Đề tài: Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp Module Analog PLC S7-200

Chia sẻ: Cao Tân | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

146
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính trong đề tài "Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp Module Analog PLC S7-200" trình bày như sau: Các phương pháp đo nhiệt độ, giới thiệu tổng quát về PLC, giới thiệu về SCR và các IC được sử dụng trong mạch, thiết kế phần cứng, phần mềm,.... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp Module Analog PLC S7-200

GIAÙO DUÏC & ÑAØO TAÏO ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT KHOA ÑIEÄN BOÄ MOÂN ÑIEÄN TÖÛ LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP Ñeà taøi: THIEÁT KEÁ MOÂ HÌNH ÑO VAØ ÑIEÀU KHIEÅN NHIEÄT ÑOÄ GIAO TIEÁP MODULE ANALOG PLC S7 200
MUÏC LUÏC Trang Phaàn A : GIÔÙI THIEÄU Phaàn B : NOÄI DUNG Phaàn I : LYÙ THUYEÁT LIEÂN QUAN Chöông I :CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO NHIEÄT ÑOÄ --------------------------------1 I – Khaùi nieäm chung------------------------------------------------------------------1 -------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------ II – Caùc phöông phaùp ño nhieät ñoä----------------------------------------------2 III – Giôùi thieäu moät soá maïch ño nhieät ñoä -------------------------------17 IV – Giôùi thieäu moät soá maïch khoáng cheá nhieät ñoä ------------------20 Chöông II : GIÔÙI THIEÄU TOÅNG QUAÙT VEÀ PLC --------------------------------------------------------------25 I – Sô löôïc veà lòch söû phaùt trieån------------------------------------------------- 25 II – Caáu truùc vaø nghieân cöùu hoaït ñoäng cuûa moät PLC-------------25 III – So saùnh PLC vôùi caùc heä thoáng ñieàu khieån khaùc – Lôïi ích cuûa vieäc söû duïng PLC IV – Moät vaøi lónh vöïc tieâu bieåu öùng duïng PLC------------------------------- 30 V – Giôùi thieäu veà Module Analog EM235 cuûa PLC S7 – 200, CPU 214 30 Chöông III : GIÔÙI THIEÄU VEÀ SCR VAØ CAÙC IC ÑÖÔÏC SÖÛ DUÏNG TRONG MAÏCH ---------36 Phaàn II : NOÄI DUNG A – THIEÁT KEÁ PHAÀN CÖÙNG-----39 I – Yeâu caàu--------------------------------------------------------------------------------39 II – Sô ñoà khoái – Nguyeân lyù hoaït ñoäng döïa theo sô ñoà khoái-------------------39 III – Thieát keá chi tieát 39 1 – Maïch caûm bieán nhieät ñoä vaø maïch khueách ñaïi---------------------39 2 – Maïch ñieàu khieån----------------------------------------------------------------------- -------------------------43 3 – Maïch giaûi maõ – Hieån thò----------------------------------------------------------- -----------------------------------48 4 – Thieát bò------------------------------------------------------------------------------------- --------------51 5 – Nguoàn cung caáp---------------------------------------------------------------------51 6 – Sô ñoà nguyeân lyù-------------------------------------------------------------------54 B – PHAÀN MEÀM55 1 – Quan heä giöõa nhieät ñoä vaø döõ lieäu 12 bit ôû ñaàu ra cuûa boä chuyeån ñoåi ADC--------------------------------------------------------------------55 2 – Chöông trình ñieàu khieån----------------------------------------------------------57
Phaàn III : THI COÂNG MAÏCH I – Sô ñoà boá trí linh kieän vaø maïch in--------------------------------------------- 66 II – Caân chænh maïch ñaàu ño----------------------------------------------------------- -----------------------------------69 Phaàn C : KEÁT LUAÄN – TAØI LIEÄU THAM KHAÛO ------------------------------------------------------------------------- 70
