Đồ án Đo nhiệt độ dùng RTD thông minh

ĐỒ ÁN ĐO NHIỆT ĐỘ DÙNG RTD THÔNG MINH SVTH: 1. Mai Anh Tuấn 2. Nguyễn Anh Tuấn 3. Đỗ Quốc UyMỤC LỤC Lời mở đầu. Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp trong đời sống hàng ngày cũng như trong kỹ thuật và công nghiệp. Việc đo nhiệt độ chính vì thế là một yêu cầu thiết thực. Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng. Đồ án môn học này nghiên cứu về các phương pháp đo nhiệt độ và thực hiện thiết kế một thiết bị thông minh đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD. Đồ án gồm 2 phần chính: Phần 1: Các phương pháp đo nhiệt độ và nguyên lý đo. Phần 2: Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ dùng RTD thông minh. Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị Lan Hương đã hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để có thể hoàn thiện kiến thức của mình hơn. Các phương pháp đo nhiệt độ và nguyên lý đo. Các phương pháp đo nhiệt độ: Cảm biến nhiệt điện trở. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu. Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn. Cảm biến dựa trên bức xạ quang học- Hỏa quang kế. Cảm biến nhiệt điện trở. Gồm hai loại: + Nhiệt điện trở kim loại ( RTD ). + Nhiệt điện trở bán dẫn. Nhiệt điện trở kim loại. RTD là điện trở có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ của nó theo phương trình: RRTD=R0( 1+ αt+ βt2+γt3) Với R0 là điện trở của RTD tại 0 oC. α, β, γ là các hằng số phụ thuộc vào từng chất liệu của RTD. Từ đó nếu đo được RRTD thì có thể suy ra được nhiệt độ T. Các kim loại thường dùng: Pt, Cu, Ni Nhiệt điện trở bán dẫn. Là điện trở có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo phương trình: RT = A.eβ/T. Đo RT thì có thể suy ra được nhiệt độ T. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu. Nguyên lý đo: dựa trên hiệu ứng Seebeck: Nếu hai dây dẫn khác nhau nối với nhau tại hai điểm và một trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động nhiệt điện, được cho bởi công thức: ET = KT ( tn – ttd ) Trong đó: KT: hệ số hiệu ứng nhiệt điện tn: nhiệt độ đầu nóng ttd: nhiệt độ đầu tự do Đo ET suy ra được nhiệt độ đầu nóng. Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn. Quan hệ của dòng điện và nhiệt độ theo phương trình sau: Đo I sẽ suy ra được T. Cảm biến dựa trên bức xạ quang học – Hỏa quang kế. Đo nhiệt độ không tiếp xúc với dải nhiệt độ cao ( trên 1600 oC ). Nguyên lý đo dựa vào công thức mật độ phổ năng lượng phát xạ theo bước sóng của vật đen lý tưởng khi bị đốt nóng: Trong đó: λ- bước sóng T- nhiệt độ tuyệt đối C1 = 37.03*10-17 Jm2/s oC C2 = 1.432*10-2 m oC Có 3 phương pháp hỏa quang kế: + Hỏa quang kế bức xạ + Hỏa quang kế cường độ sáng + Hỏa quang kế màu sắc Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ dùng RTD thông minh. Các yêu cầu và thông số kỹ thuật của thiết bị. Thiết bị đo dùng cảm biến RTD, có thể thay đổi được với 3 loại Pt100, Pt1000 và JPt100. Đảm bảo sai số 1%. Dải đo nhiệt độ từ 0 oC tới 100 oC. Thiết kế tổng quan và Sơ đồ khối. Sơ đồ khối: Thiết kế tổng quan: + Khối cảm biến RTD: Sử dụng 3 loại RTD là Pt100, JPt100 và Pt1000 để đo nhiệt độ. + Khối mạch đo: Sử dụng phương pháp nguồn dòng 1mA. + Khối ADC: Sử dụng ADC 0809 với độ phân giải 8 bit để chuyển tín hiệu điện áp tương tự thành dạng tín hiệu số 8 bit vào vi xử lý. + Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi xử lý AT89C51 để đọc dữ liệu, xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả ra LCD. + Khối hiển thị: hiển thị LCD. Nguyên lý hoạt động. Sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của thiết bị. Thiết bị sử dụng 3 loại RTD là Pt100, Pt 1000 và JPt 