Đồ án thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh, dải nhiệt độ làm việc từ 00C đến 1000C

Lời mở đầu Trong quá trình phát triển đất nước vấn đề công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước được đặt lên hàng đầu. Do đó, khoa học có một vị trí quan trọng. Những thành tựu của nó đã được ứng dụng vào phục vụ đời sống của con người hàng ngày. Và ngành đo lường cũng được nâng lên một tầm cao mới. Bởi trong các hệ thống máy sản xuất nó chính là khâu kiểm tra giám sát, lấy tín hiệu phản hồi .Nó được thể hiện bằng số, bằng cách ghi và trong tự động hoá thì nó phát tín hiệu cho cơ cấu chấp hành để hiệu chỉnh hay điều chỉnh lại hoạt động. Kỹ thuật đo lường ở đây rất rộng và nhất là đo các đại lượng không điện thì lớn hơn rất nhiều so với các đại lượng điện, đồng thời lại yêu cầu rất cao nên đồi hỏi nhiều nghiên cứu cũng như áp dụng những thành quả mới của khoa học. Bản đồ án này thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh, dải nhiệt độ làm việc từ 00C đến 1000C bao gồm những phần sau: Phần I: Tổng quan về đo nhiệt độ. Phần II: Thiết kế và tính chọn các phần tử trong hệ thống đo nhiệt độ 5 kênh. Phần III: Tính chọn nguồn cung cấp cho hệ thống. Với tấm lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn TBĐ- ĐT đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường và đặc biệt là thầy giáo trần quốc thắng - Người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ để em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp 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 Ax, nó bằng tỷ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X0. Vậy quá trình có thể viết dưới dạng: Ax =
( X= Ax.X0 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. 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.Từ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết. 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 : Đại lượng tiền định (đại lượng xác định được trước) 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 ( t0, F,P ,Q...) Đại lượng theo thời gian ( t,(,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 quốc 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) 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. 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.Từ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết. Kết quả đo Phương 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 (t0 ,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 (X Y Y’ XK X: là đại lượng đo XK: là đại lượng chuẩn phản hồi (X = X ( XK So sánh cân bằng : X ( X = (X = 0 So sánh không cân bằng : (X ( 0( X = XK + (X
1.1.4.Các đại lượng đặc trưng cơ bản Sai số tuyệt đối : ( = 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 : (% =
100% - Sai số quy đổi : X%(cấp chính xác dụng cụ đo) (qd% =
100% Xmax : là sai số lớn nhất của thang đo (max : là sai số tuyệt đối của thang đo - Độ nhạy (S): S =
Tuyến tính S =
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 = S1.S2.S3.....Sn 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. 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. Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số TX - T là cực tiểu với TX 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(TX -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(TX - T)dt = m.c.dT Gọi ( là hằng số thời gian nhiệt ( =
Vậy ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt
=
(1 - 1) Nghiệm của phương trình (1 - 1)là : T = TX ( k.e-
