Giáo trình hình thành hệ thống ứng dụng nguyên lý thiết kế mạch điều khiển p4 pdf

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
32
giá trị trong khoảng




390180 R nếu V
cc
là 5V. Còn cổng giải mã làm
nhiệm vụ nối các đầu catôt xuống mát.
2.2.5. Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ là một dụng cụ chuyên biệt, đợc dùng để đo và
khống chế nhiệt độ. Đây một phơng thức đo lờng không điện, đo và khống
chế nhiệt độ đợc chia thành nhiều giải nhiệt độ khác nhau có thể là đo và
khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ thấp, đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt
độ trung bình, cũng có thể là đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ cao.
Trong tất cả các đại lợng vật lý thì nhiệt độ là một trong những đại
lợng đợc quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong
nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ
là làm thay đổi một cách liên tục các đại lợng chịu ảnh hởng của nó. Bởi
vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng
ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Tuy nhiên, để đo đợc trị số chính xác của nhiệt độ là một vấn đề rất
phức tạp. Phần lớn các đại lợng vật lý đều có thể xác định một cách định
lợng nhờ so sánh chúng với một đại lợng cùng bản chất đợc gọi là đại
lợng so sánh. Những đại lợng nh thế gọi là đại lợng mở rộng bởi vì chúng
có thể xác định bằng bội số hoặc ớc số của đại lợng chuẩn. Ngợc lại, nhiệt
độ là một đại lợng gia tăng nên việc nhân và chia nhiệt độ không có một ý

nghĩa vật lý rõ ràng. Bởi vậy, nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang đo
nhiệt độ là một vấn đề rất cần thiết.
* Thang đo nhiệt độ: các tính chất vật lý của vật liệu phụ thuộc vào
nhiệt độ của chúng. Từ sự thay đổi nhiệt của một đặc trng vật lý của vật liệu
cho trớc ngời ta luôn luôn có thể xác định một thang nhiệt độ cho phép đo
nhiệt độ và đặc biệt là nhận biết sự cân bằng của hai nhiệt độ. Tuy vậy, thang
nhiệt độ nh
thế là hoàn toàn tuỳ tiện bởi vì nó liên quan đến một tính chất đặc
biệt của một vật thể đặc biệt, nó không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ một ý
nghĩa vật lý riêng. Chỉ có xuất phát từ các định luật nhiệt động học mới có thể
xác định thang nhiệt độ có đặc trng tổng quát.
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
33
Các thang nhiệt độ tuyệt đối đợc xác định tơng tự nh nhau và dựa trên
các tính chất của chất khí lý tởng. Định luật Carnot nêu rõ: hiệu suất

của một
động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn (với nhiệt độ
1

và nhiệt độ
2

tơng ứng), trong một thang đo bất kỳ, chỉ phụ thuộc vào
1

và

2

:
()
()
1
2
F
F



=

(2-1)
Nh vậy, hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngợc lại, việc lựa
chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt
(
)
TF
=

khi đó sẽ xác định
đợc T nh là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt
thuận nghịch đợc viết nh sau:
2
1
1
T
T

=


(2-2)
Trong đó: T
1
và T
2
là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.
Mặt khác ta cũng biết, chất khí lý tởng đợc xác định bởi: nội năng U chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ của chất khí, phơng trình đặc trng liên hệ giữa áp suất p,
thể tích v và nhiệt độ

nh sau:
p.v = G(

)
(2-3)
Ngoài ra cũng có thể chứng minh đợc là:
G(

) = RT
(2-4)
Trong đó: R là hằng số của chất khí lý tởng. Giá trị R của một phân tử
gam chất khí chỉ phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ. để có thể gán một giá trị số
cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán một giá trị
số cho nhiệt độ tơng ứng với một hiện tợng nào đó với điều kiện là hiện
tợng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại.
+ Thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối: thang Kelvin ( đơn vị là
0

K)
trong thang đo này ngời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng
thái nớc- nớc đá- hơi một giá trị số bằng 273,15
0
K. Từ thang nhiệt độ động
học tuyệt đối ngời ta đã xác định đợc các thang mới là thang Celsius và
thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ.
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
34
+ Thang Celsius: trong thang này đơn vị nhiệt độ là (
0
C). Quan hệ giữa
nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin đợc xác định bởi biểu thức sau:
T(
0
C) = T(
0
K) - 273,15 (2-5)
+ Thang Fahrenheit: đơn vị đo nhiệt độ là Fahrenheit (
0
F). Quan hệ giữa
nhiệt độ Celsius với nhiệt độ Fahrenheit xác định bởi biểu thức sau:
() (){}
9
5
32
00

