Đo và điều khiển nhiệt độ bằng S7-200

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE
ANALOG PLC S7 - 200
SVTH : HUỲNH THIÊN
LỚP : 95KĐĐ
GVHD: NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 3 – 2000
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINHĐỘC LẬP -TỰ DO- HẠNH PHÚC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO
Lớp : 95KĐĐ
Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
1.Tên đề tài:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP
MODULE ANALOG PLC S7 - 200
2. Các Số Liệu Ban Đầu:

3. Nội Dung Phần Thuyết Minh:

4.Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN XUÂN ĐÔNG
5.Ngày giao nhiệm vụ: 13-12-1999
6.Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28-2-2000
Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn
Ngày…Tháng ….Năm 2000
Chủ nhiệm bộ môn
BẢN NHẬN XÉTLUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG
DẪN
Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO
Lớp : 95KĐĐ
Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
Tên đề tài:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP
MODULE ANALOG PLC S7 - 200
Nội dung luận văn tốt nghiệp:

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn :
















Giáo viên hướng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên)
NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN PHẢN
BIỆN
Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO
Lớp : 95KĐĐ
Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
Tên đề tài:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP

MODULE ANALOG PLC S7 - 200
Nội dung luận văn tốt nghiệp:






Nhận xét của giáo viên phản biện:

Giáo viên phản
biện
(ký và ghi rõ họ tên)
MỤC LỤC Trang
Phần A : GIỚI THIỆU
Phần B : NỘI DUNG
Phần I : LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Chương I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
I – Khái niệm chung

II – Các phương pháp đo nhiệt độ
III – Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ
17
IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ
Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC
25
I – Sơ lược về lòch sử phát triển
25
II – Cấu trúc và nghiên cứu
hoạt động của một PLC 25
III
– So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác – Lợi ích của việc sử dụng
PLC
IV – Một vài lónh vực tiêu biểu ứng
dụng PLC
V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214
Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƯC SỬ DỤNG TRONG
MẠCH
Phần II : NỘI DUNG
A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 39
I – Yêu cầu
II – Sơ đồ khối –
Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối 39
III – Thiết kế chi tiết
39
1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại
2 – Mạch điều khiển
43

3 – Mạch giải mã – Hiển thò
48
4 – Thiết bò
51
5 – Nguồn cung cấp
6 – Sơ đồ nguyên lý
B – PHẦN MỀM 55
1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC
2 – Chương trình điều khiển
Phần III : THI CÔNG MẠCH
I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch in
66
II – Cân chỉnh mạch đầu đo
69
Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO
70
PHAÀN I:
LYÙ
THUYEÁT
LIEÂN
QUAN
CHƯƠNG I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
I-Khái niệm chung:
Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời
sống sinh hoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác đònh nhiệt độ của môi
trường hay của một vật nào đó. Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở
thành một việc làm vô cùng cần thiết. Đo nhiệt độ là một trong
những phương thức đo lường không điện. Nhiệt độ cần đo có thể
rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài ngàn, vài
chục ngàn độ Kelvin). Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới một

vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận
được. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ
chuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor,
IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt
độ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựa chọn các loại cảm
biến và phương pháp đo cho phù hợp:
- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp
nhiệt điện là từ 200
0
C đến 1000
0
C,độ chính xác có thể đạt tới +/-
1% -> 0.1%.
- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp
nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) là từ –270
0
C đến 2500
0
C với độ chính
xác có thể đạt tới +/-1% -> 0.1%.
- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các
cảm biến tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ –200
0
C đến
200
0
C,sai số đến +/-0.1%.
- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ,quang phổ… có
khoảng đo từ 1000
0

C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% ->
10%.
Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(
0
C), thang đo Kelvin
(
0
K), thang đo Fahrenheit (
0
F), thang đo Rankin (
0
R).
T(
0
C) = T(
0
K) – 273.15
T(
0
F) = T(
0
R) - 459.67
T(
0
C) = [ T(
0
F) –32 ]*5/9
T(
0
F) = T(

