ĐỒ án kỹ THUẬT đo LƯỜNG và điều KHIỂN BẰNG máy TÍNH đề tài điều KHIỂN và GIÁM sát hệ THỐNG lò NHIỆT

111Equation Chapter 1 Section 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA
CHẤT
BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA
-----    -----

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH
ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG LÒ NHIỆT
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC KHỐT
NHĨM : 02
SINH VIÊN THỰC HIỆN :

NGUYỄN ĐĂNG HUỲNH

1821060178

NGUYỄN TRỌNG HOÀNG

1821060239

ĐOÀN TRUNG HIẾU

1821060122

HOÀNG ĐÌNH PHÚC

1821060090

PHẠM GIANG NAM

1821060114

Hà Nội, năm 2021


Bảng phân công nhiệm vụ
Nguyễn Đăng
Huỳnh
1821060178
Thảo luận chọn
đề tài
Chọn thiết bị
Phân tích hướng
giải quyết bài
tốn
Code
Thiết kế xây
dựng mơ hình
Giao diện
Xây dựng+
quay video

Nguyễn Trọng
Hồng
1821060239
Thảo luận chọn
đề tài
Chọn thiết bị
Phân tích hướng
giải quyết bài
tốn
Mua thiết bị

Giao diện
Word chương 1
23
Xây dựng +
quay video

Đồn Trung
Hiếu
1821060122
Thảo luận chọn
đề tài
Chọn thiết bị
Phân tích hướng
giải quyết bài
tốn
Mua thiết bị
Thiết kế xây
dựng mơ hình
Word chương 1
2
Xây dựng +
quay video

Phạm Giang
Nam
1821060114
Thảo luận chọn
đề tài
Chọn thiết bị

Phân tích hướng
giải quyết bài
tốn

Hồng Đình
Phúc
1821060090
Thảo luận chọn
đề tài
Chọn thiết bị
Phân tích hướng
giải quyết bài
tốn

Góp ý xây dựng
code

Góp ý xây dựng
code


Lời nói đầu
Cơ thể con người là một hệ thống nhất gồm nhiều cơ quan và bộ phận phối hợp nhịp
nhàng với nhau để thực hiện những quá trình sinh lý hóa cần thiết cho sự sống. Điều hiển
nhiên rằng tại mọi thời điểm, cơ thể người luôn luôn điều chỉnh và cân bằng mọi thứ nhằm
thích nghi với mơi trường và đảm bảo duy trì sự sống liên tục. Thân nhiệt một người bình
thường ln ổn định tại 370 C là minh chứng cụ thể cho khả năng tự điều chỉnh tuyệt vời của
con người. Tương tự như cơ thể người, trong sản xuất cơng nghiệp ln ln địi hỏi nhiều
q trình tự điều chỉnh và cân bằng thơng số của hệ thống, trong đó có q trình gia nhiệt cho
sản phẩm.

Tuy nhiên đây khơng phải là q trình tự nhiên xảy ra ngoài ý muốn chủ quan của con
người mà chịu sự chi phối trực tiếp hoặc gián tiếp từ phía người vận hành điều khiển. Trải
qua gần 100 năm kể từ khi Cornelis Drebbel (người Hà Lan) phát triển hệ thống điều khiển
nhiệt độ tự động đầu tiên dùng cho lị sưởi thì lịch sử lồi người đã có dịp chứng kiến và
hưởng thụ nhiều cơng nghệ hiện đại được áp dụng vào mục đích kiểm sốt nhiệt độ. Đi đầu
về công nghệ này vẫn thuộc về lĩnh vực điều khiển tự động. Ngày nay, loài người đã biết rất
nhiều phương pháp trên nền những giải thuật khác nhau từ đơn giản đến hiện đại và cả thơng
minh để kiểm sốt nhiệt độ nhưng đều phục vụ cho việc ổn định hệ thống và xa hơn nữa là
cải thiện chất lượng đáp ứng.
Việc áp dụng một phương pháp cụ thể vào môi trường công nghiệp không đơn giản như
lúc chúng ta tưởng tượng về kết quả cuối cùng. Bất kỳ một phương án nào được lựa chọn
cũng phải được xem xét dưới nhiều khía cạnh khác nhau về đặc điểm kỹ thuật, mặt tích cực
và hạn chế khi làm việc, tính khả thi khi hoạt động và cả lợi ích kinh tế lúc đưa vào vận hành
…Tất cả những vấn đề trên cần được đánh giá khách quan dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng,
đúng đắn được thể hiện q những phương trình tốn học, biểu đồ thống kê, bảng so sánh
đánh giá và cả những thực nghiệm kiểm chứng. Một đề tài đồ án tốt ngồi việc thực hiện
những cơng việc trên đây thì cịn có ý nghĩa sâu sắc đối với mỗi sinh viên thực hiện. Một lần
nữa sinh viên được trải nghiệm thực tế được học từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những
sản phẩm cơng nghiệp. Trong q trình tiến hành khơng thể khơng gặp những khó khăn vấp
phải, do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo luận với
nhau nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm, phương pháp làm việc
hiệu quả để cùng nhau đưa ra phương án tối ưu nhất để giải quyết vấn đề một cách hợp lý
nhất.
Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện, đề tài “Xây dựng hệ thống điều
khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt” đã đạt được những mục đích đề ra. Với kết quả, nhóm
chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đối với PGS.TS Nguyễn Đức Khốt đã tận tình
hướng dẫn trong suốt q trình thực hiện đề tài
Một lần nữa tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô cùng các bạn!

MỤC LỤC
Chương I : Nghiên cứu tổng quan các hệ thống điều khiển nhiệt độ trong công nghiệp...........4
I. Tổng quan chung về đề tài ................................................................................................4
1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu..................................................................................4
II. Cơ sở lý thuyết...............................................................................................................10
1. Phương pháp đo nhiệt độ............................................................................................10
2. Cảm biến nhiệt độ.......................................................................................................12
3. Các lưu ý khi sử dụng cảm biến nhiệt độ...................................................................15
4. Bộ chuyển đổi nhiệt độ...............................................................................................16
III. Hệ thống điều khiển......................................................................................................17
1. Mơ tả tốn học của lị nhiệt.........................................................................................17
2. Điều khiển on-off........................................................................................................17
3. Phương pháp điều khiển PID......................................................................................18
Chương II : Xây dựng mơ hình và chọn thiết bị......................................................................21
I. Xây dựng mơ hình ...........................................................................................................21
II. Giới thiệu các thiết bị đo trong đề tài ............................................................................21
1. Arduino.......................................................................................................................21
2. Giới thiệu chung về các loại arduino..........................................................................26
3. Cảm biến nhiệt độ LM35............................................................................................37
4. Bộ gia nhiệt.................................................................................................................39
5. Mosfet.........................................................................................................................42
Chương III : Xây dựng thuật toán điều khiển, lập trình điều khiển, giao diện điều khiển và
giám sát........................................................................................................................................
47
1. Xây dựng lưu đồ thuật tốn điều khiển.......................................................................47
2. Lập trình điều khiển....................................................................................................48
3. Giao diện điều khiển và giám sát................................................................................49
4. Test thực tế.................................................................................................................53
Kết luận....................................................................................................................................57
Tài liệu tham khảo....................................................................................................................58

