Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ

Tải bản đầy đủ

I.Các phương pháp đo
1. phương pháp đo tiếp xúc
a.Nhiệt điện trở kim loại:
– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
– Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
– Tầm đo: -100 0C->14000C

Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD
– Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo
hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu 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.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 tại 0 D.C. Điện trở
càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
– RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.

b.THERMISTOR
– Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…
– Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
– Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.
– Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
– Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
– Tầm đo: 50-1500C

3

Cấu tạo Thermistor.
– Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối
lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp
này
sẽ
thay
đổi
khi
nhiệt
độ
thay
đổi.
– Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm
NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.
– Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150 0C do vậy người ta ít dùng để
dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta
thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.

c. Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Người ta
nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với
nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t 0 khác nhau thì trong
mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện
động nhiệt điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa
hai cực xuất hiện một hiệu điện thế. Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong
những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất.

Hình b:Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp
4

Ở môi trường nhiệt độ cao từ 16000 C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy
để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng của
cặp nhiệt
d. IC cảm biến nhiệt độ (điốt và tranzitor)
-Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
– Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
– Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
– Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
– Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
– Tầm đo: -50 <150 0C
-Các IC :LM35,LM335,LM45.

Cấu tạo bán dẫn
– Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các
loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp PN tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn
đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao,
chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….

Hình c: Sơ đồ mạch nguyên lý của IC bán dẫn đo nhiệt độ

5

2. Đo nhiệt độ bằngphương pháp không tiếpxúc.
Phương pháp hỏa quang kế
– Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.
– Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
– Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo.
– Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
– Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.
– Tầm đo: từ -54 đến 1000 0F.

Cấu tạo hỏa kế

Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi
trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn
mạnh, khó đặt cảm biến).

Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt động
dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức
xạ sẽ có một bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt
độ của vật cần đo.

II. KHẢO SÁT TÍNH NHIỆT ĐỘ CẦN ĐO
Các yêu cầu của hệ thống
+ Đo và hiển thị nhiệt độ trong khoảng: từ t0C = 00C đến 5700C.
+ 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: 5600C.
+ Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh.

6

III.TÍNH CHỌN CẢM BIẾN
Từ những yêu cầu đề tài và các phương pháp đo nêu trên chúng em xin chọn phương pháp đo
tiếp xúc sử dụng nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples).
1.Tổng quan về nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)
– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
– Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
– Tầm đo: -100 1400 0C

– Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn
lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh
thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được
nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại
cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này
để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
– Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác
là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).
2.Cấu tạo
Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng
tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối
dây (8). Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về
hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ
bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ
nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng
cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với
vỏ để giảm thời gian hồi đáp.

7

4) Sứ cách điện

5) Bộ phận lắp đặt
1) Vỏ bảo vệ

6) Vít nối dây

2) Mối hàn

7) Dây nối

3) Dây điện cực

8) Đầu nối

3.Nguyên lý
Nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Peltier:
+) Hiệu ứng thomson:
Một vật dẫn đồng chất A.Nếu ở hai điểm M,N có nhiệt độ khác nhau sẽ
sinh ra một suất điện động.Suất điện động này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ tại hai
điểm.

+) Hiệu ứng Peltier:
Hai vật dẫn A,B tiếp xúc với nhau và có cùng một nhiệt độ sẽ tạo nên một hiệu điện thế tiếp xúc.
Hiệu điện
thế phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhệt độ.

8

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT
ĐỘ SỬ DỤNG VMTT&VMS
I.HÌNH THÀNH SƠ ĐỒ KHỐI
đối tượng
cần đo

Cảm
biến

Nguồn nuôi

Khuếch đại,

Bộ ADC

giải


chuẩn hóa

1.Sơ đồ khối
Hiển
thị

Nguồn nuôi

Khối cảnh báo
So sánh

2. Yêu cầu cho từng khối
- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động .
- Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọc nhiễu tín hiệu trước khi
chuyển vào các khối khác.
- Khuếch đại và chuẩn hóa: chuẩn hóa tín hiệu đầu ra theo yêu cầu.

9

- So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ
ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể
kết hợp để báo động hiển thị .
- ADC : dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm biến thành những tín
hiệu dạng số để đưa tín hiệu đi so sánh và chỉ thị.
- Hiển thị : cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệ thống đo để kịp thời sử
lý.
- Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép.

II.TÍNH CHỌN CÁC KHỐI
1. Khối cảm biến
Với cặp nhiệt ngẫu lại J :
+ sử dụng cặp :Sắt/Constantan (Fe/Cu/Ni).
+ dải đo :-407500C, độ nhạy cảm là 54µV/°C.

+ tại 0 là 0v.
+tại 570 là 0,031v.

2. Khối khuếch đại và chuẩn hóa đầu ra
a.khối khuếch đại đầu ra
Mạch khuếch đại vi sai cải tiến :điện áp đầu vào UI=0.031V và đầu ra U0=0,8V.
Điều kiện của mạch là R29R26=R27R28.
Uo=UI.[(R20+R24)/R18+1].R28/R27.
Chọn R20=R24=5kΩ, R28=R29 =5kΩ, R26=R27=10kΩ,R18=200Ω..

10