PHAÀN I: LYÙ THUYEÁT LIEÂN QUAN
CHÖÔNG I :CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO NHIEÄT ÑOÄ I-Khaùi nieäm chung: Trong nghieân cöùu khoa hoïc, trong saûn xuaát cuõng nhö trong ñôøi soáng sinh hoaït haèng ngaøy, luoân luoân caàn xaùc ñònh nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng hay cuûa moät vaät naøo ñoù. Vì vaäy vieäc ño nhieät ñoä ñaõ trôû thaønh moät vieäc laøm voâ cuøng caàn thieát. Ño nhieät ñoä laø moät trong nhöõng phöông thöùc ño löôøng khoâng ñieän. Nhieät ñoä caàn ño coù theå raát thaáp (moät vaøi ñoä Kelvin), cuõng coù theå raát cao (vaøi ngaøn, vaøi chuïc ngaøn ñoä Kelvin). Ñoä chính xaùc cuûa nhieät ñoä coù khi caàn tôùi moät vaøi phaàn ngaøn ñoä, nhöng coù khi vaøi chuïc ñoä cuõng coù theå chaáp nhaän ñöôïc. Vieäc ño nhieät ñoä ñöôïc tieán haønh nhôø caùc duïng cuï hoã trôï chuyeân bieät nhö caëp nhieät ñieän, nhieät ñieän trôû, diode vaø transistor, IC caûm bieán nhieät ñoä, caûm bieán thaïch anh … Tuøy theo khoaûng nhieät ñoä caàn ño vaø sai soá cho pheùp maø ngöôøi ta löïa choïn caùc loaïi caûm bieán vaø phöông phaùp ño cho phuø hôïp: - Khoaûng nhieät ñoä ño baèng phöông phaùp tieáp xuùc vaø duøng caëp nhieät ñieän laø töø 200 0C ñeán 10000C,ñoä chính xaùc coù theå ñaït tôùi +/-1% -> 0.1%. - Khoaûng nhieät ñoä ño baèng phöông phaùp tieáp xuùc vaø duøng caëp nhieät ñieän (caëp nhieät ngaãu) laø töø – 2700C ñeán 25000C vôùi ñoä chính xaùc coù theå ñaït tôùi +/- 1% -> 0.1%. - Khoaûng nhieät ñoä ño baèng phöông phaùp tieáp xuùc vaø duøng caùc caûm bieán tieáp giaùp P-N (diode, transistor, IC) laø töø –2000C ñeán 2000C,sai soá ñeán +/-0.1%. - Caùc phöông phaùp ño khoâng tieáp xuùc nhö böùc xaï,quang phoå… coù khoaûng ño töø 1000 0C ñeán vaøi chuïc ngaøn ñoä C vôùi sai soá +/-1% -> 10%. Thang ño nhieät ñoä goàm: thang ño Celcius( 0C), thang ño Kelvin (0K), thang ño Fahrenheit (0F), thang ño 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 *Söï lieân heä giöõa caùc thang ño ôû nhöõng nhieät ñoä quan troïng: Kelvin(0K) Celcius(0C) Rankin(0R) Fahrenheit(0F) 0 -273.15 0 -459.67 273.15 0 491.67 32
273.16 0.01 491.69 32.018 373.15 100 671.67 212 II-Caùc phöông phaùp ño nhieät ñoä: Ta coù theå chia quaù trình ño nhieät ñoä ra laøm ba khaâu chính: a-Khaâu chuyeån ñoåi: Khaâu chuyeån ñoåi nhieät ñoä thöôøng döïa vaøo nhöõng bieán ñoåi mang tính ñaëc tröng cuûa vaät lieäu khi chòu söï taùc ñoäng cuûa nhieät ñoä. Coù caùc tính chaát ñaëc tröng sau ñaây: - Söï bieán ñoåi ñieän trôû. - Söùc ñieän ñoäng sinh ra do söï cheânh leäch nhieät ñoä ôû caùc moái noái cuûa caùc kim loaïi khaùc nhau. - Söï bieán ñoåi theå tích, aùp suaát. - Söï thay ñoåi cöôøng ñoä böùc xaï cuûa vaät theå khi bò ñoát noùng. Ñoái vôùi chuyeån ñoåi nhieät ñieän, ngöôøi ta thöôøng döïa vaøo hai tính chaát ñaàu tieân ñeå cheá taïo ra caùc caëp nhieät ñieän (Thermocouple), nhieät ñieän trôû kim loaïi hay baùn daãn, caùc caûm bieán nhieät ñoä döôùi daïng caùc linh kieän baùn daãn nhö: diode, transistor, caùc IC chuyeân duøng. b-Khaâu xöû lyù: Caùc thoâng soá veà ñieän sau khi ñöôïc chuyeån ñoåi töø nhieät ñoä seõ ñöôïc xöû lyù tröôùc khi qua ñeán phaàn chæ thò. Caùc boä phaän ôû khaâu xöû lyù goàm coù: phaàn hieäu chænh, khueách ñaïi, bieán ñoåi ADC (Analog-Digital-Converter) … Ngoaøi ra coøn coù theå coù caùc maïch ñieän boå sung nhö: maïch buø sai soá, maïch phoái hôïp toång trôû… c-Khaâu chæ thò: Khaâu chæ thò tröôùc ñaây thöôøng söû duïng caùc cô caáu cô ñieän, ôû ñoù keát quaû ño ñöôïc theå hieän baèng goùc quay hoaëc söï di chuyeån thaúng cuûa kim chæ thò. Ngaøy nay, vôùi söï phaùt trieån cuûa coâng ngheä ñieän töû, ñaõsaûn xuaát nhieàu loaïi IC giaûi maõ, IC soá chuyeân duøng trong bieán ñoåi ADC, vì vaäy cho pheùp ta söû duïng khaâu chæ thò soá deã daøng nhö duøng LED 7 ñoaïn hoaëc maøn hình tinh theå loûng LCD. ÔÛ ñoù, keát quaû ño ñöôïc theå hieän baèng caùc con soá trong heä thaäp phaân. 1-Ño nhieät ñoä baèng nhieät ñieän trôû:
Nhieät ñieän trôû thöôøng duøng ñeå ño nhieät ñoä cuûa hôi nöôùc, khí than trong caùc ñöôøng oáng, caùc loø phaûn öùng hoùa hoïc, caùc noài hôi, khoâng khí trong phoøng … Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa thieát bò naøy laø döïa vaøo söï thay ñoåi ñieän trôû theo nhieät ñoä cuûa caùc vaät daãn ñieän, töùc laø ñieän trôû laø moät haøm theo nhieät ñoä: R = f(T). Cuoän daây ñieän trôû thöôøng naèm trong oáng baûo veä, tuøy theo coâng duïng maø voû ngoaøi coù theå laøm baèng thuûy tinh, kim loaïi hoaëc goám. Ñoái vôùi haàu heát caùc vaät lieäu daãn ñieän thì giaù trò ñieän trôû R tuøy thuoäc vaøo nhieät ñoä T theo moät haøm toång quaùt sau: R(T) = Ro.F(T – To) Vôùi : Ro :ñieän trôû ôû nhieät ñoä To F : haøm phuï thuoäc vaøo ñaëc tính cuûa vaät lieäu F = 1 khi T = To -Ñoái vôùi ñieän trôû kim loaïi : R(T) = Ro( 1 + AT + BT2 + CT3) T : tính baèng 0C To = 00C -Ñoái vôùi nhieät ñieän trôû baèng oxyt baùn daãn : R(T) = Ro.exp[ B(1/T –1/To)] T : nhieät ñoä tuyeät ñoái (0K) To = 273.150K Nhöõng heä soá trong coâng thöùc tính ñieän trôû R - thöôøng ñöôïc bieát tröôùc moät caùch chính xaùc nhôø söï ño nhöõng nhieät ñoä ñaõ bieát. a)Nhieät ñieän trôû kim loaïi (Thermetal): Nhieät ñieän trôû kim loaïi ñöôïc cheá taïo döôùi daïng daây nhoû quaán quanh moät ñeá caùch ñieän (thöôøng baèng söù troøn, deïp hay voøng xuyeán) vaø ñöôïc boïc baèng moät lôùp voû baûo veä (thuyû tinh, söù, thaïch anh …). Vaät lieäu cheá taïo nhieät ñieän trôû kim loaïi ñoøi hoûi caàn phaûi thoûa caùc yeâu caàu: -Heä soá nhieät lôùn. -Ñieän trôû suaát lôùn. -Tính oån ñònh hoùa-lyù cao. -Tính thuaàn khieát veà maët caáu taïo hoùa hoïc cao. *Muoán ño ñieän trôû cuûa nhieät ñieän trôû kim loaïi,ta coù theå duøng maïch caàu Wheatston nhö sau: R1 R2 E G RB Rt RN
vôùi Rt : nhieät ñieän trôû RN :ñieän trôû maãu RB : ñieän trôû chænh doøng qua nhieät ñieän trôû E : nguoàn moät chieàu R1 ,R2 : ñieän trôû caàu ño RV :ñieän trôû daây daãn nhieät ñieän trôû Khi caàu caân baèng thì doøng qua ñieän keá G baèng 0 : VR1 = VR2 VRT = VRN Neáu doøng qua R1 vaø Rt laø I 1 ,doøng qua R2 vaø RN laø I2 : I1.R1 = I2.R2 I1.Rt = I2.RN Rt RN R1 => ----- = ---- => Rt = ------.RN R1 R2 R2 R1 Neáu chuù yù caû ñieän trôû caùc daây daãn thì : Rt = ___ .RN – 2RV R2 Vôùi trò soá R1,R2,RN ñaõ bieát chính xaùc,ñieän trôû Rt ñöôïc xaùc ñònh. Keát quaû ño ,Rt khoâng phuï thuoäc vaøo nguoàn cung caáp E.Nguoàn E thay ñoåi vaãn khoâng aûnh höôûng ñeán keát quaû ño Rt .Ñaây chính laø öu ñieåm cuûa phöông phaùp ño. Ñoä chính xaùc cuûa söï xaùc ñònh Rt phuï thuoäc vaøo ñoä nhaïy cuûa ñieän keá G. Ñoä nhaïy cuûa ñieän keá caøng cao ,söï xaùc ñònh caân baèng caøng ñuùng. Ngoaøi ra sai soá cuûa ñieän trôû R1, R2,R N cuõng aûnh höôûng ñeán sai soá cuûa Rt. Ñieän trôû ñaàu ra cuûa maïch ñaàu ño: RRA = (R1 + R2)//(RN + Rt) Trong thöïc teá, ngöôøi ta thöôøng giöõ cho doøng ñieän qua nhieät ñieän trôû trong khoaûng I = (1 -> 4) mA ôû pheùp ño caàn ñoä chính xaùc cao vaø I=(4>10)mA ôû pheùp ño caàn ñoä chính xaùc thaáp hôn (trong coâng nghieäp),vì neáu ñeå doøng chaûy qua nhieät ñieän trôû lôùn thì hieän töôïng töï nung ôû nhieät ñieän trôû laø ñaùng keå, seõ gaây ra moät sai soá lôùn, laøm maát ñaëc tính caûm bieán nhieät cuûa nhieät ñieän trôû. *Löu yù khi söû duïng nhieät ñieän trôû :
