Đo lường và điều khiển bằng máy tính Nguyễn Đức Thành

NGUYỄN ĐỨC THÀNH

tHÙHỶ
NHÀ XUẤT BẢN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA

^

t^ĩA íệệt cãa cÂcÍKẹ^
Xin vui lịng:

•

Khơng xé sách
___ ____________ _٠~ ! ٨

^ 1


ĐẠI HQC QUỐC GIA THÀNH PHỐ Hổ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

N guyễn Đức T hành

ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN
BẰNG M ÁY TÍNH
( T á i b ả n l ầ n t h ứ n h ấ t c ó s ử a c h ữ ia v à b ố s u n g )

TRlỉuNGPẠl H‫‘؛‬CNHATRANG
'l > ‫؟‬ư

v ĩế ủ

· D l K f 5 ٠- ^

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2005


GT .02. VUV)
16/1664
DHQG.HCM.05

VL.GT ٠1^()4 (T)'


M ỤC LỤC

Ỉ^Gl ĩZOi (xithi
Chương 1
KHÁI NIỆM CHƯNG
1.1 Máy tính trong điều khiển quá trình
1.2 Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thơng
Chương 2
CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI
2.1 Cảm biến nhiệt độ
2.2 Cảm biến lực và trọng lượng
2.3 Cảm biến dịch chuyển và khoảng cách

14
14

30
38

Cìtương 3
GIAO TIẾP QUA RÀNH CẮM MÁY TÍNH
3.1 Giao tiếp rãnh ISA
3.2 Giới thiệu một sô ic thường dùng
3.3 Một số card ISA
3.4 Giao tiếp qua rãnh cắm PCI

50
52
57
61
69

Chương 4
LẬP TRÌNH CHO MÁY TÍNH ĐlỀư KHIỂN
4.1 Lập trình xuất nhập ngoại vi
4.2 Viết tập tin liên kết động DLL
4.3 Xuất nhập với Win 2000 v à Will NT

4.4 Sử dụng ngắt trong điều khiển
Chương 5
CARD THU THẬP TÍN HIỆU VÀ ĐlỀU KHlỂN
5.1 Card PCL-818L Advantech
5.2 Các thanh ghi của card
5.3 Chuyển đổi A/D, D/A & DO, DI
5.4 lập trình cho card PCL-818L
5.5 Card PCI 1710

5.6 Giao diện đồ họa

9
9
11

82
82
88

98
99
107
107
109
116
117
144
144


Chương 6
GIAO TIẾP QUA CỔNG SONG SONG
6.1 Cổng SPP
6.2 Cổng EPP
6.3 Cổng ECP
6.4 Ghép nơì hai máy tính
6.5 Card chuyển đổi 8 kônh 12 bit dùng cổng máy in
6.6 Mạch lập trình vi điều khiển ATMEL 89C
Chương 7

148
149
156
157
160
161
165

GIAO TIẾP QUA CỔNG N ốl TIẾP
7.1 Cấu trúc cổng COM
7.2 Mạch chuyển mức
7.3 Card mở rộng nôl tiếp
7.4 Mạch giao tiếp cổng nôl tiếp
7.5 Mạng 485
7.6 Modem
7.7 Tiêu chuẩn và giao thức
7.8 Tập lệnh modem
7.9 ISDN và DSL
7.10 Cổng USB
7.11 Cổng hồng ngoại
7.12 Mạng
Chương 8
LẬP TRÌNH GIAO TIẾP N ốl TIẾP
8.1 Lập trình trong DOS
8.2 Lập trình ngơn ngữ Visual Basic 6.0
8.3 Lập trình dùng Delphi 5.0 và Visual C.^^6.0
Chương 9
BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH Đ٧ ợc
9.1 Khái niệm chung

9.2 PLC OMRON
9.3 Các lệnh cơ bản của PLC OMRON
9.4 Các lệnh định thì và đếm
9.5 Lệnh di chuyển
9.6 Lệnh logic
9.7 Lệnh sô" học

169
169
180
182
183
188
192
194
195
198
199
201
203
205
205
205
220
229
229
237
242
250
257

258
259


9.8 Lệnh so sánh

9.9 Lệnh ghi dời
9.10 Chức năng ngắt (CQMl)
9.11 Xử lý analog
9.12 Truyền thông
9.13 PLC SIEMENS 37-200
9.14 Lệnh cơ bản
9.15 Lệnh 30 sánh
9.16 Lệnh định thì và đếm
9.17 Lệnh số học
9.18 Lệnh di chuyển
9.13 Lệnh đôi
9.20 Lệnh ghi dời
9.21 Lệnh quay
9.22 Lệnh logic
9.23 Gọi chương trình con
9.24 Lệnh điều khiển chương trình
9.25 Lệnh ngắt
9.26 Lệnh PIO
9.27 Lệnh đồng hồ
Chương 10
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN s ố
10.1 Đặc tính hệ thống điều khiển số
10.2 Thuật toán điều khiển
10.3 Biến đổi C(s) ra C(z)

10.4 Thuật toán PID số
10.5 Ảnh hưởng của khâu bão hịa
10.6 Động cơ servo
10.7 Điều khiển vị trí
10.8 Máy CNC
10.9 Card PCL832
10.10 Card điều khiển chuyển động PCI
Chương 11
MẠNG CÔNG NGHIỆP
11.1 Mở đầu
11.2 Mạng ETHERNET
11.3 Mạng PIELDBƯS

