CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ NHIỆT ĐỘ VÀ HỆ THỐNG NHIỆT Nhiệt độ là thành phần chủ yếu trong hệ thống thu thập dữ liệu, do đó nếu chọn thiết bị đo lường nhiệt độ chính xác ta có thể tiết kiệm được chi phí năng lượng, tăng độ an toàn và giảm thời gian kiểm tra. Thiết bị đo lường nhiệt độ thường dùng là cảm biến nhiệt độ, cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt, thermistors and infrared thermometers là những loại cảm biến nhiệt độ thông thường. Việc lựa chọn thiết bị để hoạt động chính xác tùy thuộc vào nhiệt độ tối đa, tối thiểu cần đo và những điều kiện môi trường.Trước hết, chúng ta tìm hiểu các khái niệm về nhiệt độ và các thang đo nhiệt độ: 1. NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC THANG ĐO NHIỆT ĐỘ Galileo được cho là người đầu tiên phát minh ra thiết bị đo nhiệt độ, vào khoảng năm 1592.
Ông ta làm thí nghiệm như sau: trên một bồn hở chứa đầy cồn, ông cho treo một ống thủy tinh dài có cổ hẹp, đầu trên của nó có bầu hình cầu chứa đầy không khí. Khi gia tăng nhiệt, không khí trong bầu nở ra và sôi sùng sục trong cồn. Còn khi lạnh thì không khí co lại và cồn dâng lên trong lòng ống thủy tinh. Do đó, sự thay đổi của nhiệt trong bầu có thể biết được bằng cách quan sát vị trí của cồn trong lòng ống thủy tinh.
Tuy nhiên, người ta chỉ biết sự thay đổi của nhiệt độ chứ không biết nó là bao nhiêu vì chưa có một tầm đo cho nhiệt độ. Đầu những năm 1700, Gabriel Fahrenheit, nhà chế tạo thiết bị đo người Hà Lan, đã tạo ra một thiết bị đo chính xác và cho phép lặp lại nhiều lần. Đầu dưới của thiết bị được gán là 0C, đánh dấu vị trí nhiệt của nước đá trộn với muối (hay ammonium chloride) vì đây là nhiệt độ thấp nhất thời đó. Đầu trên của thiết bị được gán là 96C, đánh dấu nhiệt độ của máu người.
Tại sao là 96C mà không phải là 100C? Câu trả lời là bởi vì người ta chia tỷ lệ theo 12 phần như các tỷ lệ khác thời đó. Khoảng năm 1742, Anders Celsius đề xuất ý kiến lấy điểm tan của nước đá gán 0C và điểm sôi của nước gán 100C, chia làm 100 phần. Đầu những năm 1800, William Thomson (Lord Kelvin) phát triển một tầm đo phổ quát dựa trên hệ số giãn nở của khí lý tưởng. Kelvin thiết lập khái niệm về độ 0 tuyệt đối và tầm đo này được chọn là tiêu chuẩn cho đo nhiệt hiện đại.
Thang Kelvin : Đơn vị K, trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ cho điểm cân bằng của ba trạng thái: nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273. 11 Từ thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối( Thang Kelvin), người ta đã xác định thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit( bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ) Thang Celsius: Trong thang đo này, đơn vị nhiệt độ là (C ), một độ Celsius bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức : T(C) = T(K) - 273,15 Thang Fahrenheit : T(C) =5/9 {T(F) – 32} T(F) =9/5 T(C) + 32 2.1 Hệ thống đo lường: 2.1Giới thiệu : Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì tùy thuộc vào đặc tính của đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sỡ của các hệ thống đo lường khác nhau. Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát như sau: Khối Khối Khối chuyển đổi mạch đo hiển thị Hình 2.
Hệ thống đo lường. * Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối tượng cần đo, và biến đổi các đại lượng này thành các đại lượng vật lý thống nhất ( dòng điện hay điện áp để thuận lợi cho việc tính toán) * Mạch đo : có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yeu cầu thể hiện kết quả đo của bộ hiển thị. * Khối chỉ thị: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết quả đo. Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là phương pháp thông dụng, được sử dụng trong luận văn này nên ở đây chỉ giới thiệu về IC cảm biến nhiệt.2Hệ thống đo lường số: Hệ thống đo lường số được áp dụng để thực hiện luận văn này vì có các ưu điểm: các tín hiệu tương tự qua biến đổi thành các tín hiệu số có các xung rõ rang ở trạng thái 0 và 1 sẽ giới hạn được nhiều mức tín hiệu gây sai số.
Mặt khác hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy tính, qua giao tiếp với máy tính được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật.2Các phương pháp đo nhiệt độ: Đo nhiệt độ là một phương thức đo lường khong điện, đo nhiệ độ được chia thành nhiều dãi. * Đo nhiệt độ trung bình. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên dụng như: * Cặp nhiệt điện. * Nhiệt kế điện kế kim loại.
* Nhiệt điện trở kim loại. * Nhiệt điện trở bán dẫn. * Cảm biến thạch anh. Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là phương pháp thông dụng, được sử dụng trong luận văn này nên ở đây chỉ giới thiệu về IC cảm biến nhiệt.
Nguyên lý hoạt động chung của IC cảm biến đo nhiệt độ: IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp, nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu diện dưới dạng dòng điện hay điện áp. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn.