-Khi mua nhieät trôû caàn caên cöù vaøo quy caùch ñeå choïn nhieät ñieän trôû phuø hôïp vôùi ñieàu kieän ño.Ví duï neáu caàn ño trong moâi tröôøng deã aên moøn thì phaûi duøng loaïi voû baèng theùp hôïp kim khoâng ræ coù tính choáng moøn. Nhieät ñoä vaø aùp löïc moâi tröôøng ño khoâng vöôït quaù giôùi haïn quy ñònh cuûa töøng loaïi. -Khoâng neân ñaët nhieät keá ôû nhöõng nôi coù chaán ñoäng, rung ñoäng, va chaïm. Ñaàu daây noái vaøo daây ñoàng hoà chæ nhieät ñoä khoâng ñöôïc noùng quaù 100 0C. Vò trí ñaët can nhieät (loaïi nhieät ñieän trôû coù voû baûo veä) toát nhaát laø theo höôùng thaúng ñöùng. Khi buoäc phaûi ñaët höôùng vò trí naèm ngang thì phaûi quay oå ñaáu daây ra cuûa nhieät ñieän trôû theo höôùng xuoáng döôùi ñeå traùnh nöôùc loït vaøo. Neáu ño nhieät ñoä ôû ñöôøng oáng coù doøng khí hoaëc nöôùc chaûy qua thì vò trí ñaàu ño caàn ñaët quaù taâm oáng (ñaàu oáng ôû vò trí 2/3 ñöôøng kính oáng nöôùc hoaëc khí). *Moät soá nhieät ñieän trôû kim loaïi thoâng duïng: -Nhieät ñieän trôû Platin: Nhieät ñieän trôû Platin thöôøng ñöôïc cheá taïo döôùi daïng daây quaán ñöôøng kính (0.05 -> 0.1)mm, ño nhieät ñoä töø –2000C -> 10000C vôùi ñoä chính xaùc töông ñoái cao,ngay caû trong nhöõng ñieàu kieän moâi tröôøng deã oxy hoùa ( = 3,9.10-3/0C). Tuy nhieân, ôû nhieät ñoä xaáp xæ 1000 0C hoaëc cao hôn, Platin thöôøng keùm beàn vaø chæ thò nhieät maát chính xaùc. -Nhieät ñieän trôû Nickel: Coù öu ñieåm laø ñoä nhaïy nhieät raát cao (6,66.10 - 3 0 / C) töø 00C ñeán 1000C, ñieän trôû suaát laø 1,617.10 -8 (coøn cuûa Platin laø 1,385.10-8). Nickel choáng laïi söï oxy hoùa, thöôøng ñöôïc duøng ôû nhieät ñoä nhoû hôn 2500C. -Nhieät ñieän trôû ñoàng: Ñöôïc söû duïng vì ñaëc tuyeán raát tuyeán tính cuûa söï thay ñoåi ñieän trôû theo nhieät. Tuy nhieân vì phaûn öùng hoùa hoïc neân khoâng cho pheùp söû duïng ôû nhieät ñoä lôùn hôn 1800C, vaø vì ñieän trôû suaát beù neân khi duøng, ñeå ñaûm baûo coù giaù trò ñieän trôû nhaát ñònh, chieàu daøi daây phaûi lôùn gaây neân moät söï coàng keành baát tieän. -Nhieät ñieän trôû Tungsteøne: Coù ñoä nhaïy nhieät cuûa ñieän trôû lôùn hôn cuûa Platin trong tröôøng hôïp nhieät ñoä cao vaø noù thöôøng ñöôïc söû duïng ôû nhieät ñoä cao hôn Platin vôùi moät ñoä tuyeán tính
hôn Platin.Tungsteøne coù theå ñöôïc caáu taïo döôùi daïng nhöõng sôïi raát maûnh cho pheùp thöïc heän ñieän trôû coù giaù trò cao, nhö vaäy vôùi giaù trò ñieän trôû cho tröôùc, chieàu daøi daây seõ giaûm thieåu. b)Nhieät ñieän trôû baùn daãn (Thermistor): Ñaây laø loaïi caûm bieán nhieät nhaïy caûm vôùi söï thay ñoåi nhieät ñoä, ñöôïc cheá taïo baèng chaát baùn daãn, thöôøng goïi laø Thermistor. Ñaëc ñieåm cuûa Thermistor laø ñieän trôû cuûa noù bieán ñoåi raát lôùn theo nhieät ñoä. Thaønh phaàn chính cuûa noù laø boät cuûa oxyt kim loaïi nhö Mangan, Nickel, saét… hoaëc hoãn hôïp tinh theå MnAl 2O, Zn2TiO4. Nhieät keá Thermistor ñöôïc cheá taïo baèng caùch eùp ñònh hình, sau ñoù nung noùng ñeán 100 0C trong moâi tröôøng oxy hoùa.Vieäc choïn tyû leä hoãn hôïp caùc oxyt hoaëc hoãn hôïp tinh theå vaø moâi tröôøng nung giöõ vai troø quan troïng, quyeát ñònh chaát löôïng cuûa Thermistor. Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, caùc nhieät keá Thermistor ñöôïc söû duïng nhieàu vì noù coù öu ñieåm: ñoä nhaïy cao, ñaëc tính nhieät oån ñònh, kích thöôùc nhoû, hình daùng thay ñoåi deã daøng khi cheá taïo. Nhieät ñieän trôû baùn daãn chia laøm hai loaïi: +Nhieät ñieän trôû coù heä soá nhieät döông PT (Positive Thermistor) laøm vieäc treân nguyeân taéc: khi nhieät ñoä taêng thì R taêng, loaïi naøy caáu taïo töø moät trong nhöõng hôïp chaát sau: Ceramic, Saét, Titan, Bari… +Nhieät ñieän trôû coù heä soá nhieät aâm NT (Negative Thermistor) laøm vieäc treân nguyeân taéc khi nhieät ñoä taêng thì R giaûm. Thaønh phaàn chính cuûa loaïi naøy laø boät oxyt kim loaïi Mn, Fe,Ni hoaëc caùc hoãn hôïp tinh theå Aluminate Mn (MnAl2O) , Titanate keõm (Zn2TiO4). *Nguyeân lyù laøm vieäc – Ñaëc tuyeán laøm vieäc: -Ñaëc tuyeán nhieät ñoä cuûa nhieät ñieän trôû baùn daãn loaïi PT: R A B C M T O