0
C)*9/5 +32
*Sự liên hệ giữa các thang đo ở những nhiệt độ quan trọng:
Kelvin(
0
K) Celcius(
0
C) Rankin(
0
R) Fahrenheit(
0
F)
0 -273.15 0 -459.67
273.15 0 491.67 32
273.16 0.01 491.69 32.018
373.15 100 671.67 212
II-Các phương pháp đo nhiệt độ:
Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm ba khâu chính:
a-Khâu chuyển đổi:
Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi
mang tính đặc trưng của vật liệu khi chòu sự tác động của nhiệt độ.
Có các tính chất đặc trưng sau đây:
- Sự biến đổi điện trở.
- Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối
nối của các kim loại khác nhau.
- Sự biến đổi thể tích, áp suất.
- Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bò đốt nóng.
Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai
tính chất đầu tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple),
nhiệt điện trở kim loại hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới

dạng các linh kiện bán dẫn như: diode, transistor, các IC chuyên
dùng.
b-Khâu xử lý:
Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽ
được xử lý trước khi qua đến phần chỉ thò. Các bộ phận ở khâu xử
lý gồm có: phần hiệu chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-
Digital-Converter)… Ngoài ra còn có thể có các mạch điện bổ sung
như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng trở…
c-Khâu chỉ thò:
Khâu chỉ thò trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đó
kết quả đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳng
của kim chỉ thò. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử,
đãsản xuất nhiều loại IC giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổi
ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thò số dễ dàng như dùng
LED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD. Ở đó, kết quả đo
được thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân.
1-Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:
Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí
than trong các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi,
không khí trong phòng …
Nguyên lý làm việc của thiết bò này là dựa vào sự thay đổi
điện trở theo nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở là một
hàm theo nhiệt độ: R = f(T). Cuộn dây điện trở thường nằm trong
ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể làm bằng thủy
tinh, kim loại hoặc gốm.
Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trò điện trở R tùy
thuộc vào nhiệt độ T theo một hàm tổng quát sau:
R(T) = Ro.F(T – To)
Với : Ro :điện trở ở nhiệt độ To
F : hàm phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu

F = 1 khi T = To
-Đối với điện trở kim loại :
R(T) = Ro( 1 + AT + BT
2
+ CT
3
)
T : tính bằng
0
C
To = 0
0
C
-Đối với nhiệt điện trở bằng oxyt bán dẫn :
R(T) = Ro.exp[ B(1/T –1/To)]
T : nhiệt độ tuyệt đối (
0
K)
To = 273.15
0
K
Những hệ số trong công thức tính điện trở R thường được biết
trước một cách chính xác nhờ sự đo những nhiệt độ đã biết.
a)Nhiệt điện trở kim loại (Thermetal):
Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo dưới dạng dây nhỏ quấn
quanh một đế cách điện (thường bằng sứ tròn, dẹp hay vòng xuyến)
và được bọc bằng một lớp vỏ bảo vệ (thuỷ tinh, sứ, thạch anh …).
Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở kim loại đòi hỏi cần phải thỏa các
yêu cầu:
-Hệ số nhiệt lớn.

-Điện trở suất lớn.
-Tính ổn đònh hóa-lý cao.
-Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao.
*Muốn đo điện trở của nhiệt điện trở kim loại,ta có thể dùng
mạch cầu Wheatston như sau:
với Rt : nhiệt điện trở
R
N
:điện trở mẫu
R
B
: điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở
E : nguồn một chiều
R1 ,R2 : điện trở cầu đo
R
V
:điện trở dây dẫn nhiệt điện trở
Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 :
V
R1
= V
R2
V
RT
= V
RN
Nếu dòng qua R1 và Rt là I
1
,dòng qua R2 và R
N

là I
2
:
I
1
.R1 = I
2
.R2
I
1
.Rt = I
2
.R
N
Rt R
N
R1
=> = => Rt = R
N
R1 R2 R2
R1
Nếu chú ý cả điện trở các dây dẫn thì : Rt = ___ .R
N
– 2R
V

R2
Với trò số R1,R2,R
N
đã biết chính xác,điện trở Rt được xác

đònh.
Kết quả đo ,Rt không phụ thuộc vào nguồn cung cấp E.Nguồn E
thay đổi vẫn không ảnh hưởng đến kết quả đo Rt .Đây chính là ưu
điểm của phương pháp đo.
Độ chính xác của sự xác đònh Rt phụ thuộc vào độ nhạy của
điện kế G. Độ nhạy của điện kế càng cao ,sự xác đònh cân bằng
càng đúng.
Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,R
N
cũng ảnh hưởng đến sai
số của Rt.
G
R
B
E
R2
R
N
Rt
R1
Điện trở đầu ra của mạch đầu đo:
R
RA
= (R1 + R2)//(R
N
+ Rt)
Trong thực tế, người ta thường giữ cho dòng điện qua nhiệt
điện trở trong khoảng I = (1 -> 4) mA ở phép đo cần độ chính xác
cao và I=(4>10)mA ở phép đo cần độ chính xác thấp hơn (trong
công nghiệp),vì nếu để dòng chảy qua nhiệt điện trở lớn thì hiện

