GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG BẰNG CẶP CẢM BIẾN NHIỆT NGẪU

Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ Môn ĐLĐK
BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN
MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ
ĐỀ TÀI:GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG BẰNG CẶP CẢM BIẾN
NHIỆT NGẪU

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN THU HÀ
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Phúc
Nguyễn Huy Phương
Nguyễn Hữu Phương
Nguyễn Thế Quang
Lê Đức Quảng

0841 240 098
0841 240160
0841 240 159
08412 40165
0841 240 094

Lớp: ĐH TĐH2_K8

NỘI DUNG
Đề Tài:Dùng cảm biến nhiệt ngẫu giám sát nhiệt độ từ :
Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = (100 + n)°C

1


- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với
1. I=0 ÷ 20mA
2. n: là số dư của phép chia tổng số cuối cùng trong mã Sv trong nhóm
cho 10

Phần Thuyết Minh
Yêu cầu bố cục nội dung:
Chương 1: Tổng quan về mạch đo
Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính
Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo
-

Tính toán,lựa chọn cảm biến
Tính toán, thiết kế mạch đo
Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
Dùng phần mềm mô phỏng mạch

Chương 1: Tổng quan mạch đo
I.Tổng quan.
Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời sự nóng bỏng
nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă đang từng ngày
thâm nhập vào đời sống của chúng ta .Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng
thường ở dạng tương tự .Do đó muốn xử lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta
phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số .
Xuất phát từ ý tưởng đó, chúng em đã thưc hiện việc xây dựng một mạch điện
đo nhiệt độ hiển thị bằng cơ cấu điện từ Vol-Ampe.Mạch này chỉ mang tính chất
thử nghiệm thưc tế về vấn đề chuyển đổi U-I , vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và

vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện
Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ
Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp
2


+Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện
đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo.
+Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi
trường cần đo(áp dụng với trường hơp đo ở nhiệt độ cao ).
Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không
phải ở quá cao.( 0 – 91)
Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp
nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở.
Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như
dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến
nhiệt độ. Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng cặp
nhiệt ngẫu.
.Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu :
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng
nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất
hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt
độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức
điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu
một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai
cực xuất hiện một hiệu điện thế
·
Nhiệt độ đầu tự do t0 đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn 0
nhưng thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết .Phương pháp khắc phục :có 2
phương pháp : giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt. Với cách thứ

nhất ta chỉ việc ngâm đầu đo vào nước đá cũng có cách thứ 2 :khi nhiệt độ thanh tư
do thay đổi
thay đổi làm cho mạch bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện
điện áp
Ta có :

bù vào sức điện động bị thay đổi.
( , )=

( , )+

II.Hình thành sơ đồ khối
1. Sơ đồ khối.
3


Mạch đo gồm có 6 khối cơ bản :
1. khối cảm biến
2. mạch khuếch đại
3. mạch so sánh
4. khối chỉ thị
5. khối cảnh báo
6. mạch chuyển đổi u sang i
Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

Khối Chỉ thị

Chuyển đổi U
sang I
T0

Cảnh báo

U đặt

4


II.Chức năng của các khối trong mạch đo:
a, Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện
thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng. ở đây ta dùng cảm biến nhiệt
ngẫu để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp.
b, Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì
tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa
vào các mạch điện khác.
c, Mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra
khối sau. Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá
nhiệt độ.
d, Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu điện áp sang tín hiệu
dòng điện để hiển thị ra .
e, khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với
nhiệt độ cho phép.
Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở
kim loại.

III.Tổng quan mạch đo
3.1 Mạch đo
Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà
chọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thông số cần đo thành
đại lượng điện hay điện áp
U=0

10V

I=0÷20mA

5


Sau đó qua bộ lọc và khuếch đại tín hiệu
Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi U-I để đưa vào cơ
cấu hiển thị.0
3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ
Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường,
không có điện trong đại lượng cần đo
- Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:
+ Dải mức thấp
+ Dải mức trung bình
+ Dải mức cao
Nhiệt độ được đo với các cảm biến hỗ trợ như
+ Cặp nhiệt kế
+ Nhiệt điện kế kim loại
+ Nhiệt điện trở kim loại
+ Nhiệt điện trở bán dẫn
+ Cảm biến thạch anh.

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính
I . Các linh kiện có trong mạch
1.Cặp nhiệt ngẫu TCK

6

Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp
1.1.Cấu tạo :
1) Vỏ bảo vệ: 2) Mối hàn :3) Dây điện cực :4) Sứ cách điện:
5) Bộ phận lắp đặt: 6) Vít nối dây: 7) Dây nối; 8) Đầu nối dây.
Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí
hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít
nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người ta dùng các
ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở
nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng
sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ
để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá
nhỏ nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm
việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp.
1.2.Vật liệu chế tạo điện cực
1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi
7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben
- Cặp Platin - Rođi/Platin:
7


Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. Nhiệt độ
làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600oC , Eđ =16,77mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn
<1300oC. Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300oC thì E ˜
0.
Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100oC.
Đường kính điện cực thường chế tạo φ = 0,5 mm.
Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này
thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn.

- Cặp nhiệt Chromel/Alumel:
Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cực âm là
Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si).
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100oC, Eđ = 46,16 mV.
Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC.
Đường kính cực φ= 3 mm.
- Cặp nhiệt Chromel/Coben:
Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800oC, Eđ = 66 mV.
Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC.
- Cặp nhiệt Đồng/Coben:
Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC.
Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC.
Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo.

