ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP
HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS
Số : ………
Họ và tên HS-SV: Nguyễn Mạnh Đạt
MSV : 0941040585
Lớp : Điện 7
Khoá : 9

Khoa : Điện

I. NỘI DUNG
Đề tài: Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo và cảnh báo, và
hiển thị nhiệt độ
+ Nhiệt độ cần đo: t0C = 00C đến (50+10*N)0C.
+ Chuẩn hóa đầu ra: 0-20mA
+ Cảnh báo: Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp
nháy, còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh
báo: 40+10*N
+ Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh
N là số thứ tự sinh viên trong danh sách
Với N = 13
+Nhiệt độ đo trong khoảng 0 – 1700C
+Cảnh báo bằng còi và đèn nhấp nháy khi nhiệt độ vượt quá 6100C
II. PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:
1/ Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ
- Tìm hiểu các phương pháp đo
- Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo(liên hệ thực tiễn theo
nhóm)
- Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân,
dải đo, cấp chính xác..)
2/ Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng
VMTT&VMS
1


- Xác định sơ đồ khối của hệ thống
- Tính chọn các khối
3/ Vẽ mạch mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus
4/ Phân tích và nhận xét kết quả
Yêu cầu về thời gian :
Ngày giao đề 14/10/2016
Ngày hoàn thành :
3/12/2016
Chó ý:
1. Ngoài nội dung hướng dẫn trên lớp nếu sinh viên có câu hỏi,
thắc mắc trong quá tr×nh làm bài tập lớn gửi về địa chỉ :

2. Trước khi bảo vệ bài tập lớn sinh viên phải nộp:
- File mềm gồm file trình bày bài tập lớn và file mô phỏng
- Quyển in khổ giấy A4.
Hà nội ngày….tháng …9..năm 2015

Chương 1

Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ
2


I. Tổng quan về các phương pháp đo
1.1 Khái niệm về nhiệt độ
1.1.1 Khái niệm:
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển
động của các nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng
trạng thái của vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác
nhau. Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng
nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng
không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần
tử,nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận
động này của các phân tử,nguyên tử được gọi chung là chuyển động
nhiệt. Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng
không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự
truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:
Bảo toàn năng lượng :
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt
độ thấp. Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn
nhiệt và bức xạ nhiệt.
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn
có truyền nhiệt bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng
lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa
các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng.
1. 1. 2 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và
đánh giá cường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo
3

mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng
được định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳ phát triển của khoa
học kỹ thuật và xã hội. Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ
chính là:
1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

2-

Thang Celsius ( C ):

3-

Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67.

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện
nay.Trong đó thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét
trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa trên 3 thang
đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các
nhiệt kế tiếp xúc. Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế
nhiệt ngẫu. Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu
cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt
tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Đối với môi trường khí hoặc
nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với
vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang

chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.
Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.
Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt
kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có
cáp nối ra ngoài.
4


1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen
tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ
năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng nghĩa là số
năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện
tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng.
II. Tính chọn cảm biến
2.1 Phân loại cảm biến
- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).
- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ).
- Thermistor.
- Bán dẫn ( Diode, IC ,….).
- Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kếPyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer.
2.2 Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở

•

Hình1:hình dạng và cấu tạo RTD
- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel,
Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo.
- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu
5

dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ
tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.
- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn,
chiều dài dây không hạn chế.
- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn
Cặp nhiệt điện
- Dải đo: -200~400oC
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi
trường hay gia công vật liệu, hóa chất…
Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ
Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy
cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000
ohm (khi ở 0 oC). Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả
đo chính xác nhất.
• Cảm biến đo nhiệt độ PT100
Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại
( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy
theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100
Ohm. Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp
một nguồn ngoài ổn định.
-Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:
Rt = R0( 1+ αT+βT2+C(T-100)T3)
Trong đó:
Rt : điện trở tại nhiệt độ T
6

R0 : điện trở tại 00C(=100Ω)
α=3.9083x10-3
β=-5.775x10-7
C=-4.183x10-12( t<00C) , C=0 ( t>00C)
Với nhiệt độ từ 00C đến 1000C dùng công thức :
Rt = R0( 1+ αT)
Cấu tạo dây đo nhiệt PT100
1. Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động
a. Các thông số cơ bản :
Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường
kính 4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài
1m

Hình 2: hình dạng PT100
Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 500ºC
b. Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ

7


Hình 3: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT100
Điện trở của ống trụ RPT100 = RPT + R3 + R2
L2,L3 được nối với 2 dây đầu ra
• Nguyên tắc hoạt động
Khi có sự thay đổi nhiệt độ trên đầu dò thì dẫn đến sự thay đổi điện
trở của ống trụ .Mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau tương ứng với mỗi
giá trị điện trở khác nhau.Ở 10 ºC thì đo được giá trị điện trở
RPT100 =107,6 Ω . Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω
• Cầu đo điện trở:

Hình 4: mạch nối dây Pt100
Ta sử dụng mạch cầu để đo điện trở, trong đó PT là một nhánh
của cầu.
8


Vo=E*(

)

Khi ở 00C RPT=100Ω.
Nên ta chọn R1 =R2 =R3=100Ω để cầu cân bằng. Suy ra
V0/00c= 0V.

Chương 2
Thiết kế và phân tích mạch đo và cảnh báo nhiệt độ
I. Xác định sơ đồ khối của hệ thống
1.1 Sơ đồ khối
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc
vào đặc tính của đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính
xác yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện bằng nhiều cách
khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác nhau trên cơ sở
của các hệ thống đo lường khác nhau.

