chế tạo bộ biến truyền nhiệt độ


TRƯỜNG ĐẠI HỌ C Đ I Ệ N LỰ C(EVNEPU)
“CHẾ TẠO BỘ BIẾN TRUYỀN NHIỆT ĐỘ”
Chủ nhiệm:
TS. HOÀNG NGỌC NHÂN (EVNEPU)
Tham gia:
Ths. Đào Đức Thịnh (HUT)
Ths. Vũ Duy Thuận (EVNEPU)
Ths. Nguyễn Văn Thủy (ENVPPC)




9802
EVNEPU
12
BÁO CÁO ĐỀ TÀI BỘ CÔNG THƯƠNG 2012
2
MỤC LỤC
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN TRUYỀN NHIỆT ĐỘ (Trang 3)
PHẦN 2: VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU ĐIỆN TỪ TRONG NHÀ MÁY, XÍ NGHIỆP CÔNG
NGHIỆP (Trang 16)
PHẦN 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐO SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN,
CHUẨN DÒNG RA 0-20 mA (Trang 22)
PHẦN 4: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM CHO VI ĐIỀU KHIỂN (Trang 37)
PHẦN 5: THIẾT KẾ VỎ BẢO VỆ (Trang 39)
PHẦN 6: KẾT QUẢ (Trang 40)
KẾT LUẬN (Trang 46)
TÀI LIỆU THAM KHẢO (Trang 47)
PHỤ LỤC (Trang 48)
3

PHẦN1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN TRUYỀN NHIỆT ĐỘ
1.1. Giới thiệu:

Trong những năm vừa qua, lĩnh vực vật lý và điện tử đã có những bước phát triển vượt
bậc. Đây là hai ngành công nghệ có ảnh hưởng quan trọng nhất đến sự phát triển của
khoa học kỹ thuật gần đây. Ngày nay, người ta không thể sống thiếu các tiện ích mà công
nghệ mang lại trong cuộc sống hàng ngày. Và sự phát triển chúng trong quá trình điều
khiển công nghiệp cũng kéo theo một nhịp độ như vậy. Sự ra đời và phát triển của vi điều
khiển và các thiết bị điện tử đã góp phần tạo ra sự đổi mới trong quá trình điều khiển
công nghiệp. Những tiến bộ đã dẫn đến một cách thức mới để giám sát, điều khiển và
truyền thông. Trong hai mươi năm qua, điều khiển quá trình, truyền thông công nghiệp
đã phát triển các mạ
ch vòng 4 – 20mA đơn giản đến các chuẩn truyền thông mạnh mẽ
như HART, Foundation Fieldbus và Profibus…đã được sử dụng một cách mạnh mẽ trong
công nghiệp.
Một trong các thiết bị cấp trường được sử dụng một cách rộng rãi là các bộ biến truyền.
Các bộ biến truyền nhiệt độ là một trong những thiết bị hiện trường được sử dụng rộng
rãi nhất trong công nghiệp. Theo khảo sát c
ủa tạp chí Control Engineering thì 92% số
người được hỏi cho biết họ sử dụng bộ biến truyền nhiệt độ để kiểm soát quy trình của
họ. Thậm chí còn ấn tượng hơn, nhiệt độ là đại lượng cơ bản để tính toán các đại lượng
đo khác như lưu lượng, mật độ và các phép đo đa biến khác. Như vậy, các bộ biến truyền
nhiệt độ còn được sử dụng trong nhiều quá trình khác.

Hình 1: Sử dụng bộ biến truyền nhiệt độ trong công nghiệp.
4
1.2. Một số cảm biến và phương pháp đo nhiệt độ:
1.2.1. Một số loại cảm biến [1]
a. Cảm biến nhiệt điện trở.
Chúng ta biết điện trở của vật dẫn thay đổi khi nhiệt độ thay đổi theo công thức sau:

R = Ro ( 1+ αT+βT
2
+…).
Trong đó: R là điện trở ở nhiệt độ cần đo .
Ro là điện trở của nhiệt điện trở 0
o
C ,
α, β là hệ số nhiệt điện trở ( hệ số này phụ thuộc vào bản chất kim loại
dùng làm điện trở ).
Dựa vào tính chất này của vật dẫn người ta dùng để chế tạo RTD. Vì điện trở phản
ứng với nhiệt độ rất chậm nên người ta thường dùng các vật liệu có đáp ứng nhạy với sự
thay đổi của nhiệt độ để sản xuất RTD, chủ yếu là platinum, đồng.
Tùy theo yêu cầu công nghệ mà RTD được chế tạo theo 3 dạng khác nhau: RTD dạng
màng phim mỏng , loại ruột quấn , loại ruột gà.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại RTD như Pt100, Pt200, PT1000, Ni120,
Cu… Thông dụng nhất là Pt100.