= FTCT

(2-6)
() ()
32
5
9
00
+= CTFT

(2-7)
Bảng 3.1 dới đây ghi các giá trị tơng ứng của một số nhiệt độ quan
trong ở các thang đo khác nhau.
Bảng 2.1
Nhiệt độ
Kelvin
(
0
K)
Celsius
(
0
C)
Fahrenheit
(
0
F)
Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67
Hỗn hợp nớc-nớc đá 273,15 0 32
Cân bằng nớc-nớc đá-hơi nớc 273,16 0,01 32,018

Nớc sôi 373,15 100 212

Thực tế có rất nhiều phơng pháp đo nhiệt độ khác nhau, trong đó để có
thể đo trực tiếp giá trị nhiệt độ thì ngời ta thờng sử dụng một số phơng
pháp dới đây.
2.2.5.1. Khống chế nhiệt độ bằng nhiệt kế
Để khống chế nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện nay mà dùng
bằng nhiệt kế thì ngời ta sử dụng một số dụng cụ nh:
+ Nhiệt kế dãn nở chất lỏng trong ống thuỷ tinh: dụng cụ này đợc dùng
để khống chế nhiệt độ trong khoảng từ -200
0
C đến 750
0
C, nguyên lý hoạt động
của loại nhiệt kế này là dựa trên sự dãn nở vì nhiệt của chất lỏng trong nhiệt
kế. Mà tiêu biểu cho dụng cụ này mà có một số tủ nuôi cấy vi khuẩn do Liên
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
35
Xô và Trung Quốc sản xuất trớc đây vẫn đang đợc sử dụng là nhiệt kế công
tắc nguyên lý và cấu tạo của nó nh sau:
Cấu tạo của nhiệt kế công tắc :
Nhiệt kế công tắc có dạng nh hình 2.12 sau:

Hình 2.12. Sơ đồ cấu tạo của nhiệt kế công tắc
Trong đó: 1- Bầu thủy ngân; 2- Cột cho thủy ngân dâng lên; 3- Dây bạch
kim; 4- Gối vít vô tận và cầu nối tiếp điểm động; 5-Trục vít vô tận; 6- Bảng đặt
nhiệt độ trên; 7- Vỏ ngoài; 8- Lõi sắt non; 9- Nam châm vĩnh cửu; 10-Vít định

vị nhiệt độ; 11- ổ cắm nhiệt kế; 12- Nhựa gá lõi nhiệt kế; 13- Êcu đặt nhiệt độ
và gắn tiếp điểm động; 14- Bảng đặt nhiệt độ trên; 15- Bảng xem nhiệt độ.
Nguyên tắc hoạt động của nhiệt kế công tắc:
Khi xoay nam châm vĩnh cửu (9) thì lõi sắt non (8) cũng chuyển động
theo làm cho êcu đặt nhiệt độ và gắn tiếp điểm (13) chạy trên trục vít (5), đồng
thời thay đổi khoảng cách cặp tiếp điểm mà một má của tiếp điểm chịu sự điều
khiển của cột thủy ngân, còn một má của tiếp điểm là dây bạc nhỏ nh sợi tóc
và cũng có thể dao động lên xuống đợc. Dới tác động của nhiệt độ làm cho
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
36
cột thủy ngân dâng lên làm cho tiếp điểm chạm vào dây bạc, tác động ra bên
ngoài và đóng mạch điều khiển. Phần phía dới của nhiệt kế công tắc là phần
chỉ thị chính xác nhiệt độ của tủ.
+ Nhiệt kế dãn nở chất rắn: loại nhiệt kế này hoạt động dựa trên
nguyên lý kích thớc của các chất rắn thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt độ
đo đợc phụ thuộc vào bản chất của vật liệu rắn. Ví dụ nh ở một số tủ nuôi
cấy vi khuẩn trớc đây có sử dụng dụng cụ này trong mạch điều khiển nhiệt độ
đó là thanh dãn nở do Liên Xô và Trung Quốc chế tạo, cấu tạo và nguyên lý
hoạt động của thanh dãn nở nh sau:
Nguyên lý cấu tạo của thanh dãn nở: nh hình 2.13 dới đây

Hình 2.13. Nguyên lý cấu tạo thanh dãn nở
Trong đó:
1-Thanh dãn nở, thờng làm bằng hợp kim có độ dãn nở lớn, hình dáng
có dạng xoắn ruột hoặc thẳng
2- ống bảo vệ thanh dãn nở.
3- Vít điều chỉnh nhiệt độ.

