Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 42 giữ cố định, đầu này đợc gọi là đầu tự do hay đầu lạnh, đầu còn lại đợc đặt vào môi trờng đo nhiệt độ và đợc gọi là đầu làm việc. Phơng trình cơ bản của cặp nhiệt điện làm cảm biến đo nhiệt độ có dạng nh sau: E = f(T) (2-17) ở điều kiện chuẩn khi chia độ các cặp nhiệt quy định T 0 = 0 0 C. Việc sử dụng cặp nhiệt điện có rất nhiều u điểm nh: kích thớc cặp nhiệt nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tợng nghiên cứu và tăng tốc độ hồi đáp. một u điểm nổi bật nữa là cặp nhiệt điện cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng. Suất điện động của cặp nhiệt trong mỗi dải rộng của nhiệt độ là hàm không tuyến tính của nhiệt độ cần đo. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi suất điện động E phụ thuộc vào nhiệt độ của một số loại cặp nhiệt nh hình 2.17. Hình 2.17. Sự thay đổi nhiệt của suất điện động E của một số loại cặp nhiệt điện + Sơ đồ đo: để đo sức điện động E thì phải ghép đợc thiết bị đo (TBD) vào trong mạch của cặp nhiệt điện. Việc ghép nối này phải đảm bảo không làm thay đổi giá trị sức điện động sinh ra trong cặp nhiệt điện. Trong thực tế . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 43 thờng có hai cách ghép nối cặp nhiệt điện đó là: ghép nối qua đầu tự do và ghép nối qua một điện cực nhiệt. Ghép nối qua đầu tự do đợc mô tả nh hình sau: Hình 2.18. Sơ đồ nối thiết bị đo qua đầu tự do của cặp nhiệt điện a) Mạch điện b) Sơ đồ tơng đơng Từ mạch tơng đơng, theo định luật Kiechôp có: E = e AB (t) e AC (t 0 ) + e BC (t 0 ) (2-18) Khi t=t 0 trong vong dây không tồn tại dòng điện, khi đó E=0. (2-18) => 0 = e AB (t 0 ) e AC (t 0 ) + e BC (t 0 )(2-19) => e AB (t 0 ) = e AC (t 0 ) + e BC (t 0 ) (2-20) Nh vậy ta có: E = e AB (t) - e AB (t 0 ) (2-21) Nghĩa là thiết bị đo không làm thay đổi suất điện động sinh ra trong vòng dây. Ghép nối TBĐ trong điện cực nhiệt đợc mô tả nh hình sau: . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 44 Hình 2.19. Sơ đồ nối TBĐ trong điện cực nhiệt a) Mạch điện b) Sơ đồ tơng dơng Theo định luật Kiechôp áp dụng đối với sơ đồ mạch tơng đơng có: E = e AB (t) e AB (t 0 ) e BC (t 1 ) + e BC (t 1 ) (2-22) Hay E = e AB (t) e AB (t 0 ) (2-23) Vậy từ hai cách ghép nối trên thấy E = e AB (t) e AB (t 0 ), nghĩa là thiết bị đo không có ảnh hởng đến tính chất của cặp nhiệt điện và ngợc lại. Trong thực tế thì một số cặp nhiệt điện có dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế, chẳng hạn nh ở nhiệt độ thấp năng suất nhiệt điện của nó giảm đi làm cho tính chính xác trong phép đo bị hạn chế. ở nhiệt độ cao có thể xảy ra hiện tợng tăng kích thớc hạt tinh thể làm tăng độ dòn cơ học, thậm chí có thể bị nóng chảy hoặc có thể xảy ra hiện tợng bay hơi một trong các thành phần trong hợp kim làm cặp nhiệt điện. 2.2.5.4. Khống chế nhiệt độ bằng cảm biến vi mạch LM335 LM335 là loại cảm biến nhiệt độ chính xác trong dải nhiệt độ từ -40 0 C đến +100 0 C, nó làm việc nh hai Diode Zener và độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 10mV/1 0 C. Sơ đồ cấu tạo bên trong vi mạch LM335 có dạng nh hình 2.20. . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 45 Hình 2.20. Sơ đồ cấu tạo vi mạch LM335 Đặc tuyến của LM335 đợc mô tả nh sau: U =10 ì T (mV) = 2730 + 10 ì t (mV) = 2,73 + 0,01 ì t (V) Trong đó: T: là giá trị nhiệt độ tính theo nhiệt độ Kelvin ( 0 K). t: là giá trị nhiệt độ tính theo nhiệt độ Celsius ( 0 C). Để cho vi mạch làm việc tin cậy và ổn định thì dòng điện cho phép qua nó là A 400 đến 5mA. Khi làm việc ở nhiệt độ 25 0 C và dòng điện làm việc là 1mA thì điện áp ra của vi mạch nằm trong khoảng 2,94V đến 3.04V. Đặc biệt là LM335 có độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, chẳng hạn nh ở nhiệt độ 25 0 C nó có sai số không quá 1%. Nh vậy, trong quá trình tự động điều khiển nhiệt độ, để có thể điều chỉnh nhiệt độ theo đúng yêu cầu của đối tợng nghiên cứu thì việc sử dụng nhiệt kế dãn nở chất lỏng và nhiệt kế dãn nở chất rắn để điều chỉnh nhiệt độ là điều hết sức khó khăn vì tính u việt của nó không cao. Mặt khác nhiệt độ là một đại lợng không điện, do đó để điều chỉnh đợc nó một cách tuyến tính theo giá trị đặt trớc thì phải chuyển đổi thành đại lợng điện, thiết bị dùng để chuyển đổi nhiệt độ thành đại lợng điện điện gọi là cảm biến. Vì vậy, để đo nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn mà có sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 46 độ và chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện áp hay dòng điện. Các cảm biến nhiệt độ đã trình bày ở trên, mỗi loại có nguyên lý chuyển đổi khác nhau. Cặp nhiệt điện đợc sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp và nó có u điểm là chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp và có thể đo nhiệt độ ở những không gian chật hẹp, nhng có nhợc điểm là khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng hẹp nh tủ nuôi cấy vi khuẩn thì cặp nhiệt điện hoạt động có độ chính xác không cao, sai số lớn, còn nhiệt kế điện trở là cảm biến chuyển đổi nhiệt độ sang điện trở, sau đó muốn chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hay dòng điện thì phải dùng thiết bị chuyển đổi đó là mạch cầu cân bằng, đối với loại này mạch điện có phần phức tạp nhng cũng đợc dùng khá phổ biến trong thực tế nhng để đo nhiệt độ một cách chính xác thì cảm biến này có độ chính xác không cao do có đặc tính phi tuyến. Trong khi đó cảm biến vi mạch điện tử có những u điểm có thể khắc phục đợc những nhợc điểm của các cảm biến trên, đó là độ nhạy lớn, có thể đo đợc nhiệt độ trong khoảng hẹp. Do đó trong đề tài này, để đo nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn em chọn loại cảm biến vi mạch. 2.3. Khuếch đại thuật toán trong so sánh và khuếch đại tín hiệu OA (là chữ viết tắt của Operational Amplifier) là bộ khuyếch đại thuật toán thuộc về bộ khuếch đại dòng điện một chiều, có hệ số khuyếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò rất quan trọng và đợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực Cấu tạo và ký hiệu của OA: cấu tạo cơ sở của OA với các tầng đầu là các tầng khuếch đại vi sai dùng làm tầng vào. Tầng ra của OA thờng là tầng lặp emito (CC) để dịch mức một chiều. Vì hệ số khuếch đại của tầng emito gần bằng 1, nên hệ số khuếch đại đạt đợc nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại bổ xung mắc giữa tầng vi sai và tầng CC. Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại của OA mà quyết định số lợng tầng giữa. . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 47 Ký hiệu quy ớc của một bộ khuếch đại thuật toán nh hình 2.21. Với đầu vào U(v.k) (hay U v+ ) gọi là đầu vào không đảo, đầu vào thứ hai U(v.d) (hay U v- ) gọi là đầu vào đảo. E c1 (hay E(c1)) và E c2 (hay E(c2)) là hai nguồn cung cấp (có thể là nguồn không đối xứng). Hình 2.21. Ký hiệu của khuếch đại thuật toán Đặc tuyến truyền đạt điện áp của bộ khuếch đại thuật toán: đặc tuyến có dạng nh hình 2.22 sau: Hình 2.22. Đặc tuyến truyền đạt của OA Đặc tuyến truyền đạt của OA gồm hai đờng đặc tuyến tơng ứng với các đầu vào đảo và không đảo. Mỗi đờng đặc tuyến có một đoạn nằm ngang ứng với chế độ bão hoà và một đoạn ứng với chế độ khuếch đại. Trên những đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ khuếch đại không đổi và đợc xác định bằng các giá trị U + rmax , U - rmax gọi là giá trị điện áp ra cực đại (điện áp bão hòa) gần bằng E c của nguồn cung cấp. Đoạn đặc tính U rmax U rmax +E c -E c U v U r Đầu vào không đảo Đầu vào đảo . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 48 biểu thị phụ thuộc tỷ lệ của điện áp ra với điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại của OA. v r U U K = Trong đó trị số K tùy thuộc vào từng loại OA, có thể từ vài trăm nghìn lần. Giá trị K lớn cho phép thực hiện hồi tiếp âm nhằm cải thiện nhiều tính chất quan trọng của OA. Đờng cong trên hình 2.22 là đờng đặc tính lý tởng đi qua gốc tọa độ. Trạng thái U r = 0 khi U v = 0 gọi là trạng thái cân bằng của OA. Tuy nhiên với những OA thực tế thờng khó có thể đạt đợc cân bằng hoàn toàn, tức là khi U v = 0 thì U r có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn không. Nguyên nhân là do tác động của các linh kiện bên trong khuếch đại vi sai. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tham số OA gây nên độ trôi điện áp đầu vào và điện áp đầu ra theo nhiệt độ. Vì vậy trong mạch điện để cân bằng ban đầu cho OA ngời ta đa vào một trong các đầu vào của nó một trong các điện áp phụ thích hợp hoặc một điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp ở mạch vào. Ngoài ra điện trở ra cũng là một trong những tham số quan trong của OA. OA phải có điện trở ra nhỏ (cỡ hàng chục, hàng trăm ) để đảm bảo điện áp ra lớn khi điện trở tải nhỏ. Một số mạch ứng dụng cơ bản của OA: + Khuếch đại đảo hình2.23 sau: Hình 2.23 Tại nút N có I 1 =I ht ; ht NNv R UrU R UU = 1 . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 49 Với giả thiết OA lý tởng U N =U P , U P =0 nên U N =0; => ht r v R U R U = 1 1 R R U U K ht v r == Trong đó K: là hệ số khuếch đại Tổng trở vào: 1 1 1 R R U U I U Z v vv v === + Khuếch đại không đảo hình 2.24. Hình 2.24 Trong mạch có hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo. U N =U P , mà U P =U v => U N =U v ; rN U RR R U 21 1 + = => 1 2 1 R R U U K v r +== + Mạch đệm hình 2.25: Hình 2.25 Hệ số khuếch đại (K) với mạch điện áp 100% U v = U r K = 1. . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 50 2.4. Triac dùng trong mạch động lực Triac là một dụng cụ bán dẫn có tên là Bidirectinal Triode Thyrixtor, là một loại Thyrixtor có ba cực, làm việc đợc với cả hai chiều dơng và âm của điện áp và dòng điện. Vì có khả năng dẫn dòng đợc cả hai chiều nên đợc gọi là Triac (Triode Altemating Current), và cho phép sử dụng Triac trong mạch xoay chiều nh một khóa điện hoặc nh một bộ biến đổi trị số dòng điện xoay chiều. Nên các cực đợc gọi là cực chuẩn T 1 và cực vỏ T 2 , cực cửa G. Cấu tạo của Triac Triac đợc cấu tạo bởi bốn lớp bán dẫn PNPN đặt xen kẽ nhau nh hình 2.26 và có thể coi nh hai Thyrixtor PNPN và NPNP nối song song với nhau. Cực cổng của Triac đợc cấu tạo phức tạp hơn để có thể điều khiển theo các cách khác nhau: Hình 2.26. Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu Triac Mạch tơng đơng của Triac đợc mô tả nh nh hình 2.27 dới đây: Hình 2.27. Mạch tơng đơng của Triac Nguyên lý làm việc của Triac Triac gần nh tơng đơng với hai Thyrixtor nối song song ngợc. Trờng hợp T 2 (+), G(+), Thyrixtor T mở cho dòng chảy qua nh một Thyrixtor thông thờng. . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 51 Trờng hợp T 2 (-), G(-), các điện tử từ N 3 phóng vào P 2 . Phần lớn bị điện trờng tiếp xúc E j1 hút vào khiến cho barier này giảm thấp, gần nh toàn bộ điện áp ngoài đợc đặt lên J 2 làm cho barier này cao lên. Nếu điện áp ngoài đủ lớn làm cho barier này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số (các điện tử của P 1 ) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gẫy các liên kết của các nguyên tử Si trong vùng. Kết quả là xảy ra phản ứng dây chuyền và T bắt đầu mở cho dòng chảy qua. Đặc tính Volt-Ampe (V-A) Đặc tính V-A của Triac là mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp I = f(U) nh hình 2.28 dới đây: Hình 2.28. Đặc tính V-A của Triac Đặc tính V-A của Triac gồm có hai phần đối xứng nhau qua điểm 0 hai phần này giống nhau nh đặc tính V-A của hai SCR mắc ngợc chiều. Khi dòng điện cổng thay đổi, điện áp thuận khóa dòng cũng thay đổi. Dòng điện cực cổng tăng lên, điện áp thuận khởi động càng giảm. Triac có thể mở theo 4 kiểu + Mở bằng xung điều khiển u G > 0 khi 0 21 > TT u + Mở bằng xung điều khiển u G < 0 khi 0 21 > TT u + Mở bằng xung điều khiển u G < 0 khi 0 21 < TT u + Mở bằng xung điều khiển u G > 0 khi 0 21 < TT u Nh vậy, có hai cách điều khiển Triac có hiệu suất cao là: . . quá trình tự động điều khiển nhiệt độ, để có thể điều chỉnh nhiệt độ theo đúng yêu cầu của đối tợng nghiên cứu thì việc sử dụng nhiệt kế dãn nở chất lỏng và nhiệt kế dãn nở chất rắn để điều. xung điều khiển u G > 0 khi 0 21 > TT u + Mở bằng xung điều khiển u G < 0 khi 0 21 > TT u + Mở bằng xung điều khiển u G < 0 khi 0 21 < TT u + Mở bằng xung điều khiển. Hình 2.26. Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu Triac Mạch tơng đơng của Triac đợc mô tả nh nh hình 2.27 dới đây: Hình 2.27. Mạch tơng đơng của Triac Nguyên lý làm việc của Triac Triac gần nh tơng đơng