Hình 2: Pt100 và thông số dải đo.
Thông số: dải đo -200 đến 800. 0
o
C tương ứng với 100 Ohm.
b. Cặp nhiệt điện.
Chúng ta biết khi 2 thanh kim loại khác nhau về bản chất được nối với nhau tại một điểm
sẽ sinh ra sự chênh lệch điên áp nhỏ mV nhờ vào hiệu ứng Seebeak. Khi nhiệt độ thay đổi
sự khuếch tán điện tử tại điểm nối cũng thay đổi theo dẫn đến điện áp thay đổi. Người ta
lợi dụng tính chất này của kim loại để đo nhiệt độ
. Điểm hai kim loại được nối lại với
nhau gọi là điểm đo ( Mesurement juntion ). Tùy theo yêu cầu công nghệ mà người ta
dùng các loại cặp nhiệt khác nhau , như loại K , loại J .v.v. Điện áp ngõ ra phụ thuộc vào
nhệt độ đầu đo và nhiệt độ tham chiếu (thường là nhiệt độ môi trường nơi đặt cảm biến),

do đó mạch xử lý phải có phần bù nhiệt thường là IC cảm biến nhiệt.
Các loại TC:
5
Bảng 1: Thông số của các loại cặp nhiệt điện

Đặc tuyến:

Hình 3: Đặc tuyến điện áp - Nhiệt độ của các loại cặp nhiệt điện.
c. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn.
Các linh kiện bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ: diode hoặc transitor nối theo kiểu diode.
Điện áp trên diode hoặc giữa 2 mối nối C-E của transitor là hàm của nhiệt độ. Tầm đo
nhỏ hơn so với thermocouples và RTD, do cấu trúc của cảm biến bán dẫn mà người ta
thường sử dụng đo nhiệt độ môi trường với độ chính xác khá cao và có giá thành thấp.

Hình 4: Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (LM35).
6
1.2.2. Các phương pháp đo nhiệt độ [1]
Tùy theo nhiệt độ đo, đặc điểm của đối tượng đo mà người ta phân ra làm:
- Đo tiếp xúc: Thường dải nhiệt thấp, có thể lên đến vài trăm độ.
- Đo không tiếp xúc: Thường dải nhiệt cao
a. Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc.
• Sử dụng nhiệt điện trở:
- Cơ sở: Dựa vào sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính dẫn điện của các kim loại như:
Platin, Niken, đồng … có thể chế tạo cảm biến điện trở. Khi nhiệt độ thay đổi, tính dẫn
điện của kim loại cũng thay đổi. Trong công nghiệp thường sử dụng 2 loại nhiệt điện trở
là dây đồng( Cu) và dây Platin( Pt). Các mạch đo dùng trong nhiệt điện trở R
t
thường
dùng mạch đo 2 dây và 3 dây.
+ Mạch đo dùng 2 dây: chỉ dùng khi vị trí điểm đo tới đồng hồ khoảng cách cần từ 3m

đến 5m.

Hình 5: Sơ đồ mạch đo dùng 2 dây.
Trong đó: R
t
là cảm biến nhiệt điện trở.
R
d
điện trở của dây dẫn kéo dài.
r
1,
r
2
là điện trở con trượt trong máy đo.
Tại nhiệt độ O độ C, điều chỉnh biến trở để cầu cân bằng, khi đo đồng hồ hiển thị là O.
Khi nhiệt độ thay đổi, cầu sẽ mất cân bằng, từ giá trị điện áp hiển thị trên M-D (hình 5) sẽ
tính được nhiệt độ cần đo.
+ Mạch đo 3 dây:
Để giảm ảnh hưởng của điện trở dây đến kết quả đo, người ta sử dụng cầu 3 dây như hình
6. Về nguyên lý cũng dựa vào hoạt động của cầu giống như cầu 2 dây.
7

Hình 6: Sơ đồ mạch đo dùng 3 dây.
• Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện
- Nguyên lý đo: Dùng 2 thanh kim loại khác nhau về bản chất nối 2 đầu với nhau, sau đó
đưa vào môi trường nhiệt độ. Khi được nung nóng thì trong vòng dây sẽ xuất hiện dòng
điện, dòng điện này do sức điện động trong vòng dây sinh ra:


Hình 7: Cặp nhiệt điện.

E
đ
= k(T
x
-T
0
)
Trong đó: E
đ
là sức điện động đo được, k là hệ số nhiệt của cặp nhiệt điện, Tx, To là
nhiệt độ điểm cần đo và nhiệt độ đầu tự do (thường là nhiệt độ môi trường).
- Phương pháp này có ưu điểm là đo được nhiệt độ ở môi trường có nhiệt độ cao. Tuy
nhiên nó có nhược điểm là sai số tương đối lớn khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Để khắc
phục nhược điểm này người ta sử dụng cách bù trừ nhiệt độ đầu tự do như sau:
+ Ổn định nhiệt độ môi trường (phương pháp này chỉ dùng trong phòng thí nghiệm).
+ Dùng dây bù : Dùng dây bù có tính chất giống nhau( giống dây làm cặp nhiệt điện)
kéo về nơi có nhiệt độ tương đối ổn định để lắp đồng hồ.
+ Dùng cầu bù: Cầu bù được tạ
o nên bởi 4 điện trở được nối với nguồn 1 chiều và
được mắc với nguồn 1 chiều. Thông thường trong thiết bị đo nhiệt độ người ta có thể
dùng cầu bù. Sơ đồ hệ thống cầu bù như sau:
8