4- Cần tiếp điểm thuộc thanh dãn nở.
5- Cần tiếp điểm thuộc núm điều chỉnh nhiệt độ.
6- Lò xo giữ thanh 5.
7- Lò so giữ thanh 6.
8- Cặp tiếp điểm bằng Platin và tiếp điểm đợc cách điện so với vỏ máy.
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
37
Nguyên lý làm việc của thanh dãn nở: sự dãn nở của kim loại đợc xác
định theo công thức về hệ số dãn nở kim loại sau:
()
tll
t

+= 1
0

(2-8)
Trong đó:
l
t
: là độ dài thanh dãn nở ở t
0
C
l
0
: là độ dài thanh dãn nở ở nhiệt độ tiêu chuẩn 0
0

C


: là hệ số dãn nở kim loại
t: là nhiệt độ ở thời điểm tức thời
Nh vậy, việc chọn hợp kim để làm thanh dãn nở là hệ số dãn nở

lớn
và chịu ăn mòn điện hoá cao. Nhợc điểm của loại này là khi ở nhiệt độ thấp
thì độ dãn nở nhỏ do đó việc điều chỉnh là không chính xác.
Hoạt động của thanh dãn nở trong tủ nuôi cấy vi khuẩn và quá trình đóng
các tiếp điểm cho mạch điều khiển nhiệt độ thể hiện trên hình 2.14 dới đây.

Hình 2.14. Mô tả bộ điều khiển nhiệt độ bằng thanh dãn nở
Trong đó:
1a- Thanh dãn nở.
1b- Trục truyền động.
2- ống bảo vệ cách điện.
3- Vít điều chỉnh nhiệt độ đặt.
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
38
4- Cầu tiếp điểm thuộc thanh dãn nở.
5- Cầu tiếp điểm điều chỉnh nhiệt độ.
6- Lò so giữ cần 5.
7- Lò so giữ cần 4.
8- Cặp tiếp điểm Platin.
9- Vít bắt dây tiếp điểm 8.

10- Núm chỉ nhiệt độ.
11- Chốt chặt vít vô tận.
12- Mặt bích để bắt vào vỏ tủ.
Trên hình vẽ thấy, do có cặp lò so 6 và 7 nên tiếp điểm 8 thờng đóng.
Khi tủ làm việc thì nhiệt độ trong tủ dù tăng lên nhng cha đến nhiệt độ
khống chế, thanh dãn nở có dãn ra nhng cha đủ lực để tách cặp tiếp điểm 8
ra. Khi nhiệt độ trong tủ tiếp tục tăng lên tới nhiệt độ đặt, khi đó khoảng cách
giữa vế phải trục 4 và 5 bằng không, tại đó cặp lò so 6 và 7 vẫn giữ cho cặp
tiếp điểm 8 dính vào nhau. Khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ đặt, khi đó vế phải
cần 6 tiếp tục đi lên còn vế trái cần 5 đứng yên, tách cặp tiếp điểm 8 ra cắt
nguồn điện cho kháng đốt. Khi nhiệt độ giảm xuống, thanh dãn nở co lại, vế
phải cần 6 đi xuống đóng tiếp điểm 8 lại và đóng nguồn điện cho kháng đốt.
2.2.5.2. Khống chế nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ Pt100
Cảm biến nhiệt độ Pt100 là loại nhiệt kế điện trở đợc chế tạo bằng
Platin. Đây là loại điện trở Platin bởi vì Platin có thể đợc chế tạo với độ tinh
khiết rất cao (99,999%). Điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính
chất điện của vật liệu. Ngoài ra tính trơ về hoá học và sự ổn định trong cấu trúc
tinh thể của Platin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở
chế tạo từ loại vật liệu này.
Xét trong trờng hợp tổng quát, giá trị của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ:
R(T) = R
0
F(T-T
0
) (2-8)
Trong đó: R
0
là điện trở ở nhiệt độ T
0
; F là hàm đặc trng cho vật liệu;

F=1 khi T=T
0
.
Trờng hợp kim loại:
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
39
R(T) = R
0
(1+AT+BT
2
+CT
3
) (2-9)
Trong đó: T đo bằng
0
C và T
0
= 0
0
C; A, B, C là các hằng số.
Với Platin có A = 3,97.10
-3
; B = -5,8.10
-7
; C = 0, R
0
= 100 là điện trở

của cảm biến nhiệt 0
0
C.
Nh vậy, có điện trở của Platin phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức sau:
R(T) = 100(1+3,97.10
-3
t-5,8.10
-7
t
2
)

(2-10)
Khi có nhiệt độ biến thiên
T

(Xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có
thể thay đổi theo hàm tuyến tính:
()
)1)(( TTRTTR
R

+
=

+


(2-11)
dT

dR
TR
R
.
)(
1
=


(2-12)

Trong đó:
R

là hệ số nhiệt độ của điện trở hay độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ
T. Hệ số
R

phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ, với Platin ta có
R

=3,9.10
-3
/
0
C.
Chất lợng của thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo
đợc
min
0

R
R
do vậy nó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể
phát hiện đợc.
min
min
0
T
R
R






(2-13)
Nghĩa là:
min
0
min
.
1

=
R
R
T
R


(2-14)
Thí dụ, nếu
min
0




R
R
=10
-6
và đối với những phép đo xung quanh điểm 0
0
C
thì với điện trở Platin có
CT
04
min
10.6,2