100 có thể đo được dải nhiệt độ cho phép thỏa mãn đề bài là từ 0 oC tới 100 oC. Người sử dụng chọn 1 trong 3 loại cảm biến từ các phím chọn để sử dụng đo nhiệt độ. Mạch tạo nguồn dòng tạo ra dòng điện không đổi 1mA. Nhiệt độ thay đổi làm giá trị điện trở của RTD thay đổi, giá trị điện áp Uout cũng thay đổi. Điện áp Uout được đưa qua ADC 0809 để chuyển thành dữ liệu số. Tín hiệu số ở ngõ ra của ADC được đưa vào vi xử lý và hiển thị trên LCD. Các khối chính. Khối tạo nguồn dòng 1mA, sơ đồ mạch điện như hình dưới đây: Điện áp đầu vào 5V, khi đó dòng điện ra sẽ là: Iref = UR14/R14 = 5/5000 = 0.001 (A) = 1 (mA) Khối mạch đo : tạo ra điện áp phụ thuộc vào giá trị điện trở RTD. Sơ đồ mạch nguyên lý của khối này như sau : Theo sơ đồ trên ta có : Uout = Iref*RPt100*R10/R11 = (10-3)*RPt100*35000/1000 = 0.035*RPt100 Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị điện trở của RTD cũng thay đổi theo phương trình: RRTD=R0( 1+ αt+ βt2+γt3+…) Với Pt100 thì R0= 100, α= 3.940*10-3, β= -5.8*10-8, γ= -4*10-12 Khi nhiệt độ thay đổi từ 0 oC tới 100 oC thì RRTD thay đổi từ 100 Ohm tới 135.24 Ohm, dẫn tới Uout thay đổi từ 3.5V tới 4.7334 V. Điện áp Uout này được đưa qua ADC 0809 trước khi vào vi xử lý. Khi người dùng muốn sử dụng loại cảm biến nào thì sẽ lắp cảm biến vào mạch đo đồng thời chọn chế độ đo qua nút gạt trên Sw1. Khối ADC: sử dụng ADC 0809 với các thông số cơ bản sau: + Độ phân giải 8 bit. + 8 ngõ đầu vào tương tự. + 3 chân địa chỉ chọn ngõ vào ADD A, ADD B, ADD C. + 2 chân thiết lập giá trị điện áp tham chiếu Vref(+) và Vref(-). Các ngõ vào được chọn nhờ 3 chân địa chỉ ADD A, ADD B, ADD C theo bảng trạng thái sau: + VREF(-) là giá trị điện áp vào nhỏ nhất mà ADC có thể chuyển đổi. Tức là nếu giá trị điện áp vào bằng VREF(-) thì giá trị đầu ra ADC sẽ tương ứng là 0000 0000. + VREF(+) là giá trị điện áp vào lớn nhất mà ADC có thể chuyển đổi. Tức là nếu giá trị điện áp vào bằng VREF(+) thì giá trị đầu ra ADC sẽ tương ứng là 1111 1111. Trong thiết kế này giá trị điện áp ra khỏi khối mạch đo dao động từ 3.5V tới 4.7334V và để đảm bảo sai số theo yêu cầu nên nhóm em chọn các giá trị VREF(-) = 3V và VREF(+) = 5V. Vấn đề này sẽ được đề cập sau trong phần đánh giá sai số của thiết bị đo. Khối xử lý và hiển thị: tín hiệu số từ ADC sẽ được đưa vào vi xử lý AT89C51 để hiển thị ra LCD. Tính toán sai số. Sai số do quá trình chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số của một ADC với độ phân giải n bit được tính bởi công thức: Sai số = (VREF(+) - VREF(-))/(2n *D) Với VREF(+) : giá trị điện áp tham chiếu trên VREF(-) : giá trị điện áp tham chiếu dưới n : độ phân giải của ADC D : khoảng đo ( dải tín hiệu vào) Trong thiết kế này : ADC 0809 có độ phân giải 8 bit. Trong dải đo nhiệt độ từ 0 oC tới 100 oC, giá trị điện áp Uout của cả 3 loại cảm biến Pt100, JPt100 và Pt1000 đều thay đổi từ 3.5V tới 4.7334 V Từ đó suy ra khoảng đo D= 4.7334 – 3.5 = 1.2334 V. Ta chọn các điện áp tham chiếu VREF(+) và VREF(-) sao cho sai số là nhỏ hơn 1 %. Ta chọn VREF(+)= 5V và VREF(-)= 3 V. Khi đó thay vào công thức tính sai số ta có sai số của ADC là : s = (5-3)/(28 *1.2334) = 0.0063 = 0.63 % vậy sai số của phép đo thỏa mãn điều kiện sai số < 1 %. Kết luận. Thiết bị đo nhiệt độ hiển thị số có dải đo nhiệt độ từ 0 oC tới 100 oC, có thể thay đổi được với 3 loại cảm biến là Pt100, JPt100 và Pt1000. Sai số được đảm bảo nhỏ hơn 1 %. Với ADC 0809 được sử dụng ta có thể sử dụng tối đa 8 ngõ vào tương tự như vậy có thể mở rộng được loại cảm biến RTD khi cần thiết. Tài liệu tham khảo. Bài giảng Kỹ thuật cảm biến – TS. Nguyễn Thị Lan Hương Handbook of Modern Sensors – JACOB FRADEN