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

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

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:


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 :

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↑
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)

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
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

-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 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10

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 :

Min

Max
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

111- 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

2- 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

-50
-50
-100

1600
1000
600
400
5- 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 :

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

12
8


khí lên kim chỉ quay đi 1 góc tương ứng với nhiệt độ cần đo chia trên thang mặt
đồng hồ.
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

13

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 , ch
ất 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 n
ối 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
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 hiệ
u 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 Đ
o 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
Β 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 t
0
(đầu tự do).
Do tính chất kim loại của hai thanh A , Β 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 t
0
ta có phương trình sức điện động tổng:
E
AB

) (2-3)
hay
E
AB
= e
AB
(t) − e
ÂB
(t
0
) (2-4)
Trị số của E
AB
phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ của 2 đầu. Nếu t
0
= const thì
2 t
0
A B
1 t

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

16

E
AB
(t) = e
AB
(t) − c = f(t) (2-5)

Dải nhiệt độ
làm việc(
0
C) Sức điện
động (mV) Độ chính xác

30
40
20
10
200
600
60
50
1000
1400
E (mv)
T (0C)
E : Chromel/Constantan
J: S¾t/Constantan
T: §ång/Constantan
K : Chromel/Alumel
R : Platin- Ro®i ( 13%)/Platin
S : Platin- Ro®i (10%)/Platin

0
C; ±3%
400 ÷ 800
0
C;
±0,75%
Chromel – Alumen
φ = 3,25mm
-270
÷ 1250 -5,35÷50,63 0 ÷ 400
0
C; ±3%
400 ÷ 1250
0
C;
±0,75%
Platin – Rodi(10%)Platin
φ = 0,51mm
-50 ÷ 1500 -0,24÷15,58 0 ÷ 600
0
C; ±2,5%
600 ÷ 1500
0
C; 0,4%
Chromel – Constantan
φ = 3,25mm
-276
÷ 870 -9,84÷66,48 0 ÷ 400
0
C; ±3%

Trên sơ đồ nguyên lý hình (1-7) là sơ đồ sử dụng đồng hồ milivôn kiểu từ
điện để đo tín hiệu của cặp nhiệt điện TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

18

Hình 1.8 Sơ đồ đo sđđ nhiệt bằng milivôn kế
Dòng điện chạy trong mạch đo do sức điện động E
AB
(t,t
0
) tạo ra tính theo
công thức :
Ι =
fpdccFDAB
0AB
RRRRRR
)t,t(E
+++++

Uab = I.R
M
= E
AB
(t,t
0
) – I.Rng
Mômen quay khung dây đồng hồ:
M
Θ
= S.Β.W.Ι với S diện tích khung dây
Β cường độ từ cảm trong khe hở

W số vòng của khung dây.
Mặt khác có mômen cản của lò xo là Mng tính theo công thức:
Mng = k.α với k là hệ số đàn hồi của lò xo
α là góc quay của khung dây
Khi mômen quay M
Θ
cân bằng với mômen cản của lò xo Mng thì có:
S.Β.W.I = k.α

t

b

R
f
t
0

Với một đồng hồ milivon đã chế tạo thì A trong biểu thức trên là một hằng
số và A =
k
W.B.S
gần như không đổi. Khi giữ cho R
ng
+R
M
= const thì góc quay
của khung dây tỷ lệ với E
AB
(t,t
0
); trên bề mặt của đồng hồ milivon khắc theo
nhiệt độ cho toàn thang đo.
Khi đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện phải chú ý tới đầu tự do có nhiệt độ
t
0
, phải chọn vùng có nhiệt độ t
0
ổn định tránh sinh ra sức điện động phụ làm
cho sai số của phép đo lớn.
Để chọn được vùng có t
0
ổn định người ta sử dụng cặp dây bù để kéo dài
đầu tự do đi xa hoặc sử dụng cầu bù tự động để có điện áp đặt vào dụng cụ thứ
cấp không đổi ứng với nhiệt độ t của đầu đo không đổi khi nhiệt độ t
0
của đầu
tự do thay đổi.