Hình 8: Mạch đo sử dụng mạch cầu bù.
R
t
là điện trở bằng dây đồng thay đổi theo nhiệt độ môi trường.
R
1

,R
2
,R
3
là các điện trở manganin (không thay đổi theo nhiệt độ môi trường)
Ở nhiệt độ hiệu chỉnh, cầu cân bằng điện áp ra trên đường chéo bằng không.Khi nhiệt
độ đầu tự do thay đổi t’
0
# t
0
điện áp ra của cầu bù vào sức điện động mất đi nhiệt độ
thay đổi.

Hình 9: Mạch đo sử dụng LM35 để bù nhiệt độ.
- Ưu điểm của TC là rẻ, dễ chế tạo, thang đo lớn.
- Nhược điểm : do điện áp không tuyến tính với nhiệt độ nên độ chính xác không cao.
Ngoài điểm đo , 2 điểm nối sensor với cơ cấu hiển thị cũng sinh ra điện áp ( 2 điểm này
gọi là hot juntion và cold juntion). Để bù điện áp này người ta phải lắp thêm mạch bù
trong cơ cấu hiển thị.
9
Dựa vào nguyên lý trên chúng ta có thể xếp các loại cảm biến vào loại RTD hay TC.
Ngoài ra chúng ta còn nhiều phương pháp đo nhiệt độ nhưng chủ yếu là dạng cơ được
xếp vào loại nhiệt kế, như: nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế dùng silicon lỏng dạng ống
bourdon, súng bắn nhiệt độ phân tích nhiệt độ theo quang phổ của nguồn nhiệt .v.v.
b. Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc.
Nguyên lý của phương pháp đo không tiếp xúc dựa vào bức xạ nhiệt của đối tượng cần
đo. Mỗi một đối tượng đều bức xạ ra nhiệt hoặc khi đối tượng có nhiệt đều bức xạ ra
bước sóng hồng ngoại, căn cứ vào lượng nhiệt bức xạ hoặc bước sóng bức xạ có thể tính
được nhiệt của đối tượng cần đo.
Hiện nay, có một số thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc sử dụng nguyên lý trên: hỏa kế

quang học, hỏa kế quang điện, hỏa kế bức xạ toàn phần…
1.3. Khái niệm về bộ biến truyền:
Transmitter có thể được dịch là bộ biến truyền, nó có hai chức năng:
 Biến đổi một đại lượng vật lý sang dạng tín hiệu điện.
 Xử lý tín hiệu, hiển thị tại chỗ và biến tín hiệu cần đo thành chuẩn dòng hoặc áp
hoặc là các chuẩn truyền thông công nghiệp để truyền đi xa.

Các transmitter có thể có hiển thị tại chỗ hoặc không, có thể cài đặt thông số.

Temperature Transmitter (bộ biến truyền nhiệt độ) : được định nghĩa như một bộ
biến truyền kết hợp với công nghệ cảm biến nhiệt độ với các thiết bị điện tử ngoại vi.
Thông thường các thiết bị điện tử này cho phép giám sát từ xa và cấu hình các tham số
truyền. Đây là thiết bị công nghiệp dùng để chuyển đổi tín hiệu đo từ các cảm biến nhiệt
độ (RTD,TC…) thành tín hiệu chuẩn(0 – 5 V, 0 – 20mA, 4 – 20mA, chuẩn HART,…) để
đưa tới các thiết bị điều khiển hay hiển thị…
1.4. Một số loại biến truyền phổ biến trên thị trường:
Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều hãng tham gia sản xuất bộ biến truyền nhiệt độ
với các tính năng từ đơn giản đến rất tinh vi. Giao thức truyền thông của các bộ biến
truyền trên thị trường cũng rất đa dạng, từ chuẩn dòng 2 dây 4-20mA (HART), Profibus
PA, FOUNDATION Fieldbus,… tới wireless.
1.4.1. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Siemens:
Được sử dụng trong các ứng dụng đo và giám sát nhiệt độ. Có một số tính năng đặc biệt
như sau: được sử dụng nhiều nơi mà các bộ biến truyền khác không sử dụng được, tiết
kiệm, thiết lập nhanh và thân thiện với người sử dụng.
10
Bảng 2: Các bộ biến truyền và thông số điển hình [2]
Loại Bộ biến truyền hiện trườn
(SITRANS TF)
Kết nối đầu
(SITRANS TH200)

Kết nối thanh ray
(SITRANS TR200)
Hình ảnh
Đầu vào RTD và TC Pt100 RTD và TC
Đầu ra 4-20mA với chuẩn
HART, ProfibusPA,
Foundation Fieldbus
4- 20mA 4-20mA
Độ chính
xác
0.1
o
C với pt100 0.1
o
C với pt100 0.1
o
C với pt100
Tính năng Giá trị cảm biến đo được
hiển thị tại chỗ trên màn
hình số
Có thể kiểm tra trực tiếp
tín hiệu ra.
Đo nhiệt độ với đầu ra
tuyến tính.
Thiết kế mỏng,lý
tưởng cho việc nâng
cấp của đầu dò Pt100
với tín hiệu 4-20mA.
Đo nhiệt độ với đầu ra
tuyến tính. độ chính

xác cao.
Khả năng tương thích
điện từ (EMC) theo
DIN EN61.326 và
NE21.

