ĐỒ ÁN ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DÙNG PLC S7200( Đầy đủ file đính kèm)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (574.24 KB, 87 trang )
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
SVTH
HUỲNH THIÊN BẢO
LỚP
NGUYỄN XUÂN ĐÔNG
: 95KĐĐ
GVHD :
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 MINHĐỘC 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
Ngành
Tên đề tài:
: 95KĐĐ
: ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
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
Phần A : GIỚI THIỆU
Phần B : NỘI DUNG
Trang
Phần I : LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Chương I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ -----------------------------I – Khái niệm chung------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------II – Các phương pháp đo nhiệt độ-------------------------------------------------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 lòch 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 lónh 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 ĐƯC 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 thò------------------------------------------------------------------------------------------------48
4 – Thiết bò-----------------------------------------------------------------------------------------------------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
PHAÀN I:
LYÙ
THUYEÁT
LIEÂN
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 đònh 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 0C đến 10000C,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 –
2700C đến 25000C 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 –2000C đến 2000C,sai số đến +/-0.1%.
- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức
xạ,quang phổ… có khoảng đo từ 1000 0C đến vài chục
ngàn độ C với sai số +/-1% -> 10%.
Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius( 0C), thang đo
Kelvin (0K), thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R).
T(0C) = T(0K) – 273.15
T(0F) = T(0R) - 459.67
T(0C) = [ T(0F) –32 ]*5/9
T(0F) = T(0C)*9/5 +32
*Sự liên hệ giữa các thang đo ở những nhiệt độ
quan trọng:
Kelvin(0K)
0
Celcius(0C)
-273.15
Rankin(0R)
0
Fahrenheit(0F)
-459.67
273.15
273.16
373.15
0
0.01
100
491.67
491.69
671.67
32
32.018
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 chòu 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 bò
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
thò. 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 thò:
Khâu chỉ thò 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 thò.
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 thò 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 bò 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 trò
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 + BT2 + CT3)
T : tính bằng 0C
To = 00C
-Đối với nhiệt điện trở bằng oxyt bán dẫn :
R(T) = Ro.exp[ B(1/T –1/To)]
T : nhiệt độ tuyệt đối (0K)
To = 273.150K
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 đònh 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:
R1
R2
G
Rt
RN
E
RB
với Rt : nhiệt điện trở
RN :điện trở mẫu
RB : điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở
E : nguồn một chiều
R1 ,R2 : điện trở cầu đo
RV :điện trở dây dẫn nhiệt điện trở
Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 :
VR1 = VR2
VRT = VRN
Nếu dòng qua R1 và Rt là I 1 ,dòng qua R2 và RN là I2
:
I1.R1 = I2.R2
I1.Rt = I2.RN
Rt
RN
R1
=> ----- = ---- => Rt = ------.RN
R1
R2
R2
R1
Nếu chú ý cả điện trở các dây dẫn thì : Rt =
___ .RN – 2RV
R2
Với trò số R1,R2,RN đã biết chính xác,điện trở Rt
được xác đònh.
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 đònh Rt phụ thuộc vào độ
nhạy của điện kế G. Độ nhạy của điện kế càng cao
,sự xác đònh 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:
RRA = (R1 + R2)//(RN + 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 đònh 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 0C. Vò trí
đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo vệ) tốt
nhất là theo hướng thẳng đứng. Khi buộc phải đặt
hướng vò 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 vò trí đầu đo cần đặt quá tâm
ống (đầu ống ở vò 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 –2000C -> 10000C với độ chính xác tương
đối cao,ngay cả trong những điều kiện môi trường dễ
oxy hóa (α = 3,9.10-3/0C).
Tuy nhiên, ở nhiệt độ xấp xỉ 1000 0C hoặc cao hơn,
Platin thường kém bền và chỉ thò nhiệt mất chính xác.
-Nhiệt điện trở Nickel:
Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10 3 0
/ C) từ 00C đến 1000C, 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 2500C.
-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 1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng, để
đảm bảo có giá trò điện trở nhất đònh, 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 trò cao, như vậy với giá trò 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 2O,
Zn2TiO4.
Nhiệt kế Thermistor được chế tạo bằng cách ép
đònh hình, sau đó nung nóng đến 100 0C 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 đònh 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 đònh, 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 (MnAl2O) , Titanate kẽm (Zn2TiO4).
*Nguyên lý làm việc – Đặc tuyến làm việc:
-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn
loại PT:
R
A
B
C
M
O
T
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 bò phá hủy.