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG
NGHIÊN CỨU
I. Tổng quan chung về đề tài
1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.1. Giới thiệu về hệ thống lò nhiệt
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trị
rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các q trình cơng nghệ khác nhau
như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khn đúc...Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này
một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lị điện trở được ứng dụng rộng rãi trong cơng
nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan
trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lị.
Lị nhiệt là thiết bị khó điều khiển bởi hàm truyền là một hàm có hai thành phần gồm
qn tính bậc nhất và khâu trễ. Vì vậy, một số phương pháp điều khiển truyền thống thường
vẫn tồn tại ít nhiều khó khăn nhất định cho người thiết kế hệ thống điều khiển. Bài báo đã sử
dụng phương pháp phản hồi âm lặp kết hợp với khâu rơ-le đã khắc phục được phần nào các
nhược điểm đó. Với phương pháp đề xuất sẽ có khả năng tự dị được hệ số PID của bộ điều
khiển, làm cho đơn giản hóa trong việc tính tốn thiết kế điều khiển lị nhiệt. Các kết quả mơ
phỏng của thuật tốn trên phần mềm Matlab cho thấy thuật tốn có thể ứng dụng trong thực
tế.

Hình 1: Mơ hình tổng quan một hệ thống điều khiển PID
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt. Từ dây
đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia
nhiệt. Lò điện trở được dùng để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu.
Vấn đề đặt ra là cần điều khiển nhanh và chính xác hay chính là thiết kế bộ điều khiển cho lò
nhiệt.
Với điều khiển kiểu đóng - ngắt (ON-OFF), trong q trình điều khiển nhiệt, rơ-le nhiệt
sẽ đóng ngắt khi nhiệt độ lị thấp hoặc lớn hơn giá trị đặt. Do quán tính của q trình nhiệt,

khi cắt điện đốt lị, nhiệt độ điều khiển vẫn cịn tăng thêm một giá trị nào đó và khi đóng điện,
nhiệt độ vẫn cịn giảm. Do đó, phương pháp điều khiển ON-OFF thường độ lệch nhiệt độ
điều khiển xấp xỉ từ vài đến 10%. Trong khi đó, điều khiển kiểu tương tự là hệ thống điều
nhiệt điện tử cho phép điều khiển liên tục quá trình đốt lị thơng qua khóa điện tử. Như vậy lị
được điều khiển đốt bằng các xung điện, có chu kỳ điều khiển được, tùy thuộc vào trạng thái
4


nhiệt của lò. Do vậy, phương pháp điều nhiệt này để chỉnh định tự động thông số của bộ điều
khiển PID.
1.2. Ngun lí hoạt động của lị nhiệt
Lị điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dịng điện chạy qua một dây dẫn hoặc
vật dẫn sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: Q¿ I 2Rt
Trong đó:
Q: lượng nhiệt tính bằng jun
I: dịng điện tính bằng A
R: điện trở
t : thời gian tính bằng s
Từ cơng thức trên ta thấy R có thể đóng vai trị:



Vật nung: trường hợp này có thể gọi là nung trực tiếp
Dây nung: khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức
xạ, dẫn nhiệt hoặc phức hợp . Trường hợp này gọi là nung gián tiếp.

1.3. Cấu tạo : Lị điện trở thơng thường gồm ba phần chính: vỏ lị, lớp lót và dây nung.
1.3.1. Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị tải trọng trong quá trình làm
việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hồn tồn

hoặc tương đối của lị. Đối với các lị làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lị phải hồn tồn
kín, cịn đối với các lị điện trở bình thường, sự kín của vỏ lị chỉ cần giảm tổng thất nhiệt và
tránh sự lùa của khơng khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lị điện trở có thể làm vỏ lị khơng bọc kín. Khung vỏ lị
cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lị (vật nung ) và các cơ cấu cơ
khí gắn trên vỏ lò.




Vỏ lò chữ nhật thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v...
Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v...
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng
kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép tấm
dày 3 - 6 mm khi đường kính vỏ lị là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm khi đường
kính vỏ lị là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lị khoảng 4500 –
6500 mm.

Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vịng đệm tăng
cường bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ ngật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép
tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lị có thể được bọc kín, có thể khơng tuỳ theo u cầu
kín của lị. Phương pháp gia cơng vỏ lị loại này chủ yếu là hàn và tán.
1.3.2. Lớp lót
Lớp lót lị điện trở thường gồm hai phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Phần vật liệu
chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng
và kích thước đã cho của buồng lị. Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và

5

các chất dính dết gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lị và cũng có thể
tiến hành ở ngồi nhờ các khn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:







Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lị.
Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện
làm việc.
Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.
Có đủ độ bền hố học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lị và ảnh
hưởng của vật nung.
Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm
việc chu kỳ.

Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lị và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của
phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền
cơ học nhất định cịn các phần khác nói chung khơng u cầu.
u cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:



Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu + Khả năng tích nhiệt cực tiểu
Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. Phần cách nhiệt có
thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách.

1.3.3. Dây nung
Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại:
 Dây nung kim loại
 Dây nung phi kim loại.
Trong cơng nghiệp, các lị điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.
1.4. Phân loại: Lò điện trở được phân loại theo nhiều phương pháp
Phân loại theo phương pháp tỏa nhiệt:
 Lò điện trở tác dụng trực tiếp.
 Lò điện trở tác dụng gián tiếp.

1. Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 3. Biến áp; 4. Đầu cấp điện
5. Dây đốt (dây điện trở); 6. Vật liệu được nung nóng gián tiếp
Hình 2: Ngun lý lị điện trở đốt nóng trực tiếp và gián tiếp
6


Phân loại theo nhiệt độ làm việc:
 Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C.
 Lò nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc của lị từ 6500C đến 12000C.
 Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C.
Phân loại theo nơi dùng:
 Lò dùng trong cơng nghiệp.
 Lị dùng trong phịng thí nghiệm.
 Lị dùng trong gia đình.
Phân loại theo đặc tính làm việc:
 Lò làm việc liên tục.
 Lò làm việc gián đoạn.

Hình 3: Đồ thị nhiệt độ các chế độ làm việc của lò điện trở

a. Lò liên tục
b. Lò làm việc có tính lặp lại
c. Lị gián đoạn
Phân loại theo kết cấu lị:
 Lị buồng.
 Lị giếng.
 Lị chụp.
a.

Hình 4a: Hình ảnh và kết cấu
cấu lị điện trở dạng lị buồng

b.