tượng tự nung ở nhiệt điện trở là đáng kể, sẽ gây ra một sai số lớn,
làm mất đặc tính cảm biến nhiệt của nhiệt điện trở.
*Lưu ý khi sử dụng nhiệt điện trở :
-Khi mua nhiệt trở cần căn cứ vào quy cách để chọn nhiệt điện
trở phù hợp với điều kiện đo.Ví dụ nếu cần đo trong môi trường dễ
ăn mòn thì phải dùng loại vỏ bằng thép hợp kim không rỉ có tính
chống mòn. Nhiệt độ và áp lực môi trường đo không vượt quá giới
hạn quy đònh của từng loại.
-Không nên đặt nhiệt kế ở những nơi có chấn động, rung động,
va chạm. Đầu dây nối vào dây đồng hồ chỉ nhiệt độ không được
nóng quá 100
0
C. Vò trí đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo
vệ) tốt nhất là theo hướng thẳng đứng. Khi buộc phải đặt hướng vò
trí nằm ngang thì phải quay ổ đấu dây ra của nhiệt điện trở theo
hướng xuống dưới để tránh nước lọt vào. Nếu đo nhiệt độ ở đường
ống có dòng khí hoặc nước chảy qua thì vò trí đầu đo cần đặt quá
tâm ống (đầu ống ở vò trí 2/3 đường kính ống nước hoặc khí).
*Một số nhiệt điện trở kim loại thông dụng:
-Nhiệt điện trở Platin:
Nhiệt điện trở Platin thường được chế tạo dưới dạng dây
quấn đường kính (0.05 -> 0.1)mm, đo nhiệt độ từ –200
0
C -> 1000
0
C
với độ chính xác tương đối cao,ngay cả trong những điều kiện môi
trường dễ oxy hóa (α = 3,9.10
-3
/

0
C).
Tuy nhiên, ở nhiệt độ xấp xỉ 1000
0
C hoặc cao hơn, Platin
thường kém bền và chỉ thò nhiệt mất chính xác.
-Nhiệt điện trở Nickel:
Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10
-3
/
0
C) từ 0
0
C
đến 100
0
C, điện trở suất là 1,617.10
-8
(còn của Platin là 1,385.10
-8
).
Nickel chống lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn
250
0
C.
-Nhiệt điện trở đồng:
Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điện
trở theo nhiệt. Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phép
sử dụng ở nhiệt độ lớn hơn 180
0

C, và vì điện trở suất bé nên khi
dùng, để đảm bảo có giá trò điện trở nhất đònh, chiều dài dây phải
lớn gây nên một sự cồng kềnh bất tiện.
-Nhiệt điện trở Tungstène:
Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn của Platin trong trường
hợp nhiệt độ cao và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn
Platin với một độ tuyến tính hơn Platin.Tungstène có thể được cấu
tạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho phép thực hện điện trở có
giá trò cao, như vậy với giá trò điện trở cho trước, chiều dài dây sẽ
giảm thiểu.
b)Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor):
Đây là loại cảm biến nhiệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ,
được chế tạo bằng chất bán dẫn, thường gọi là Thermistor. Đặc
điểm của Thermistor là điện trở của nó biến đổi rất lớn theo nhiệt
độ. Thành phần chính của nó là bột của oxyt kim loại như Mangan,
Nickel, sắt… hoặc hỗn hợp tinh thể MnAl
2
O, Zn
2
TiO
4
.
Nhiệt kế Thermistor được chế tạo bằng cách ép đònh hình, sau
đó nung nóng đến 100
0
C trong môi trường oxy hóa.Việc chọn tỷ lệ
hỗn hợp các oxyt hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung giữ vai
trò quan trọng, quyết đònh chất lượng của Thermistor.
Trong những năm gần đây, các nhiệt kế Thermistor được sử
dụng nhiều vì nó có ưu điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn đònh,