1.4.2. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Emersonprocess:
Bộ biến truyền nhiệt độ Emersonprocess được thiết kế để đo và giám sát nhiệt độ. Cụ
thể như sau: đáp ứng các yêu cầu đo lường đơn điểm phổ biến có độ tin cậy cao và chức
năng tiên tiến.
11
Bảng 3: Các bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Emersonprocess [3]
Loại Rosemount 248 Rosemount 644 Rosemount 3144P
Hình ảnh


Đầu vào 2-,3-,4-dây RTD,
cặp nhiệt điện.
2-,3-,4-dây RTD, cặp
nhiệt điện.
Thiết lập 2 ngõ vào độc
lập. 2-,3-,4-dây RTD, cặp
nhiệt điện.
Đầu ra Theo chuẩn HART
2-dây,tuyến tính
với nhiệt độ hoặc
tín hiệu đầu vào 4-
20mA/HART
HART hoặc
FOUNDATION

fieldbus hoặc
Profibus PA
4-20 mA/tính hiệu HART
hoặc FOUNDATION
fieldbus
Độ chính
xác
0.2
o
C 0.15
o
C cho Pt100 0.1
o
C cho Pt100
Tính năng Dễ dàng cài đặt và
gỡ bỏ với cho phí
thấp.
Làm việc ổn
định.Dùng chuyển
đổi tín hiệu nhiệt
Khả năng tương
thích với các cảm
biến phổ biến.
Sự kết hợp bộ biến
truyền và cảm biến
giúp cải thiện
Một cảm biến đơn và một
cảm biến kép trong cùng
một bộ biến truyền.
Tăng loại bỏ EMI và lọc

kết quả trong trường hợp
không ổn định khi đo.

1.4.3. Bộ biến truyền nhiệt độ của Yokogawa Electric Corporation:
Một số tính năng quan trọng tiến bộ hơn so với các sản phẩm kết nối dây trực tiếp cùng
loại:
- Loại bỏ các yêu cầu calib đặc biệt.
- Bảo trì và kỹ thuật đơn giản.
- Cho phép chuẩn đoán tiên tiến.
12
Bảng 4: Bộ biến truyền nhiệt độ của Yokogawa Electric Corporation [4]
Loại
YTA50/YTA70

YTA110/YTA310/YTA320

Hình ảnh


Đầu vào RTD và TC YTA110/YTA310: đầu vào đơn;
YTA320: đầu vào kép.
Loại đầu vào: Cặp nhiệt điện(B, E, J,
K, L, N, R, S, T, U, C, D), RTD.
Đầu ra 2 dây 4-20mA 2 dây 4-20mA hoặc tín hiệu
FOUNDATIONFieldbus(YTA320).
Độ chính xác YTA50: ±0.2
o
C (0.36
o
F)

YTA70: ±0.1
o
C (0.18
o
F)
YTA110: ±0.1% thang đo.
YTA310/320: ±0.05% thang đo.
Tính năng Công nghệ cảm biến trên cơ
sở vi điều khiển, đảm bảo
độ chính xác và ổn định
cao.
Cảm biến đầu vào: cặp
nhiệt điện, RTD, Ohms, DC
milivolt.
Giao thức truyền thông:
HART
Công nghệ cảm biến trên cơ sở vi
điều khiển, đảm bảo độ chính xác và
ổn định, tin cậy cao.
Cảm biến đầu vào: cặp nhiệt điện,
RTD, Ohms, DC milivolt.
Giao thức truyền thông: BRAIN và
HART. YTA320 hỗ trợ
FOUNDATION Fieldbus.
YTA320 cho phép hai T/C, RTD,
Ohm, DC milivolt.