264
266
268
274
279
OQC
287
289
290
291
292
293
293
294
294
294
294

295
301
304
306
306
309
310
310
313
317
327
331
337
347
348
348
351
355


11.4
11.5
11.6
11.7

Mạng
Mạng
Mạng
Mạng

CAN
DeviceNet
ASI
I^C

359
362
363
364

Phụ lục 1

366

Phụ lục 2

376

Tài liệu tham khảo

382

Ịi


Lời nói đầu
ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KH IÊN LẰNG M ẢY TÍN H dề cập dế^ cá‫؟‬
cấa đề gặp pKả ‫ ا‬klxi ứxg dụag ‫ أ ا ا‬4‫ ﻻ‬tifxk 0١‫ ﺧﻞ‬Kệ tKốíxg tự dộíxg. 0
đâỵ từ “mảy tin h ” được hiểu theo ngliìa rộng bao gồm máy tinh cá
ĩihâĩi PC (pe٣s ٥ n.al c^puter), ‫ ا ا أ‬4‫ ﻻ‬tÍTiK cơixg ĩigKĩệp IPC

(industrial PC) uà PLC (Programmable logic controller). PLC dưạc
plmdt triển ban dầu KKodng tKập nlèn 70 có mục dlclm la tKaỵ tKế
bdng diều KKlển bdng role, sau dO pKat tr:.ễim tKènm d ề xử 1‫ ﻵ‬các tin
Kiệu tuang tự oà cO tạp lệnK taong dốl omạnK, dU dể ứng dụng cKo
cdc Kệ tlmống tự dộng plmức tạp. Tu ‫ ﻻ‬imKlèn xu Kướng la sử dụng Kệ
tKống dlèu KKlển dựa oào niá^í tlnlm (PC - based control) oớl Kẹ
dlèu KdnK mạnK, giao diện tKUn tKlện, pKdn mằm de pKdt triền
oa gia tKdnK KKOng cao Idíim.
Cuốn sUcK gồnrn 11 cìiiiong, dược blèn soạn tímeo dè cưang rnOn
học “Đn lường điều khiển bằng m áy tin h ” K hoa Điện - Đ iện tử,
trmtòng Hạl Kọc BUcK KKoa - Hại Kọc Qiioc gla. TP H C M nKỐ.m. glUp
Iclm olệc ỉmọc tập m ôn ٠mọc Ho lương điều KK-lển bằng m áỵ tlnK cử.a
smnlm olèn nUnm cuOl ngUímlm Hlèu ímlmien tự dộng.' T uỵ nKien, tác gia
١‫ لاا‬oọng rdng slnK òlèn các ngdnlm KKdc. cOc cán bộ κ‫ لآ‬tKuạt Idm
olệc trong llnlm oực dlCu klmlền cO t١mề tim tKáỵ ‫ ة‬qu‫ةلا‬n sOcK nKồ nàỵ
cOc kiến t K ^ bổ iCm.
Tác gia gởl lơl cá١n an cKdn tlmdnK dến tạp tKể Bộ m ôn Hlèu
kh iển tự động, vi nỉiững lời động viên, góp ‫ رد‬٤‫ ﺫﺀﺭ‬hỗ ، r ợ ، 1 ‫ ﺫﺀ‬liệu,
các em sin h viên ngành Điều khiển lự động đã nghe giảng và có
các câu hỏi, n h ậ n xé، giilp hoàn thiện.
Mạc dU trong Idn tai bàn tác gld da sứa cKứa nỉmũng sal sOt
nímưng cKdc Kdn cuốn sdcK odn cịn nKlèu tKlếu sót, tác gia rát
m ong đón nhận các đóng góp chân th à n h và th iện ‫ و‬từ các đồng
ngKlệp oà, qu‫ ؛‬dộc gia.
B ia cKl Hèn Kẹ: Bộ mốn Hlằu kỉmlền tự dộng, KKoa B iện - Hiẹn
tử, Trường Hạl Kọc BOCm klmoa - Hại Kọc Quốc g la TPHCM: 268 ٧ ‫لآ‬
Tímương Klẹt - Q.IO. B T: (08)8654857; email; ndtKanK.Kcmut.edu.on.

TS. N gu yễn Dức Thành

Chương

1

KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 MÁY TÍNH TRONG ĐIỀU KHIÊN Q TRÌNH

N gày nay việc sử dụng máy tín h nói riê n g và vi xử lý nói
chung tro n g các dây chuyền sản xuất h iện đại đã là yêu cầu b ắ t
buộc để tă n g n ăn g suất và chất lượng sản phẩm . T rong các sản
phẩm d ân dụng, việc sử dụng vi xử lý g Ó D o h ầ n tă n g tín h th ơ n g
m inh của sả n phẩm và tẹo tiện lợi cho người sử dụng.
Vi xử lý được sử dụng trong diều kìiiển và đo lường dưới ba dạng;
- M áy tín h điều khiển (MVT).
٠ Vi xử lý điều khiển nhúng (VĐK - em bedded microprocessor,
em bedded m icro - controller), nghĩa là vi xử lý là m ột bộ p h ận
không tách rời của th iế t bị được điều khiển.
- Bộ điều khiển logic lập trìn h được (PLC - P rogram m able
Logic Controller).
Cả ba d ạn g đều được th iế t kê dựa trê n cơ sở h o ạ t động của vi
xử lý với chức n ăn g xử lý thông tin theo sơ đồ h ìn h 1 . 1 .
Các quá trìn h có sử dụng m áy tín h điều k h iể n r ấ t đa dạng. T a
có th ể k ể ra m ột số quá trìn h tiêu biểu như:
- H ệ th ố n g điện
- D àn k h o an dầu khí, nhà m áy hóa dầu...
- N h à m áy hóa chất, xi m ăng, giấy, nhựa...
٠ N hà m áy cơ k hí chế tạo và lắp ráp (CNC, robot...)
H ệ th ố n g điều k h iển giao thông