Vuøng A : heä soá nhieät aâm Vuøng B : heä soá nhieät döông raát lôùn Vuøng C : heä soá nhieät aâm saâu, vuøng naøy raát nguy hieåm vaø nhieät ñieän trôû deã bò phaù huûy. Ñieåm M: laø ñieåm ñieàu haønh nhieät ñieän trôû.Ñaùp öùng nhieät ñoä töùc thôøi khi cöôøng ñoä doøng taêng voït, nhieät ñieän trôû hoaït ñoäng bình thöôøng trong khi chôø ñeán nhieät ñoä taêng. Heä soá nhieät vaø ñieåm ñieàu haønh naøy thay ñoåi theo thaønh phaàn caùc hôïp chaát caáu taïo Thermistor. Ñoä bieán thieân coù theå töø 10% ñeán 90% treân ñoä baùch phaân. -Ñaëc tuyeán nhieät ñoä cuûa nhieät ñieän trôû baùn daãn loaïi NT: R O T Ñaëc tuyeán cuûa NT coù daïng hyperbol do söï thay ñoåi cuûa chaát baùn daãn theo nhieät ñoä. Trò soá cuûa ñieän trôû giaûm raát nhanh khi nhieät ñoä taêng. Quan heä naøy ñöôïc bieåu dieãn bôûi haøm: R(T) = A.eB/T A : heä soá ñieän trôû phuï thuoäc ñieän trôû suaát cuûa baùn daãn. B : heä soá nhieät phuï thuoäc vaøo tính chaát vaät lyù cuûa vaät lieäu laøm chaát baùn daãn vaø loaïi Thermistor. B = 3000 ->5000 : thermistor ño nhieät ñoä thaáp B = 6000 ->13000 : thermistor ño nhieät ñoä cao. Khi nhieät ñoä caøng giaûm thì ñoä nhaïy cuûa Thermistor caøng taêng.Ñoù laø moät öu ñieåm cuûa nhieät keá naøy. Phaïm vi söû duïng thermistor töø 100 0C ñeán 4000C. Vì laø chaát baùn daãn neân khi söû duïng ôû nhieät ñoä cao hôn 2000C thì Thermistor phaûi coù boïc chaát lieäu nhieät. 2-Ño nhieät ñoä baèng caëp nhieät ñieän (Thermocouple) :
Nhieät ñoä caàn ño ñöôïc caëp nhieät chuyeån ñoåi thaønh söùc ñieän ñoäng ñeå ñöa vaøo caùc voltmet chæ thò baèng kim,baèng vaïch saùng hoaëc baèng caùc con soá. *Caáu taïoÑaëc tính toång quaùt : Moät caëp nhieät ñöôïc caáu taïo bôûi hai daây daãn A vaø B vaø taïi hai ñieåm tieáp xuùc cuûa chuùng coù nhieät ñoä T1 vaø T2 seõ taïo ra moät söùc ñieän ñoäng E T2T1A/B tuøy thoäc moät maët vaøo vaät lieäu cuûa A vaø B, maët khaùc tuøy thuoäc vaøo T1 vaø T2. Nhieät ñoä cuûa moät trong hai moái noái coá ñònh, ñöôïc bieát vaø duøng laøm chuaån (T1 = T ref), trong khi T2 laø nhieät ñoä cuûa moái noái coøn laïi laø nhieät ñoä Tc ñaït ñöôïc khi ñaët trong moâi tröôøng coù nhieät ñoä khoâng bieát Tx. Nhieät ñoä Tc phuï thuoäc vaøo Tx vaø phuï thuoäc vaøo nhöõng söï thay ñoåi nhieät coù theå coù vôùi nhöõng moâi tröôøng khaùc (haønh lang, moâi tröôøng beân ngoaøi). Caëp nhieät ñieän ñöôïc caáu taïo vôùi kích thöôùc raát beù cho pheùp vieäc ño nhieät ñoä vôùi moät caáp chính xaùc cao, ñoàng thôøi soá löôïng calo ñöôïc thu nhoû cho pheùp moät vaän toác ñaùp öùng nhanh. Hai öu ñieåm naøy cho thaáy caëp nhieät ñieän ñöôïc söû duïng coù öu ñieåm hôn ñieän trôû. Ngoaøi ra, noù coøn coù moät öu ñieåm khaùc laø tín hieäu ñöôïc taïo ra chính laø söùc ñieän ñoäng maø khoâng caàn taïo ra moät doøng ñieän chaïy qua caûm bieán, nhö vaäy traùnh ñöôïc hieän töôïng ñoát noùng caûm bieán. Tuy nhieân, nhöôïc ñieåm cuûa Thermocouple laø trong quaù trình ño nhieät ñoä thì nhieät ñoä cuûa moái noái chuaån (Tref) phaûi bieát roõ, taát caû söï khoâng chính xaùc cuûa T ref seõ daãn ñeán moät söï khoâng chính xaùc cuûa Tc.