Bằng sự phá vỡ các phân tử, bức các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống. Làm cho tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ.TÌM HIỂU HỆ THỐNG NHIỆT Hệ thống điều khiển nhiệt độ thông thường bao gồm những khối cơ bản như sau: Khối hiển thị Khối mạch Khối xử lý và Khối mạch cảm biến điều khiển công suất Lò nhiệt Khối phím nhấn Hình 3. Hệ thống điều khiển nhiệt độ. Chức năng chính của từng khối như sau: * Khối mạch cảm biến : là vi mạch LM 335 có chức năng đọc nhiệt độ của lò nhiệt (tín hiệu tương tự ) về cho khối xử lý.
* Khối xử lý : là chip vi điều khiển AVR ATMEGA 8L có chức năng xử lý thông tin nhận được từ khối mạch cảm biến, khối phím nhấn và cho hiển thị trên màn hình LCD. * Khối hiển thị (LCD): hiển thị thông tin nhận từ khối xử lý. * Khối phím nhấn: được thiết kế để cài đặt các thông số KP, KI, KP của điều khiển PID. * Khối mạch công suất: có chức năng thực thi lệnh từ khối điều khiển và điều khiển đối tượng ( lò nhiệt).
* Lò nhiệt : có chức năng gia nhiệt để đưa tín hiệu nhiệt độ về cho cảm biến 14 CHƯƠNG 2:TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP CÂN CHỈNH 2. CÁC LOẠI CẢM BIẾN HIỆN TẠI Tùy theo lĩnh vực đo và điều kiện thực tế mà có thể chọn một trong bốn loại cảm biến: thermocoup, RTD, Thermistor và IC bán dẫn. Mỗi loại có ưu và khuyết điểm của nó. Thermocoup: Ưu điểm: * Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất * Đơn giản * Rẻ tiền * Tầm thay đổi rộng * Tầm đo nhiệt rộng Khuyểt điểm: * Phi tuyến * Điện áp cung cấp thấp * Đòi hỏi điện áp tham chiếu * Kém ổn định nhất * Kém nhạy nhất 2.2 RTD (Resistance Temperature Detector): Ưu điểm: * Ổn định nhất * Chính xác nhất * Tuyến tính hơn Thermocoup Khuyết điểm: * Giá thành cao * Cần phải cung cấp nguồn dòng * Lượng thay đổi ∆R nhỏ * Điện trở tuyệt đối thấp * Tự gia tăng nhiệt 2.3 Thermistor: Ưu điểm: * Ngõ ra có giá trị lớn * Nhanh * Đo hai dây Khuyết điểm: 15 * Phi tyến * Giới hạn tầm đo nhiệt * Dễ vỡ * Cần phải cung cấp nguồn dòng * Tự gia tăng nhiệt 2.4 IC cảm biến: Ưu điểm: * Tuyến tính nhất * Ngõ ra có giá trị cao nhất * Rẽ tiền Khuyết điểm: * Nhiệt độ đo dưới 200 C * Cần cung cấp nguồn cho cảm biến 2.
Một số nhiệt độ chuẩn: Người ta cần một số nhiệt độ chuẩn sau đây để cân chỉnh sau khi thiết kế mạch xong, bảng sau đây đưa ra một số nhiệt độ chuẩn: Loại Nhiệt độ Điểm sôi của oxygen -183,0 C -297,3F Điểm thăng hoa của CO2 - 78,5 C -109,2F Điểm đông đá 0 C 32 F Điểm tan của nước 0,01C 32 F Điểm sôi của nước 100,0 C 212 F Điểm tan của axit Benzoic 122,4 C 252,3F Điểm sôi của naphthalene 218 C 424,4F Điểm đông đặc của thiếc 231,9 C 449,4F Điểm sôi của benzophenone 305,9 C 582,6F Điểm đông đặc của cadmium 321,1 C 610 F Điểm đông đặc của chì 327,5 C 621,5F Điểm đông đặc của kẽm 419,6 C 787,2F Điểm sôi của sulful 444,7 C 832,4F Điểm đông đặc của antimony 630,7 C 1167,3F Điểm đông đặc của nhôm 660,4 C 1220,7F Điểm đông đặc của bạc 961,9 C 1763,5F Điểm đông đặc của vàng 1064,4 C 1948 F 16 Điểm đông đặc của đồng 1084,5 C 1984,1F Điểm đông đặc của palladium 1554 C 2829 F Điểm đông đặc của platinum 1772 C 3222 F Bảng 2. Một số nhiệt độ chuẩn. Cảm biến nhiệt độ LM 335: 3.1Sơ đồ bên trong của vi mạch LM 335: Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc bên trong của LM 335 17 Hình 3.2 Hình dáng của IC LM 335 Bảng 3.3 Dãy nhiệt độ của LM 335.4 Sơ đồ chân của LM 335.2Các đặc tính của vi mạch LM 335: Để đo nhiệt độ chính xác cần phải có các đầu đo đặc biệt, đầu đo dưới dạng vi mạch LM 335 là mộ đầu đo đơn giản, chính xác và giá thành rẽ. LM 335 có độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 10mV/K, có một dãy độ chính xác khá cao và cảm biến nhiệt tốt ở nhiệt độ 25C thì có độ sai số nhỏ hơn 1C.
Không giống như các cảm biến khác, LM 135, LM 235, LM 335 có ngõ ra tuyến tính. * Có ngõ ra điện áp. * Chia độ trực tiếp theo K. * Sai số cực đại là 1.