٠


CHƯƠNG 1

10

H ìn h 1.1: Máy tính trong điều khiển quá trin h

Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính


K H À ١N\ỆM CH U N G

11

Cấu trUc tổ n g qưát của hệ thống diều k h iển quá trin h gồm các
j h ầ n sau:
' Bộ xử lý tru n g tâm (hao gồm vi xử lý, bộ nhớ...)
- Các k ê n h truyền thông liên lạc giữa người - m áy tin h
(H ainan M achine Intefface) và m ay - máy.
- Các th iế t bị ghép nối và chuyên dổi tương tự

- cam b iến

HMI

số

(cdm biến nhiệt, áp suất, dịch chuyển, vận tốc...)

- Chấp hành (ro'!o١
dộng co', van khi và thUy lực, xy lanh thUy khi...).
Tùy theo độ phức tạp cUa dối tượng diều khiê’n ta có th ể sử
dụng m ột cơng c.ạ máy tínhi hoặc là hệ thống nhiều m áy tin h ghép
với nhau theo m ạng phân Ь(Л) va phdn cấp. Việc giao tiếp giữa các
mhy tin h thường là giao tiếp tuần tự không dồng bộ. th a o tiếp
ngu.di - m áy thực h,iện qua ban phim (keyboard, touch paricli) m ần
hình (CRT} LCD) hav kOnh am thanh.
Tin hiệu do luOng d ‫؛‬ều khiến cd hai dạng: nhị phân koìì Ị off)
va tươi^g tụ’. Đỏi v،')'i nhù.ng tin hiệu tương tự từ cdm b iế n ١cẨn sư
dpng che bộ chuyOn dôi ra (Iqng điộn áp hay dOng rồi chuyên đOi
tCí tương tq’ sang sỏ'
nhu’ A[)(J١VFC). ٦٦ín i)iệu điều khiến
dqng số cẳn chuyện dổi sang tu'(.)'ng tự (S-TT). TUy theo loại 0 (‫د‬
' cấu
cY)R\) h àn h ta cắn các bộ khuach dại cOng suất phu họ'p (K ỉlt^s lớp
íỉ١
diều rộng xung, (hều khiOn plìa, bien tần , khOa ban dẳn, role).
Do bdn c h a t )am việc cua máv tinh la tuần tụ' nên m áy tinh
chi giao tiếp vOl ban ngoai theo nhUng khodng thời gian rOl rạc vì
vạy hệ thOng dieu khien dùng máy tinh la hệ t.hông diẻu khiên
rời rạc (lượng tư) va cdc vấn dề p h at sinh như thò.i gian lấy mẫu,
thOl gian trề do tin h todn xd ly, sai sd do lượng tư vì độ p h an giai
có h ạn cUa chuyển dố.i TT-S, 8-ΤΤ cần phải dược x ét dến.
1.2 ĐIỂU KHIỂN PHÂN c A p v A TÍCH HỢP h ệ THO n G

Hệ th ố n g điAu Chiến quá trin h thực tê' thường là hệ thơ'ng
phức tạp ba« gồm nhiều vi xứ lý thế' hiện dưới ba d ạn g MVT, PLC

và VBK. Lấy th i dụ máy CNC, tức là máy công cụ diều k h iến sô'
b^ng m áy tin h , gồm các phần sau:


12

CH Ư Ơ N G 1

- Mức th ấ p n h ấ t là các b ả n m ạch điều k h iển tru y ề n động điện
động cơ bước h ay động cơ chấp h à n h dùng để tạ o chuyển động
th eo b a chiều. Các b ản m ạch này sử dụng VĐK làm n h iệm vụ đo
v à điều k h iển vị tr í theo tr ị số đ ặ t từ mức trê n đưa xuống.
- T rê n m ột mức là bộ điều k h iể n số NC sử dụng VĐK có m àn
h ìn h tin h th ể lỏng và b àn phím , ghép với các b ả n m ạch điều
k h iể n và ấn đ ịn h độ dịch chuyển các trục. Các k h o ản g dịch
chuyển theo ba trục có th ế đưa vào bằng bàn phím (điều k h iể n
b ằn g tay), b ăn g đục lỗ hoặc từ m áy tín h chạy chương trìn h
CAD/CAM đưa xuống. Quĩ đạo dao (hai hay ba chiều) được h iể n
th ị tr ê n m àn h ìn h tin h th ế lỏng còn các tọa độ h iể n th ị dưới dạn g
sô th ậ p phân.
- Bên cạnh bộ điều k h iể n sơ" có thế có th êm m ột PLC làm các
nh iệm vụ có tín h châ"t lặp và đơn điệu như phun c h â t giải n h iệ t,
thay dao, điều khiển truyền động chính... liên lạc với VĐK ớ mức hai.
- T rên cùng là m áy vi tín h lập ra đường đi của dao c ắ t dựa
trê n yêu cầu gia công và công nghệ cắt gọt. Máy vi tín h sẽ chuyến
xuống cho bộ điều k h iển sơ" chương trìn h gia cơng.
Cấu trúc p h ân cấp m áy CNC có th ế m inh họa bằn g h ìn h 1.3.

Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC

K H A l N .Ệ M CH U N G

13

Mở rộng ra cho quá trin h phức tạp th i dụ nh ư n h à m ấy. Mức
th ấ p n h ấ t là các máy và các dơn vị sản x u ấ t tiế p xUc trực tiế p với
qu á tr in h (dây chuyền), ơ mức trê n là các t ế bào sản x u ất gồm
n h iều m áy k ế t hợp (p h ân xưởng). Lịch sản x u ất của các p h ân
xu'ỏ٠ng do phOng k ế hoạch sản xuất đưa xưống trê n cơ sỗ k ế hoạch
của hội dồng quản trị và giám dô'c (H.1.4).

H ìn h 1.4: Điều khicn pliâĩi cáp xi nghiệp

Do lin h ci"iất da dạng cda các th iế t bị về chUng 1‫ ا‬0‫ ي‬và lihãii
hiệu v ấn dề ghép nối các thiê't bị nói trê n (tích hợp hệ th ố n g system integrator) dOi hỏi phải có tiêu chuẩn chung về cơ (kích
thước), diện (diện áp, dOng, cáp nối), giao thức truyền thông (protocol)...
Hệ th ố n g sản xuất phức tạp thường cấu trUc theo m ạng, th ấ p
n h ấ t là m ạng PLC gồm nhiều PLC k ế t nối qua m ạng M PI,
Profibus... tro n g m ạng có máy tin h hay m àn h ìn h HMI. Cấp cao
hơn là m ạng PLC+ m áy tin h SCADA (Supervisor Control A n d
Data Acquisition), máy tin h làm nhiệm vụ ch ẩn dodn hư hỏng,
h iển th ị, th a y dổi thông số hoạt dộng của hệ thống, 1é trữ và
tương trin h , có th ể có nhiều m áy tin h k ế t nối theo m ạng LAN.
M ột dạng p h ân cấp khác la hệ thống diều k h iển p h ân bố DCS
(D istributed Control System ), trong m ạng có m áy tin h giám sát,
m áy tín h ' diều khiển quá trin h , PLC, RTU (Remote T erm inal
Unit), FCU (Field Control Unit) hoạt dộng dưới m ột chương trin h
bảo dảm n ả n g suất, ch ất lượng sản phẩm , trá n h ngừng dây
chuyền sản xuất.

Chương

2

CẢM BIẾN VÀ CHUYÊN Đổi
Có rấ t nhiều loại cảm b iến đo các đại lượng khác nh au nhưng
chúng ta chỉ xét các cảm biến thông dụng tro n g điều k h iển quá
trìn h như n h iệ t độ, dịch chuyển, vận tốc, áp suất, lưu lượng...
2.1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

N hiệt độ lậ đại lượng đo cơ bản cùng với chiều dài, thời gian và
trọng khối. Đơn vị đo n h iệt độ là Celsius (C), Kelvin (K) và
F ah ren h eit (F), ٥c = ٥K - 273,15: ٥C = - ( ٥F - 32).
9
Bảng 2. 1 : T hang n h iệt độ được đ á n h dấu bởi các điểm chuẩn
theo IT S 1948 (International tem perature scale)
Điểm đồng của Argon (cân bằng khí và lỏng)

-1 8 9 ,3 4 4 2 ٥c

8 3,8058 'K

Điểm đòng của Oxy

-1 8 2 .9 7 0 0

9 0,1900 "K

-3 8 ,8 3 4 4

234 ,31 5 6 ■K

Điểm đòng của Thủy ngàn

0,0100 ٥c

273 ,16 0 0 ‘K

2 9,7646 ٥c

302,9146 "K

Điểm sôi của Nước

100,0000 ٥c

373 ,16 0 0 "K

Điểm nóng chảy của Indium

156.5985 ٠c

429 ,91 4 6 "K

Điểm nóng chảy của Thiếc

231 ,92 8 0 "C

505,0780 "K

Điểm nóng chảy của Kẽm

4 19 .52 7 0 ٥c

692 ,67 7 0 ٠K

Điểm nóng chảy của Nhơm

660 ,32 3 0 ٠c

933,4730 ،K

Điểm nóng chảy của Bạc

961 ,78 0 0 ٠c

1234,4730 .-K

Điểm nóng chảy của Vàng

1064,1800 ٥c

1 3 3 7 ,3 3 0 0 'K

Điểm nóng chảy của Đồng

1084.6200 ٠c

1 3 5 7 ,7 7 0 0 'K

Điểm đông nước (Cản bằng nước và đá cục)
Điểm nóng chảy của Gallium


C Ả M B ١Ế N VÀ C H U Y Ế N ĐỔ‫؛‬

15

ChUng ta chỉ khảo sát bốn loại cảm b iến là cặp n h iệ t điện,
đ iện trở kim loai, n h iệ t điện trở và cảm biến bức xạ.
2 . 1.1 Cặp n h iệ t â lệ n
Gồm h ai dầy klni' loạỉ klìác nli.au dưỢC' Iràn với n h an ở m ột
dầu gọi là dầu nối nOng hay dầu do, hai dầu dây cồn lại là dầu
lạ n h h ay dầu chuẩn, dầu tự do; t ấ t cả dặt. trong vO bảo vệ.

Kim !oạl A

T.