1.2 Điện trở , biến trở .
a.Điện trở
Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp
chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại
điện trở có trị số khác nhau.

8


Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

Cách đọc điện trở : vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta cần

xác định đúng trị số các vòng màu .

 Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là
vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này.
 Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3
 Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị
 Vòng số 3 là bội số của cơ số 10.
Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo, để
hiển thì đầu ra có thể chính xác.
9


b. Biến trở
Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn. Chúng
có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện.
Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn
điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh
sáng hoặc bức xạ từ,...
Ký hiệu

1.3 Bộ khuếch đại thuật toán Opam 741

10


Cấu tạo bên trong của OP 741
-OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng
Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập
Khuếch đại điện âm hoặc dương

So sánh hai điện thế nhập
. Khi V+ > V- .
. Khi V+ < V- .
. Khi V+ = V- .
Ngoài ra, mạch tích phân ,vi phân ,mạch cộng ,mạch trừ...

11


1.4.LED.
-Led thực chất là một diod nhưng có phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua
nó.
- Là thiết bị dùng để báo sáng khi mạch đo thấy nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép

1.5.Transistor.

Nguyên lý hoạt động :Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E
trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E.
Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E ,
trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.
Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng
vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )
Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy
từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo
thành dòng IB
Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm
bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo
12

một công thức .
IC = β.IB
Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE
IB là dòng chạy qua mối BE
β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua
mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P
tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn
N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ
trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành
dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp
UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.
1.6 Nguồn cấp cho mạch : 12v
1.7 Ic LM358

Có chức năng là để so sánh điện áp tại chân 3 U3 với điện áp ở chân 2 U2 nếu :
13


U3>U2 thì điện áp U1ở chân 1 sẽ dương và đèn Led sẽ sáng.
U
Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch đo
I.Tính toán cảm biến (TCK)
Theo tính chất của vật liệu làm nên cặp nhiệt ngẫu cứ khoảng 1oC tương ứng với
0,4mV như hình :
Ở đề tài này yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100 + n)°C
(với n=6) tức là khoảng 0oC÷106oC cho nên ta sẽ chọn cặp nhiệt ngẫu làm từ
- Cặp nhiệt Đồng/Coben:

Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC.
Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC.

14


II.Tính toán thiết kế mạch khuếch đại và chuẩn hóa.
Để chuẩn hóa đầu ra là 10V ta sử dụng mạch khuếch đại với OP 741 với các thông
số như sau:

15


Chuẩn hóa đầu ra 10V
Ta có

Do đó ta chọn các giá trị của R như sau: R1=1kΩ

RV1=2200 kΩ

III. Thiết kế mạch so sánh
Mạch so sánh có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện áp ở khối khuếch đại đem so sánh
với Uđặt ,khi Uv>Uđặt thì còi sẽ kêu báo động. Ở đây đầu ra chuẩn hóa 10V ứng với
106oC.Khi nhiệt độ vượt quá 80oC ứng với 8V thì còi sẽ kêu,và đèn sẽ sáng
Các thông số của mạch so sánh là : Uđặt=+8V

16

VI.Mạch chuyển đổi U-I

17


-12V

R3
500

+20.0
mA

+10V

4
1
5

U1
R1

2
6

500

7

3

741

R2
500

+12V

Ta có KUI==-==2.10-3
Từ đó ta chọn R1=500Ω
R2=R3=500Ω

V.Cơ cấu chỉ thỉ :
Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé nên ta
dùng cơ cấu chỉ thị từ điện
Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động
- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành
mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là khe hở làm
việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động.
- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng. Khung dây
18


được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo). Trên trục quay có hai lò xo cản 7
mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.

Hình 5.3. Cơ cấu chỉ thị từ điện.
+ Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động),
dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay
Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α. Mômen quay được tính theo

biểu thức:
M q ==B.S.I.W
với B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu
S: tiết diện khung dây
W: số vòng dây của khung dây
Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất
với dòng điện I chạy qua khung dây.
+Các đặc tính chung: từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản
sau:
- chỉ đo được dòng điện 1 chiều
-đặc tính thang đo đều
- độ nhạy là 1 hằng số
19


VI.Toàn mạch của đề tài

Nguyên lý hoạt động:đầu tiên nhiệt độ sẽ được chuyển từ tín hiệu không điện sang
tín hiệu điện nhờ TCK(cặp nhiệt ngẫu).Tín hiệu điện áp ra rất nhỏ cho nên ta phải
khuếch đại đến điện áp tiêu chuẩn 0÷10V nhờ mạch khuếch đại không đảo.Tín
hiệu ra của mạch khuếch đại là tín hiệu tiêu chuẩn ,nó sẽ được đưa vào mạch
chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấu chỉ thị điện từ.Ngoài ra ,tín hiệu điện áp còn
được đưa vào mạch so sánh để so sánh với điện áp đặt và đưa ra cảnh báo ở loa khi
nhiệt độ tăng cao hơn 80

.

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

3.1 Kết luận:

20


Với đề tài được giao em đã cố gắng hoàn thành đồ án trong thời gian quy định.
Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên
môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm. Em
rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô để đề tài
được hoàn thiện hơn.
3.2 Hạn chế
Hạn chế: sai số lớn do hệ số Ku của khối khuếch đại lớn,thực tế khó có thể
chỉnh về điện áp 0V,do điện trở không thể tiến đến vô cùng.

21