Hình 4b: Hình ảnh và kết
lị điện trở dạng lị giếng

7


Phân loại theo mục đích sử dụng:
 Lị tơi.
 Lị ram.
 Lò ủ.
1.5. Các yêu cầu đối với dây điện trở
Dây điện trở bằng hợp kim Hợp kim Crôm – Niken (Nicrơm). Hợp kim này có độ bền
cơ học cao vì có lớp màng Oxit Crơm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ
số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lị có nhiệt độ làm việc dưới 12000C. Hợp kim Crơm Nhơm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim Nicrơm nhưng có nhược điểm là giịn, khó gia
cơng, độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ cao.
Dây điện trở bằng kim loại :Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao:

Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lị điện trở chân khơng hoặc lị
điện trở có khí bảo vệ.
Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại : Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu được nhiệt
độ cao tới 14500C, thường dùng cho lị điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt.
Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo dưới dạng hạt có
đường kính 2-3mm, thường dùng cho lị điện trở trong phịng thí nghiệm u cầu nhiệt độ lên
đến 18000C.
1.6. Ứng dụng trong thực tế
Ngày này hiện có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau và việc lựa chọn chúng
phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, mơi trường (hóa
học, vật lý, hay điện) và giá thành. Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn và
hay được sử dụng nhất và lựa chọn theo nghành nghề bởi thông thường, mỗi loại cảm biến
được thiết kế để phục vụ cho một chuyên nghành riêng. Và dưới đây là các yêu cầu đặt ra khi
lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt và bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến dựa theo các
nghành nghề khác nhau








Độ chính xác
Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng
Giới hạn khoảng nhiệt cần đo
Giá thành
Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay khơng
Sự tương thích với mơi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên
ngồi mơi trường

Với mỗi u cầu đặt ra khi lựa chọn cảm biến nhiệt thì lại có những ứng dụng khác
nhau trong thực tiễn:

1.6.1. Cảm biến nhiệt độ trong nghành công nghiệp xi măng
Trong nghành Công nghiệp sản xuất Xi măng, yêu cầu đo lường và giám sát nhiệt độ
các khâu của chu trình là một việc quan trọng, liên quan đến chất lượng sản phẩm đầu ra và
chi phí giá thành cho việc sản xuất. Chính điều này đã đặt ra thách thức cho các nhà máy là
8


phải lựa chọn dòng cảm biến nhiệt độ sao cho vừa đảm bảo tính chính xác, ổn định của phép
đo, tuổi thọ của sản phẩm đồng thời phải tối ưu về chi phí đầu tư.

Hình 5: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất xi măng
Như vậy, qua đây chúng ta thấy rằng có rất nhiều vị trí trong nhà máy phải sử dụng cảm
biến đo nhiệt độ, đặc biệt là các vị trí như tháp trao đổi nhiệt, silo liệu, khu phân ly, lọc bụi…
Tùy từng vị trí nhiệt độ khác nhau sẽ lựa chọn cảm biến với dải đo và chủng loại khác nhau.
1.6.2. Ứng dụng của kỹ thuật nhiệt lạnh
Ngày nay nghành kỹ thuật lạnh đã phát triển mạnh mẽ, được sử dụng với nhiều mục
đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và trở thành kỹ thuật vô cùng quan trọng không
thể thiếu được trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nước trên thế giới.
Có thế nói kỹ thuật nhiệt lạnh có rất nhiều ứng dụng chẳng hạn như:




Trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm
Trong sản xuất bia, nước ngọt
Ứng dụng trong cơng nghiệp hóa chất

1.6.3. Nghiên cứu về nơng nghiệp
Áp dụng khoa học công nghệ, đặc biệt là kỹ thuật đo lường trong việc phát triển nông
nghiệp xanh đã mang lại những hiệu quả hết sức to lớn. Với quy mơ nhà trồng hay nơng trại
rộng, thì việc sử dụng thiết bị đo kết nối theo phương pháp đi dây truyền thống sẽ gặp nhiều
khó khăn. Chính vì vậy nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây nhằm giám sát nhiệt
độ – độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng đã được áp dụng trong thực tiễn.
Các thành phần chính trong hệ thống được chia thành 3 cấp độ: cấp 1 là trung tâm giám
sát vận hành; cấp 2 là trạm thu thập dữ liệu cơ sở; cấp 3 bao gồm các cảm biến đo nhiệt độ và
độ ẩm của khơng khí, của đất trồng tại nơng trường. Tùy theo quy mơ diện tích đất canh tác

9


của nông trường và yêu cầu cấp độ giám sát ta có thể triển khai xây dựng hệ thống giám sát
và thu thập số liệu phù hợp.
Trung tâm giám sát ở đây gồm đường mạng tốc độ cao kết nối đến các trạm thu thập dữ
liệu cơ sở; máy chủ với hệ cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin hệ thống; máy tính giám sát vận
hành với các màn hình theo dõi quan sát tình trạng mơi trường sinh trưởng của cây trồng,
đồng thời đưa ra các cảnh báo để nhà nông điều chỉnh phương pháp canh tác phù hợp nhất.
Tùy vào nhu cầu của người dùng, trung tâm giám sát cũng có thể cho phép người quản lý từ
xa truy cập vào cơ sở dữ liệu hệ thống qua mạng Wi-Fi (phạm vi hoạt động tối đa là 100m),
GSM/GPRS (phạm vi không giới hạn) khi được trang bị phần cứng tương ứng.
Trạm thu thập dữ liệu cơ sở, có thể hiểu là trạm tổng cùng với các cảm biến đo tạo
thành mạng cảm biến với cấu hình sao (star). Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây hình sao
khá phù hợp với diện tích giám sát khơng q rộng, số lượng điểm đo khơng q lớn. Khi
diện tích rộng, điểm đo lớn ta có thể sử cấu trúc mạng cảm biến khơng dây hình cây (tree)
hoặc hình lưới (mesh). Trạm thu thập dữ liệu được cấu tạo từ các module chính sau: module
điều khiển xử lý thu thập dữ liệu; module truyền thông tốc độ cao để truyền dữ liệu về trung
tâm; module truyền thông không dây theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi để nhận dữ
liệu nhiệt độ – độ ẩm từ các cảm biến truyền về. Tùy vào thiết kế được chọn, trạm thu thập

dữ liệu dựa trên mạng Wi-Fi, GSM/GPRS cho phép cấu hình để người quản lý có thể truy
cập xem dữ liệu gốc từ cảm biến đo gửi về.
1.6.4. Trong sản xuất xe hơi
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ô tô là một trong các loại cảm biến ơ tơ giữ vai trị
quan trọng. Vị trí cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường đặt ở khoang nước máy và có chức
năng đo nhiệt độ nước làm mát, rồi truyền thông tin ấy về vi xử lý để có thể tính tốn, điều
chỉnh góc đánh lửa, tốc độ chạy không tải… Đối với một số dịng xe hiện đại, thơng số nhiệt
độ nước làm mát cịn dùng để điều khiển cả hệ thống kiểm sốt khí xả.