1.4.4. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng ABB:
Chức năng của bộ biến truyền nhiệt độ ABB là khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến,
trực tiếp hay liên quan tới các sản phẩm mạ kẽm cách nhiệt. Các tín hiệu có thể dễ dàng

được truyền đi qua một khoảng cách dài tới các khối vào/ra của hệ thống điều khiển hay
các bộ điều khiển quá trình.
13
Bảng 5 : Các bộ biến truyền nhiệt độ của hãng ABB [5]
Loại TTH200 TTR200
Hình ảnh


Đầu vào RTD và TC RTD và TC
Đầu ra 4- 20mA 4- 20mA
Độ chính xác ±0.05% thang đo ±0.05% thang đo
Tính năng - Giám sát cảm biến
liên tục và tự giám sát
- Giám sát điện áp
nguồn
- Giám sát sự ăn mòn
và đứt dây
Tùy chỉnh lỗi cảm biến
- Giám sát cảm biến
liên tục và tự giám sát
- Giám sát điện áp
nguồn
- Giám sát sự ăn mòn
và đứt dây
Tùy chỉnh lỗi cảm biến

1.4.5. Bộ biến truyền nhiệt độ của hãng Honeywell:
- Bộ biến truyền nhiệt độ thông minh STT3000 giúp chuyển đổi tín hiệu mức thấp từ
các cảm biến nhiệt độ như RTD và TC thành tín hiệu hiện tại và có khả năng truyền xa
qua môi trường nhà máy ồn ào.

- Bộ biến truyền nhiệt độ STT3000 giúp đo nhiệt độ đáng tin cậy, chính xác và ổn
định trên trên các ứng dụng giám sát, kiểm soát và an toàn. Nó được ứng dụng rộng dãi
trong các lĩnh vực giám sát nhiệt độ khí thải, trong các quá trình làm nóng l
ạnh v.v…
14
Bảng 6: Các bộ biến truyền của hang Honeywell [6]
Loại STT 3000 Smart Temperture
STT170 ( STT17H).

STT 3000 Series STT250
Hình ảnh


Đầu vào RTC, TC… RTC,TC…
Đầu ra Giao thức truyền thông
HART, dòng chuẩn 4-
20mA.
Giao thức truyền thông
HART, dòng chuẩn 4-20mA.
Thiết lập Cấu hình bằng cách sử dụng
công cụ cấu hình STT17C
và máy tính hoặc cách thức
giao tiếp truyền thông
HART.
Sử dụng phần mền
Độ chính xác ± 0.1% theo dải đo. 0.025% theo giải đo.
Tính năng Có thể lập trình cung cấp
giải pháp hiệu quả về các
ứng dụng giám sát nhiệt độ.
Dùng để theo dõi và kiểm

soát nhiệt độ trong các ứng
dụng sưởi ấm, thiết bị y tế. có
khả năng truyền xa qua môi
trường ồn ào

1.5. Nhiệm vụ thư:
Tại Việt Nam một số công ty đã chế tạo được thiết bị đo nhiệt độ nhưng chưa có đơn vị
nào sản xuất bộ biến truyền nhiệt độ mà có thể thương mại hóa và kiểm chuẩn. Vì vậy, đề
tài hướng tới việc nghiên cứu, thiết kế “Bộ biến truyền nhiệt độ” sử dụng trong công
nghiệp, xây dựng một sả
n phẩm có tính thực tiễn cao.
Có các thông số cụ thể như sau:
Bộ biến truyền nhiệt độ (STT-EPU01)
- Dòng ra 4-20 mA hoặc 0-20 mA
- Đo tại chỗ qua LCD
15
- Dải đo 0-600 deg C
- Độ chính xác +-1 deg C
- Sử dụng nhiệt điện trở hoặc cặp nhiệt điện.
- Nguồn cung cấp 24 VDC



16
PHẦN2: VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU ĐIỆN TỪ TRONG NHÀ MÁY, XÍ
NGHIỆP CÔNG NGHIỆP
Tùy theo quy mô, công nghệ… của các nhà máy, xí nghiệp mà các thiết bị điện, điện tử
được sử dụng nhiều hay ít. Các thiết bị này hoạt động hoặc liên tục theo thời gian, hoặc
đóng cắt theo chu kỳ. Khi các thiết bị điện, điện tử hoạt động sẽ bức xạ ra các sóng điện
từ với cường độ khác nhau. Việc giao thoa song điện từ dẫn đến cường độ bức xạ càng

lớn lên, càng có thể ảnh hưởng đến sự hoạt động bình thường của các thiết bị điện, điện
tử, đặc biệt là các thiết bị đo lường, điều khiển sử dụng các tín hiệu điện rất thấp.
Các thiết bị đo lường, điều khiển (thiết bị cấp trường) thường hay gắn với cơ cấu chấp
hành và đối tượng giám sát…, nơi trực tiếp chịu ảnh hưởng bởi môi trường công nghiệp:
ô nhiễm môi trường, độ ồn, và cường độ nhiễu điện từ lớn. Việc chống nhiễu điện từ cho
các thiết bị cấp trường này là đặc biệt quan trọng giúp cho hệ thống hoạt động ổn định
với độ chính xác cao.
Các nguồn nhiễu chính trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp:

- Nhiễu về âm thanh, độ ồn
Qua khảo sát ở các nhà máy xí nghiệp công nghiệp, cũng như tham khảo ở các tài liệu
kỹ thuật của các tải sử dụng. Chúng ta thấy dải nhiễu gây ra bởi độ ồn được thống kê
trong bảng sau:
Bảng 7: Cường độ nhiễu âm thanh của các thiết bị công nghiệp