Đổng

/
fv

‫<أ‬
Klm loại B
Dầu do

H ln h 2.1: S ơ dồ

0 1 V

٢٥ Bồng
Dầu lanh

٣‫ اآجلاداجا‬1‫ ل ا‬cặp n liiệ t d ‫ ا‬ệ ^

Theo hiệu ứng Seebeck ('Thomas Seebeck: n h a v ậ t ìý E stonia!,
k h i có ch ênh lệch n h iệ t độ giữa dầu nóng và dầu lạ n h th i p h á t
sin h sức n h iệ t đ-iện dộng ٧ giữa hai dẩu lạnh (hai đểu lạnh 0' cilng
n h iệ t độ T. ):
V : a + bAT + c.ầTẦ
àT = T -T

٠

trong dó: T - nhiệt độ do; Tq - nhiệt độ dầu lạnh.
N hư vậy quan hệ giữa V và AT là phi tuyê'n, còn quan hệ giữa
V Yầ T phi tuyến phụ thuộc n h iệ t độ dầu lạn h . Muốn do n h iệ t độ
T chinh xác phải ổn định n h iệ t độ dầu lạnh r . và phải do dược
n h iệ t độ này. N h iệt độ dầu lạn h cOn gọi là n h iệ t độ chuẩn. Khi sử
dụng do tầm hẹp có th ể tuyến tin h hóa dặc tin h cặp n h iệ t diện
theo biế'u thức:
V = k .ầ T

(2.1)

với k là hệ số nhiệt có dơn vị pV/oC .

ử y ban Diện Kỹ thuật Quốc tế lEC (International Electrotechnical
C om m ission) p h ân loại cặp n h iệ t diện như bảng 2.2 và b ản g 2.3.


CM ƯƠNG2

16

Bồng 2.2‫ ؛‬Các loại cặp n h iệ t đ iện (therm ocouple) CC)
Vật liệu

Loại cặp nhiệt điện
Platinum
B

VUng nhiệt độ

30/oRhodium (+)
٠

1 3 7 ... 1700

Platinum ‫ ج‬% Rhodium ( ٠)
WSRe Tungsten

c

50/0

Rhenium (+)

1650 ..2315

W26Re Tungsten 26% Rhenium (*)
Chrome! (+)

E(sđđ Idn nhất)

(90%Ni, 1٠ % Cr)

Constentan (-) (55%Cu, 45%

95 ..90 0

Ni)

Iron (+)
‫( ل‬rẻ, sdd lớn)

K (chống oxit hda.

95 ..760

Constantan (-) (66% Cu, 45./. Nl)
Chrome! (+)

95 ..1260

Alumel (٠) (95./.NÌ, 2%Mn, 2./.AI, 1./.SI)

thdng dụng)

Nicrosil (+) (84,6%NỈ٠ 14.2%1.4

u

‫ ا ة‬./.SI)

650 ..1260

Nisil (٠) (95١5%NI٠ 4,4%SI. 1٠/٠Mg)
Platinum

R(dắt)

13%Rhodium (+)

870 ..1450

Platinum (-)
Platinum

s(dắt)

10%Rhodium (+)

930 ..1450

Platinum (-)
Copper (+)

T(rẻ, sđđ lớn)

-200 ..350

Constantan (٠)

‫ ل آ ة ع ة ة‬٠‫ ة‬٠. Sức ĩiHiệt điện động (mV) uởì n ^ Ìệ t độ nối chuẩn o .c
T٥c

E

‫ل‬

K

-100

-4.7

-5.2

-4.1

0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0 .0 .'

100

6.3

5.3

4.1

0.7

0.7

4.3

200

13.7

11.0

8.2

1.5

1.5

9.5

300

21.2

16.5

12.3

2.4

2.4

15.0

400

28.9

21.8

16.4

3.4

3.2

20.8

500

36.9

27.3

20.6

4.5

4.2

600

45.2

33.1

24.9

5.6

5.3

700

53.1

39.4

29.2

6.7

6.3

800

60,2

46.5

33.3

7.9

7.3

900

37.3

9.2

8.4.

1000

41.3

10.5

9.6

1100

45.2

11.8

10.7

1200

13.2

11.9

1300

14.6

13.2

1400

15.9

14.3

R

s

T
-3.4

٠


C Ầ M BIEN VÀ C H U Y ỂN Đ ồ ١

17

Nếu dây của cặp n h iệt diện không đủ dài dể nối dến dụng cụ
do và ta dùng dây dồng dể' nô'i thi số chỉ của dụng cụ do là hiệu số
n h iệ t độ do T và n h iệt độ chỗ nối Tg. N h iệ t độ Tq thường không
ổ'n đ ịn h vì dầu lạn h ở gần dầu nOng do dó sẽ gây ra sai số do.
K ‫؛‬fĩi !oại A

X'

Đống

:
Kim !oạl e

Dụng
cụ đo

vt
n

T

٨٠

Lfuny

'o

T
‫اا‬

H ìn h 2.2: Ằ ĩih hưởng (1‫ ل ا ه‬n ố i

Dể khắc phục phải dUng dây nối dài cUng loại với v ậ t liệu của
cặp n h iệ t diện dể bù trừ n h iệt độ T ., lUc n ày ta có: V = k { T - T \) .
N h iệ t độ T\ ổn định và do dược.
D iện áp từ cặp n h iệt diện khá nhỏ n ên cần p h ải dược khuếch
dại, ngồi ra cịn cần cO thiê't bị do n h iệt độ dầu lạ n h dể bu trừ.
M ạch bu trừ và khuếch dại sẽ dược dề cập tro n g p h ần 2 . 1 .4 .
Các b ản g P l , P 2 , P3, P4 (Phụ lục 11 . cho thOng số chi tle t m ột
sô loại cặp n h iệ t (nguồn: www.pvrom atron.com h

2.1.2 N h iệ t ổ iệ n trở kim loạỉ

Thường gọi là RTD (Resistance Tem perature Detector) cấu tạo
b ằn g dây kim loại như platinum , nickel, dồng, dựa trê n nguyên
tắc th ay dồ'i diện trở kim loại theo n h iệ t độ (phương trin h
C allen d ar - Van Dusen)
‫ ﺗ ﻴ ﺮ‬, = « ‫ ^ ؛ ه‬٠« ‫ ص‬- ‫ ا آ(ج‬- 1)(‫ ) ا ﺑ ﺂ‬- ‫( ؤ‬- ‫ ة ة‬- ‫ذ() ا‬
7

٥

lOƠ

٥

trong dó: R„ - diện trở ‫ه‬

o.c ;

100

100

) 3]

( 2 .2 )

100

R f - diện trở ở nhiệt độ T.