Góc đánh lửa sớm: Khi nhiệt độ nước làm mát máy thấp, bộ vi xử lý trung tâm
(ECU) sẽ thực hiện việc điều chỉnh lại để tăng góc đánh lửa sớm nhằm tăng nhiệt
độ nước lên. Nếu ngược lại, ECU sẽ điều chỉnh giảm góc đánh lửa sớm lại để điều
hịa.
Thời gian phun nhiên liệu: Nếu thơng số nhiệt độ nước làm mát thấp, ECU sẽ điều
chỉnh để tăng thời gian phun nhiên liện. Còn nếu nước lại, ECU sẽ làm giảm thời
gian phun nhiên liệu lại.
Tốc độ không tải: Khi bắt đầu di chuyển, nhiệt độ nước làm mát sẽ thấp do đó
ECU sẽ điều khiển để tăng van khơng tải lên, nhằm làm nóng động cơ và giảm ma
sát mạnh ở các chi tiết khác mà vẫn giúp xe đạt được nhiệt độ vận hành tối ưu
nhanh chóng. 
Về cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát, chi tiết này sẽ có dạng trụ rỗng với ren
ngồi. Bên trong cảm biến có lắp một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt điện trở âm. 

II. Cơ sở lý thuyết

1. Phương pháp đo nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc tíncủa vật
chất nên trong các q trình kỹ thuật cũng như trong đời sống hằng ngày rất hay gặp yêu cầu
đo nhiệt độ. Ngày nay hầu hết các quá trình sản xuất cơng nghiệp, các nhà máy đều có u
cầu đo nhiệt độ
10


Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường phân loại các
phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo. Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải:
Nhiệt độ thấp, trung bình và cao :



Ở nhiệt độ trung bình và thấp: phương pháp thường được dùng để đo là phương
pháp tiếp xúc nghĩa là các cảm biến được đặt ngay ở môi trường cần đo.
Ở nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngồi mơi
trường đo.

1.1.

Đo bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường được sử dụng là các nhiệt kế tiếp
xúc. Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu .
Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550 độ đến 2000 độ hiện nay
người ta thường sử dụng các ic bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các diode ,
tranzitor để đo nhiệt độ.
Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng
phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt với môi trường đo.





Đối với mơi trường khí và nước chuyển đổi được đặt theo hướng ngược dòng chảy.
Với vật rắn: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi
và dễ gây tổn hao vật , nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy điểm tiếp xúc giữa
vật đo và và nhiệt kế càng lớn càng tốt.
Khi đo nhiệt độ các chất ở dạng hạt cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần
đo và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngồi.

1.2 Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc
Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600o C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu khơng chịu được lâu
dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các mơi trường đó người ta dựa trên hiện tượng q trính q độ
nóng của cặp nhiệt. Qúa trình q độ khí đốt nóng cặp nhiệt có phương trình:
1

Ө = f(t) = ∆ T (1-e t )
Trong đó: Ө: Lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t
∆ T : Hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt

t: Hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu
Dựa trên quan hệ này có thể xác định nhiệt độ của đối tượng đo mà không cần nhiệt độ
đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy. Bằng cách nhúng nhiệt ngẫu vào
môi trường cần đo trong khoảng 0,4 ÷ 0,6s ta sẽ được phần đầu của đặc tính q trình q độ
của nhiệt ngẫu và theo đó ta tính được nhiệt độ của môi trường.
1.3.

Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ
năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng

bằng mật độ phổ E, nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị
điện tích của vật xảy ra trên một đơn vị độ dài của sóng. Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của
vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn theo công thức:
11


C2

E0λ = C λ−5 (e λT −1)−1
1

Trong đó: C 1, C 2 – hằng số
Λ- Độ dài sóng
T- nhiệt độ thuyết đối
C 1= 37,03.10−17 Jm2/s

C 2= 1,432.10−2 m.độ.

2. Cảm biến nhiệt độ
2.1. Các loại cảm biến đo nhiệt độ
2.1.1. Cặp nhiệt điện
Cấu tạo: Cặp nhiệt điện có cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nhau được nối với nhau
bởi hai mối hàn suất điện động e phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm các dây dẫn.
Nguyên lí làm việc: Cặp nhiệt điện là cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ
sang tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện. hiện tượng này như sau: nếu lấy hai dây
dẫn có bản chất kim loại khác nhau nối chặt lại với nhau ở hai đầu rồi đốt nóng một đầu thì
trong vịng dây sẽ xuất hiện dòng điện. Dòng điện này được gọi là dòng điện nhiệt. sự xuất
hiện dịng nhiệt điện này có thể giải thích bằng hiện tượng khuếch tán điện tử tự do. Ở đây
tồn tại hai hiện tượng: hiện tượng khuếch tán điện tử tự do giữa hai dây dẫn tại điểm tiếp xúc
và hiện tượng khuếch tán điện tử trong mỗi dây dẫn khi có sự chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu

dây.
Khi hai dây dẫn khác nhau được gắn tiếp xúc với nhau, thì do hai dây có số lượng điện
tử tự do khác nhau nên tại điểm tiếp xúc sẽ có sự khuếch tán điện tử tự do. dây nào có điện tử
tự do nhiều hơn thì số lượng tử tự do của nó khuếch tán sang dây kia sẽ nhiều hơn sự khuếch
tán ngược lại, vì vậy bản thân nó sẽ thiếu điện tử tự do và mang điện tích dương. Phía bên
dây cịn lại sẽ thừa điện tử tự do nên mang điện tích âm. như vậy tại điểm tiếp xúc sẽ xuất
hiện sức điện động mà điện trường của nó chống lại sự khuếch tán điện tử từ dây có số lượng
điện tử tự do nhiều hơn sang dây có ít hơn. Giá trị sức điện động tiếp xúc phụ thuộc vào bản
chất của hai dây dẫn và nhiệt độ của điểm tiếp xúc. Nhiệt độ càng tăng thì hoạt tính của các
điện tử càng tăng, khả năng khuếch tán tăng lên, giá trị sức điện động tăng lên.
Nếu đốt nóng một đầu của dây dẫn thì hoạt tính của điện từ tự do ở đầu đốt nóng sẽ
tăng lên vì vậy có dịng điện khuếch tán từ đầu nóng đến đầu lạnh làm cho đầu nóng thiếu
điện tử tự do nên mang điện tích dương còn đầu lạnh thừa điện tử tự do nên mang điện tích
âm. giữa hai đầu của dây dẫn sẽ xuất hiện một sức điện động.
2.1.2. Nhiệt kế điện trở
Cấu tạo: nhiệt điện trở bán dẫn còn gọi là thermistor được chế tạo từ một số oxit bán
dẫn đa tinh thể khác nhau như: mgo, mn2o3, nio …được trộn lẫn với nhau theo tỉ lệ thích
hợp, sau đó được nén định dạng và được đốt ở nhiệt độ 100000 c. Khi nhiệt độ tác động làm
ảnh hưởng đến nồng độ điện tích tự do, dẫn đến nội trở thay đổi theo. lợi dụng tính chất này
người ta đã chế tạo ra loại cảm biến này.
12


