Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp Module Analog PLC S7200

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

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 MINH ĐỘC 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 1
I – Khái niệm chung 1

II – Các phương pháp đo nhiệt độ 2
III – Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ 17
IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ 20
Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC 25
I – Sơ lược về lịch 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 lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC 30
V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214 30
Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH
36
Phần II : NỘI DUNG
A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 39
I – Yêu cầu- 39
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 39
2 – Mạch điều khiển 43
3 – Mạch giải mã – Hiển thị 48
4 – Thiết bị 51
5 – Nguồn cung cấp 51
6 – Sơ đồ nguyên lý 54
B – PHẦN MỀM 55
1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC 55
2 – Chương trình điều khiển 57
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
PHẦN I:
LÝ THUYẾT
LIÊN 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 định 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 chịu 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 bị 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 thị. 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 thị:
Khâu chỉ thị 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 thị. 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 thị 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 bị 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 trị 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 định 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 trị số R1,R2,R
N
đã biết chính xác,điện trở Rt được xác định.
G
R
B
E
R2

R
N
Rt
R1
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 định Rt phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G. Độ
nhạy của điện kế càng cao ,sự xác định cân bằng càng đúng.
Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,R
N
cũng ảnh hưởng đến sai số của Rt.
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 định 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. Vị trí
đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo vệ) tốt nhất là theo hướng thẳng
đứng. Khi buộc phải đặt hướng vị 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 vị trí đầu đo cần đặt quá tâm ống
(đầu ống ở vị 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 thị 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 trị điện
trở nhất định, 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 trị cao, như vậy với giá trị 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 định 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 định
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 định, 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 bị
phá hủy.
M
O
R
T
A B C
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.
Trị 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.
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 thị 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 định, 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
R
T

O
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
:
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.
A
B
D
C
ΣP=0
oM
TM
A N
TN
o
∫
TM
TN
dThA.
E
TNTM
A
= : söùc ñieän ñoäng Thompson

-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 định.
*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.
- 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 bị 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:
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
+
+Dùng cho lò nung cố định, 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 bị ăn mòn: chọn ống bảo vệ bằng sứ hoặc
thép đặc biệt chịu 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 định 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 định 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 bị 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 trị 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.

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 thị
bằng đồng hồ chỉ thị.
*Sơ đồ mạch cảm biến dùng diode :
I
V
a)
V
I
b)
V2
V1
Vd
I1
I2c)
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.
*Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ:
Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng
điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với
nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín
hiệu điện, ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo.
Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất
bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển
qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho
tỷ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. Kết
quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p-n
(trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo nhiệt độ.
Ví dụ khảo sát cảm biến IC AD590. Cảm biến này tạo ra một dòng điện
thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng đo nhiệt độ trong trường
hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa.
+Sơ đồ nguyên lý IC AD590:
Các transistor Q3 và Q4 có cùng điện áp V
BE
và có dòng cực phát giống
nhau và bằng:

I
E3
= I
E4
=I
T
/2
Dòng điện này đi qua Q4 cũng chính là dòng điện cực phát của Q1 ,nó xác
định điện áp nền-phát là:
V
BE1
= (KT/q).log(I
T
/ 2Io)
Với K : hằng số Boltzmann
T :
0
K
q: điện tích
Io : dòng điện nghịch (thông thường Io << I
T
) khi phân cực thuận.
Dòng điện I
T
/2 đi qua Q3, qua Q2 có điện áp nền-phát là :
V
BE2
= (KT/q).log(I
T
/16Io)

Thực tế Q2 gồm 8 transistor giống Q1, mỗi transistor có dòng điện I
T
/16
Sự sai biệt điện áp giữa V
BE1
và V
BE2
, xuất hiện ở hai đầu điện trở R có
dòng điện I
T
/2 chạy qua là:
V
BE1
– V
BE2
= (KT/q).log8 = R.I
T
/2
=>I
T
= (2/R).(KT/q).log8
*Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng IC AD590:
Dòng điện I
T
tạo nên ở hai đầu điện trở R = 1KΩ một điện áp có trị số bằng
TmV(T là nhiệt độ tuyệt đối của cảm biến).
Nguồn điện áp chuẩn do IC AD580L có E
ref
= 2,5V và nhờ mạch phân áp
tạo ra điện áp có giá trị khoảng 273,15mV với bộ khuếch đại có độ lợi G = 10, ở

ngõ ra tín hiệu Vo tỉ lệ với nhiệt độ của cảm biến (theo
0
C):
Vo = 10(T – 273,15)mV = 10(T
0
C) (mV)
*Đặc tính một số IC đo nhiệt độ thông dụng:
-AD 590:
• Ngõ ra là dòng điện.
• Độ nhạy 1A/
0
K
• Độ chính xác : +4C
• Nguồn cung cấp : Vcc = 4V → 30V
• Phạm vi sử dụng : -55
0
C → 150
0
C
-LX5700:
• Ngõ ra là điện áp
• Độ nhạy : -10mV/
0
C
• Độ chính xác : 3,8K
• Độ tuyến tính :>= 1K
• Phạm vi sử dụng : -55
0
C → 150
0

C
• Loại này ít sử dụng vì độ chính xác thấp.
-LM135, LM235, LM335:
• Ngõ ra là điện áp.
• Độ nhạy : 10mV/
0
C
• Dòng làm việc : 400µA → 500µA : không thay đổi đặc tính.
• LM135 có sai số cực đại là 1,5
0
C khi nhiệt độ lớn hơn 100
0
C.
• Phạm vi sử dụng:
LM335 : -10
0
C → 125
0
C
LM235 : -40
0
C → 140
0
C
LM135 : -55
0
C → 200
0
C
LM35 : -55

0
C → 150
0
C
- LM134, LM234, LM334:
+
-
(Vout)
10mV/
0
C Ngoõ ra
G=10
AD580
Eref=2,5V
10k
200
1k
1k
0,1%
10k
I
T
(V
IN
) ngoõ vaøo
AD590
I
T
R
• Ngõ ra là dòng điện.

• Làm việc với khoảng điện áp rộng : từ 1V → 40V
- LM134-3, LM134-6:
• Tầm nhiệt sử dụng : -50
0
C → 125
0
C.
• Độ chính xác : +3C
- LM234-3, LM234-6:
• Tầm nhiệt sử dụng : -25
0
C → 100
0
C.
• Độ chính xác cao : +6C.
III-GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ:
Về mạch điện đo nhiệt độ rất đa dạng phong phú, từ mạch đo chỉ thị bằng
đồng hồ microampe đến mạch đo chỉ thị số, cũng như bộ chuyển đổi mạch cũng
rất đa dạng.
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn các loại cảm biến
,các mạch chuyển đổi, chỉ thị cho phù hợp.
1-Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt trở:
Sơ đồ nguyên lý như sau:
Mạch điện sử dụng một nhiệt điện trở đưa vào trong nhánh của cầu
Wheatston kéo trực tiếp Ampe kế và không thông qua transistor để chỉ thị nhiệt
độ. Sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm cho điện trở của nhiệt trở thay đổi, làm thay đổi
mức điện áp ngõ ra do đó làm thay đổi dòng dẫn của transistor.
Trong mạch này thì :
R1,R2,R3,R6 : tạo thành cầu Wheatston.
R4 : phân cực ổn định dòng.

R5 : biến trở thay đổi tải ,điều chỉnh dòng qua mA kế.
R3 : biến trở chỉnh 0 (lúc cầu cân bằng)
Cũng có thể dùng mạch này để điều khiển nhiệt độ nếu thay thế microampe
bằng mạch khuếch đại và bộ phận Relay.