= . Nh vậy từ kết quả trên ra thấy điện

trở nhiệt chế tạo bằng Platin có độ nhạy nhiệt khá cao và rất thích hợp trong
việc đo nhiệt độ thay đổi trong khoảng nhỏ.
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
40
Nhiệt kế điện trở Pt100 đợc cấu tạo bởi một dây Platin quấn trên một
lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có hai đầu nối ra ngoài. Để sử dụng loại
nhiệt kế điện trở này trong việc đo nhiệt độ và đa tín hiệu nhiệt độ sang tín
hiệu điện áp thhì ngời ta sử dụng nhiều mạch đo khác nhau nhng hay dùng
nhất là mạch cầu cân bằng và đợc mắc nh hình 2.15 sau:

Hình 2.15. Sơ đồ cầu điện trở
Khi cầu cân bằng thì U
ra
= 0V, khi có sự thay đổi điện trở, R
t
thay đổi
làm cho cầu mất cân bằng, lúc đó điện áp ra thay đổi tỉ lệ với sự thay đổi của
R
t
. Từ mối quan hệ giữa nhiệt độ và R
t
ta có thể biết đợc mối quan hệ giữa
nhiệt độ và điện áp qua cầu điện trở.
2.2.5.3. Khống chế nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu
Cặp nhiệt điện là loại cảm biến đo nhiệt độ, nó có tác dụng chuyển đổi
tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp dựa trên hiện tợng nhiệt điện. Quá trình
xảy ra hiện tợng này nh sau: nếu ta lấy hai dây dẫn khác nhau về bản chất

kim loại và hai sợi dây này đợc hàn chặt hai đầu, khi đốt nóng một đầu thì
trong vòng dây sẽ xuất hiện dòng điện gọi là dòng nhiệt điện. Sự xuất hiện
dòng nhiệt điện này chỉ có thể giải thích bằng hiện tợng khuếch tán các điện
tử tự do. ở đây tồn tại hai hiện tợng đó là hiện tợng khuếch tán điện tử tự do
giữa hai dây dẫn tại điểm tiếp xúc và hiện tợng khuếch tán điện tử trong mỗi
dây dẫn khi có sự chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu dây dẫn.
Cặp nhiệt điện có cấu tạo gồm hai loại dây dẫn A và B khác nhau về bản
chất đợc nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T
1
và T
2
. Khi đó tại điểm
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
41
tiếp xúc có sự khuếch tán điện tử tự do bởi số lợng các điện tử ở đây khác
nhau, làm xuất hiện suất điện động tại điểm tiếp xúc mà điện trờng của nó
chống lại sự khuếch tán điện tử từ phía dây có số lợng điện tử tự do nhiều
sang dây có ít hơn. Giá trị suất điện động tiếp xúc phụ thuộc vào bản chất của
hai dây dẫn và nhiệt độ tiếp xúc. Mặt khác, nếu đốt nóng một đầu của dây dẫn
thì hoạt tính của điện tử tự do ở đầu đốt sẽ tăng lên, giữa hai đầu dây cũng suất
hiện suất điện động, do đó dòng điện tử khuếch tán từ đầu nóng sang đầu lạnh,
hình 2.16 mô tả sự hình thành suất điện động trong vòng dây A-B với điều
kiện số lợng điện tử tự do của dây A(N
A
) lớn hơn số lợng điện tử của dây
B(N
B

), nhiệt độ đầu tiếp xúc là t và đầu kia là t
0
và t > t
0
.

Hình 2.16. Sơ đồ sức điện động
Theo định luật Kêichôp, sức điện động trong vòng dây đợc xác định là:
E = e
AB
(t) - e
A
(t,t
0
) - e
AB
(t
0
) + e
B
(t,t
0
) (2-15)
Sức điện động này sẽ sinh ra dòng điện chạy trong vòng dây. Trong thực
tế, giá trị e
A
(t,t
0
) và e
B

(t,t
0
) rất nhỏ so với e
AB
(t) và e
AB
(t
0
) nên có thể bỏ qua.
Khi đó sức điện động là:
E = e
AB
(t) - e
AB
(t
0
) (2-16)
Nh vậy, sức điện động sinh ra trong các vòng dây tỷ lệ với hiệu nhiệt
độ ở hai đầu dây. Nghĩa là thông qua giá trị suất điện động E đo đợc thì ta sẽ
biết đợc hiệu nhiệt độ ở hai đầu dây. Trong thực tế, cặp nhiệt điện thờng
đợc sử dụng để đo một môi trờng hay vật thể. Nhiệt độ của một đầu đợc
e
A
(t,t
0
)
e
B
(t,t
0

)
e
AB
(t)
e
AB
(t
0
)
.