để luôn luôn
bảo toàn biểu thức
AC/DC
t
1
t

B

A

t
1
F
D

d

a
b
c

R
đ
a
R
3
R
2
mv

0
trong từng máy đo đã cho biết
trước.
1.2.4 Đo nhiệt độ bằng cảm biến điện trở
Từ năm 1821 người ta đã phát hiện ra điện trở của một số kim loại thay đổi
theo nhiệt độ. Ngày nay với trình độ công nghệ kỹ thuật cao đã tạo ra được các
loại cảm biến điện trở chia ra làm 3 nhóm : kim loại, bán dẫn và nhiệt đi
ện trở ,
ưu điểm cơ bản của cảm biến điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài
hạn.
1.2.4.1 Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại
Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thay đổi
điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trường
đo thay đổi so với trị
số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Ví dụ điện trở của dây đồng thay đổi theo
nhiệt độ:
R
Cu t
= R
Cuo
[1+ α(t - t
0
)] Ω
Với R
Cu0
là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t
0
. Nhiệt độ t
0
trong

-6
Ωm
Hệ số nhiệt độ
Nhiệt độ
nóng chảy
0
C
Điện trở

0
C
-1

Độ nở dài
10
-3
m,
0
C
-1Nhôm (Al)
Vonfram
Sắt (Fe)
Đồng (Cu)
Bạc (Ag)
Niken (Ni)
Bạch kim (Pt)
Mangan (Mn)

1530
1083
961
1453
1769
960

Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn ví dụ như bạch kim có
φ = (0,05 ÷ 0,07)mm, dây đồng φ = 0,2mm hoặc nhỏ hơn; Được quấn trên lõi
cách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu dưới,
hoặc ống gốm bịt kín.
ở 0
0
C nhiệt kế bạch kim được chế tạo với trị số : 10Ω; 48Ω và 100Ω. Đồng
ở 0
0
C được chế tạo với trị số 53Ω; 100Ω.

Trên hình 1-10 là cấu tạo của một điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến
nhiệt
1- Tấm mica có đường ren
2- Dây platin
3- Đầu nối ra
4- Đệm mica
5- Dây bạc để gắn đệm mica
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

22
0
C. Có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến silic:
R
(T)
= R
0
.e
Β(
T
1
-
To
1
)

α
R
=
2
T
B

Với T, T
0
tính theo nhiệt độ K
Vì độ nhạy của cảm biến nhiệt điện trở cao nên thường dùng để phát hiện nhiệt
độ biến thiên rất nhỏ từ (10
-4
÷10
-3

3
R
t
R
d2 Hình 1- 11
Trên hình 1-11 các điện trở R
1
, R
2
, R
3
là các điện trở có trị số thay đổi theo
nhiệt độ là rất nhỏ, R
t
là cảm biến điện trở đặt trong vùng cần đo nhiệt độ. Sơ
đồ cầu được cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn định cao.
Giả sử thang chia nhiệt độ của mV được chia từ 0
0
C thì muốn kim milivon -
mV chỉ 0
0
C thì điện thế ở điểm 1 và điện thế ở điểm 2 trên sơ đồ phải bằng
nhau. Có nghĩa :

31
3
RR

và R
3
= R
to
; với R
to
là trị số của cảm biến điện trở ở nhiệt độ
0
0
C.
Vậy có thể viết theo :
U
1-2
= E
to2
3to
RR
RR
+
−
= E
to2
toto
RR
RR
+
−
= 0
Khi nhiệt độ khác 0
0

C thì phát ra tia hồng ngoại có bước sóng
λ = (0,75÷400)μm. Mắt con người chỉ nhìn được sóng ánh sáng
λ = (0,40÷0,75)μm. Các bức xạ có λ < 0,4 μm ta cũng không nhìn thấy chngs
là tia tử ngoại, đó là tia ronghen và tia Gâm.
1.2.5.1 Hoả kế quang học
Trên hình 1-12 là sơ đồ nguyên tắc của hoả kế quang học. Nguyên tắc làm
việc của hoả kế quang học là dựa trên sự so sánh mức độ sáng chói của vật
nóng và dây tóc bóng đèn nung đỏ giữa mắ
t người quan sát và vật đo; Khi so
sánh mức độ sáng của dây tóc bóng đèn với nguồn nhiệt cần đo bằng nhau thì
đọc chỉ số của milivôn kế, Milivôn kế đã được khắc theo thang nhiệt độ, điện
áp rơi trên đèn tương ứng với nhiệt độ của vật cần đo. 1 8 2 3 4 9
7

- +
Hình 1- 12 – Sơ đồ nguyên lý hoả kế quang học
1- Th
ấu kính đo (vật kính)
2- Đèn nung đỏ và dây tóc
3- Thấu kính mắt (thị kính)
4- Kính lọc