Nguyên lí làm việc: nhiệt kế điện trở là cảm biến đo nhiệt độ có thể sử dụng để đo nhiệt
độ trong khoảng từ -260 đến 7500 c. trong những trường hợp riêng có thể lên tới 10000 c.
ngun lí hoạt động của nhiệt kế điện trở dựa vào sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn hay bán
dẫn vào nhiệt độ của nó theo cơng thức:
r t = f (r 0 , t)

Trong đó: r 0 : là điện trở ở 0 0C

r t : là điện trở ở t 0C

Yêu cầu cơ bản để một vật liệu có thể sử dụng làm nhiệt kế điện trở là phải có hệ số
nhiệt điện trở lớn ổn định và điện trở suất lớn. trong công nghiệp thường sử dụng hai loại
nhiệt kế điện trở dây dẫn là đồng và bạch kim.
Nhược điểm cơ bản của nhiệt kế điện trở bán dẫn là đặc tính phi tuyến tính, điện trở
định mức và cả đặc tuyến của các nhiệt kế điện trở bán dẫn rất khác nhau vì vậy chúng khơng
có khả năng thay thế giữa các nhiệt kế điện trở sản xuất hàng loạt cùng chủng loại.
2.1.3. Cảm biến nhiệt độ vi mạch điện tử
Đây là sự kết hợp của cảm biến nhiệt độ và các mạch điện tử tạo lên những vi mạch
điện tử để làm cảm biến nhiệt độ. ưu điểm của các cảm biến loại này là có đặc tính tuyến tính
và có độ nhạy rất lớn. nhược điểm là giới hạn đo không cao.




Vi mạch lm335: Đây là diod zenơ cảm biến nhiệt độ có giới hạn sử dụng từ -40 đến
1000
Đặc tuyến của nó được mơ tả theo công thức: u = 10.t (mv) = 2730 + 10.t (mv)
Vi mạch lm34: Là vi mạch sử dụng để đo nhiệt độ thay đổi trong khoảng từ -50
đến 3000 f (khoảng từ -45,6 đến 148,90 C ). tín hiệu ra của lm34 tỉ lệ với độ
pharenhait và hoàn tồn khơng tuyến tính với độ nhạy ồ = 10 mv/ 10 f. lm34 khơng
địi hỏi thiết bị hiệu chỉnh bên ngồi. dịng tiêu thụ của lm34 chỉ khoảng 70ma. sai
số đo ±1,50 f đối với toàn bộ thang đo (từ -50 đến 3000 f). sai số đo nhiệt độ phòng
±0,50 f

2.1.4. Cảm biến quang đo nhiệt độ
Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt.
Dụng cụ đo nhiệt độ vật thể bằng bức xạ nhiệt được gọi là hỏa kế bức xạ hay một cách đơn
giản là hỏa kế.

Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra các chất do nội năng của chúng (với bức xạ
huỳnh quang do kích thích của nguồn ngồi). Ta nhận thấy rằng cường độ bức xạ nhiệt giảm
mạnh khi nhiệt độ của vật giảm.
Hỏa kế được dung để đo nhiệt độ từ 300 độ đến 6000 độ và cao hơn. Để đo nhiệt độ
đến 3000 độ thì phương pháp duy nhất là dung hỏa kế vì nó khơng phải tiếp xúc với môi
trường đo. Ta nhận thấy với phương pháp đo khơng tiếp xúc có tính ưu việt và là không làm
sai lệch nhiệt độ của đối tượng đo.
2.2. Cấu tạo cảm biến nhiệt
Bộ phận cảm biến: bộ phận cảm biến là phần quan trọng nhất của khả năng chịu nhiệt,
một bộ phận cảm biến kém chất lượng sẽ gây nguy hiểm cho hoạt động chính xác của tồn bộ
13


thiết bị cảm biến. Sau khi kết nối với đầu nối, nó được đặt bên trong vỏ bảo vệ. Các ngun
tố cảm biến với cuộn dây đơi có sẵn cho mức độ chính xác khác nhau.
Dây kết nối: kết nối của bộ phận cảm biến có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 2,
3 hoặc 4 dây; vật liệu dây phụ thuộc vào điều kiện sử dụng đầu dò.
Chất cách điện gốm: chất cách điện bằng gốm ngăn ngừa đoản mạch và cách điện các
dây kết nối khỏi vỏ bảo vệ.
Phụ Chất làm đầy bao gồm bột alumina cực kỳ mịn, sấy khô và rung, lấp đầy bất kỳ
khoảng trống nào để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.
Vỏ bảo vệ: vỏ bảo vệ để bảo vệ các bộ phận cảm biến và các dây kết nối. Vì nó tiếp xúc
trực tiếp với q trình, điều quan trọng là nó được làm bằng vật liệu phù hợp và có kích thước
phù hợp. Trong một số điều kiện nhất định, nên bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung
(thermowell).
Đầu kết nối: đầu kết nối chứa bảng mạch được làm bằng vật liệu cách điện (thường là
gốm) cho phép kết nối điện của điện trở. Tùy thuộc vào kết cấu sử dụng vỏ chống cháy nổ có
thể được sử dụng. Bộ chuyển đổi 4-20 mA có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.
2.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt
Nguyên lý hoạt động Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ

phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt
độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các loại cặp nhiệt
độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
Cảm biến nhiệt độ được cấu tạo đa dạng khác nhau, chủ yếu là bằng kim loại Platinum
có giá trị điện trở 100 Ohm ở nhiệt độ 0 độ C, điện trở sẽ thay đổi khi thay đổi nhiệt độ. Cấu
tạo có hình dáng khớp với cấu tạo đầu dị nhiệt. Thiết bị thuộc loại cảm biến thụ động nên
cần phải cấp một nguồn đầu vào ổn định trong quá trình sử dụng.
Đầu dị có lõi làm bằng bạch kim được bao bọc bởi vỏ bên ngoài làm từ vật liệu đồng,
chất bán dẫn, thép không gỉ, hay thủy tinh siêu mỏng… Vì vậy nguyên lý làm việc của cảm
biến nhiệt độ dựa trên mối quan hệ giữa vật liệu kim loại và nhiệt độ. Khi nhiệt độ là 0 độ C
thì điện trở là 100Ω, điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng lên và ngược lại.
Ưu điểm là sử dụng đầu dị bằng bạch kim, khơng bị ăn mòn, rất nhạy với nhiệt độ,
hoạt động ổn định. Nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt độ được tích hợp bộ chuyển đổi
tín hiệu giúp hiệu suất làm việc cao, vận hành dễ dàng và đơn giản trong lắp đặt.
Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt khá đơn giản so với việc sử dụng các loại đo nhiệt độ
khác, tuy nhiên cần thực hiện một số bước nhất định để khắc phục mọi lỗi phát hiện.
Có ba nguyên nhân chính gây ra lỗi trong các phép đo nhiệt độ với nhiệt độ:
Lỗi do quá nhiệt của phần tử cảm biến
Lỗi do cách điện kém của thiết bị cảm biến
Lỗi do phần tử cảm biến không được nhúng ở độ sâu nhất định.
Bộ phận cảm biến tự nóng lên trong q trình đo khi nó bị cắt ngang bởi dòng điện quá
cao, do hiệu ứng Joule, làm tăng nhiệt độ của phần tử.