, (1 - 2) với k là hằng số Từ phương trình (1 - 2) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian hình (1 -1a) ( ( hình 1-1a hình1- 1b Hình (1 - 1b) có tính tới tổn thất nhiệt từ môi trường cần đo truyền vào cảm biến và TX – T1 = (T 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 gọi 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 273,150K. 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 0C . 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 (0C) = t (0K) - 273,15 (1 - 3) 1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ 0F do nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đưa ra năm1706, lấy nhiệt độ của nước đá đang tan là 32 0F và sôi ở 212 0F. Đổi từ thang 0C ra nhiệt độ 0F và ngược lại theo công thức: t(0C ) = (t(0F) - 32(
t(0F ) =
(t(0C ) + 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 O2 là -182,97 0C Điểm tan của nước đá (điểm gốc) 0,000C Điểm sôi của nước ( điểm gốc ) 100,000C Điểm sôi của lưu huỳnh 444,600C Điểm kết tinh của bạc 960,800C Điểm kết tinh của vàng 1063,000C Bảng trạng thái đo nhiệt độ Trạng thái  0K  0C  0F   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   1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách , nếu theo nguyên tắc làm việc của máy đo nhiệt độ thì có thể phân thành các nhóm : + Nhiệt kế giãn nở : Dựa trên sự biến đổi thể tích của chất lỏng hay chiều dài của chất rắn khi nhiệt độ thay đổi . + Nhiệt áp kế : Dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích chất lỏng, chất khí, hơi trong hệ thống kín khi nhiệt độ môi trường thay đổi . + Nhiệt kế cặp nhiệt điện : Dựa trên nguyên tắc thay đổi sức điện động khi cặp nhiệt điện thay đổi. + Nhiệt kế điện trở : Dựa trên sự phụ thuộc gữa nhiệt độ của dây dẫn , bán dẫn với điện trở của chúng. + Hoả kế bức xạ , hoả kế phát quang : Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi khi nhiệt độ vùng cần đo thay đổi. + Siêu âm nhiệt độ : Nguyên lý hoạt động dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trường truyền âm Ví dụ : trong không khí khô ,ở áp suất khí quyển thông thường quan hệ giữa vận tốc truyền âm và nhiệt độ theo biểu thức : C = 331,5
(m/s) với C : vận tốc truyền âm. T : nhiệt độ tuyệt đối của không khí khô cần đo Bảng dưới đây giới thiệu các khoảng đo của các máy đo chủ yếu Tên máy đo nhiệt độ  Giới hạn đo 0C    Min  Max   Nhiệt kế giãn nở ( đo tiếp xúc) Nhiệt kế cơ khí Nhiệt kế thuỷ ngân Nhiệt kế chất lỏng  -100 -35 -190  600 350 150   Nhiệt áp kế (đo tiếp xúc) Nhiệt áp kế chất lỏng Nhiệt áp kế thuỷ ngân Nhiệt áp kế chất khí Nhiệt áp kế chất hơi  -120 -35 -120 -60  600 600 600 300   Nhiệt kế điện trở (đo tiếp xúc) Nhiệt kế điện trở bằng đồng Nhiệt kế điện trở bạch kim (Pt) Nhiệt kế điện trở Niken Nhiệt kế bán dẫn Silic  -50 -250 -200 -50  180 650 180 120   Cặp nhiệt điện (đo tiếp xúc) Bạch kim - Rodi - Bạch kim Crom - Nhôm Crom - Copen Đồng - Constantan  -20 -50 -50 -100  1600 1000 600 400   Hoả kế (đo không tiếp xúc) Hoả kế bức xạ Hoả kế quang học  800 800  1800 6000   1.2.3.1 Nhiệt kế giãn nở : + Nhiệt kế hai thanh kim loại :
Hình 1.2 : Nhiệt kế hai thanh kim loại ống Thanh kéo. Đáy ống. 6, Lò xo. Vỏ máy 7- Kim máy đo 8- Hai thanh kim loại của nhiệt kế Hình 1.2 là nhiệt kế hai thanh kim loại khác nhau uốn thành lò xo , ống xoắn nhiều vòng hàn lại với nhau thành thanh , khi nhiệt độ đốt nóng hai thanh nó sẽ dài ra không giống nhau và lò xo sẽ uốn về phía kim loại nào có hệ số giãn nở nhỏ làm kim chỉ chuyển dịch ta đọc được nhiệt độ bên trong. Chiều dài của 1 thanh ở 1 nhiệt độ được tính theo công thức : lt = l0(1 + (t) Với l0 là chiều dài của thanh ở nhiệt độ 00C , ( là hệ số giãn nở nhiệt của kim loại của thanh đó Hình 1-2b là nhiệt kế kiểu thanh gồm 1 ống và 1 thanh kéo chế tạo bằng hai vật liệu khác nhau .Thanh kéo 1 được đặt trong ống , một đầu được gắn chặt vào đáy ống , khi bị đốt nóng và thanh kéo dài ra không giống nhau ,tác động cơ khí lên kim chỉ quay đi 1 góc tương ứng với nhiệt độ cần đo chia trên thang mặt đồng hồ. Nhiệt kế giãn nở có độ chính xác thấp , nên dùng trong các hệ thống cần đo và điều khiển nhiệt độ đơn giản. + Nhiệt kế thuỷ tinh chất lỏng.