kích thước nhỏ, hình dáng thay đổi dễ dàng khi chế tạo.
Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại:
+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive
Thermistor) làm việc trên nguyên tắc: khi nhiệt độ tăng thì R
tăng, loại này cấu tạo từ một trong những hợp chất sau: Ceramic,
Sắt, Titan, Bari…
+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative
Thermistor) làm việc trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì R giảm.
Thành phần chính của loại này là bột oxyt kim loại Mn, Fe,Ni hoặc
các hỗn hợp tinh thể Aluminate Mn (MnAl
2
O) , Titanate kẽm
(Zn
2
TiO
4
).
*Nguyên lý làm việc – Đặc tuyến làm việc:
-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:
Vùng A : hệ số nhiệt âm
Vùng B : hệ số nhiệt dương rất lớn
Vùng C : hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt
điện trở dễ bò phá hủy.
Điểm M: là điểm điều hành nhiệt điện trở.Đáp ứng nhiệt độ
tức thời khi cường độ dòng tăng vọt, nhiệt điện trở hoạt động bình
thường trong khi chờ đến nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt và điểm điều
hành này thay đổi theo thành phần các hợp chất cấu tạo
Thermistor. Độ biến thiên có thể từ 10% đến 90% trên độ bách
phân.
-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT:

Đặc tuyến của NT có dạng hyperbol do sự thay đổi của chất
bán dẫn theo nhiệt độ.
Trò số của điện trở giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng. Quan hệ
này được biểu diễn bởi hàm:
R(T) = A.e
B/T
A : hệ số điện trở phụ thuộc điện trở suất của bán dẫn.
B : hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làm
chất bán dẫn và loại Thermistor.
B = 3000 ->5000 : thermistor đo nhiệt độ thấp
B = 6000 ->13000 : thermistor đo nhiệt độ cao.
R
T
O
M
O
R
T
A B C
Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy của Thermistor càng
tăng.Đó là một ưu điểm của nhiệt kế này.
Phạm vi sử dụng thermistor từ 100
0
C đến 400
0
C. Vì là chất
bán dẫn nên khi sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 200
0
C thì Thermistor
phải có bọc chất liệu nhiệt.

2-Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện (Thermocouple) :
Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt chuyển đổi thành sức điện
động để đưa vào các voltmet chỉ thò bằng kim,bằng vạch sáng hoặc
bằng các con số.
*Cấu tạo-Đặc tính tổng quát :
Một cặp nhiệt được cấu tạo bởi hai dây dẫn A và B và tại hai
điểm tiếp xúc của chúng có nhiệt độ T1 và T2 sẽ tạo ra một sức
điện động E
T2T1
A/B
tùy thộc một mặt vào vật liệu của A và B, mặt
khác tùy thuộc vào T1 và T2.
Nhiệt độ của một trong hai mối nối cố đònh, được biết và dùng
làm chuẩn (T1 = T
ref
), trong khi T2 là nhiệt độ của mối nối còn lại
là nhiệt độ Tc đạt được khi đặt trong môi trường có nhiệt độ không
biết Tx. Nhiệt độ Tc phụ thuộc vào Tx và phụ thuộc vào những sự
thay đổi nhiệt có thể có với những môi trường khác (hành lang,
môi trường bên ngoài).
Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé cho phép
việc đo nhiệt độ với một cấp chính xác cao, đồng thời số lượng calo
được thu nhỏ cho phép một vận tốc đáp ứng nhanh. Hai ưu điểm
này cho thấy cặp nhiệt điện được sử dụng có ưu điểm hơn điện trở.
Ngoài ra, nó còn có một ưu điểm khác là tín hiệu được tạo ra
chính là sức điện động mà không cần tạo ra một dòng điện chạy
qua cảm biến, như vậy tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến.
Tuy nhiên, nhược điểm của Thermocouple là trong quá trình đo
nhiệt độ thì nhiệt độ của mối nối chuẩn (T
ref

) phải biết rõ, tất cả sự
không chính xác của T
ref
sẽ dẫn đến một sự không chính xác của
Tc.
*Hình dạng và nguyên lý làm việc:
Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẫn
được đặt bên trong vỏ cách điện bằng sứ,cặp nhiệt điện với vỏ cách
điện thường được che chở thêm bằng một lớp vỏ để chống sự xâm
phạm của các khí cũng như những đột biến nhiệt, lớp vỏ thường
bằng sứ hoặc thép; trong trường hợp bằng thép, mối nối có thể
được cách với vỏ hay tiếp xúc với vỏ, điều này có lợi là vận tốc đáp
ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn.
-Hình dạng các đầu cặp nhiệt:

Phương pháp hàn đầu mối nối cặp nhiệt thông thường là hàn
điện, hàn hồ quang, hàn C
2
H
2
, hàn hóa chất.
Cặp nhiệt loại 1,2,3 : đo ở nhiệt độ <= 100
0
C.
Cặp nhiệt loại 4,5 : đo ở quán tính nhiệt độ thấp
- Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện:
E = A.
∆
T +B.
∆

T
2
+C.
∆
T
3
E: sức điện động được tạo ra khi cặp nhiệt điện làm việc.
∆
T: hiệu số nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh.
A, B, C: các hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt.
- Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện:
Tại mối nối của hai dây dẫn kim loại khác nhau A và B trong
cùng một điều kiện nhiệt độ T sẽ hình thành một hiệu điện thế.
Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào tính chất vật liệu cấu tạo dây
dẫn và nhiệt độ của chúng.
V
M
– V
N
= P
T
A/B
(sức điện động ứng Peltier)
A
(T)
M .
.N
B
(T)
P

T
A/B
+ Nếu tạo thành một mạch kín đẳng nhiệt cấu tạo bởi những
dây dẫn khác nhau thì sức điện động Peltier tổng cộng sẽ bằng 0.
Trong mạch được cấu tạo bởi những vật liệu A, B, C, D thì :
P
T
A/B
+ P
T
B/C
+P
T
C/D
+ P
T
D/A
= 0
- Giữa hai điểm M, N có nhiệt độ khác nhau trong cùng
một thanh dây dẫn đồng chất A sẽ hình thành một sức điện
động chỉ tùy thuộc vào loại dây dẫn và các nhiệt độ T
M
, T
N
:
A
B
D
C
ΣP=0

∫
TM
TN
dThA.
E
TNTM
A
=
: sức điện động Thompson
với h
A
là hệ số Thompson của dây dẫn A, là một hàm của
nhiệt độ
T
M
T
N
E
A
Nếu hai đầu của một mạch điện được cấu tạo bởi một dây dẫn
duy nhất và đồng cấp, đồng thời có cùng nhiệt độ thì E
A
TMTN
= 0.
-Nếu trong một mạch điện kín được cấu tạo bởi hai dây dẫn A
và B mà hai mối nối của chúng có nhiệt độ T1 và T2 thì sẽ tạo ra
một sức điện động (gọi là sức điện động Seebeck):
Đây chính là nguyên lý làm việc của một cặp nhiệt điện được
cấu tạo từ hai dây dẫn kim loại khác nhau A, B.
Với nhiệt độ T1 biết trước dùng làm nhiệt độ chuẩn T1 = T

ref
,
sức điện động của cặp nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T2 là
nhiệt độ cần xác đònh.
*Cách sử dụng:
Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây
cảm biến hoặc do sự cấu tạo không đồng nhất của cảm biến làm
thay đổi đặc tính nhiệt điện của cảm biến.
Những sự không đồng nhất trong cấu tạo có ba nguyên nhân
chính:
- Lực ép cơ khí có được do sự sắp xếp hoặc do sự căng dây,
thông thường. Chúng có thể loại bỏ được nhờ sự nung lại.
oM
TM
A N
TN
o
B
A
.a .b
c.
.d
(T2)
(T1)
∫
−
2
1
)(
T

T
dThBhA
E
T2T1
A/B
= P
T2
A/B
- P
T1
A/B
+
- Những tác động hóa học: hai dây dẫn phải được che chở
chống lại mọi tác nhân có thể tác động đến chúng. Đặc biệt, sự
điều chế vật liệu cần thiết phải được tinh khiết .
- Những tia bức xạ hạt nhân gây ra những chuyển đổi trong
vài hợp kim cặp nhiệt điện.
Mối nối của cặp nhiệt điện phải có thể tích giảm thiểu nhằm
tránh những điểm có nhiệt độ khác nhau tại mối nối, điều này dẫn
đến nhữnh sức điện động ký sinh, cũng như những thay đổi hóa
học của vật liệu do mức độ hàn.
Tránh việc thay đổi nhiệt độ đột ngột đối với cặp nhiệt điện.
Tránh xa vùng ảnh hưởng của điện trường và từ trường mạnh.
Nên để cặp nhiệt điện thẳng đứng nhằm tránh ống bảo vệ bò
biến dạng nhiệt.
Hộp đầu dây của cặp nhiệt điện không nên đặt quá gần nơi
cần đo nhiệt độ để tránh nhiệt độ đầu tự do quá cao.
Chú ý đến phạm vi sử dụng của từng loại cặp nhiệt điện mà
chọn loại cặp nhiệt điện phù hợp (thông thường phạm vi sử dụng
cặp nhiệt nói chung rất rộng từ –50