Với bạch kini ta cO các trị số sau (0 = 0 k h i T > 0)

4.، 2‫· ع ه ة ه‬. Các hẹ số của phương trtnh C allendar - Van D asen
‫ى‬

0.00375

0.00385

0,003902

ỗ

1.60500

1.49990

1.520000

p

0.16000

0.10863

0.1100Ọ0

R ? : R.A
0 \ +A T
‫ د‬+
. ‫د‬BT2)
‫د‬

‫ر‬
với A là hệ số nhiệt dươn
.‫ﺀ · د‬
cho ở bảng 2.5..
‫ا“ ا ' ا‬
5 ‫ا‬
‫ا‬
'٣ ‫؛‬٠'‫؛؛؛‬.' ١‫از؛ﺛﻢ‬٠‫إ‬٦.‫أ‬
V \ j ١ ٠١

(2.3)
khoảng nhiệt độ
!%
Ệ


18

CHƯƠNG 2

B ả n g 2.5: Các hệ sô của phương trìn h R T D
Loại

A. 10 "‫؛؛‬/٠c

B. 10"./ ٠c

Pt

3,85

0,59x

Ni

6,17

Cu

4,27

N h iệt đ iện trở (NĐT) đồng sử dụng ơ n h iệ t độ dưới 100‘١c để
trá n h oxy hóa. Do điện trở su ất của đồng th ấ p (p = 0,0172 p iim )
n ên cần chê tạo n h iệ t điện trở với dây nhỏ và dài.
NĐT niekel có độ phi tuyến cao, dùng ồ n h iệ t độ nhỏ hơn
300.C, có điện trở su ất cao hơn đồng (p = 0,073 pQm).
NĐT bạch kim (Pt) th ô n g dụng n h ấ t, có điện trở suất cao
p = 0,105 |iQ/n, chống oxy hóa, có thế đo trong khoảng -2 2 0 -850+ -‫؛‬.C,
độ phi tuyến kho ản g 0,4% trô n lOO.C. T rị sô 7?،, ciia NĐT P t
thường là 100, 200, 500, 1000 ٤ì. Độ chính xác của PTIOO khoảng
l,5 ٥c . NĐT PT chê tạo b ằn g dầy P t m ảnh quân trê n lõi cách diện
hay bằng phương p h áp phủ lớp lưới kim loại trê n đ ế cách điện.
T rong kh o ản g n h iệ t độ từ O-Ỉ-IOO.C có th ể dùng biểu thức;
R p = Ỉ Ỉ J l +0,385% T)

(2.4)

với sai sô n h iệ t độ ±0,5°c .

ШпА 2.3

H ìn h 2.4

Đặc tính nhiệt điện trở

Sơ đồ hai dây

Khi ghép cảm b iến NĐT với m ạch đo sẽ có dịng qua cảm biến
gây ra tă n g n h iệ t và sai số, do đó cần giới h ạ n dịng này.
Điện trở của h ai dây nối từ cảm biến đến m ạch đo cũng gây
ra sai số phụ vì lúc đó đ iện trở đo được sẽ là: R = Rp + 2R ị^
với

là điện trở dây nối. T rong trường hợp dây nối dài phải


19

C Ằ M 81ẾN VÀ C H U VỄN ũ ổ ١

dùng sơ dồ b a dây hay bốn dây dể bù trừ diện trở dây nối.
Cho sơ dồ cầu do hai dây (Η.2.4)

V _ν
R

(

R t + 2i?L
ì ?3 + R f + 2i?Z/

R2 )
R \ + 2‫ﺀ‬

(2.5)

Điện áp ٧٥ không tuyến tin h tỷ lệ với R? và diện trở dây
nối ánh hưởng dến độ chinh xác.
ắơ dồ b a dây cho độ chinh xác cao hơn (Η.2.5).
R? ‫ ؛‬R i
R.
.)
٧ ٠ = ٧ ٥ (R? + R [ ‫ةل ؛‬3 ‫ اةل ؛‬R \ + ‫ةل‬2
C họn : ‫ ة = اةإ‬2 ; ‫ةل‬3 = ‫ ة‬0
ν’

y ( R f + Ri
~ " 2 ‫د‬
‫ز‬

)
‫ئ‬

1

‫ت‬

Vo =V ằ

‫ت‬

V ( Roil + aTy + R j
R Ro(l + aT) + Ro + 2RL·

Vr Ể (
4

i 'ậ

R i αΤ
‫ ا‬+ ? ‫ﺀ‬+ 1
f?