*Hình daïng vaø nguyeân lyù laøm vieäc: Nhaèm traùnh nhöõng tieáp xuùc khaùc ngoaøi moái noái, hai daây daãn ñöôïc ñaët beân trong voû caùch ñieän baèng söù,caëp nhieät ñieän vôùi voû caùch ñieän thöôøng ñöôïc che chôû theâm baèng moät lôùp voû ñeå choáng söï xaâm phaïm cuûa caùc khí cuõng nhö nhöõng ñoät bieán nhieät, lôùp voû thöôøng baèng söù hoaëc theùp; trong tröôøng hôïp baèng theùp, moái noái coù theå ñöôïc caùch vôùi voû hay tieáp xuùc vôùi voû, ñieàu naøy coù lôïi laø vaän toác ñaùp öùng nhanh nhöng nguy hieåm hôn. -Hình daïng caùc ñaàu caëp nhieät: Phöông phaùp haøn ñaàu moái noái caëp nhieät thoâng thöôøng laø haøn ñieän, haøn hoà quang, haøn C 2H2, haøn hoùa chaát. Caëp nhieät loaïi 1,2,3 : ño ôû nhieät ñoä
E: söùc ñieän ñoäng ñöôïc taïo ra khi caëp nhieät ñieän laøm vieäc. T: hieäu soá nhieät ñoä giöõa ñaàu noùng vaø ñaàu laïnh. A, B, C: caùc heä soá phuï thuoäc vaøo vaät lieäu laøm caëp nhieät. - Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa caëp nhieät ñieän: Taïi moái noái cuûa hai daây daãn kim loaïi khaùc nhau A vaø B trong cuøng moät ñieàu kieän nhieät ñoä T seõ hình thaønh moät hieäu ñieän theá. Hieäu ñieän theá naøy chæ phuï thuoäc vaøo tính chaát vaät lieäu caáu taïo daây daãn vaø nhieät ñoä cuûa chuùng. VM – VN = PTA/B (söùc ñieän ñoäng öùng Peltier) A(T) .N M. B(T) PTA/B + Neáu taïo thaønh moät maïch kín ñaúng nhieät caáu taïo bôûi nhöõng daây daãn khaùc nhau thì söùc ñieän ñoäng Peltier toång coäng seõ baèng 0. Trong maïch ñöôïc caáu taïo bôûi nhöõng vaät lieäu A, B, C, D thì : PTA/B + PTB/C +PTC/D + PTD/A = 0 A P=0 B D C - Giöõa hai ñieåm M, N coù nhieät ñoä khaùc nhau trong cuøng moät thanh daây daãn ñoàng chaát A seõ hình thaønh moät söùc ñieän ñoäng chæ tuøy thuoäc vaøo loaïi daây daãn vaø caùc nhieät ñoä TM , TN : TM ETNTMA = hA.dT : söùc ñieän ñoäng TN Thompson
vôùi hA laø heä soá Thompson cuûa daây daãn A, laø oMTM A NTNo moät haøm cuûa nhieät ñoä T MT N EA Neáu hai ñaàu cuûa moät maïch ñieän ñöôïc caáu taïo bôûi moät daây daãn duy nhaát vaø ñoàng caáp, ñoàng thôøi coù cuøng nhieät ñoä thì EATMTN = 0. -Neáu trong moät maïch ñieän kín ñöôïc caáu taïo bôûi hai daây daãn A vaø B maø hai moái noái cuûa chuùng coù nhieät ñoä T1 vaø T2 thì seõ taïo ra moät söùc ñieän ñoäng (goïi laø söùc ñieän ñoäng Seebeck): T2 ET2T1A/B = PT2A/B - PT1A/B + ( hA hB ) dT T1 A .a .b (T2) (T1) .d c. B Ñaây chính laø nguyeân lyù laøm vieäc cuûa moät caëp nhieät ñieän ñöôïc caáu taïo töø hai daây daãn kim loaïi khaùc nhau A, B. Vôùi nhieät ñoä T1 bieát tröôùc duøng laøm nhieät ñoä chuaån T1 = Tref, söùc ñieän ñoäng cuûa caëp nhieät ñieän chæ phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä T2 laø nhieät ñoä caàn xaùc ñònh. *Caùch söû duïng: Caàn traùnh nhöõng söùc ñieän ñoäng kyù sinh trong khi maéc daây caûm bieán hoaëc do söï caáu taïo khoâng ñoàng nhaát cuûa caûm bieán laøm thay ñoåi ñaëc tính nhieät ñieän cuûa caûm bieán. Nhöõng söï khoâng ñoàng nhaát trong caáu taïo coù ba nguyeân nhaân chính: - Löïc eùp cô khí coù ñöôïc do söï saép xeáp hoaëc do söï caêng daây, thoâng thöôøng. Chuùng coù theå loaïi boû ñöôïc nhôø söï nung laïi.