14


Sự tăng nhiệt độ phụ thuộc cả vào loại yếu tố chính được sử dụng và các điều kiện đo.
Ở cùng nhiệt độ, cùng độ bền nhiệt sẽ tự nóng lên ít hơn nếu được đặt trong nước chứ khơng
phải khơng khí; điều này là do thực tế nước có hệ số phân tán cao hơn khơng khí.
Thơng thường tất cả các thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở làm cảm biến đều có dịng đo

cực thấp, tuy nhiên khơng nên vượt q dịng đo 1 mA (EN 60751).
Để đo chính xác với cảm biến nhiệt, điều rất quan trọng là cách điện giữa các dây dẫn
và vỏ bọc bên ngoài là đủ lớn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.
Điện trở cách điện có thể được xem như là một điện trở được đặt song song với các
phần tử cảm biến. Do đó, rõ ràng, ở nhiệt độ không đổi, nếu cách điện giảm đi, điện áp đo
trên phần tử cảm biến cũng sẽ giảm do đó gây ra lỗi trong phép đo.
Điện trở cách điện có thể giảm khi đầu dò được sử dụng ở nhiệt độ quá cao, khi có rung
động mạnh hoặc do ảnh hưởng của các tác nhân vật lý hoặc hóa học.
Độ sâu ngâm của bộ phận cảm biến cũng cực kỳ quan trọng đối với các phép đo chính
xác; Khơng giống như trong cặp nhiệt điện, trong đó, các phép đo có thể được coi là thất bại,
nếu độ sâu không đủ, nó có thể gây ra sai số trong phép đo tới vài độ ° C.
Điều này là do thực tế là vỏ bọc, thường là kim loại, với bộ phận cảm biến được bảo vệ
sẽ phân tán nhiệt theo tỷ lệ chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nóng và lạnh; do đó, cảm biến
nhiệt Termotech có một dải nhiệt dọc theo một phần của chiều dài vỏ bọc. Nên, độ sâu ngâm
phải đủ để bộ phận cảm biến bên trong vỏ bọc không phải chịu độ chênh nhiệt này.
Độ sâu tối thiểu sẽ phụ thuộc vào các điều kiện đo vật lý và kích thước của độ bền nhiệt
(chiều dài của phần tử)
3. Các lưu ý khi sử dụng cảm biến nhiệt độ
Có thể nói rằng thiết bị này là một phát minh vô cùng quan trọng mang lại vô số lợi ích
to lớn trong hầu hết các ngành cơng nghiệp. Việc dùng cảm biến để đo nhiệt độ cũng dễ dàng
hơn nhiều so với việc đo bằng các dụng cụ khác. Nhưng để tránh và khắc phục các lỗi đo khi
dùng các loại cảm biến nhiệt, chúng ta cần hiểu rõ về các nguyên nhân chính gây ra lỗi trong
các phép đo.
3.1. Lỗi do phần tử cảm biến bị quá nhiệt.

Bộ phận cảm biến tự nóng lên trong q trình đo khi bị dòng điện quá cao cắt ngang,
hiệu ứng Joule khiến phần tử tăng nhiệt độ.
Bên cạnh đó, sự tăng nhiệt cũng phụ thuộc vào loại yếu tố chính được sử dụng và điều
kiện đo. Trong cùng nhiệt độ, độ bền nhiệt sẽ ít tự nóng lên hơn khi đặt trong nước chứ
khơng phải khơng khí. Bởi vì hệ số phân tán dưới nước cao hơn trong khơng khí. Các thiết bị

cảm biến nhiệt thường sử dụng nhiệt điện trở có dịng đo cực thấp. Tuy nhiên cũng khơng nên
vượt q dịng 1mA.
3.2.

Thiết bị được cách điện kém

Sự cách điện giữa các dây dẫn và thiết bị là vô cùng quan trọng để mang lại kết quả đo
chuẩn xác, nhất là khi thực hiện đo ở nhiệt độ cao. Vì điện trở cách nhiệt được xem như là
một điện trở đặt song song với các phần tử cảm biến nhiệt. Vì thế, khi ở cùng một nhiệt độ
mà cảm biến cách điện giảm đi thì điện áp đo trên phần tử của cảm biến cũng giảm. Từ đó
dẫn đến lỗi đo trong phép đo.
15


Chúng ta cần biết rằng khi đầu dò được dùng ở nhiệt độ quá cao, khi có rung động, lắc
mạnh, ảnh hưởng từ các tác nhân vật lý, hoá học khác thì điện trở cách điện có thể bị giảm.
3.3. Phần tử cảm biến không được nhúng ở độ sâu nhất định.
Độ sâu ngâm nhúng của các phần tử cũng quan trọng không kém trong việc đảm bảo độ
chuẩn xác của các phép đo. Đặc biệt, nếu độ sâu của phần tử cảm biến khơng đủ thì có thể
gây ra sai số trong phép đo lên đến vài độ C, và các phép đo có thể được xem là thất bại.
Chất liệu vỏ bọc thường được làm từ kim loại, bộ phận cảm biến được bảo vệ sẽ phân tán
nhiệt theo tỷ lệ chênh lệch giữa nóng và lạnh. Cảm biến nhiệt bên trong thiết bị có dải nhiệt
phân tán theo một phần chiều dài vỏ bọc. Vì vậy, cần ngâm nhúng đủ độ sâu để các bộ phận
bên trong vỏ bọc không bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch nhiệt độ. Phần lớn độ sâu ngâm tối
thiểu phụ thuộc vào các điều kiện đo vật lý và kích thước của độ bền nhiệt. 
4. Bộ chuyển đổi nhiệt độ
4.1. Chức năng của bộ chuyển đổi nhiệt độ
Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ kết nối với cảm biến nhiệt độ để truyền tín hiệu ở các nơi
khác nhau nhằm mục đích giám sát và điều khiển. Thông thường, cảm biến nhiệt độ là các
loại cảm biến RTD, Thermisor, Thermocouple và cần giao tiếp với PLC, DCS, bộ ghi dữ liệu

hoặc bộ hiển thị nhiệt độ.
Vai trị của bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ là cách ly tín hiệu nhiệt độ, lọc nhiễu EMC,
khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu của cảm biến nhiệt độ thành dải 4-20mA hoặc 0-10V để sử
dụng. Khi sử dụng qua bộ chuyển đổi việc cài đặt & chọn thang đo nhiệt độ trở nên đơn giản
với hai mức LOW và HIGHT tương ứng với tín hiệu analog 4-20mA hoặc 0-10V.

