).2 = (1,4 + 0,2 + 1,7).2 = 4 (cm) o Chiều dài dây sơ cấp quấn ở lớp ngoài cùng là (l’’1) l’’1 = l’1 + 2.Bd1 = 4 + 2.1,5 = 7 (cm) o Chiều dài dây sơ cấp trung bình khi quấn l’’’1 = 2 'l'l' 11 + = 5,5 (cm) o Chiều dài dây đồng quấn cho toàn bộ sơ cấp: l1 = W1.l’’’1 = 4129.5,5 = 22709,5(mm)=22,71 (m) o Cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp a02 = 0,5(mm) • Kết cấu dây quấn thứ cấp Chiều cao h1 = h2 = 4 (cm) Số vòng dây trên một lớp: W12 = 2n 2 d h .kC = 1_10.73,0 4 .0,95 = 52 (vòng) o Tính sơ bộ số lớp ở cuộn thứ cấp: n2 = 12 2 W W = 52 544 = 10,46 lớp lấy n2 = 11 lớp TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 61 o Cách điện giữa các lớp là : cđ2 = 0,1(mm) o Bề dày cuộn thứ cấp: Bd2 = (cđ2 + dn2).n2 = (0,1 + 0,73).11 = 9,13 (mm) o Chiều dài dây thứ cấp cuộn trong cùng là l’2 = l’’1 + 2a02 = 7+ 2.0,5.10-1 = 7 (cm) o Chiều dài dây thứ cấp cuộn ngoài cùng là l’’2 = l’2 + 2Bd2 = 7+ 2.0,913 = 8,826 (cm) o Chiều dài dây thứ cấp trung bình: l’’’2 = 2 'l'l' 22 + = 2 826,8+7 = 8 (cm) o Chiều dài dây quấn thứ cấp là: l2 = W2.l’’’2 = 544.8 = 4352 (cm) = 43,52 (m) • Kích thước mạch từ máy biến áp Khoảng cách điện giữa thứ cấp với trụ không đặt dây: a03 = 5mm Chiều rộng cửa sổ : C = a03 + Bd1 + a02 + Bd2 = 0,5.10-1 + 1,5 + 0,5.10-1 + 0.913 = 2,51(cm) Chiều dài mạch từ: L = 2C + 3a = 2.2,51 + 3.1,4 = 8,22 (cm) Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 4,2 + 2.1,5 = 7,2 (cm) • Tính khối lượng của sắt và đồng - Thể tích của trụ: VT = 2.QFe.h = 2.2,24.4,2 = 18,8 (cm3)= 0,1880(dm3) - Thể tích của gông: Vγ = a.b.L = 2,4.8,22 = 19,72 (cm3) = 0,0197 (dm3) - Khối lượng gông: Mg =Vg.mFe =0,0197.7,75=0,155 (kg) - Khối lượng của trụ: MT = VT.mFe = 0,188.7,85 = 1,475 (kg) - Khối lượng của Fe: TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 62 MFe = MT + Mγ = 0,155 + 1,475 = 1,63 (kg) - Thể tích đồng : Vcu =S1.L1+S2.L2 = 0,046.10-4.22,71. +0,353.10-4.43,52 =16,4.10-6 (m3)=0,164 (dm3) - Khối lượng của đồng: MCu = Vcu.mcu = 0,164.8,9 = 1,44 (kg) • Tính các thông số của máy biến áp: - Điện trở cuộn sơ cấp MBA: R1= ρ. 1 1 S l = 0,02133. 046,0 71,22 = 10,5 (Ω) Trong đó ρ75 = 0,02133 (Ω) - Điện trở cuộn thứ cấp MBA R2= ρ. 2 2 S l = 0,02133. 353,0 52,43 = 2,62 (Ω) RBA = R2 + R1 2 1 2 W W ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ = 2,62+ 10,5 2) 4129 544 ( =2,8 (Ω) - Sụt áp trên điện trở MBA: ΔUr = RBA.Id = 2,8.0,4 = 1,12 (V) - Điện kháng qui đổi về thứ cấp: XBA= 8.π2.(W2)2. )++( 2021 h BaB dd (cd1 + 3 +. 21 dd BB ).ω.10-7 = 3,6 (Ω) - Sụt áp trên điện kháng MBA: ΔUx = π dBA I.X = π 4,0.6,3 = 0, 45 (V) - Sụt áp trên MBA: TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 63 ΔUBA = 2r2x UU Δ+Δ = 22 12,1+45,0 = 1,2 (V) - Hiệu suất của MBA là: η = S IU dd . .100% = 20 4,0.29 .100% ≈ 60% KẾT LUẬN Trên đây là toàn bộ các phần thiết kế, tính toán cho “HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ SỐ 5 KÊNH’’ với kiến thức còn giới hạn và tìm hiểu chưa rộng về lĩnh vực chuyên ngành nên đồ án chưa được tối ưu và còn có nhiều nhầm lẫn, thiếu sót. Kính mong các thầy cô chỉ bảo và xây dựng kiến thức thêm để em hoàn thành khoá học một cách tốt nhất. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 64 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 65 MỤC LỤC trang Lời mở đầu 1 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ 2 1.1 Các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo lường 2 1.1.1 Khái niệm 2 1.1.2 Các đại lượng đặc trưng của kỹ thuật đo lường 3 1.1.3 Thiết bị đo và các phương pháp đo 4 1.1.4 Các đại lượng đặc trưng cơ bản 6 1.2 Đặc điểm về đo nhiệt độ 8 1.2.1 Khái niệm về nhiệt độ 8 1.2.2 Thang đo nhiệt độ 9 1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ 11 PHẦN 2 : SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ KHỐI 29 2.1 Sơ đồ khối – chức năng của từng khối 29 2.1.1 Sơ đồ khối 2.1.2 Chức năng của từng khối 30 2.2 Giới thiệu từng phần tử trong sơ đồ khối 31 2.2.1 Khối cảm biến 31 2.2.2 Khối khuếch đại trung gian 32 2.2.3 Khối tạo xung điều khiển 34 2.2.4 Khối nguồn 38 2.2.5 Khối chỉ thị 38 2.2.6 Khối so sánh tín hiệu 39 2.2.7 Khối tương tự số 40 2.2.8 Khối chuyển và nhớ kênh 42 2.3 Tính chọn các phần tử trong hệ thống đo nhiệt đ 45 2.3.1 Tính chọn khối nguồn 45 2.3.2 Khối khuếch đại trung gian 47 2.3.3 Khối xung điều khiển 48 2.3.4 Khối chỉ thị 49 2.3.5 Khối so sánh 50 PHẦN 3 : SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC TÍNH TOÁN KHỐI NGUỒN 51 3.1 Sơ đồ nguyên lý 51 3.2 Nguyên lý làm việc 52 3.2.1 Sơ đồ 52 3.2.2 Nguyên lý làm việc 53 3.2.3 Tính toán khối nguồn 56 3.2.4 Tính toán máy biến áp nguồn 59 Kết luận 66 Tài liệu tham khảo 67