Các thiết bị sử dụng
Cường độ nhiễu âm thanh (dB)
80 85 90 95 100 105 110 115 120
1. Các thiết bị thủy lực công suất (búa, máy
nghiền…)

2. Các máy tạo khuôn
3. Thiết bị thổi khí, làm sạch
4. Máy nén khí
5. Máy phát hơi nước
6. Bơm
7. Máy biến áp

17

- Ô nhiễm môi trường
Môi trường công nghiệp đặc biệt có ảnh hưởng đến chu kỳ sống của các thiết bị
điện, điện tử nói chung và các thiết bị đo lường điều khiển nói riêng. Đặc biệt
trong các nhà máy có khí thải có chứa thành phần NOx và SOx, các thành phần
này kết hợp với độ ẩm để tạo thành axit ăn mòn thiết bị và ảnh hưởng trực tiếp
đến hoạt động của thiế
t bị.
Chính môi trường này, việc thiết kế vỏ bảo vệ cho thiết bị đo lường điều khiển
đặc biệt quan trọng. Vỏ này ngăn cản việc oxi hóa do khí thải gây nên.
- Nhiễu điện từ trường EMI
Trong môi trường công nghiệp, việc giao thoa sóng điện từ trường
(Electromagnetic Interference EMI) có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của các
thiết bị điện, đặc biệt là các thiết bị có tín hiệu bé như thiết bị đo lường, điều
khiển.
Để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định trong môi trường có nhiễu EMI lớn, đòi
hỏi tín hiệu phả
i được lọc và thiết bị được bảo vệ . Việc lọc tín hiệu có thể sử
dụng các phần tử lọc:
• Lọc thụ động: Dùng các phần tử RLC, đặc điểm của phương pháp này là nó
tiêu thụ năng lượng . Việc lọc này chủ yếu sử dụng cho lọc nguồn và lọc tín
hiệu sơ cấp đầu vào .
• Lọc tích cực: Dùng các bộ biến đổi tín hiệu, ưu điểm của phương pháp này là
không tiêu thụ năng lượng .
• Lọc số: Tín hiệu được số hóa và mã hóa, việc truyền tin được truyền đi kèm
theo mã kiểm tra lỗi …
Đối với nhiễu điện từ có cường độ lớn và dải tần số rộng, việc sử dụng bộ lọc
(Tương tự hay số) đều không hiệu quả, do vậy đòi hỏi thiết bị phải được bảo vệ
trước nhiễu điện từ. Ngày nay, nhiều nghiên cứu mới có sử dụng lớp vật liệu mới
nhẹ, có thể tổng hợp được mà độ dẫn điện tương đối cao có tính năng bảo vệ song
điện từ trường tốt như các loại polymer dẫn điện: Polyaniline, …

Tuy nhiên các polymer dẫn này không bền trước nh
ững tác động của môi trường
công nghiệp cũng như những va chạm cơ khí . Chính vì vậy các loại polymer dẫn
này trong thực tế cũng ít được ứng dụng trong việc bảo vệ song điện từ cho các
thiết bị cấp trường hoặc chỉ tham gia hỗ trợ trong vai trò bảo vệ song điện từ .
Màn chắn song điện từ bằng kim loại trước đây cũng đã đượ
c sử dụng trong việc
thiết kế vỏ bảo vệ sóng điện từ. Tuy nhiên việc lựa chọn loại kim loại và độ dày
của kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ song điện từ (vừa đáp ứng
được chuẩn về bảo vệ song điện từ vừa có độ dày bé nhất để giảm chi phí).
18
Trong thiết kế này, chúng tôi sẽ mô phỏng hệ số bảo vệ song điện từ trong dải
rộng trong việc thiết kế màn chắn từ cho phù hợp với chuẩn về bảo vệ song điện
từ .
Trong đề tài này, việc nghiên cứu chắn song điện từ cho thiết bị điện điện tử là quan
trọng, vì trong nhà máy công nghiệp, nhiễu điện từ ả
nh hưởng rất lớn đến hoạt động của
các thiết bị cấp trường.
1. Cơ sở lý thuyết của sóng giao thoa với vật liệu:
Hệ số bảo vệ SE
Hệ số bảo vệ sóng điện từ SE của vật liệu được tính bằng tỷ số giữa công suất
truyền qua ( Pt ) bề mặt vật liệu và công suất của sóng tới (Pi) trình bày theo đơn vị
decibel [7].
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
i
t
i
t
i
t
H
H
E
E

P
P
SE log.20log.20log10
(1)
Trong đó, Ei, Hi là trường tới và Et, Ht là trường truyền qua vật liệu.
Khi một sóng tới truyền đến vật liệu thì nó có thể được chia thành ba phần:
phần phản xạ, hấp thụ và phản xạ liên tục bên trong vật liệu. Những phần này có thể
ít hay nhiều tác động đến SE hoàn toàn phụ thuộc vào đặc tính vật lý của vật liệu. SE
cũng có thể được mô tả bởi tổng hệ số phản xạ SE
R
, hấp thụ SE
A
, phản xạ lien tục
SE
M
[7] như mô tả trong hình 1.
SE = SE
R
+ SE
A
+ SE
M
(2)
Hệ số bảo vệ cũng được
trình bày theo hệ số truyền qua
T :
TSE log.20=
(3)

Trong thực tế, đo hệ số truyền

qua để tính SE.