Hình 6: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ làm nhiệm vụ đưa tín hiệu 4-20mA
Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ 4-20mA là phổ biến trong sản xuất vì phần lớn các thiết
bị cơng nghiệp thơng qua phạm vi tín hiệu này. Tín hiệu nhiệt độ truyền có thể được thu nhỏ
bên trong bộ phát nhiệt độ để đáp ứng nhu cầu của ứng dụng, ví dụ: 4mA có thể được sử
dụng để đại diện cho -17,7 ° C (0 ° Fahrenheit) và giá trị cao nhất trong phạm vi (20mA) có
thể được sử dụng để đại diện cho 37,7 ° C (100 ° Fahrenheit).

16


4.2. Bộ chuyển đổi nhiệt độ T120 (4-20mA)
Seneca T120 là một bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dùng cho cảm biến nhiệt độ loại
RTD có thể nhận được hai loại cảm biến: Pt100 và Ni100 với khả năng tuỳ chọn thang đo
nhiệt độ từ -200…650oC.
Tín hiệu từ cảm biến PT100 phát ra là dạng điện trở tuyến tính nghĩ là khi nhiệt độ thay
đổi thì điện trở của PT100 cũng thay đổi. Khi đó tín hiệu trở từ PT100 muốn đưa vào các
PLC thì Bộ chuyển đổi nhiệt độ PT100 ra 4-20mA T120, tín hiệu 4-20mA mới có thể lập
trình trong PLC. Một đặc điểm nữa là tín hiệu dịng 4-20mA có thể truyên đi xa với khoảng
cách lên đến 500m mà khơng lo suy giảm hay sai số đó là đặc điểm lớn nhất khi so với tín
hiệu 0-10vdc hay 1-5vdc.
4.3.Bộ chuyển đổi nhiệt độ 0-10v
Một số hệ thống cũ, cũng như các PLC cũ vẫn sử dụng tín hiệu dạng 0-10v. Do đó, Bộ
chuyển tín hiệu nhiệt độ Pt100 sang 0-10v cần dùng đến để chuyển nhiệt độ về áp để kết nối
với PLC, biến tần, bộ hiển thị…

III. Hệ thống điều khiển
1. Mơ tả tốn học của lị nhiệt
Lị nhiệt có đầu vào là điện áp cung cấp cho dây đốt (hay công suất cung cấp) và ngõ ra
là nhiệt độ của sản phẩm cần nung hay nhiệt độ vùng sử dụng. Thực tế lượng nhiệt này ngoài
việc đốt nóng để tăng nhiệt dộ bên trong mà cịn cung cấp nhiệt độ ra bên ngoài nên nên thực
tế phương trình cân bằng này rất khó thiết lập. Một cách gần đúng ta có thể xem mơi trường
nung là đồng chất, đẳng nhiệt ta có hàm truyền của lị là:

Trong đó: P cơng suất cung cấp dưới dạng điện năng
K hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra ở trạng thái xác lập
T hằng số thời gian thể hiện quán tính của hệ thống
Theo thực nghiệm Ziegler – Nichols đề xuất ra hệ thống là khâu biểu diễn ở bậc cao do
tính chất có trễ của lị nhiệt, xấp xỉ khâu qn tính bậc nhất có trễ ta được:
H(s) =

k e−l .s
Ts+1

Trong đó L thời gian trễ của lò nhiệt. Khai triển taylor gần đúng ta được hàm truyền
của hệ thống tuyến tính bậc 2
H(s) =

k
(Ts+1)( Ls+1)

17


2. Phương pháp điều khiển on _ off
Điều khiển on off chính là lặp lại trạng thái on off của hệ thống theo điểm đặt . Ví dụ

ngõ ra relay là on nếu nhiệt độ ở dưới điểm đặt và relay sẽ off khi nhiệt độ lò ở trên điểm đặt
2.1. Mơ tả hoạt động on-off
Với cấu hình của hệ thống điều khiển được trình bày ở trên relay ngõ ra on, cấp điện tới
sợi nung khi giá trị nhiệt độ hiện tại trong lò dưới điểm đặt. Relay ngõ ra off khi nhiệt độ cao
hơn điểm đặt. Nhờ phương pháp điều khiển nhiệt độ mà nhiệt độ được đặt ở giá trị nào đó
bằng cách bật on và off cho nguồn cho sợi dây nung được gọi là điều khiển on – off. Hoạt
động này cũng được gọi là điều khiển hai vị trí vì hai biến đặt lien quan đến điểm đặt.
2.2. Điều chỉnh độ nhạy
Nếu ngõ ra relay được bật on hoặc off ở một điểm đặt chattering của ngõ ra có thể xảy
ra làm hệ thống điều khiển có thể bị ảnh hưởng nhiễu. Vì lý do này mà từ trễ giữa on và off
thường xảy ra ở ngõ ra như hình dưới. Từ trễ này được gọi là điều chỉnh độ nhạy. Điều chỉnh
độ nhạy cao đòi hỏi cần phải tránh tần số hoạt động on - off.

Hình 7: Đặc điểm của Hunting
3. Phương pháp điều khiển PID
PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân. Bộ điều khiển PID được sử dụng rông
rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc sai lệch:

Hình 8 : Bộ PID


Nếu e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò của
khâu P)



Nếu e(t) chưa bằng 0 thì thong qua thành phần tích phân, PID vẫn tạo tín hiệu điều
chỉnh (vai trị của khâu I)



Nếu e(t) thay đổi lớn thì thơng qua thành phần vi phân, phản ứng tích hợp x(t) càng
nhanh ( vai trị của khâu D ).

