Chương I :CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ --------------------------------------------------1 I – Khái niệm chung --- 1 --------------------------------------------------------------------------------- II – Các phương pháp đo nhiệt độ -----------------------------------------------------------------------2 III – Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ ---- 17 IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ ------ 20 Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC ----- ------------------------------------------- 25 I – Sơ lược về lịch sử phát triển ---------------------------------------------------------------------- 25 II – Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC -------25 III – So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác – Lợi ích của việc sử dụng PLC IV – Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC ------ ------------------------------------------------ 30 V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214--------- 30 Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH -------- 36 Phần II : NỘI DUNG A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG--------------- ---------------------------------------------------- 39 I – Yêu cầu 39 II – Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối------ 39 III – Thiết kế chi tiết---- ------------------------------------------------------------------------------- 39 1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại ------- 39 2 – Mạch điều khiển--- ----------------------------------------------------------------------------------- 43 3 – Mạch giải mã – Hiển thị----- ------------------------------------------------------------------------ 48 4 – Thiết bị - ----------------------------------------------------------------------------------------------- 51 5 – Nguồn cung cấp - 51 6 – Sơ đồ nguyên lý - 54 B – PHẦN MỀM ------- ------------------------------------------------------------------------ 55 1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC ---------- 55 2 – Chương trình điều khiển -- 57 Phần III : THI CÔNG MẠCH I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch in ------ ------------------------------------------------------------ 66 II – Cân chỉnh mạch đầu đo ---- ------------------------------------------------------------------------ 69 Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO - ----------------- 70 PHẦN I: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN CHƢƠNG I :CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ I-Khái niệm chung: Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môi trường hay của một vật nào đó. Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở thành một việc làm vô cùng cần thiết. Đo nhiệt độ là một trong những phương thức đo lường không điện. Nhiệt độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin).
Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới một vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp: - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện là từ 2000C đến 10000C,độ chính xác có thể đạt tới +/-1% -> 0. - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) là từ –2700C đến 25000C với độ chính xác có thể đạt tới +/-1% -> 0. - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các cảm biến tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ –2000C đến 2000C,sai số đến +/-0.
- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ,quang phổ… có khoảng đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% -> 10%. Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(0C), thang đo Kelvin (0K), thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R).67 212 II-Các phƣơng pháp đo nhiệt độ: Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm ba khâu chính: a-Khâu chuyển đổi: Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi mang tính đặc trưng của vật liệu khi chịu sự tác động của nhiệt độ. Có các tính chất đặc trưng sau đây: - Sự biến đổi điện trở. - Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối nối của các kim loại khác nhau.
- Sự biến đổi thể tích, áp suất. - Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bị đốt nóng. Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất đầu tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở kim loại hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới dạng các linh kiện bán dẫn như: diode, transistor, các IC chuyên dùng. b-Khâu xử lý: Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽ được xử lý trước khi qua đến phần chỉ thị.
Các bộ phận ở khâu xử lý gồm có: phần hiệu chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-Digital-Converter)… Ngoài ra còn có thể có các mạch điện bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng trở… c-Khâu chỉ thị: Khâu chỉ thị trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đó kết quả đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳng của kim chỉ thị. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đãsản xuất nhiều loại IC giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổi ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thị số dễ dàng như dùng LED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD. Ở đó, kết quả đo được thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân. 1-Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi, không khí trong phòng … Nguyên lý làm việc của thiết bị này là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở là một hàm theo nhiệt độ: R = f(T).
Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể làm bằng thủy tinh, kim loại hoặc gốm. Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở R tùy thuộc vào nhiệt độ T theo một hàm tổng quát sau: R(T) = Ro.150K Những hệ số trong công thức tính điện trở R thường được biết trước một cách chính xác nhờ sự đo những nhiệt độ đã biết. a)Nhiệt điện trở kim loại (Thermetal): Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo dưới dạng dây nhỏ quấn quanh một đế cách điện (thường bằng sứ tròn, dẹp hay vòng xuyến) và được bọc bằng một lớp vỏ bảo vệ (thuỷ tinh, sứ, thạch anh …). Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở kim loại đòi hỏi cần phải thỏa các yêu cầu: -Hệ số nhiệt lớn.