Tính toán hệ số bảo vệ đối với một cấu trúc dẫn điện phẳng, đồng nhất

Trong bài toán này, chúng ta nghiên cứu sóng tới dạng phẳng và vuông góc
với cấu trúc đồng nhất, đẳng hướng với độ dẫn điện cao ( 0)/(
0
>>
ωε
σ
hoặc
SE>15dB) [8]. Với vật liệu như vậy việc tính toán chiều dày thẩm từ δ là rất
quan trọng giúp cho phân loại vật liệu dẫn điện “mỏng” và “dày” [9].
Chiều dày thẩm từ được tính như sau:
Sóng truyền
qua(T)
Phản xạ liên
tục (M)

Hấp thụ (A)
(A)
Sóng tới
Sóng phản
xạ (R)

Vật liệu
Hình10:Giaothoa sóng – vật liệu
19
(4)
Trong đó σ, µ, ω lần lượt là độ dẫn điện, từ thẩm và tần số góc.
Nếu d<δ, trường hợp này, người ta gọi là vật liệu dẫn điện “mỏng”, khi ấy SE
được tính như sau:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+=
2

1log20
0
dZ
SE
σ
(5)
Trong đó Z
o
là tổng trở sóng của không khí bằng 377 , d là chiều dày của vật
dẫn.
Nếu d>δ, trường hợp này, người ta gọi là vật dẫn điện “dày” và SE được tính như
sau:
e
d

SE log20
16
log10
0
δεω
σ
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
(6)
Trong đó ε
o
là hằng số điện môi của không khí.
Khi độ dẫn điện và chiều dày của vật dẫn được biết trước, ứng với mỗi tần số cho
trước chúng ta hoàn toàn có thể tính được hệ số bảo vệ sóng điện từ theo công
thức (5) hoặc (6).

2. Mô phỏng hệ số bảo vệ sóng của kim loại trong dải tần rộng
a. Trường hợp vật dẫn là cấu trúc phẳng, đồng nhất, đẳng hướng, sóng tới
vuông góc với vật dẫn:
Đối với một số kim loại điển hình, hay được sử dụng như màn chắn từ, chúng tôi
liệt kê ở bảng 1, với độ dẫn điện của nó .
Bảng 8. Độ dẫn điện của một số kim loại điển hình

Vật liệu Độ dẫn điện (S/m)
Đồng (Cu) 581395
Nhôm (Al) 354610
Sắt (Fe) 100000

Đối với cấu trúc phẳng là kim loại thể hiện trong bảng 8, khi chiều dày
d=0,1mm, hệ số bảo vệ sóng điện từ theo tần số được trình bày trong hình 11.
Đối với vật dẫn điện “mỏng”, hệ số bảo vệ sóng điện từ là hằng số, không phụ
thuộc vào tần số. Còn đối với vật dẫn điện “dày”, hệ số bảo v
ệ sóng điện từ sẽ tăng
theo tần số.

20

Hình 11. Hệ số bảo vệ sóng điện từ theo tần số của Cu, Al, Fe với chiều dày 0.1
mm

Hình 4 mô phỏng hệ số bảo vệ sóng điện từ theo chiều dày. Chúng ta thấy, khi chiều
dày tăng, thì hệ số bảo vệ sẽ tăng theo luật log. Từ hình 4, chúng ta hoàn toàn có thể lựa
chọn chiều dày tối ưu cho mỗi vật liệu cũng như mỗi ứng dụng về b
ảo vệ sóng điện từ.
Chẳng hạn với Cu, khi cần ứng dụng với SE>40dB thì chúng ta hoàn toàn có thể tính
được chiều dày tối thiểu là 0,001 mm. Còn với Al, thì chiều dày tối thiểu phải là 0,0015
mm và Fe là 0,006 mm. Tương tự như vậy đối với ứng dụng cần SE>80dB thì chiều dày
tối thiểu của Cu là 0,1 mm, của Al là 0,15 còn của Fe là 0,55 mm.


Hình 12. Mô phỏng hệ số bảo vệ theo chiều dày của Cu, Al và Fe.

Dựa vào kết quả mô phỏng này, chúng ta có thể lựa chọn chiều dày của vật liệu

tương ứng với hệ số bảo vệ song điện từ yêu cầu . Ví dụ đối với hệ số SE yêu cầu >40
dB, thì đồng chỉ cần chiều dày 0,001mm, nhôm cần chiều dày tối thiểu là 0,002mm và sắt
cần chiều dày tối thi
ểu là 0,005mm.
21
Đây là cơ sở lý thuyết đặc biệt qua trọng để thiết kế vỏ bảo vệ song điện từ cho biến
truyền nhiệt độ. Cơ sở nghiên cứu này đã được trình bày trong báo cáo khoa học tại tạp
chí HVKTQS số 148/2012 [10].