Hình 1-3 Nhiệt kế thuỷ ngân Nguyên tắc làm việc của loại nhiệt kế này là dựa trên hiện tượng giãn nở vì nhiệt của chất lỏng chứa trong bầu thuỷ tinh , khi chất lỏng trong bầu bị đốt nóng , chất lỏng được dâng lên theo ống nối ngắn với bầu chứa , quan sát chiều cao cột chất lỏng ta sẽ có nhiệt độ tương ứng được khắc trrên thang đo. Tiết diện càng nhỏ thì nhiệt kế càng nhạy với nhiệt độ, chất lỏng chứa trong bầu thuỷ tinh có thể là ruợu hoặc thuỷ ngân . Hình 1-3 là nhiệt kế thuỷ ngân . Hình 1-3 a là loại nhiệt kế thuỷ ngân thanh thẳng, có ống nối nhỏ ,dài và dày làm bằng thuỷ tinh chịu nhiệt hoặc bằng thạch anh. Loại nhiệt kế này có độ chính xác cao hay sử dụng trong phòng thí nhiệm. Hình 1-3b là loại nhiệt kế thuỷ ngân thanh thẳng có ống nối riêng và bảng chia độ riêng. Nhiệt kế thuỷ ngân chế tạo đơn giản , giá thành hạ.Nhược điểm khó đọc số, số chỉ báo chậm , độ bền kém, không thể tự ghi và truyền tín hiệu đi xa. 1.2.3.2 Nhiệt áp kế Nhiệt áp kế có cơ cấu đo kiểu lò xo áp kế . Khi tăng nhiệt độ của túi nhiệt làm cho chất lỏng, chất khí chứa trong nó tăng thể tích nhưng do túi nhiệt là thể tích kín nên làm cho tăng áp suất và làm biến dạng lò xo, truyền qua cơ cấu truyền động tới kim chỉ của áp kế , ống nối với túi nhiệt có đường kính từ 0,2 ( 0,5mm gọi là ống lò xo đàn hồi. ống lò xo này có thể là một hoặc nhiều vòng tuỳ theo thiết kế của nhà chế tạo. Nhiệt áp kế phân theo tính chất làm việc như : nhiệt áp kế chất lỏng, chất khí, chất hơi. Với nhiệt áp kế chất lỏng chủ yếu là thuỷ ngân và ruợu. Nhiệt áp kế chất hơi thường dùng chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp như benzen, axeton Trong nhiệt áp kế chất khí thì trong toàn bộ hệ thống áp suất đều chứa khí trơ như : heli, nitơ, ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển.
Hình 1-4 Túi nhiệt ống nối Lò xo đàn hồi Kim chỉ 5 -Thang đo Hình 1-4 là cấu tạo của nhiệt áp kế. Túi nhiệt được chế tạo từ thép hoặc đồng thau , ống dẫn nối chế tạo từ vật liệu là thép hoặc đồng, lò xo ống đàn hồi làm bằng đồng thau. áp suất tối đa trong hệ thống kín của nhiệt áp kế có thể đạt tới 60atmotphe, phía ngoài của nhiệt áp kế có thể lắp thêm công tắc tín hiệu, các bộ phận truyền tín hiệu đi xa, các cơ cấu tự ghi các thông số đo Sai số của các loại nhiệt áp kế chất lỏng , chất khí không quá ( 1,5%; sai số của nhiệt áp kế chất hơi có thể tới (2,5%. Nhược điểm của các loại nhiệt áp kế là độ bền cơ học của ống nối thấp, thời gian báo kết quả đo chậm, khó sửa chữa và lắp ráp. 1.2.3.3 Đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện. + Nguyên tắc làm việc và cấu tạo của cặp nhiệt độ. Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt điện là khi có hai thanh kim loại A và ( khác nhau được hàn lại với nhau ở hai đầu 1 và 2 (như hình1-5). Đầu 1 có nhiệt độ là t (đầu đo nhiệt độ) Đầu 2 có nhiệt độ là t0 (đầu tự do). Do tính chất kim loại của hai thanh A , ( khác nhau nên lượng điện tử tự do trong hai thanh cũng khác nhau . Số lượng điện tử tự do khuyếch tán sang qua mối hàn cũng khác nhau, khi cân bằng ở nhiệt độ nào đó thì ở mối nối giữa hai thanh sẽ xuất hiện một sức điện động xác lập . Nếu đầu 1 và 2 có cùng nhiệt độ là t0 ta có phương trình sức điện động tổng: EAB = eAB(t0) + eBA(t0) = 0 (2-1) Hình: 1- 5 từ đây ta rút ra eBA(t0) = - eAB(t0) (2-2) khi t và t0 khác nhau thì ta có: EAB = eAB(t) + eBA(t0) (2-3) hay EAB = eAB(t) ( eÂB(t0) (2-4) Trị số của EAB phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ của 2 đầu. Nếu t0 = const thì EAB(t) = eAB(t) ( c = f(t) (2-5) với c là hằng số và c = cAB(t0) = const Từ phương trình (2-5) . Nếu bằng cách nào đó làm cho t0 không đổi thì sức điện động là hàm số của nhiệt độ t ở đầu 1. Vật liệu làm điện cực cặp nhiệt điện phải có yêu cầu là đồng chất , sức điện động phụ thộc vào nhiệt độ gần tuyến tính , chịu được nhiệt độ, độ bền cơ học ở nhiệt độ cao, có độ bền hoá học, tính đồng nhất của vật liệu dọc chiều dài điện cực.