Sơ đồ khối đo:

9


Chuẩn

hóa đầu
ra
4-20mA

Khối
Cảm
Biến

Bộ chuyển
đổi tín
hiệu tương
tự sang số

Khối
khuếch đại
tín hiệu

LED 7
thanh

LED cảnh
báo nhấp
nháy

Mạch so
sánh,
cảnh báo

Còi báo

1.2 Vai trò tác dụng của các khối
•

Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch
so sánh, khuếch đại.

•

Mạch khuếch đại : khuếch đại tín hiệu từ cảm biến.

•

Khối chuẩn hóa đầu ra 4-20mA: chuẩn hóa dòng điện ở
mức 4-20mA.

•

Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với
điện áp đặt, để đưa ra cảnh báo và để LED nhấp nháy.

•

Còi báo : báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị cho
phép.
10


•

LED cảnh báo nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong

trường hợp nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép

• Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để
chuyển tín hiệu giá trị Volt đầu ra của cảm biến mã hóa
thành hệ nhị phân
• Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC ra LED 7 thanh
• LED 7 thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng trên
cảm biến
II. Tính chọn các khối
2.1 Khối cảm biến

Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở
RTD ( RTD-Resistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt
11


động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi
điện trở
• Rt = R0 ( 1 + αt)
• Rt : Điện trở ở nhiệt độ t
• R0 : Điện trở ở 0 độ C
• α : Hệ số của nhiệt điện trở

Với PT100 1V=1oC. Vậy theo yêu cầu
của bài thì cần đo ở nhiệt độ 180oC tương
ứng với 180V. Với điện áp ra rất lớn như vậy
ta cần phải có 1 mạch phân áp sao cho đầu ra tương ứng
10mV=10oC để phù hợp với các IC số.
Vì vậy ta lắp thiết bị như hình vẽ.
Ta có: Ur=Uv.R2/(R1+R2)

Với Ur=0,01 V
Uv=1 V
Vậy ta có : R23/(R22+R23)=0,01
 Chọn R23=100 Ω => R22=9,9 kΩ
Từ cách lắp đặt thiết bị trên ta được đầu ra khi đo ở nhiệt độ
180oC tương ứng với 1.8V
Trong bài này vì là dải đo rất rộng từ 0-180v, chọn bước nhảy
để đo nhiệt độ là 1 độ.
2.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu ra
2.2.1 Khối chuẩn hóa đầu ra 4-20mA

12


Ta có:U1 thay đổi từ 0

thì VIN+ thay đổi từ 2

thay đổi từ 4mA 20mA

Hình : khối chuẩn hóa từ 4-20mA
2.2.2 Khối khuếch đại tín hiệu

13

đầu ra IL


Ta có:
U0=

→R21=

Ucb với Ucb=1.8V và U0=-5V

chọn R20=1kΩ

R21= -1*(-5)/1.8=2.8kΩ

Vậy thay R21 bằng điện trở 2kΩ nối tiếp với một biến trở 1kΩ.

2.3 Khối cảnh báo
2.3.1 Khối so sánh cảnh báo bằng còi và led

14


Theo đề bài: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá
giá trị toC= 170oC vậy điện áp so sánh là +3.17V
2.4 Khối ADC và hiển thị
Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF
Nối VREF+ với nguồn 3V vậy đầu vào VIN+ phải đưa về từ 3,000V
đến 3,180V. Ta sử dụng bộ cộng đảo sau:
VIN+
Vậy

chọn R16=5k→R3=3k

Với

− R3
5 × R3 5 × 3
× (−5) = 0,18 → R11 =
=
= 83.3kΩ
R11
0,18
0,18

Thay R11 bằng VR2 90kΩ.
Vậy với VIN+ thay đổi từ 3,000V đến 3,18V thì LED hiển thị từ
0000C tới 1800C.

15


2.4 Khối nguồn
Trong thiết kế có sử dụng các nguồn ±5V, ±12V và nguồn cấp được
sử dụng từ mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn
như sau:

2.6 Khối LED 7 thanh
Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số
đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode
16


(KC); được sắp xếp hình số 8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có
1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được
điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã. Các chân ra của led

được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A chung

hay K chung.

17


Sơ đồ cấu tạo và hình dạng led 7 thanh.
Cấp nguồn cho chân nào thì đoạn tương ứng với chân đó sáng.
Ví dụ như hình trên nếu đưa chân 0 lên mức logic 1 thì đoạn 0 sẽ
sáng. Nếu cấp cho chân 5 và chân 4 thì đoạn 5 và 4 sáng tạo thành
số 1.
Tương tự nếu hiển thị số 2 thì mức logic tương ứng của chân
abcdefg là 1101101
Số 3là 1111001
Số 4 là 0110011

Bộ LED 7 thanh hiển thị giá trị nhiệt độ cảm biến đo được
2.7 Mạch đo
Từ những sơ đồ khối trên ta ghép lại được một mạch đo nhiệt độ
hoàn chỉnh

18


Đánh giá và nhận xét kết quả
.
Kết luận : Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch khá
đơn giản và còn nhiều bất cập, mạch còn khá đơn giản để cơ cấu đo
chính xác ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý và vi điều khiển để

có thể hiển thì trực quan bằng số dễ đọc và quá trình điều khiển
cảnh báo có thể dễ dàng hơn . ứng dụng cùng với vi mạch số và vi
mạch điều khiển ta có thể dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào các
mạch như mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều
khiển điều hòa không khí, hay trong các lò ấp trứng, nhà bảo quản
lạnh ….
Trong quá trình làm bài em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong
các thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô
giáo bộ môn đã giúp đỡ em trong quá trình làm bài tập lớn !!!

19


20