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:
R
O
T
Đặc tuyến của NT có dạng hyperbol
do sự thay đổi
của chất bán dẫn theo nhiệt độ.
Trò số của điện trở giảm rất nhanh khi nhiệt độ
tăng. Quan hệ này được biểu diễn bởi hàm:
R(T) = A.eB/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 1000C đến 4000C. Vì là
chất bán dẫn nên khi sử dụng ở nhiệt độ cao hơn
2000C thì Thermistor phải có bọc chất liệu nhiệt.
2-Đo
nhiệt
(Thermocouple) :
độ
bằng
cặp
nhiệt
điện
Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt chuyển đổi thành
sức điện động để đưa vào các voltmet chỉ thò 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 T2T1A/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 đònh, 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
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
(Tref) 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 2H2, hàn hóa
chất.
Cặp nhiệt loại 1,2,3 : đo ở nhiệt độ <= 100 0C.
Cặp nhiệt loại 4,5 : đo ở quán tính nhiệt độ thấp
- Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện:
E = A. ∆ T +B. ∆ T2 +C. ∆ T3
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.
VM – VN = PTA/B (sức điện động ứng Peltier)
A(T)
M.
.N
B(T)
PTA/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 :
PTA/B + PTB/C +PTC/D + PTD/A = 0
ΣP=0
A
B
D
C
- 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 TM , TN :
E
TNTM
A
=
TM
∫ hA.dT
TN
: sức điện động
Thompson
với hA là hệ số Thompson của dây dẫn A, là
oMTM
A
NTNo
một hàm của nhiệt độ
T MT N
EA
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 EATMTN = 0.
-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):
ET2T1A/B = PT2A/B - PT1A/B +
T2
∫ ( hA − hB )dT
T1
.a
(T1)
A
.d
.b
(T2)
c.
B
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 = Tref, sức điện động của cặp nhiệt điện chỉ
phụ thuộc vào nhiệt độ T2 là nhiệt độ cần xác đònh.
*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 bò 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 –500C đến 25000C, nhưng ở nhiệt độ cao thì
độ chính xác kém dần).
Chú ý đến điều kiện sử dụng cặp nhiệt điện:
+Dùng cho lò nung cố đònh, 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 bò ăn mòn: chọn ống
bảo vệ bằng sứ hoặc thép đặc biệt chòu ăn mòn.
*Một số cặp nhiệt điện thông dụng:
-Thermocouple Platin_Rhodium Platin:
Nhiệt độ sử dụng : T = -500C -> 15000C
Đường kính dây : 0,51mm
Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV
Loại 10% Platin :
T = 00C -> 6000C , cấp chính xác là
+/-2,5%
T = 6000C -> 16000C , cấp chính xác là
+/-0,4%
Loại 13% Platin :
T = 00C -> 5380C , cấp chính xác là
+/-1,4%
T = 5380C -> 15000C , cấp chính xác là
+/-0,25%
Loại 30% Platin :
T = 00C -> 17000C , 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 = 00C → 27600C
Loại Wolfram_Rhenium 26% : T = 00C → 19500C
Chuyên dùng để đo nhiệt độ rất cao.
-Thermocouple Chromel_Alumel:
Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C → 12500C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-5,35 → 50)mV
Cấp chính xác :
T = 00C → 4000C là : +/-3%
T = 4000C → 12500C là +/-0,75%
-Thermocouple Chromel_Constantan:
Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C → 8700C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-9,8 → 66)mV
Cấp chính xác :
T = 00C → 4000C là +/-3%
T = 4000C → 8700C là +/-0,75%
-Thermocouple Fer_Constantan :
Nhiệt độ sử dụng : T = -2100C → 8000C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-8 → 45)mV
Cấp chính xác :
T = 00C → 4000C là +/-3%
T = 4000C → 12500C là +/-0,75%
-Thermocouple Cu_Constantan :
Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C → 3700C
Đường kính dây : 1,63mm
Sức điện động Seebeck : E = (-6,25 → 19)mV
Cấp chính xác :
T = -1000C → -400C là +/-2%
T = -400C → 1000C là +/-8%
T = 1000C → 3500C 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 đònh 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 đònh 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 bò khống chế nhiệt độ tự động.
c-Phạm vi sử dụng:
Phạm vi sử dụng là nhiệt độ của vật cần đo
không dưới 8000C. 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 trò 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.
V2
V1
I
I
a)
Vd
V
V
I1
c)
I2
b)
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 00C ,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 thò bằng đồng hồ chỉ thò.
*Sơ đồ mạch cảm biến dùng diode :
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 –
500C đến 1500C.
