Tài liệu đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở pt 100 dải đo 0 120 độ, ngưỡng nhạy 1 độ

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ..............................4 1.1 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc.......................................................................4 1.1.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở..............................................................................4 1.1.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu............................................................................8 1.1.3 Bán dẫn...................................................................................................................11 1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc.........................................................12 1.2.1 Đo bằng hồng ngoại...............................................................................................12 1.2.2 Hỏa quang kế..........................................................................................................13 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO.................................17 2.1. Sơ đồ khốii hệ thống......................................................................................................17 2.2. Lựa chọn linh kiện........................................................................................................17 2.2.1 Pt-100 2 dây............................................................................................................17 2.2.2 Vi điều khiển 8051.................................................................................................21 2.2.3 ADC 0804................................................................................................................25 2.2.4 LCD 1602................................................................................................................26 2.3 Tính toán và thiết kế mạch đo......................................................................................28 2.3.1 Mạch tạo nguồn dòng LM334...............................................................................28 2.3.2. Mạch khuếch đại đo lường....................................................................................30 2.4 Mạch nguyên lý chung..................................................................................................31 CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH VÀ KẾT QUẢ...............................................................................39 3.1 Lưu đồ thuật toán.........................................................................................................39 3.2 Kết quả………………………………………………………………………………...43 KẾT LUẬN...................................................................................................................................44 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................45 1 LỜI NÓI ĐẦU Trước sự phát triển của công nghệ hiện đại hóa như ngày nay thì việc chế tạo các thiết bị đo lường đang được chú trọng và phát triển. Một trong những thiết bị đo thông dụng là thiết bị đo nhiệt độ với sự cần thiết cho các thiết bị giám sát và điều khiển. Thông qua đồ án 1, chúng em chọn đề tài để báo cáo là “Đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở Pt-100 dải đo 0-120 độ, ngưỡng nhạy 1 độ” Đồ án 1 gồm có 3 chương:  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ  CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO  CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH VÀ KẾT QUẢ Phần chi tiết của từng chương em xin trình bày dưới đây. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 1.1.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở a. Nguyên lý hoạt động: Do điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ nên dựa vào sự thay đổi điện trở đó người ta đo được giá trị của nhiệt độ cần đo. Trong công nghiệp nhiệt điện trở được chia thành nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn.  Nhiệt điện trở kim loại Nhiệt điện trở kim loại (nhiệt kế điện trở) thường được sử dụng trong công nghiệp. Quan hệ giữa nhiệt điện trở của nó và nhiệt độ gần như là tuyến tính. Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Thường được chế tạo từ đồng, platin và niken.  Nhiệt điện trở Platin: Platin có thể chịu được nhiệt độ đến 12000C mà không bị oxy hóa hoặc nóng chảy. Phương trình đặc trưng có thể viết dưới dạng: - RT=Ro(1+At+Bt2) với nhiệt độ từ 0÷600oC - RT=Ro[(1+At+Bt2+C(t-100)3] với nhiệt độ từ -180÷0oC Trong đó A,B,C là các hằng số, Ro là điện trở ở 0oC. Nhược điểm: có đặc tính phi tuyến, không dùng trong môi trường oxy hóa khử, nhưng có độ bền hóa học cao, tính dẻo lớn, có thể chế tạo thành sợi mỏng nên được sử dụng rộng rãi.  Nhiệt điện trở Đồng: Dải nhiệt độ làm việc của nhiệt điện trở đồng trong khoảng từ -50oC÷180oC. Phương trình đặc trưng của nó được biểu diễn dưới dạng: RT=Ro (1+αt) trong đó: - α = 4,3.10-3 (1/oC) là hệ số nhiệt độ của nhiệt điện trở 3 - Ro là điện trở ở 0oC  Nhiệt điện trở Niken: Niken có thể sử dụng đến nhiệt độ 250÷300oC. Trong khoảng tử 0÷100oC, α=5.10-3 (1/oC). Tính chất điện của Niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất và quá trình nhiệt luyện. Ưu điểm của Niken là điện trở suất cao, hệ số nhiệt lớn cho phép chế tạo được các chuyển đổi có kích thước nhỏ. Để sử dụng cho mục đích công nghiệp các nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống được va chạm và rung mạnh… Hình 1.1 Hình ảnh của nhiệt điện trở kim loại trong thực tế  Nhiệt điện trở bán dẫn:  Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại khác nhau (ví dụ như: MnO, NiO, CoO…). Quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ được đặc trưng bởi biểu thức: RT = A.eβ/T Trong đó A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bấn dẫn, kích thước và hình dạng của vật. 4 β: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn. T: Nhiệt độ tuyệt đối.  Phân loại: - Hệ số nhiệt dương PTC-điện trở tăng theo nhiệt độ - Hệ số nhiệt âm NTC- điện trở giảm theo nhiệt độ  Cấu tạo: Hình 1.2 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn  Ưu điểm: bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.  Nhược điểm: có hệ số phi tuyến giữa điện trở với nhiệt độ. Điều này gây khó khăn cho việc khắc độ. Do đó người ta ít dùng làm cảm biến đo nhiệt. b. Một số mạch đo cho nhiệt điện trở  Mạch đo sử dụng nguồn dòng: 5 Hình 1.3 Mạch đo sử dụng nguồn dòng Trong đó: Ura= I. RRT. (R2/R1)  Mạch đo dạng mạch cầu Hình1.4. Mạch đo dạng mạch cầu 6 1.1.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu a. Cấu tạo Hình 1.5. Cấu tạo đầu đo của cặp nhiệt ngẫu Đầu đo của cặp nhiệt ngẫu gồm 2 kim loại khác nhau được hàn chung với nhau. Một đầu gọi là đầu nóng. Hai đầu còn lại không được hàn với nhau được gọi là đầu lạnh(đầu tự do) b. Nguyên lý làm việc Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và lạnh của cặp nhiệt thì ở ngõ ra của cặp nhiệt sẽ xuất hiện sức điện động phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ và bản chất của vật liệu dùng để chế tạo cảm biến. Xét một cặp nhiệt điện được chế tạo từ 2 kim loại A và B như hình vẽ: e= K. (T1-T2) = K.∆T Trong đó K là độ nhạy của cặp nhiệt(µV/oC) 7 Hình1.6. Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu  Một số loại cặp nhiệt ngẫu thường dùng:  Hệ số K của một số cặp nhiệt: 8 c. Mạch bù nhiệt độ đầu tự do: - Dùng nước đá Hình 1.7 Mạch bù nhiệt độ đầu tự do dùng nước đá ở 0oC 9 Phương pháp này ít được dùng vì khó duy trì nhiệt độ lúc nào cũng là 0oC - Dùng cầu bù: Hình 1.8 Mạch dung cầu bù Phương pháp này được dùng phổ biến hơn bằng cách điều chỉnh giá trị biến trở hợp lý thì sức điện động ra sẽ không phụ thuộc vào nhiệt độ đầu tự do chỉ phụ thuộc nhiệt độ đầu đo theo 1 hệ số tỉ lệ. 1.1.3 Bán dẫn  Cấu tạo: được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như diode, transistor, IC  Nguyên lý: dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường.  Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.  Nhược điểm: Do được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến kém bền, không chịu được nhiệt độ cao, độ ẩm, va đập, hóa chất có tính ăn mòn. Cảm biến chỉ tuyến tính trong một khoảng nào đó, ngoài khoảng này cảm biến sẽ mất tác dụng. 10 Một số loại IC phổ biến: 1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc Phương pháp này được sử dụng khi đo nhiệt độ bề mặt của vật ở xa, cao, khó tiếp cận, trong môi trường khắc nghiệt(đường ống trên cao, nhệt độ khu vực quá nóng và nguy hiểm đến tính mạng). Có 2 phương pháp chính: Đo bằng hồng ngoại và hỏa quang kế 1.2.1 Đo bằng hồng ngoại  Nhiệt kế hồng ngoại (IRT) cơ bản bao gồm 4 thành phần :  Ống dẫn sóng: để thu năng lượng phát ra từ bia (target)  Cảm biến hỏa nhiệt kế: có tác dụng chuyển đổi năng lượng sáng tín hiệu điện.  Bộ điều chỉnh độ nhạy: để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngoại với chỉ số bức xạ của vật thể được đo.  Mạch cảm biến bù nhiệt: đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bên trong thiết bị  Công nghệ hồng ngoại sử dụng bước sóng từ 0.7µm-14µm. Các bước sóng cao hơn thì năng lượng quá thấp, cảm biến hồng ngoại không thể nhận ra được  Bất kể một vật nào trên -273oC đều phát ra bức xạ điện tử, theo định luật Flanck: ε = h.f = h.1/T = h.1/(c.λ) Trong đó: ε : là mức năng lượng h: là hằng số Flanck f: tần số c: vận tốc ánh sáng λ: bước sóng  Cảm biến hồng ngoại sẽ đo mức năng lượng của vật, từ đó tính ra nhiệt độ. 11 Hình 1.9. Hình ảnh về thiết bị đo nhiệt độ bằng cảm biến hồng ngoại 1.2.2 Hỏa quang kế Trong công nghiệp khi nhiệt độ cao (trên 1600oC) thì ta dùng hỏa quang kế. Hỏa quang kế chia làm 3 loại:  Hỏa quang kế bức xạ: - Nguyên lý: Năng lượng bức xạ toàn phần của một vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 nhiệt độ của vật: Ebx=σ.T4 Ebx: Năng lượng bức xạ σ: hệ số phát xạ tuyệt đối Năng lượng bức xạ này sẽ làm nóng một tổ hợp cặp nhiệt trong hỏa quang kế và phát sinh ra sức điện động nhiệt điện. - Thông thường có 2 loại: hỏa kế bức xạ có ống kính hội tụ, hỏa kế bức xạ có kính phản xạ: Hình 1.10. Cấu tạo hỏa quang kế bức xạ: a) Loại có ống kính hội tụ b) Loại có kính phản xạ Trong đó: + 1: là nguồn bức xạ + 2: thấu kính hội tụ + 3: gương phản xạ + 4: bộ phân thu năng lượng 12 + 5: dụng cụ đo thứ cấp - Hoạt động:  Trong hình 7a), ánh sáng từ nguồn bức xạ (1), qua thấu kính hội tụ (2) đập tới bộ phận thu năng lượng bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp.  Trong hình 7b), ánh sáng từ nguồn bức xạ (1), đập tới gương phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp. Hình 1.11 Hỏa quang kế bức xạ  Hỏa quang kế quang học: hỏa kế quang học được chế tạo dựa trên định luật Plăng - Nguyên lý: so sánh cường độ sáng của vật cần đo và độ sang của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng. Khi độ sang của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau( người ta thường cố định bước song 0.65µm) 13 Hình 1.12 Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào bước sang và nhiệt độ - Cấu tạo: Hình 1.13. Cấu tạo của hỏa kế quang học Bao gồm: + Một mắt kính quan sát ở bên trái và một thấu kính quang học ở bên phải + Một bóng đèn tham chiếu được cấp nguồn bởi pin + Một biến trở để thay đổi dòng điện từ đó thay đổi cường độ sáng + Một màn ngăn được lắp ráp giữa thấu kính quang học và bóng đèn tham chiếu để tăng dải nhiệt độ đo được + Một tấm lọc màu đỏ đặt giữa kính mắt và bóng đèn tham chiếu giúp thu hẹp dải của bước song ánh sáng. - Hoạt động: Bức xạ nhiệt từ nguồn phát ra và được thấu kính quang học thu lại. Ống kính giúp tập trung bức xạ nhiệt vào bóng đèn tham chiếu. Người theo dõi quan sát quá trình thông qua kính mắt và điều chỉnh sao cho dây tóc bóng đèn sáng nét ở trung tâm và dây tóc chồng lên hình ảnh nguồn nhiệt, sau đó thay đổi giá trị dòng điện trong bóng đèn tham chiếu, dẫn đến thay đổi cường độ sáng bóng đèn. Các trường hợp xảy ra : 14 + Dây tóc bóng đèn sẫm màu: tức là nhiệt độ của nó thấp hơn nguồn nhiệt. + Dây tóc bóng đèn sáng màu: tức là nhiệt độ của nó cao hơn nguồn nhiệt. + Dây tóc biến mất: khi đó nhiệt độ của nguồn nhiệt và bóng điện là tương đương. Khi đó giá trị dòng điện chạy trong bóng đèn tham chiếu là thước đo nhiệt độ của ánh sáng bức xạ trong nguồn nhiệt.  Hỏa quang kế màu sắc: - Cấu tạo: Hình 1.14 Cấu tạo hỏa quang kế màu sắc - Nguyên lý hoạt động: cường độ bức xạ từ vật đo (1) qua thấu kính hội tụ và tập trung ánh sáng trên đĩa quay, đĩa này quay quanh trục nhờ động cơ xoay chiều. Sau khi ánh sáng qua đĩa thì đi đến phần tử quang điện. Trên đĩa quay có khoan một số lỗ, trong đó một nửa đặt bộ lọc màu đỏ còn nữa kia đặt bộ lọc màu xanh. Sự chênh lệch giữa hai dòng quang điện do các xung lượng tạo ra gây nên trong bộ khuếch đại, một tín hiệu tỷ lệ với lôgarít tự nhiên của tỷ số hai dòng quang điện khi tấm chắn quay. 15 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO 2.1. Sơ đồ khổi hệ thống Mạch tạo nguồn dòng Cảm biến KĐ đo lường ADC Vi xử lý LCD Trong đó cảm biến sử dụng là cảm biến pt100 2 dây mắc nối tiếp với một mạch tạo nguồn dòng 1mA. Điện áp rơi trên cảm biến được đưa vào một đầu của bộ khuếch đại đo lường. Đầu còn lại của bộ khuếch đại nối với mạch phân áp 0.1V. Đầu ra của bộ khuếch đại được đưa vào ADC 0804 để chuyển tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số. Từ ADC tín hiệu được chuyển sang vi xử lý để tính toán và hiển thị lên LCD. 2.2. Lựa chọn linh kiện 2.2.1 Pt-100 2 dây  Khái quát về Pt-100 Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa là nhiệt điện trở bạch kim. Vì bạch kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại khác nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở. Pt-100 là một đầu dò cảm biến nhiệt bên trong có các lõi được làm bằng bạch kim. Bên ngoài có bọc một số lớp bảo vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi.  Cấu tạo của Pt-100 16 Hình 2.1 Cấu tạo của đầu cảm biến nhiệt độ Pt-100 Cấu tạo của PT-100 không phải hoàn toàn bằng bạch kim. Việc chế tạo bằng bạch kim là khá tốn kém cho một thiết bị đo thông dụng. Vì thế chỉ có thành phần cảm biến nhiệt mới thật sự là bạch kim. Nhằm giảm thiều chi phí sản suất các thành phần khác của Pt-100 có thể được làm bằng thép không gỉ, đồng, chất bán dẫn, tấm thủy tinh siêu mỏng…  Nguyên lý hoạt động của Pt-100 Nguyên lý hoạt động của Pt-100 đơn giản dựa trên mối quan hệ mật thiết giữa điện trở của kim loại và nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại cũng tăng theo quan hệ: RT=Ro (1+αt+βt2+γ(t-100)3) + α=3.9083.10-3 + β=-5,775.10-7 + γ=-4.183.10-12 + Ro=100Ω.  Phân loại Pt-100 + Pt-100 2 dây: 17 + Pt-100 3 dây: + Pt-100 4 dây:      Trong đó Pt-100 4 dây có độ chính xác cao nhất vì triệt tiêu điện áp rơi trên điện trở dây dẫn. Trong đề tài này, nhóm em sử dụng Pt-100 2 dây. Ưu điểm của Pt-100 Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,99%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. Hệ số nhiệt điện trở ở 0ºC bằng 3,9.10-3/ ºC. Điện trở ở 100ºC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0ºC. 18  Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200ºC ÷ 1000ºC.  Có quan hệ điện trở và nhiệt độ gần như tuyến tính và hệ số tăng nhiệt độ của điện trở đủ lớn để cho việc lấy kết quả đo dễ dàng. Hình 2.2 Đặc tính của điện trở Pt-100 so với Ni-100 19 2.2.2 Vi điều khiển 8051  Cấu tạo MCS-51 là họ IC vi điều khiển do hãng Intel sản xuất. Các IC tiêu biểu cho họ là 8031, 8051, 8951... Những đặc điểm chính và nguyên tắt hoạt động của các bộ vi điều khiển này khác nhau không nhiều. Các đặc điểm của 8051 được tóm tắt như sau : - 4 KB ROM nội 128 Byte RAM on-chip 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit Truyền thông nối tiếp UART 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại Có thực hiện lệnh trên từng bit Nhân chia trong 4µs 2 bộ định thời 16 bit Hình 2.3 Sơ đồ khối 8051  Đặc điểm cấu trúc 20