-Điện trở suất lớn. -Tính ổn định hóa-lý cao. -Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao. *Muốn đo điện trở của nhiệt điện trở kim loại,ta có thể dùng mạch cầu Wheatston như sau: R1 R2 E G RB Rt RN với Rt : nhiệt điện trở RN :điện trở mẫu RB : điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở E : nguồn một chiều R1 ,R2 : điện trở cầu đo RV :điện trở dây dẫn nhiệt điện trở Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 : VR1 = VR2 VRT = VRN Nếu dòng qua R1 và Rt là I1 ,dòng qua R2 và RN là I2 : I1.RN Rt RN R1 => ----- = ---- => Rt = ------.RN R1 R2 R2 R1 Nếu chú ý cả điện trở các dây dẫn thì : Rt = ___ .RN – 2RV R2 Với trị số R1,R2,RN đã biết chính xác,điện trở Rt được xác định.
Kết quả đo ,Rt không phụ thuộc vào nguồn cung cấp E.Nguồn E thay đổi vẫn không ảnh hưởng đến kết quả đo Rt .Đây chính là ưu điểm của phương pháp đo. Độ chính xác của sự xác định Rt phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G. Độ nhạy của điện kế càng cao ,sự xác định cân bằng càng đúng. Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,RN cũng ảnh hưởng đến sai số của Rt.
Điện trở đầu ra của mạch đầu đo: RRA = (R1 + R2)//(RN + Rt) Trong thực tế, người ta thường giữ cho dòng điện qua nhiệt điện trở trong khoảng I = (1 -> 4) mA ở phép đo cần độ chính xác cao và I=(4>10)mA ở phép đo cần độ chính xác thấp hơn (trong công nghiệp),vì nếu để dòng chảy qua nhiệt điện trở lớn thì hiện tượng tự nung ở nhiệt điện trở là đáng kể, sẽ gây ra một sai số lớn, làm mất đặc tính cảm biến nhiệt của nhiệt điện trở. *Lƣu ý khi sử dụng nhiệt điện trở : -Khi mua nhiệt trở cần căn cứ vào quy cách để chọn nhiệt điện trở phù hợp với điều kiện đo.Ví dụ nếu cần đo trong môi trường dễ ăn mòn thì phải dùng loại vỏ bằng thép hợp kim không rỉ có tính chống mòn. Nhiệt độ và áp lực môi trường đo không vượt quá giới hạn quy định của từng loại. -Không nên đặt nhiệt kế ở những nơi có chấn động, rung động, va chạm.
Đầu dây nối vào dây đồng hồ chỉ nhiệt độ không được nóng quá 1000C. Vị trí đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo vệ) tốt nhất là theo hướng thẳng đứng. Khi buộc phải đặt hướng vị trí nằm ngang thì phải quay ổ đấu dây ra của nhiệt điện trở theo hướng xuống dưới để tránh nước lọt vào. Nếu đo nhiệt độ ở đường ống có dòng khí hoặc nước chảy qua thì vị trí đầu đo cần đặt quá tâm ống (đầu ống ở vị trí 2/3 đường kính ống nước hoặc khí).
*Một số nhiệt điện trở kim loại thông dụng: -Nhiệt điện trở Platin: Nhiệt điện trở Platin thường được chế tạo dưới dạng dây quấn đường kính (0.1)mm, đo nhiệt độ từ –2000C -> 10000C với độ chính xác tương đối cao,ngay cả trong những điều kiện môi trường dễ oxy hóa ( = 3,9. Tuy nhiên, ở nhiệt độ xấp xỉ 10000C hoặc cao hơn, Platin thường kém bền và chỉ thị nhiệt mất chính xác. -Nhiệt điện trở Nickel: Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10-3/0C) từ 00C đến 1000C, điện trở suất là 1,617.10-8 (còn của Platin là 1,385. Nickel chống lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn 2500C.
-Nhiệt điện trở đồng: Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điện trở theo nhiệt. Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phép sử dụng ở nhiệt độ lớn hơn 1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng, để đảm bảo có giá trị điện trở nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên một sự cồng kềnh bất tiện. -Nhiệt điện trở Tungstène: Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn của Platin trong trường hợp nhiệt độ cao và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn Platin với một độ tuyến tính hơn Platin.