- Nhöõng taùc ñoäng hoùa hoïc: hai daây daãn phaûi ñöôïc che chôû choáng laïi moïi taùc nhaân coù theå taùc ñoäng ñeán chuùng. Ñaëc bieät, söï ñieàu cheá vaät lieäu caàn thieát phaûi ñöôïc tinh khieát . - Nhöõng tia böùc xaï haït nhaân gaây ra nhöõng chuyeån ñoåi trong vaøi hôïp kim caëp nhieät ñieän. Moái noái cuûa caëp nhieät ñieän phaûi coù theå tích giaûm thieåu nhaèm traùnh nhöõng ñieåm coù nhieät ñoä khaùc nhau taïi moái noái, ñieàu naøy daãn ñeán nhöõnh söùc ñieän ñoäng kyù sinh, cuõng nhö nhöõng thay ñoåi hoùa hoïc cuûa vaät lieäu do möùc ñoä haøn. Traùnh vieäc thay ñoåi nhieät ñoä ñoät ngoät ñoái vôùi caëp nhieät ñieän. Traùnh xa vuøng aûnh höôûng cuûa ñieän tröôøng vaø töø tröôøng maïnh. Neân ñeå caëp nhieät ñieän thaúng ñöùng nhaèm traùnh oáng baûo veä bò bieán daïng nhieät. Hoäp ñaàu daây cuûa caëp nhieät ñieän khoâng neân ñaët quaù gaàn nôi caàn ño nhieät ñoä ñeå traùnh nhieät ñoä ñaàu töï do quaù cao. Chuù yù ñeán phaïm vi söû duïng cuûa töøng loaïi caëp nhieät ñieän maø choïn loaïi caëp nhieät ñieän phuø hôïp (thoâng thöôøng phaïm vi söû duïng caëp nhieät noùi chung raát roäng töø –500C ñeán 25000C, nhöng ôû nhieät ñoä cao thì ñoä chính xaùc keùm daàn). Chuù yù ñeán ñieàu kieän söû duïng caëp nhieät ñieän: +Duøng cho loø nung coá ñònh, gia nhieät töø töø: choïn loaïi coù oáng baûo veä kín hoaëc hôû. +Duøng nhuùng tröïc tieáp trong nöôùc: choïn loaïi khoâng boïc. +Duøng trong moâi tröôøng hay bò aên moøn: choïn oáng baûo veä baèng söù hoaëc theùp ñaëc bieät chòu aên moøn. *Moät soá caëp nhieät ñieän thoâng duïng: -Thermocouple Platin_Rhodium Platin: Nhieät ñoä söû duïng : T = -500C -> 15000C Ñöôøng kính daây : 0,51mm Söùc ñieän ñoäng Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV Loaïi 10% Platin : T = 00C -> 6000C , caáp chính xaùc laø +/-2,5% T = 6000C -> 16000C , caáp chính xaùc laø +/-0,4%
Loaïi 13% Platin : T = 00C -> 5380C , caáp chính xaùc laø +/-1,4% T = 5380C -> 15000C , caáp chính xaùc laø +/-0,25% Loaïi 30% Platin : T = 00C -> 17000C , caáp chính xaùc laø +/-0,5% -Thermocouple WolframRhenium: Ñöôøng kính daây : 0,40mm Söùc ñieän ñoäng Seebeck : E = (0 38,5)mV Loaïi Wolfram_Rhenium 5% : T = 00C 27600C Loaïi Wolfram_Rhenium 26% : T = 00C 19500C Chuyeân duøng ñeå ño nhieät ñoä raát cao. -Thermocouple Chromel_Alumel: Nhieät ñoä söû duïng : T = -2700C 12500C Ñöôøng kính daây : 3,25mm Söùc ñieän ñoäng Seebeck : E = (-5,35 50)mV Caáp chính xaùc : T = 00C 4000C laø : +/-3% T = 4000C 12500C laø +/-0,75% -Thermocouple Chromel_Constantan: Nhieät ñoä söû duïng : T = -2700C 8700C Ñöôøng kính daây : 3,25mm Söùc ñieän ñoäng Seebeck : E = (-9,8 66)mV Caáp chính xaùc : T = 00C 4000C laø +/-3% T = 4000C 8700C laø +/-0,75% -Thermocouple Fer_Constantan : Nhieät ñoä söû duïng : T = -2100C 8000C Ñöôøng kính daây : 3,25mm Söùc ñieän ñoäng Seebeck : E = (-8 45)mV Caáp chính xaùc : T = 00C 4000C laø +/-3% T = 4000C 12500C laø +/-0,75% -Thermocouple Cu_Constantan : Nhieät ñoä söû duïng : T = -2700C 3700C Ñöôøng kính daây : 1,63mm Söùc ñieän ñoäng Seebeck : E = (-6,25 19)mV Caáp chính xaùc : T = -1000C -400C laø +/-2% T = -400C 1000C laø +/-8% T = 1000C 3500C laø +/-0,75% 3-Ño nhieät ñoä baèng hoûa keá quang hoïc :
Hoaû keá quang hoïc laø teân goïi chung cuûa caùc duïng cuï ño nhieät ñoä baèng caùch öùng duïng caùc tính chaát cuûa heä thoáng thaáu kính quang hoïc ñeå thu laáy caùc böùc xaï cuûa vaät theå roài caên cöù theo ñoä böùc xaï cuûa vaät theå ñeå xaùc ñònh nhieät ñoä . a-Nguyeân lyù cô baûn : Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa hoûa keá quang hoïc laø döïa treân caùc hieän töôïng böùc xaï cuûa caùc vaät theå ôû caùc nhieät ñoä cao, trong ñoù coù lieân quan ñeán vai troø cuûa vaät ñen tuyeät ñoái. Ñoù laø moät thöïc theå vaät chaát coù khaû naêng haáp thu hoaøn toaøn taát caû caùc böùc xaï nhaän ñöôïc maø khoâng phoùng xaï. b-Moät soá daïng cuûa hoûa keá quang hoïc thoâng duïng : Hieän nay, trong coâng nghieäp, ngöôøi ta duøng raát nhieàu loaïi hoûa keá quang hoïc nhö hoûa keá böùc xaï, hoûa keá vi sai, hoûa keá ño maøu saéc, hoûa keá nhieät ngaãu… Neáu hoûa keá tieâu thuï toaøn boä naêng löôïng cuûa böùc xaï toaøn phaàn cuûa vaät theå, ñoù laø hoûa keá böùc xaï toaøn phaàn. Hoaû keá quang ñieän duøng söï so saùnh giöõa söï phaùt saùng cuûa daây toùc ngoïn ñeøn ñöôïc cheá taïo ñaëc bieät vôùi ñoä saùng cuûa vaät nung noùng vaø xaùc ñònh chính xaùc daây toùc vaø nhieät ñoä. Hoûa keá quang ñieän cho keát quaû ño khoâng phuï thuoäc vaøo ngöôøi quan saùt vaø coù theå noái lieân maïch vôùi caùc thieát bò khoáng cheá nhieät ñoä töï ñoäng.
c-Phaïm vi söû duïng: Phaïm vi söû duïng laø nhieät ñoä cuûa vaät caàn ño khoâng döôùi 8000C. Taát caû caùc loaïi hoûa keá quang hoïc ñeàu coù sai soá khoâng vöôït quaù 1%. Tuy nhieân, baûng chæ nhieät treân caùc hoûa keá chæ hoaøn toaøn chính xaùc vôùi vaät ñen tuyeät ñoái (quy öôùc coù böùc xaï baèng 1).Vì vaäy, vôùi giaù trò thaät cuûa nhieät ñoä caùc vaät caàn ño phuï thuoäc vaøo möùc ñoä ñen cuûa töøng chaát phaùt saùng. Hoaû keá quang ñieän laø duïng cuï ño nhieät ñoä giaùn tieáp neân coù nhieàu thuaän lôïi, coù theå ño töø xa maø khoâng caàn tieáp xuùc vôùi vaät caàn ño. 4-Ño nhieät ñoä duøng diode vaø transistor: Nhöõng thaønh phaàn ñöôïc söû duïng, diode hay transistor Silicium ñöôïc maéc nhö diode (cöïc neàn vaø cöïc thu noái chung) ñöôïc cung caáp theo chieàu thuaän doøng ñieän I khoâng ñoåi, ñieän aùp V ôû hai ñaàu cöïc cuûa chuùng, tuøy thuoäc vaøo nhieät ñoä, ñieàu naøy coù theå xem nhö tín hieäu ñieän ñi ra töø caûm bieán tuøy thuoäc vaøo nhieät ñoä. V2 V1 Vd V V I I1 c) I2 I a) b) Caùc thaønh phaàn ñöôïc söû duïng laøm caûm bieán ño nhieät ñoä: a)diode b)Transistor maéc thaønh diode c)Hai Transistor gioáng nhau ñöôïc maéc nhö diode Ngöôøi ta lôïi duïng söï thay ñoåi tuyeán tính cuûa moái noái p-n ñoái vôùi nhieät ñoä ñeå cheá taïo ra caùc diode vaø transistor chuyeân duøng, laøm caàu caûm bieán nhieät trong ño löôøng vaø khoáng cheá nhieät ñoä. *Sô ñoà maïch caûm bieán duøng transistor: Trong ñoù: T1 : transistor caûm bieán keát hôïp vôùi R1 laøm caàu phaân cöïc, nhieät ñoä thay ñoåi aûnh höôûng ñeán moái noái BE cuûa T1. IC1 : laøm maïch khueách ñaïi tín hieäu ñaàu vaøo. IC2 : khueách ñaïi ñaûo. R5, R6 :duøng ñeå hieäu chænh maïch.
ÔÛ nhieät ñoä khoaûng 00C ,doøng qua R4 baèng doøng qua R5 vaø R6. ÔÛ nhieät ñoä cao, doøng qua R4 nhoû hôn doøng qua R5, R6. Luùc naøy ngoõ ra cuûa IC1 giaûm xuoáng laøm doøng qua R4, R5 giaûm theo,laøm suït aùp taïi ngoõ vaøo cuûa IC2. IC2 maéc theo maïch khueách ñaïi ñaûo, heä soá khueách ñaïi baèng 1 neân taïi ngoõ ra cuûa IC2 coù moät ñieän aùp ñuùng baèng ñieän aùp ñaàu vaøo nhöng ngöôïc daáu.Ñieän aùp naøy ñöôïc hieån thò baèng ñoàng hoà chæ thò. *Sô ñoà maïch caûm bieán duøng diode : Trong ñoù: R1 : phaân cöïc cho doøng chaïy qua diode. IC1 : duøng khueách ñaïi ñaûo, heä soá khueách ñaïi baèng 1, buø tröø ñieän aùp DC cuûa diode caûm bieán D. IC2 : khueách ñaïi khoâng ñaûo, heä soá khueách ñaïi baèng 5. Nguyeân lyù hoaït ñoäng ñöôïc duøng töông töï nhö maïch duøng transistor caûm bieán. 4-Ño nhieät ñoä baèng IC: *Giôùi thieäu: Kyõ thuaät vi ñieän töû cho pheùp cheá taïo ñöôïc nhöõng maïch keát noái goàm nhöõng transistor gioáng nhau ñöôïc söû duïng ñeå laøm caûm bieán hoaøn haûo ño nhieät ñoä döïa vaøo vieäc ño söï khaùc bieät ñieän aùp V BE döôùi taùc ñoäng cuûa nhieät ñoä .Caùc caûm bieán naøy taïo ra caùc doøng ñieän haëc ñieän aùp tyû leä vôùi nhieät ñoä tuyeät ñoái,vôùi ñoä tuyeán tính cao; noù coù ñieàu lôïi laø vaän haønh ñôn giaûn,