0
C đến 2500
0
C, nhưng ở nhiệt
độ cao thì độ chính xác kém dần).
Chú ý đến điều kiện sử dụng cặp nhiệt điện:
+Dùng cho lò nung cố đònh, gia nhiệt từ từ: chọn loại có ống
bảo vệ kín hoặc hở.
+Dùng nhúng trực tiếp trong nước: chọn loại không bọc.
+Dùng trong môi trường hay bò ăn mòn: chọn ống bảo vệ bằng
sứ hoặc thép đặc biệt chòu ăn mòn.
*Một số cặp nhiệt điện thông dụng:
-Thermocouple Platin_Rhodium Platin:
Nhiệt độ sử dụng : T = -50
0
C -> 1500
0
C
Đường kính dây : 0,51mm
Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV
Loại 10% Platin : T = 0
0
C -> 600
0
C , cấp chính xác là +/-
2,5%
T = 600
0
C -> 1600
0

C , cấp chính xác là +/-
0,4%
Loại 13% Platin : T = 0
0
C -> 538
0
C , cấp chính xác là +/-
1,4%
T = 538
0
C -> 1500
0
C , cấp chính xác là +/-
0,25%
Loại 30% Platin : T = 0
0
C -> 1700
0
C , cấp chính xác là +/-
0,5%
-Thermocouple Wolfram-Rhenium:
Đường kính dây : 0,40mm
Sức điện động Seebeck : E = (0 → 38,5)mV
Loại Wolfram_Rhenium 5% : T = 0
0
C → 2760
0
C
Loại Wolfram_Rhenium 26% : T = 0
0

C → 1950
0
C
Chuyên dùng để đo nhiệt độ rất cao.
-Thermocouple Chromel_Alumel:
Nhiệt độ sử dụng : T = -270
0
C → 1250
0
C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-5,35 → 50)mV
Cấp chính xác : T = 0
0
C → 400
0
C là : +/-3%
T = 400
0
C → 1250
0
C là +/-0,75%
-Thermocouple Chromel_Constantan:
Nhiệt độ sử dụng : T = -270
0
C → 870
0
C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-9,8 → 66)mV

Cấp chính xác : T = 0
0
C → 400
0
C là +/-3%
T = 400
0
C → 870
0
C là +/-0,75%
-Thermocouple Fer_Constantan :
Nhiệt độ sử dụng : T = -210
0
C → 800
0
C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-8 → 45)mV
Cấp chính xác : T = 0
0
C → 400
0
C là +/-3%
T = 400
0
C → 1250
0
C là +/-0,75%
-Thermocouple Cu_Constantan :
Nhiệt độ sử dụng : T = -270

0
C → 370
0
C
Đường kính dây : 1,63mm
Sức điện động Seebeck : E = (-6,25 → 19)mV
Cấp chính xác : T = -100
0
C → -40
0
C là +/-2%
T = -40
0
C → 100
0
C là +/-8%
T = 100
0
C → 350
0
C là +/-0,75%
3-Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học :
Hoả kế quang học là tên gọi chung của các dụng cụ đo nhiệt độ
bằng cách ứng dụng các tính chất của hệ thống thấu kính quang học
để thu lấy các bức xạ của vật thể rồi căn cứ theo độ bức xạ của vật
thể để xác đònh nhiệt độ .
a-Nguyên lý cơ bản :
Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiện
tượng bức xạ của các vật thể ở các nhiệt độ cao, trong đó có liên
quan đến vai trò của vật đen tuyệt đối. Đó là một thực thể vật chất

