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.

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:

- 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:

i
Mạch
đ
o
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

.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↑

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
d
t
(1 - 1)
Nghiệm của phương trình (1 - 1)là :
T = T
X
− k.e
-
τ
t

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

5TRƯỜNG 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 :
Dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích chấ


Max
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

11

1- 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
-35
-120

-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 8Hình 1.2 : Nhiệt kế hai thanh kim loại
1- ống

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

14
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

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
= e
AB
(t
0
) + e
BA
(t

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)
với c là hằng số và c = c
AB
(t
0
) = const
Từ phương trình (2-5) . Nếu bằng cách nào đó làm cho t
0

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
B: Platin- Ro®i (30%)/Platin-Ro®i(6%)
E
J
K
R
S
B

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

0
÷
1700 0
÷
12,426 870
÷
1700
0
C;
±0,5%
Vonfram – Reni
(5%)Vonfram-
Reni(26%)
0
÷
2700 0
÷
38,45 + Sử dụng đồng hồ milivôn kế kiểu từ điện đo tín hiệu cặp nhiệt điện
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
+R
FD
+R
0
+R
dc
Điện trở của dụng cụ đo :
R
M
= R
P
+ R
f
với R
P
là điện trở của khung dây ,R
f
là điện trở phụ trong
mạch đồng hồ đo
Điện áp đặt lên đồng hồ là:
Uab = I.R
M
= E
AB
(t,t
0
) – I.Rng
Mômen quay khung dây đồng hồ:
M
Θ

a

R
p
R
đc
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

19
α =
k
I.W.B.S
= A.I = A.
Mng
oAB
RR
)(t,tE
+

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

tự động. Cầu bù tự động gồm điện trở R
1
, R
2
, R
3
làm bằng mangan. Có hệ số
tăng điện trở theo nhiệt độ nhỏ (α = 0,000015
C
1
0
); R
đ
làm bằng đồng. Nguồn
điện ổn định cấp vào đường chéo của cầu là điểm a,b. Khi có cầu bù do sự tăng
điện trở của R
đ
nên cầu bù tự động xuất hiện một điện áp cầu U
cd
để luôn luôn
bảo toàn biểu thức
AC/D
C
t
1
t

B

A

E
AB
(t,t
0
) = E
AB
(t,t
’
0
) + U
cd

Trong thực tế với cầu bù tiêu chuẩn khi đầu tự do có t
0
thay đổi từ 0÷50
0
C
thì sai số của phép đo là ±3
0
C; với nhiệt độ t
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.


Bảng tính chất vật lý của một số kim loại
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

21 Tên vật liệu
Điện trở suất
ở 20
0
C
10
-6
Ωm
Hệ số nhiệt độ
Nhiệt độ
nóng chảy
0
C
Điện trở

0
C

0,0045
0,0045
0,004
0,004
0,0047
0,0039
0,000015

0,024
0,0045
__
0,017
0,019
0,00128
0,0089
__

659
3500
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.

0

1.2.4.2 Cảm biến nhiệt điện trở Silic:
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi
được kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó
thành dương. Người ta đã thấy khi ở nhiệt độ dưới 200
0
C thì hệ số nhiệt điện
trở của cảm biến nhiệt điện trở silic có trị số dương ; còn khi nhiệt độ lớn hơn
200
0
C hệ số nhiệt điện trở là âm.
Phần tử cảm nhận của silic có kích thước (500×500×240)μm, được mạ kim
loại ở một phía còn phía còn lại để tiếp xúc với bề mặt đo nhiệt độ. Độ nhạy
của loại cảm biến này vào khoảng 0,7%
0
C có nghĩa là điện trở thay đổi 0,7%
theo từng
0
C. Có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến silic:
R
(T)
= R
0
.e
Β(
T
1
-
To

R
1
R
2
R
1
R
2 R
d1
R
3
R
t
R
3
R
t
R
d2 Hình 1- 11
Trên hình 1-11 các điện trở R
1
, R
2
, R

1-2

=
to2
to
R
R
R.E
+
-
31
3
R
R
R.E
+
= 0
Nếu chọn R
1
= R
2
và R
3
= R
to
; với R
to
là trị số của cảm biến điện trở ở nhiệt độ
0
0

R
R
RR
+
−

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

24
Khi dẫn tín hiệu đi xa và tránh ảnh hưởng của điện trở dây dẫn theo nhiệt độ
tới phép đo, thì nối dây như sơ đồ hình 1-11b ; do nhánh cầu đều được thêm
vào điện trở dây dẫn R
d1
,R
d2
nên điện thế tại điểm 2 trên sơ đồ phản ánh đúng
điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến R
t
.
1.2.5 Hoả kế:
Tất cả các vật thể là nguồn nhiệt đều phát ra các bức xạ nhiệt. Ví dụ vật thể
có nhiệt độ 600
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