Ro

_ αΤ\

1)
2
( 2 .6 )

2

2

Khi khoảng do nhỏ có thC' coi như:

}/ - τ;_

αΤ

4

Muốn giảm độ phi tuyến nên chọn R ị = 3‫ ةل‬và k h á lớn (10
lần) so với R t ; R t là trị sô' n h iệt diện trd ơ giữa tầ m n h iệ t độ
Ifn
im
đo, 2‫ أع‬diều chỉnh sao cho cầu cân bằng ỏ. n h iệ t độ Тщ.
Ra

Rl

RTD

Rt

Hình 2.6: Sơ đồ bốn dây nguồn dòng
V :V

٥

(

пR?m Ỷi Râ rj

R Rt +2R l +10Rt

Д[+10Дгт))AV-Ọ
AT

R?/ LiR rm

٠

11 ^

Ѵд(хД٥

[Ro(l + aT) + 2RL+10RT ‫ا‬2

+ 2 ‫ﺀﺀ‬

)

(2.7.)


CH Ư Ơ N G 2

20

Dùng PTIOO tầm đo 0-500.C, R l = lOQ; Tm = 250.C, Vr = lo y ,
ta tính được độ phi tuyến tối đa khoảng 4%. Điện áp y ٥ đưa vào
khuếch đại vi sai có tổng trở vào cao.
Một phương pháp tăng độ chính xác thường dùng trong máy
ghi là phương pháp cầu cân bằng, biến trở R2 là biến trở trượt
tuyến tính có trị số tỷ lệ với khoảng di chuyển của con chạy, con
chạy di chuyển mang theo bút vẽ, điện áp ra từ mạch khuếch đại
dùng để điều khiển động cơ di chuyển con chạy, khi cầu cân bằng
động cơ ngừng, R 2 = R t và vị trí con chạy tỷ lệ R t- ‘
Sơ đồ bốn dây dùng nguồn dịng cho độ chính xác tốt nhất

(H.2.6) vì:
V'٠= / s i ‫؛‬r = /s i? ٠(l + aT)

(2.8)

H ìn h Ề,7: Sơ đổ chuyền đổi từ nhiệt điện trở bốn dây ra điện áp

Vi mạch LM4140A cấp áp chuẩn 2,5V, vi mạch AI (LMP2011)
tạo nguồn dòng \mA chạy qua RTD, A2, A3, A4 tạo thành khuếch
đại vi sai. Hình 2.8 là một sơ đồ khác với hai dây L3, L4 không
nối với RTD.


C Ầ M BIEN VÀ C H U V Ế N Đ ổl

21
+15Ѵ

‫ ا‬M385 ẩ

FB

124Ω
2Ν2905

<
‫ ؟‬٠2

25kQ
٥ =1,24ν/124Ω =10π ιΑ

b)
H ình 2.R: a) Chu^iểĩi đổi nlxÌ.ệt dĩệti trồ - điệĩi áp
b) Mạcli nguồn dOng

Vi m ạch LM385 là diode nguồn chuẩn diều chỉnh dược, có
diện áp giữa chân + và chân FB là l,24V, dòng qua vi m ạch từ
ΙΟμΑ -20 -‫؛‬mA, diện áp giữa chân + và - của vi m ạch sẽ ổn định
dOng qua R i là 0‫ا‬
‫!اا‬
‫ت‬
:
R\
B ảng Ρ5, Ρ 6 (Phụ lục 1 ) cho thống số của n h iệ t diện trở.

Hinh 2.9; Hình dạng một sổ' Thermocouple và RTD


22

CH Ư Ơ N G 2

2.1.3 T herm istor
T h e rm isto r được chê tạo từ hỗn hợp các oxyt kim loại
m an g an , nickel, cobalt... có h ai loại: hệ số n h iệ t độ dương PTC
(điện trở tă n g theo n h iệ t độ) và hệ số n h iệ t độ âm NTC. Loại
th e rm is to r NTC th ô n g dụng n h ấ t, điện trở giảm theo n h iệ t độ
kh o ản g 3% ^6% /٥C theo quan hệ:
i? 7١= i ỉ ٠e
với; Rrp,

2.9)

'‫ ؟‬٥)

- điện trở ở nhiệt độ T và T.

p - hằng số khoảng từ 3000^5000 tùy cách chế tạo.
T h erm isto r thường dùng cho k h oảng n h iệt độ 50.Í-150.C. Do
tín h ch ất phi tu y ến của nó. người ta khơng dùng th erm isto r đế đo
n h iệ t độ mà dùng tro n g m ạch cảnh báo quá n h iệ t hay m ạch bù
n h iêt.

Ri

6 / /

eoo
NTc\

c \

/

PTC

600
b \
400

200

\

e

>
\

0
50

H ìn h 2.10:

100

150.C

s . sanh nhiệt điện trở (e) và thermistor

T rong trường hợp cần dặc tuyến tuyến tin h theo n h iệ t độ,
p hải dUng phương pháp tuyến tin h hóa. Sau dây giới th iệu m ột số
phương pháp tuyến tin h hóa:


CAfJi B IEN VÀ C H U Y ỂN Đ ồỉ

23

1- D ìin g đ iệ n trở song song

R.p
-vvvR.
- ẻ

-

a)

H ình 2.11: Tuyến tinh ìiỏa nhiệ.t điện trở bằng
phương vlicíp song song

Khi R p H R r th i diện trO' Rah sẽ thay dơ.i theo T và có điểm
uốn. Chọn nhiệt độ làm việc là
٥2
٩ Rub
dT'1
ta suy ra:
tron ‫ ؟‬đó. Ịỉr/
o

٠

ỈÌỊ

và ch(٠
)n Rp sao cho:

Ồ T : T ,ni

Rp = Rr.\_

‫؛‬

T ,ìì

( 2.tO)

R - 2T

( 2 . 11 )

ỈN

‫ا ﻻا‬

‫ب‬

‫ﻟﻎﺀ‬

- 'liên trơ thprmi‫;؛‬í,or >
٩
' nhiệĩ độ ۴
٠
//
٠

٠

٤٠

Rob : (Rp IIRfm ) { ] - ữ ọ iT - Tm ‫ ا‬ơ vUiig cận ciia T}

“p

( 2 . 12 )

{RX
fni i ị ‫ )رز‬l \

2- D ù n g đ iệ n trở nối tiếp
Rr.