22
PHẦN3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐO SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN,
CHUẨN DÒNG RA 0-20 mA
I. Yêu cầu cho thiết kế phần cứng của transmitter:
- Nguồn nuôi: 10-30 VDC
-Đầu vào : Đầu vào có thể lựa chọn các loại cảm biến sau
+ Nhiệt điện trở: Pt100, Ni120, Ni100, Cu100, Cu50; 2 hay 3 dây (hiện mới
chuẩn định được Pt100)
+ Cặp nhiệt điện: B,J,K,R,S,T (hiện mới chuẩn định được kiểu K)
- Dải đo nhiệt độ: 0-600
o
C độ chính xác ± 1
o
C
- Đầu ra: 0-20 mA hay 4-20 mA trở kháng 750 Ohms.
- Hiển thị và bàn phím: LCD 8*2 ký tự 3 phím chức năng.
II. Sơ đồ khối của transmitter:
Để thực hiện các chức năng trên của transmitter ta có sơ đồ khối của thiết bị như sau:

Hình 13 : Sơ đồ khối của bộ biến truyền nhiệt độ
Mạch đầu vào bao gồm các mạch đo và ADC:

23
- Mạch đo điện trở nhiệt (RTD) sử dụng mạch cầu tuyến tính và mạch khuyếch
đại.
- Mạch đo cặp nhiệt độ (TC) sử dụng mạch khuyếch đại cho tín hiệu cặp nhiệt
điện.
- Mạch đo nhiệt độ môi trường (Temp) sử dụng cảm biến nhiệt độ số giao tiếp
một dây để ghép nối trực tiếp với uC.
- MUX và ADC d
ồn kênh tín hiệu và biến đổi thành số để có thể xử lý bằng uC.
Mạch chính bao gồm mạch uC và mạch đầu ra và cấp nguồn:
- Vi xử lý dùng Micro Controller loại ATMEGA32.
- DAC biến đổi số ra điện áp và mạch áp/dòng đưa ra dòng điện của tín hiệu.
-Mạch hiển thị sử dụng LCD hai hàng 8 ký tự, bàn phím sử dụng 3 phím chức
năng FUN, UP, DOWN.
- Mạch nguồn cấp điện áp +Vcc, +5V và -5V cho các mạch điện khác.
24
III. Thiết kế các mạch:
1. Mạch cầu và khuyếch đại cho cảm biến RTD:
RTD sử dụng chủ yếu trong thực tế là loại Pt100. Dải đo từ 0-600
o
C tương ứng
với điện trở của Pt100 và 100-350 Ω. Đầu ra điện áp 0-2.56V đưa vào ADC. Do điện trở
thay đổi trong phạm vi lớn nên ta sử dụng mạch cầu tuyến tính và khuyếch đại để có điện
áp ra như trên.
3
2
1
411
U7A
LM324

12
13
14
U7D
LM324
+5
-5
1
2
3
J2
CO N3
C13
0.1
C14
0.1
C15
0.1
R34
100/0.1%
R35
100/0.1%
R33
100/0.1%
VCAU
R36
10K
D51
1N4 148
D41

1N4 148
+
5
R37
10K
R38
33K
R39
10K
RTD 1

Hình 14: Sơ đồ mạch đầu vào của cảm biến nhiệt điện trở RTD
Mạch cầu gồm 3 điện trở cố định R33, R34, R35 100Ω sai số 0.1%. Cảm biến Pt100
được nối với cầu thông qua jack J2. mạch cảm biến sử dụng 2 dây hoặc 3 dây để có độ
chính xác cao. Các tụ C13, C14, C15, điện trở R36 và diode D41, D51 để lọc nhiễu và
bảo vệ đầu vào của mạch đo phía sau. M
ạch được cấp bởi điện áp VCAU=0.512V. Điện
áp này được lấy từ Vref của ADC để bù sự thay đổi điện áp cấp cho cầu đảm bảo độ
chính xác cao. Mạch cầu sử dụng mạch cầu tuyến tính bù bằng OPAM LM324. Thông số
LM324 như trong phần phụ lục.Điện áp ra của cầu là:

∆R
max
= 250 Ω →

Vây hệ số khuyếch đại của mạch khuyếch đại sẽ là:

Để dảm bảo thang đo không bị tràn ta lấy hệ số khuyếch đại nhỏ hơn 4. Hệ số khuyếch
đại của mạch là 3.3.
2. Mạch đo cảm biến cặp nhiệt điện:

25
Thông số của các cặp nhiệt điện thông dụng:
Bảng 9: Thông số của cặp nhiệt điện thông dụng

Ta thấy các cặp nhiệt điện hay sử dụng B,K,R,S có điện áp ra trong dải 0-600
o
C và 0-
24.6mV. Do đó hệ số khuyếch đại của mạch khuyếch đại cho cặp nhiệt có K=101.