18


3.1. Khâu tỉ lệ P
Khâu P tạo ra tín hiệu tỉ lệ với giá trị sai lệch việc này được thực hiện bằng cách nhận
sai lệch e với hằng số Kp gọi là hằng số tỉ lệ. Khâu P được tính theo cơng thức: Pout =Kp.e(t)
Trong đó

Pout giá trị ngõ ra
Kp hằng số tỉ lệ
e: sai lệch

Hình 9 : Sơ đồ khối của khâu P

3.2 Khâu tích phân I
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai
số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi
t

hệ cân bằng thì sai số bằng 0. Khâu I được tính theo cơng thức: I out = K i∫ e (t) D t
0

Trong đó

Iout giá trị ngõ ra khâu I
Ki hệ số tích phân

e Sai số

Hình 10 : Sơ đồ khối khâu I
Khâu I thường đi kèm với khâu P hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử dụng khâu I
thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động.
3.3. Khâu tích phân D
Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai sô vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai số
thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều này cải thiện
đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và đạt được giá trị
d
mong muốn. Khâu D được tính theo cơng thức: D out = K D e(t)
dt
19


Trong đó:

D out : Ngõ ra khâu D
K D: Hệ số vi phân

e: Sai số

Hình 11 : Sơ đồ khối D
3.4 .Điều khiển PID cho lò nhiệt
Tổng hợp ba khâu P, I, D ta được bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID được mô tả
K
1
+T s
bằng hàm truyền đạt sau: G(s) = K p + i + K d s=K p 1+
Ti s d

s

(

Ta có lị nhiệt có hàm truyền đạt: H(s) =

)

k
(Ts+1)( Ls−1)

Hình 12 : Đặc tính của lò nhiệt
Theo Nichols- Ziegler các hằng số K P, thời hằng tích phân T i, hằng số vi phân T d của
hàm hiệu chỉnh thích hợp ứng với hàm truyền các thông số K, T 1 , T 2 được xác định qua bảng
sau:

20


Bảng 1 : Hiệu chỉnh tham số PID theo phương pháp Nichols- Ziegler

21


CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ
I. Xây dựng mơ hình
1.1. Chuẩn bị thiết bị
 1 Board Arduino Uno R3 ( Thiết bị điều khiển )
 1-3 Mosfet IRF520
 1 Cảm biến nhiệt độ LM35

 1 Đèn sợi đốt 20W
 1 Nguồn tổ ong 12V 5A
1.2. Sơ đồ đấu nối

Hình 13 : Sơ đồ đấu nối mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus
Nguyên lý hoạt động : Arduino nhận giá trị trả về từ cảm biến nhiệt độ lm 35 sau đó so sánh
với giá trị đặt sau đó đưa ra xung PWM điều khiển độ mở của mosfet từ đó điều khiển cơng
suất của bóng đèn gia nhiệt
2. Giới thiệu các thiết bị đo trong đề tài
2.1. Arduino
Arduino là một nền tảng nguyên mẫu (mã nguồn mở) dựa trên nền phần mềm và phần
cứng dễ sử dụng. Nó bao gồm một bo mạch - thứ mà có thể được lập trình (đang đề cập đến
vi điều khiển) và một phần mềm hỗ trợ gọi là Arduino IDE (Mơi trường phát triển tích hợp
cho Arduino), được sử dụng để viết và nạp từ mã máy tính sang bo mạch vật lý.
2.1.1. Tính năng chính của các Arduino:
Các bo mạch Arduino có khả năng đọc các tín hiệu tương tự (analog) hoặc tín hiệu số
(digital) làm đầu vào từ các cảm biến khác nhau và chuyển nó thành đầu ra như kích hoạt mơtơ quay, bật / tắt đèn LED, kế nối mạng Internet hoặc nhiều hoạt động khác nữa.

22


Bạn có thể điều khiển các chức năng của bo mạch của mình bằng cách nạp các tập lệnh
đến vi điều khiển trên bo mạch. Thông qua phần mềm hỗ trợ là Arduino IDE.
Khơng giống như bo mạch có khả năng lập trình trước kia, Arduino chỉ cần bạn sử
dụng cáp USB để nạp mã vào trong bo mạch.
Hơn nữa, phần mềm Arduino IDE sử dụng phiên bản giản thể của C++, làm việc học
lập trình nó trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
2.1.2. Các loại bo mạch
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại mạch của Arduino tùy thuộc và các loại vi điều khiển
khác nhau mà nó sử dụng. Tuy nhiên, chung quy lại tất cả các bo mạch của Arduino đều có

một điểm chung là: đều có thể lập trình thơng qua Arduino IDE.
Sự khác biệt nằm ở số đầu vào (input) và số đầu ra (output) - cụ thể là số lượng các cảm
biến, các đèn LED và các nút có thể sử dụng trên một mạch đơn, về tốc độ, dòng điện vận
hanh,…
Một số bo mạch được thiết kế để nhúng và khơng có giao diện lập trình (phần cứng) mà
bạn phải mua riêng. Một số có thể chạy trực tiếp từ pin 3.7 V, một số khác cần ít nhất 5V.
Dưới đây là danh sách các mạch Arduino khác nhau hiện có trên thị trường :
Tên mạch

Nguồn
hoạt
động

Tốc độ I/O
Xung
số

Số đầu PW
vào
M
analog

UA
R
T

Giao diện lập
trình

Arduino Uno 5V

R3

16MHz

14

6

6

1

USB qua
ATMega16U2

Arduino Uno 5V
R3 SMD

16MHz

14

16

14

4

USB qua
ATMega16U2

RED BOARD

16 MHz

14

6

6

1

USB qua FTDI

Arduino Pro 3,3V
3.3v/8 MHz

8 MHz

14

6

6

1

FTDI

Arduino Pro 5V
5v/16 MHz

16 MHz

14

6

6

1

FTDI

Arduino mini 5V
05

16 MHz

14

8

6

1

FTDI

Arduino Pro 3,3V
mini
3.3v/8MHz

8 MHz

14

8

6

1

FTDI

Arduino
Ethernet

5V

16 MHz

14

6

6

1

FTDI

Arduino Fio

3,3V

8 MHz

14

8

6

1

FTDI

5V

23


LilyPad
3,3V
Arduino 328
bo
mạch
chính

8 MHz

14

6

6

1

FTDI

LilyPad
Arduino
mạch
giản

8 MHz

9

4

5

0

FTDI

328
đơn

3,3V

Bảng 2.1 : Các bo mạch sử dụng vi điều khiển ATMEGA328
Tên mạch

Nguồn
hoạt
động

Tốc độ I/O số
xung

Số đầu PWM
vào
analog

UART

Giao
diện lập
trình

Arduino
Leonardo

5V

16MHz

20

12

7

1

USB

Pro micro 5V
5V/16MHz

16MHz

14

6

6

1

USB

LilyPad
Arduino
USB

8MHz

14

6

6

1

USB

3,3V

Bảng 2.2 : Các bo mạch sử dụng vi điều khiển ATMEGA32u4
Tên mạch Nguồn
hoạt
động

Tốc độ I/O số Số đầu PWM
xung
vào
analoag

UART

Giao diện lập
trình

Arduino
5V
Mega2560
R3

16MHz

54

16

14

4

USB qua
ATMega16U2B

Mega Pro 3,3V
3,3V

8MHz

54

16

14

4

FTDI

Mega Pro 5V
5V

8MHz

54

16

14

4

FTDI

Bảng 2.3 : Các bo mạch sử dụng vi điều khiển ATMEGA2560
Tên
mạch
Arduino
Mega
2560 R3

Nguồn
hoạt
động
3,3V

Tốc độ I/O số
xung
84MHz

54

Số đầu PWM
vào
analoag
12
12

UART
4

Giao
diện lập
trình
USB

24