có khả năng hấp thu hoàn toàn tất cả các bức xạ nhận được mà
không phóng xạ.
b-Một số dạng của hỏa kế quang học thông dụng :
Hiện nay, trong công nghiệp, người ta dùng rất nhiều loại hỏa
kế quang học như hỏa kế bức xạ, hỏa kế vi sai, hỏa kế đo màu sắc,
hỏa kế nhiệt ngẫu…
Nếu hỏa kế tiêu thụ toàn bộ năng lượng của bức xạ toàn phần
của vật thể, đó là hỏa kế bức xạ toàn phần.
Hoả kế quang điện dùng sự so sánh giữa sự phát sáng của dây
tóc ngọn đèn được chế tạo đặc biệt với độ sáng của vật nung nóng
và xác đònh chính xác dây tóc và nhiệt độ.
Hỏa kế quang điện cho kết quả đo không phụ thuộc vào người
quan sát và có thể nối liên mạch với các thiết bò khống chế nhiệt độ
tự động.
c-Phạm vi sử dụng:
Phạm vi sử dụng là nhiệt độ của vật cần đo không dưới 800
0
C.
Tất cả các loại hỏa kế quang học đều có sai số không vượt quá 1%.
Tuy nhiên, bảng chỉ nhiệt trên các hỏa kế chỉ hoàn toàn chính xác
với vật đen tuyệt đối (quy ước có bức xạ bằng 1).Vì vậy, với giá trò
thật của nhiệt độ các vật cần đo phụ thuộc vào mức độ đen của từng
chất phát sáng. Hoả kế quang điện là dụng cụ đo nhiệt độ gián tiếp
nên có nhiều thuận lợi, có thể đo từ xa mà không cần tiếp xúc với
vật cần đo.
4-Đo nhiệt độ dùng diode và transistor:
Những thành phần được sử dụng, diode hay transistor Silicium
được mắc như diode (cực nền và cực thu nối chung) được cung cấp
theo chiều thuận dòng điện I không đổi, điện áp V ở hai đầu cực của
chúng, tùy thuộc vào nhiệt độ, điều này có thể xem như tín hiệu

điện đi ra từ cảm biến tùy thuộc vào nhiệt độ.
Các thành phần được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ:
a)diode b)Transistor mắc thành diode
c)Hai Transistor giống nhau được mắc như diode
Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của mối nối p-n đối
với nhiệt độ để chế tạo ra các diode và transistor chuyên dùng, làm
cầu cảm biến nhiệt trong đo lường và khống chế nhiệt độ.
*Sơ đồ mạch cảm biến dùng transistor:
Trong đó:
T1 : transistor cảm biến kết hợp với R1 làm cầu phân
cực, nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng đến mối nối BE của T1.
IC1 : làm mạch khuếch đại tín hiệu đầu vào.
IC2 : khuếch đại đảo.
R5, R6 :dùng để hiệu chỉnh mạch.
I
V
a)
V
I
b)
V2
V1
Vd
I1
I2c)
Ở nhiệt độ khoảng 0
0
C ,dòng qua R4 bằng dòng qua R5 và R6.
Ở nhiệt độ cao, dòng qua R4 nhỏ hơn dòng qua R5, R6. Lúc này ngõ
ra của IC1 giảm xuống làm dòng qua R4, R5 giảm theo,làm sụt áp

tại ngõ vào của IC2. IC2 mắc theo mạch khuếch đại đảo, hệ số
khuếch đại bằng 1 nên tại ngõ ra của IC2 có một điện áp đúng
bằng điện áp đầu vào nhưng ngược dấu.Điện áp này được hiển thò
bằng đồng hồ chỉ thò.
*Sơ đồ mạch cảm biến dùng diode :
Trong đó:
R1 : phân cực cho dòng chạy qua diode.
IC1 : dùng khuếch đại đảo, hệ số khuếch đại bằng 1, bù
trừ điện áp DC của diode cảm biến D.
IC2 : khuếch đại không đảo, hệ số khuếch đại bằng 5.
Nguyên lý hoạt động được dùng tương tự như mạch dùng
transistor cảm biến.
4-Đo nhiệt độ bằng IC:
*Giới thiệu:
Kỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo được những mạch kết nối
gồm những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biến
hoàn hảo đo nhiệt độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp V
BE
dưới
tác động của nhiệt độ .Các cảm biến này tạo ra các dòng điện hặc
điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối,với độ tuyến tính cao; nó có điều
lợi là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt động giới hạn chỉ
trong khoảng –50
0
C đến 150
0
C.