‫ق‬
Hình 2.12
Tit>‫؛‬ếR tÍTih ìióa nhiệt điện tí.ơ bauH pìơn. g pháp nối tiếp
١

T rong trường hợp này ta tinh độ (íẳn d ‫؛‬ện cUa m ạch gồm

^ 5

và R? sao cho:
Gab tang tUiVến tinh theo nhiệt độ tnong vùng n h iệt độ làm việc
Gub - cố ‫ ا ﻳ ﺔ‬UCŨ ‫ ة‬٦
١
‫ ااا‬-

'٢
٠
١
١١

'Ta tin h đươc:


24

CHƯƠ NG 2

G.

P - 2 Tm n
Ljrp
P + 2Tm ٠٠٠>

R.

٥٠،=;^-;:‫؛‬٢


s
« ٥=

(2.13)

(2.14)

( ( . ; J’ - J

ỉm

(№ )

(2.15)

(Gt- /G.) + 1

2.1.4 Cảm b iế n n h ỉệ t v i m ạch
C ảm biến n h iệ t vi m ạch (IC cảm n h iệt) c h ế tạo từ c h ấ t bán
dẫn, dựa trê n nguyên lý phụ thuộc điện áp mối nối pn theo n h iệt độ
v = ^ in L
Q
L

(2.16)

K hảo s á t sơ đồ đơn giản của một IC cảm n h iệ t (H.2.13) ta
tín h được:
V. = a (V 2 - V i ) - a — l n ^2
/ ١
،7

chọn a, Ii, Ỉ 2 phù hợp ta có Va =
kT . Các IC cảm n h iệ t được ch ế
tạo theo ba th an g n h iệ t độ c, F,
K tùy loại. Tầm đo n h iệ t độ giới
h ạ n từ —55-Ỉ-150.C, độ chính xác
từ 1 - 2 .C .
Sau đây là m ột sô" cảm biến
của h ãn g N ational Sem iconductor
và A nalog Devices.

(2.17)

١‫ ؛‬V2!
V,

P

hC )
^

H ình 2.13: Sơ đồ IC cảm nhiệt

B ả n g 2.6a: IC C ảm n h iệt N ational Sem iconductor
Tên

Tầm nhiệt độ

Độ chính xác

Tín hiệu ra

(-5 0 ^ 3 0 0 ) ٠ F

± 3 ,0 ٥ F

10 mV/٧ F

LM 35A

(- 55 -‫؛‬.+٥ c ( 150

± 1.0.C

10 mV/٠ C

LM 45B/50B

(-40 ٢ ٠ f125)٠ c

± 2.0 ٠ c

10 mV/٥C

LM 34

LM134/234/334

Dòng điều chỉnh

LM 135A

(-55H--f150)٠ C

± 1.3.C

10 mV/٢ K

LM235A

(-40 ٢ -».125)"C

± 2.0.C

10 mV/'K

LM 335A

(-40 -+100)"C

± 2.0'٠C

10 mV/٧K


25

CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN Đổi

Bảng 2.6b: 1C C ảm nhiệt Analog Devices
Tên

Tầm nhiệt độ

Độ chính xác

Tín hiệu ra

Nguồn cung cấp
-i-4\/٣ + 3 0 \/

+1 ụAÌ°K

AD590

-55

-^150

±2.5

TMP01

-55 ^ +125

±1

+5mV/°K

+ 4 .5 \/^ -+ 1 3 .2 l/

TMP35

+10 - +125

±2

+10 mV/^C

+ 2 .7 1 ^^+ 5 . 5 ١

/

TMP36

■40

+ 125

±2

+ 1 0 m l//٠c

+•2.71/^-+5.51/

TMP37

+ 5 ^ + 100

±2

+20 mVỈ°C

+2.7 1/-++5.51/

٣

LM 35 có bốn dạng vỏ kim loại và nhựa, nguồn dương từ
5 h-20V. LM335 được cấp nguồn nơi tiếp điện trở , dịng điện qua IC
từ 0,4H-5/nA. AD590 là IC nguồn dòng thay đổi theo n h iệ t độ

2.1.5 Bù n h iệ t độ đầu tự do của cặp n h iệ t
Ta b iết điện áp trê n đầu tự do của cặp n h iệ t là:
V f,,= a iT - T j

(2.18)

trong đó: T - nhiệt độ đầu đo; 7^, - nhiệt dộ đầu tự đo (môi trường)
ơ.

- hẻ

sô

nhiêt điện.

TO-46
Metal Can Package*

LM35

SO-8
Small outline molded package

1
v - “TIT.
8
7
N .C .- 2
N .C ,- 3
6

٥٧٠

GND. 4

Bottom view
Case is connected to
negative pin (GND)
TO-92
Plastic package

N

c. = No connection

٠

5

Top View

TO-220

GND

H ình 2.14a: Sa đồ chân ưà mạch áp d ụ n g LM 35

+Vc
N .c.