PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆ ĐỘdulieu.tailieuhoctap.vn/books/luan-van-de-tai/luan-van-de-tai-cd... · suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần

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.

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.


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)


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.

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 .


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


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% = maxXmaxΔ 100%

Xmax : là sai số lớn nhất của thang đo

Δmax : là sai số tuyệt đối của thang đo

- Độ nhạy (S):

S = XY

ΔΔ Tuyến tính

S = dXdY 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.


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.


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.ac.m

Vậy ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt

Tx-TdT = τ

dt (1 - 1)

Nghiệm của phương trình (1 - 1)là :

T = TX − k.e-τt

, (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


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}95


9

t(0F ) = 59 {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


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 = 331,515,273

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


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 :


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.


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


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


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


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


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


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


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 = 0,000015C1

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


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


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


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 C1

0 . Độ nhạy của cảm

biến nhiệt độ điện trở của Pt là 4.10-3

C1

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 = 2TB

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

45

2

1


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

RRR.E+

= to2

to

RRR.E+

và

U1-2 =

to2

to

RRR.E+

- 31

3

RRR.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 = Eto2

3to

RRRR

+− = E

to2

toto

RRRR

+− = 0

Khi nhiệt độ khác 00C thì có biểu thức tính điện áp theo điện trở của cảm

biến là:

U1-2 = Et2

tot

RRRR+−


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


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


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.


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


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


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


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.E0

000

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.R002 RR

)tt.(α1 000

+−+

− 20 RR

1+

= 02

.0

RR)tt.(αR.E 0

00

++ =

02 RRt.α.R.E 0

+

= 21

.1

RRt.αR.E 0

+ =

31

.1

RRt.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


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

RRR +

k2 = −4

5

RR

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


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

Ung

cU

T 7

4

&

S

R

& 3

ccv 8

ccv25 k

5 k

6

5 3

vcc31

1

5 k

2 OA2

OA1

S

S1

2

R

RR

1

2

3


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


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

7I

AR4

3

2C

5

6

21

555x¶

In¹p

BRD

C 1

+ Vcc


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

cc23

v

C

NT32

T X

T C K

t t

3v1

cc

T k ®

U

t 1

T

t

G i¶n ® å x u n g

U


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

31B

c4c2

d4d3 2

7812

ap

A

1d2d1

c1 c3

79122 3

7805

7905- E1 (-12v)

- E2 (-5v)

E2 (5v)E1 (12v)


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+


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

ICL 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

13

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

32

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


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

cñ

a ICIC

L 7

107


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


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

3y

1216 15

dd

v

y2

14 130

y

1y

2a

911 10

a0

a1

h e f 4 0 5 1 by

5

y 4 6

y

7yz

5

1 2 43

ssv

e vee

86 7


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

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.


43

Sơ đồ chân IC HEF 4017 B

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

hef

401

7b

8

4

0

0 10

9

0

1cp

cp

5-90

rm

dd

12

13

15

14


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

+..

RRtαRE

do chọn R2= R3

- R2= 3_10.7100.004,0.100.5

- 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

+.

RRRRRE

T

T

U’cẫu = mv1,7≈0071,0=10.28+100

5.100

140+10.28140.5

3-3

- Tính sai số = 100. %14,0=100.7

7,01_7=100.

_=

Δ '

cau

caucau

cau

cau

UUU

UU

- 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)


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 tRRE

(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+100004,0.100.5

=+

...3

21

01

RRtαRE

(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

UU

(lần)

K = K1.K2 = 14=)+(

).+

+1(5

6

2

31

RRR

RRR

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 )+().

11228+28

+1(=14=R

RRK


46

⇒ 3,9=+

5

6

RRR

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

7I

AR4

3

2C

5

6

21

555x¶

In¹p

BRD

C 1

+ Vcc


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 = =−610.10.693,0.210 720 (KΩ)

X

t4 t

cc23

v

C

NT32

T X

T C K

t t

3v1

cc

T k ®

U

t 1

T

t

G i¶n ® å x u n g

U


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

IU = 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 = UPSS =

244,3 = 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


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


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

cct

nt xt

2/3v

(®Çu ra 555 0cp )


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


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 ).


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 .


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


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.1200cp

7812

−

Với Tcp= 750C (nhiệt độ cho phép)

t nhiệt độ môi trường t = 250C

S = 2575

2,1.1200−

= 28,8 cm2 ⇒ 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


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.1200cp

7805

−=

257577,0.1200 = 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

KU =

9,02,26 = 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)


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 = 7,036,13

= 20 (VA)

- Dòng điện thứ cấp I2 = 2U

S = 2920

= 0,68 (A)

- Dòng điện thứ cấp I1 = 1

22

UU.I =

22029.68,0

= 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)


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.44,4U =

1.10.4,2.50.44,4220

4_ = 4129,12 vòng

Lấy W1 = 4129 vòng.

• Số vòng dây thứ cấp:

W2 = 1

2

UU W1 =

22029 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

JI =

2089,0

= 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

sI =

046,0089,0

= 1,93 (A/mm2).


59

• Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp:

s2 = 2

2

JI =

268,0

= 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

2sI =

353,068,0

= 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

dhh − kC (lấy hg = 1mm; kC là hệ số ép chặt= 0,95)

W11 = 95,010.22,01.2

-10.22,02,4

1_1_ = 100 (vòng)

- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:

n11 = 11

1

WW =

1004129

≈ 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


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

dh .kC = 1_10.73,0

4.0,95 = 52 (vòng)

o Tính sơ bộ số lớp ở cuộn thứ cấp:

n2 = 12

2

WW =

52544

= 10,46 lớp

lấy n2 = 11 lớp


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:


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

Sl

= 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

Sl

= 0,02133.353,052,43

= 2,62 (Ω)

RBA = R2 + R1

2

1

2

WW

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ = 2,62+ 10,5 2)4129544

(

=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

hBaB dd (cd1 +

3+. 21 dd BB

).ω.10-7

= 3,6 (Ω)

- Sụt áp trên điện kháng MBA:

ΔUx = π

dBA I.X=

π4,0.6,3

= 0, 45 (V)

- Sụt áp trên MBA:


63

ΔUBA = 2r

2x 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.


64


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

Documents

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆ ĐỘdulieu.tailieuhoctap.vn/books/luan-van-de-tai/luan-van-de-tai-cd... · suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần