Đồ án tốt nghiệp Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ SỐ 5 KÊNH’’ PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1. Các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo lường 1.1.1 Khái niệm: Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo. Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo A x , nó bằng tỷ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X 0 . Vậy quá trình có thể viết dưới dạng: A x = 0 X X ⇔ X= A x .X 0 Đây là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số. Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau: - Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu. - Thao tác so sánh. - Thao tác biến đổi. - Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị. ¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo • Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất . • Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo ,từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp. • Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lượng nào đó , trong cùng một điều kiện và cùng một giá.T ừ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 1.1.2. Các đại lượng đặc trưng của kỹ thuật đo lường 1.1.2.1 Tín hiệu đo và đại lượng đo : - Tín hiệu đo : là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lượng đo.Nó có thể: + Tín hiệu liên tục Analog (A) + Tín hiệu rời rạc Digital (D) - Đại lượng đo : là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó . Đại lượng đo được phân loại như sau: + Theo tính chất : o Đại lượng tiền định (đại lượng xác định được trước) o Đại lượng đo ngẫu nhiên (đại lượng không xác định ) + Theo bản chất : - Đại lượng điện (bản thân nó mang năng lượng như : I ,U . - Đại lượng thông số ( R, L, C .) - Đại lượng không điện ( t 0 , F,P ,Q .) - Đại lượng theo thời gian ( t,ϕ,f .) +Theo dụng cụ đo : - Vôn kế , Wattmet, tần số kế 1.1.2.2 Điều kiện đo: Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo. Cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để chọn thiết bị đo và tổ chức các phép đo cho tốt nhất. 1.1.2.3 Đơn vị đo: Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đấy được quốc tế quy định mà mỗi quố c gia đều phải tuân theo. Trên thế giới người ta đã chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn., trong đó có 7 đơn vị cơ bản : - Chiều dài là mét (m) - Khối lượng là kilôgam (kg) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 - Thời gian là giây (s) - Cường độ dòng điện là ampe (A) - Nhiệt độ là độ Kelvin (K) - Cường độ ánh sáng là Candela (cd) - Số lượng vật chất là mol (mol) Ngoài ra còn có các đơn vị kéo theo trong các lĩnh vực khác . 1.1.3. Thiết bị đo và Các phương pháp đo. 1.1.3.1 Thiết bị đo : Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Thực hiện phép đo: - Thiết bị tạo mẫu : Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. Thiết bị mẫu phải đạt độ chính xác cao. - Dụng cụ đo : Là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thể hiện kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng số .tuỳ theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo tương tự (ânlog) và dụng cụ đo chỉ thị số (Digital) - So sánh : + Thiết bị tự động + Người điều khiển - Biến đổi Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số . Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau: - Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu. - Thao tác so sánh. - Thao tác biến đổi. - Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị. ¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo • Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất . TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 • Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo ,từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp. • Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lượng nào đó , trong cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết. Kết quả đo Ph ương pháp biến đổi thẳng: • Chuyển đổi (khâu đầu): biến đổi giữa hai đại lượng vật lý với nhau. + Chuyển đổi điện - điện - liên tục rời rạc (A/D) - rời rạc liên tục (D/A) + Chuyển đổi không điện - điện : là đại lượng không điện (t 0 ,p ,F .) sang đại lượng điện (U, I ). • Mạch đo (biến đổi ): các mạch tính toán như: + Mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân + Mạch khuyếch đại ,mạch logic (and, or, not ) • Chỉ thị (khâu cuối): để thể hiện kết quả đo + Dùng kim chỉ , tự ghi + Chỉ thị số Dùng biến đổi thẳng là những cái đo trực tiếp(vôn kế, ampe kế). X ΔX Y Y’ X K Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị Chuyển đổi ngược TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 X: là đại lượng đo X K : là đại lượng chuẩn phản hồi ΔX = X − X K - So sánh cân bằng : X − X = ΔX = 0 - So sánh không cân bằng : ΔX ≠ 0⇒ X = X K + ΔX 1.1.4.Các đại lượng đặc trưng cơ bản - Sai số tuyệt đối : Δ = Xđo − Xthực Xđo : do các dụng cụ đo được Xthực : giá trị mẫu (do dụng cụ đo hay giá trị thực). - Sai số tương đối : γ% = ùcXth Δ 100% - Sai số quy đổi : X%(cấp chính xác dụng cụ đo) γqd% = maxX maxΔ 100% Xmax : là sai số lớn nhất của thang đo Δmax : là sai số tuyệt đối của thang đo - Độ nhạy (S): S = X Y Δ Δ Tuyến tính S = dX dY Phi tuyến tính X : là đại lượng vào Y : là đại lượng ra Độ nhạy là độ biến thiên tương đối giữa đại lượng ra và vào: S = S 1 .S 2 .S 3 .S n - Tổng trở vào ,ra của dụng cụ: - Tổng trở vào của dụng cụ là tổng trở của dụng cụ đó - Tổng trở ra là tổng trở đầu ra. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 - Các dụng cụ đo có tổng trở thích hợp để khi đo các tín hiệu không bị sai lệch. - Đặc tính động: + Khi xét các đặc tính động: - Đặc tính biên độ (trong quá trình quá độ) - Đặc tính pha tần .Vì các đại lượng đo (không biến thiên hoặc biến thiên chậm và đại lượng biến thiên nhanh). Độ tin cậy và tính kinh tế: phụ thuộc vào trình độ, khoa học Q xác suất hỏng P xác suất không hỏng Q.P = 1⇒ Q↓ ⇒ P↑ 1.2. ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.2.1. Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ. Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của các phân tử trong các vật thể. Để đo được nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo , thông thường trong công nghiệp nhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa , không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống khi cần xác định nhiệt độ. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số T X - T là cực tiểu với T X là nhiệt độ môi trường cần đo ,T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trường cần đo. Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh nhiệt giữa cảm biến và môi trường theo biểu thức : dQ = a.A(T X -T)dt với a là độ dẫn nhiệt , A là diện tích bề mặt truyền nhiệt . Mặt khác nếu cảm biến có khối lượng là m và nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt) là c thì nhiệt lượng hấp thụ được là: dQ = m.c.dT Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt môi trường , kết cấu kiểu giá đỡ thì ta có : a.A(T X - T)dt = m.c.dT Gọi τ là hằng số thời gian nhiệt τ = A.a c.m Vậy ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt Tx-T dT = τ dt (1 - 1) Nghiệm của phương trình (1 - 1)là : T = T X − k.e - τ t , (1 - 2) với k là hằng số Từ phương trình (1 - 2) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian hình (1 -1a) t t τ τ T X T X T 1 0,63 T X 0,63 T X TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 τ τ hình 1-1a hình1- 1b Hình (1 - 1b) có tính tới tổn thất nhiệt từ môi trường cần đo truyền vào cảm biến và T X – T 1 = ΔT luôn luôn tồn tại 1.2.2 Thang đo nhiệt độ: Là một dãy các mốc nằm trong khoảng nhiệt độ giới hạn bởi hai điểm sôi và nóng chảy cố định của một vật chất tinh khiết, hai điểm này gọi là điểm gốc để phân độ toàn thang. Ngày nay trên thế giới tồn tại 3 loại thang đo nhiệt độ: 1.2.2.1 Thang nhiệt độ động học tuyệt đối hay còn g ọi là thang Kelvin đơn vị là K do nhà vật lý người Anh là Thomson đề ra năm 1852. Trong thang nhiệt độ này người ta lấy 3 trạng thái của nước ở điểm cân bằng nước - nước đá - hơi nước một giá trị số bằng 273,15 0 K. Từ thang nhiệt độ Kelvin người ta xác định các thang nhiệt độ mới là thang Celsíu và thang Fahrenheit. 1.2.2.2 Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius). Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là 0 C . Do nhà vật lý người Thụy Điển Celsius đưa ra năm 1742 dựa vào điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước chia ra 100 khoảng. Quan hệ giữa thang Celsius và thang Kelvin được xác định bởi biểu thức : t ( 0 C) = t ( 0 K) - 273,15 (1 - 3) 1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ 0 F do nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đưa ra năm1706, lấy nhiệt độ của nước đá đang tan là 32 0 F và sôi ở 212 0 F. Đổi từ thang 0 C ra nhiệt độ 0 F và ngược lại theo công thức: t( 0 C ) = {t( 0 F) - 32} 9 5 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 t( 0 F ) = 5 9 {t( 0 C ) + 32} Năm1948 hội nghị đo lường quốc tế thứ 19 đã lấy thang nhiệt độ bách phân (Celsius) là thang nhiệt độ quốc tế Xây dựng thang đo nhiệt độ quốc tế người ta ghi nhận các điểm cố định sau : - Điểm sôi của O 2 là -182,97 0 C - Điểm tan của nước đá (điểm gốc) 0,00 0 C - Điểm sôi của nước ( điểm gốc ) 100,00 0 C - Điểm sôi của lưu huỳnh 444,60 0 C - Điểm kết tinh của bạc 960,80 0 C - Điểm kết tinh của vàng 1063,00 0 C BẢNG TRẠNG THÁI ĐO NHIỆT ĐỘ Trạng thái 0 K 0 C 0 F Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,6 Hoà hợp nước - Nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước-nước đá- hơi nước 273,16 0,01 32,108 Nước sôi 373,15 100 212 [...]... Constantan -6 ,26ữ19,03 = 1,63 mm -2 70 ữ 370 -1 00 ữ 400C; 2% -8 0 ữ 1000C; 0,8% 100 ữ 350 0C; 0, 75% -2 10 ữ 800 St Constantan -8 ,1ữ 45, 5 = 3,25mm 0 ữ 4000C; 3% 400 ữ 8000C; 0, 75% -2 70 ữ 1 250 Chromel Alumen -5 , 35 50 ,63 = 3,25mm 0 ữ 4000C; 3% 400 ữ 1 250 0C; 0, 75% Platin Rodi(10%)Platin -5 0 ữ 150 0 -0 ,24ữ 15, 58 = 0 ,51 mm 0 ữ 6000C; 2 ,5% 600 ữ 150 00C; 0,4% -2 76 ữ 870 Chromel Constantan -9 ,84ữ66,48 = 3,25mm 0... ỏp k cht hi -6 0 300 Nhit k in tr bng ng -5 0 180 Nhit k in tr bch kim (Pt) -2 50 650 Nhit k in tr Niken -2 00 180 Nhit k bỏn dn Silic -5 0 120 Bch kim - Rodi - Bch kim -2 0 1600 Crom - Nhụm -5 0 1000 Crom - Copen -5 0 600 ng - Constantan -1 00 400 Ho k bc x 800 1800 Ho k quang hc 800 6000 2- Nhit ỏp k (o tip xỳc) 3- Nhit k in tr (o tip xỳc) 4- Cp nhit in (o tip xỳc) 5- Ho k (o khụng tip xỳc) 1.2.3.1 Nhit k... -9 ,84ữ66,48 = 3,25mm 0 ữ 4000C; 3% 400 ữ 8700C; 0. 75% Platin -Rodi(13%)platin -5 0 ữ 150 0 -0 ,23ữ17,4 = 3,25mm 0 ữ 53 80C; 1,4% 53 8 ữ 150 00C; 0, 25% Platin-Rodi platin-Rodi(6%); (30%) 0 ữ 1700 0 ữ 12,426 870 ữ 17000C; 0 ,5% = 0 ,51 mm Vonfram Reni 0 ữ 2700 0 ữ 38, 45 (5% )VonframReni(26%) + S dng ng h milivụn k kiu t in o tớn hiu cp nhit in Trờn s nguyờn lý hỡnh ( 1-7 ) l s s dng ng h milivụn kiu t in o tớn hiu... = 331 ,5 T (m/s) 273, 15 vi C : vn tc truyn õm T : nhit tuyt i ca khụng khớ khụ cn o Bng di õy gii thiu cỏc khong o ca cỏc mỏy o ch yu Gii hn o 0C Tờn mỏy o nhit Min 10 Max TRNG HKB H NI N TT NGHIP 1- Nhit k gión n ( o tip xỳc) Nhit k c khớ -1 00 600 Nhit k thu ngõn -3 5 350 Nhit k cht lng -1 90 150 Nhit ỏp k cht lng -1 20 600 Nhit ỏp k thu ngõn -3 5 600 Nhit ỏp k cht khớ -1 20 600 Nhit ỏp k cht hi -6 0 300... c r3 r5 A2 r7 Hỡnh 2.4 S ni thnh khuych i o lng IC TL084 2.2.3 Khi to xung iu khin vcc 4 8 5k 2v 3 cc 5 OA1 6 R1 R2 R3 & R & T S 7 5k S2 2 OA2 1v 3 cc S1 3 5k 1 Hỡnh 2 .5 Cu to IC 55 5 2.2.3.1 Cu to khi xung iu khin (55 5) 1- Cu phõn ỏp gm 3 in tr 5 k ni t ngun xung mass cho ra 2 in ỏp chun l 1/3Vcc v 2/3 Vcc 2- OA1 AMP l mch khuch i so sỏnh cú ngừ vo khụng o nhn in ỏp chun 2/3Vcc, cũn ngừ vo o thỡ ni... s : 10; 48 v 100 ng 00C c ch to vi tr s 53 ; 100 Trờn hỡnh 1-1 0 l cu to ca mt in tr bch kim s dng lm cm bin nhit 1- Tm mica cú ng ren 2- Dõy platin 3- u ni ra 4- m mica 5- Dõy bc gn m mica 21 TRNG HKB H NI N TT NGHIP 3 4 5 2 1 Hỡnh 1.10 in tr bch kim s dng lm cm bin nhy ca cm bin nhit Ni v Fe-Ni l 5. 1 0-3 1 nhy ca cm C 0 1 C bin nhit in tr ca Pt l 4.1 0-3 0 1.2.4.2 Cm bin nhit in tr Silic: Silic... Nhit H s nhit in tr 0 C -1 núng chy n di -3 0 10 m, C -1 0 C 0,029 0,004 0,024 659 0, 056 0,00 45 0,00 45 350 0 0,1 ữ 0,14 0,00 45 153 0 0,01 75 0,004 0,017 1083 0,016 0,004 0,019 961 0,0106 0,0047 0,00128 1 453 0,0 45 0,0039 0,0089 1769 0,42 0,0000 15 960 Cỏc in tr bng kim loi thng l cỏc dõy trũn vớ d nh bch kim cú = (0, 05 ữ 0,07)mm, dõy ng = 0,2mm hoc nh hn; c qun trờn lừi cỏch in v c lp t trong ng... ng tng: EAB = eAB(t0) + eBA(t0) = 0 ( 2-1 ) 1 t Hỡnh: 1- 5 t õy ta rỳt ra eBA(t0) = - eAB(t0) ( 2-2 ) khi t v t0 khỏc nhau thỡ ta cú: EAB = eAB(t) + eBA(t0) ( 2-3 ) hay EAB = eAB(t) eB(t0) ( 2-4 ) Tr s ca EAB ph thuc vo chờnh nhit ca 2 u Nu t0 = const thỡ 15 TRNG HKB H NI N TT NGHIP EAB(t) = eAB(t) c = f(t) ( 2 -5 ) vi c l hng s v c = cAB(t0) = const T phng trỡnh ( 2 -5 ) Nu bng cỏch no ú lm cho t0 khụng i... nhit : crụm-crụm ; crụm-copen; ng-constantan; ng-copen; st-copen; nhit cao ngi ta cũn s dng cp nhit in vonfram-reni Trờn hỡnh 1.6 l c tuyn sc in ng theo nhit ca cỏc cp nhit, ng vi u t do cú t0 = 00C E (mv) E E : Chromel/Constantan J: Sắt/Constantan 60 T: Đồng/Constantan K : Chromel/Alumel J 50 R : Platin- Rođi ( 13%)/Platin S : Platin- Rođi (10%)/Platin K 40 B: Platin- Rođi (30%)/Platin-Rođi(6%)... vỡ: - Di o khụng ln (00C ữ 1000C) - Sai s nh - n gin, gn nh, d hiu - nhy cao - Tớnh lp li cao 2.2.1.2 Thit k cm bin: Nhim v thit k: - To in ỏp bin thiờn tuyn tớnh vi nhit - 5 khi cm bin ny cú ch s ging nhau - Thụng tin (tớn hiu) phn ỏnh nhit c truyn tun t, liờn tc (chớnh xỏc) theo thi gian Thit k: Vi yờu cu trờn ta chn s cu nh hỡnh v: R1 Rt Ung UC R2 R3 Hỡnh 2-2 29 TRNG HKB H NI N TT NGHIP - Chn . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ. Nhiệt kế giãn nở ( đo tiếp xúc) Nhiệt kế cơ khí Nhiệt kế thuỷ ngân Nhiệt kế chất lỏng -1 00 -3 5 -1 90 600 350 150 2- Nhiệt áp kế (đo tiếp xúc) Nhiệt áp kế