Luận văn Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp module Analog PLC S7-200

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG

PLC S7 - 200

SVTH : HUỲNH THIÊN BẢO

LỚP

: 95KĐĐ

GVHD : NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 3 – 2000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP -TỰ DO- HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Lớp

Ngành

: 95KĐĐ

: ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

1.Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE

ANALOG PLC S7 - 200

2. Các Số Liệu Ban Đầu:

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3. Nội Dung Phần Thuyết Minh:

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

4.Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

5.Ngày giao nhiệm vụ: 13-12-1999

6.Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28-2-2000

Giáo viên hướng dẫn

Thông qua bộ môn

Ngày…Tháng ….Năm 2000

Chủ nhiệm bộ môn

BẢN NHẬN XÉTLUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Lớp

Ngành

: 95KĐĐ

: ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE

ANALOG PLC S7 - 200

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn :

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Giáo viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Lớp

: 95KĐĐ

Ngành

Tên đề tài:

: ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE

ANALOG PLC S7 - 200

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Nhận xét của giáo viên phản biện:

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Giáo viên phản biện

(ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

Trang

Phần A : GIỚI THIỆU

Phần B : NỘI DUNG

Phần I : LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

Chương I :CÁC PHƯƠNG 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 ĐƯỢC 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

CHƯƠNG I :CÁC PHƯƠNG 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% -> 0.1%.

- 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%

-> 0.1%.

- 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 +/-0.1%.

- 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).

T(⁰C) = T(⁰K) – 273.15

T(⁰F) = T(⁰R) - 459.67

T(⁰C) = [ T(⁰F) –32 ]*5/9

T(⁰F) = T(⁰C)*9/5 +32

*Sự liên hệ giữa các thang đo ở những nhiệt độ quan trọng:

Kelvin(⁰K)

0

Celcius(⁰C)

-273.15

0

Rankin(⁰R)

0

Fahrenheit(⁰F)

-459.67

32

273.15

273.16

373.15

491.67

491.69

671.67

0.01

100

32.018

212

II-Các phương 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.F(T – To)

Với : Ro :điện trở ở nhiệt độ To

F : hàm phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu

F = 1 khi T = To

-Đối với điện trở kim loại :

R(T) = Ro( 1 + AT + BT²+ CT³)

T : tính bằng ⁰C

To = 0⁰C

-Đối với nhiệt điện trở bằng oxyt bán dẫn :

R(T) = Ro.exp[ B(1/T –1/To)]

T : nhiệt độ tuyệt đối (⁰K)

To = 273.15⁰K

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

R_B

R_N

Rt

với Rt : nhiệt điện trở

R_N:điện trở mẫu

R_B: điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở

E : nguồn một chiều

R1 ,R2 : điện trở cầu đo

R_V:điện trở dây dẫn nhiệt điện trở

Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 :

V_R1= V_R2

V_RT= V_RN

Nếu dòng qua R1 và Rt là I₁,dòng qua R2 và R_Nlà I₂:

I₁.R1 = I₂.R2

I₁.Rt = I₂.R_N

Rt

=> ----- = ---- => Rt = ------.R_N

R1 R2 R2

R_N

R1

Nếu chú ý cả điện trở các dây dẫn thì : Rt = ___ .R_N– 2R_V

R2

Với trị số R1,R2,R_Nđã 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,R_Ncũng ảnh hưởng đến sai số của Rt.

Điện trở đầu ra của mạch đầu đo:

R_RA= (R1 + R2)//(R_N+ 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.

*Lưu 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 (0.05 -> 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 ( = 3,9.10^-

³/⁰C).

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 1,385.10^-8). 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.Tungstène có thể được cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho

phép thực hện điện trở có giá trị cao, như vậy với giá trị điện trở cho trước,

chiều dài dây sẽ giảm thiểu.

b)Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor):

Đây là loại cảm biến nhiệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, được chế tạo

bằng chất bán dẫn, thường gọi là Thermistor. Đặc điểm của Thermistor là điện

trở của nó biến đổi rất lớn theo nhiệt độ. Thành phần chính của nó là bột của

oxyt kim loại như Mangan, Nickel, sắt… hoặc hỗn hợp tinh thể MnAl₂O,

Zn₂TiO₄.

Nhiệt kế Thermistor được chế tạo bằng cách ép định hình, sau đó nung

nóng đến 100⁰C trong môi trường oxy hóa.Việc chọn tỷ lệ hỗn hợp các oxyt

hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung giữ vai trò quan trọng, quyết định

chất lượng của Thermistor.

Trong những năm gần đây, các nhiệt kế Thermistor được sử dụng nhiều vì

nó có ưu điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định, kích thước nhỏ, hình dáng

thay đổi dễ dàng khi chế tạo.

Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại:

+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive Thermistor) làm việc

trên nguyên tắc: khi nhiệt độ tăng thì R tăng, loại này cấu tạo từ một trong

những hợp chất sau: Ceramic, Sắt, Titan, Bari…

+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor) làm việc

trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì R giảm. Thành phần chính của loại này là

bột oxyt kim loại Mn, Fe,Ni hoặc các hỗn hợp tinh thể Aluminate Mn (MnAl₂O)

, Titanate kẽm (Zn₂TiO₄).

*Nguyên lý làm việc – Đặc tuyến làm việc:

-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:

R

A

B

C

M

T

O

Vùng A : hệ số nhiệt âm

Vùng B : hệ số nhiệt dương rất lớn

Vùng C : hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở dễ bị

phá hủy.

Điểm M: là điểm điều hành nhiệt điện trở.Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi

cường độ dòng tăng vọt, nhiệt điện trở hoạt động bình thường trong khi chờ đến

nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt và điểm điều hành này thay đổi theo thành phần các

hợp chất cấu tạo Thermistor. Độ biến thiên có thể từ 10% đến 90% trên độ bách

phân.

-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT:

R

O

T

Đặc tuyến của NT có dạng hyperbol do sự thay đổi của chất bán dẫn theo

nhiệt độ.

Trị số của điện trở giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng. Quan hệ này được

biểu diễn bởi hàm:

R(T) = A.e^B/T

A : hệ số điện trở phụ thuộc điện trở suất của bán dẫn.

B : hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làm chất bán dẫn

và loại Thermistor.

B = 3000 ->5000 : thermistor đo nhiệt độ thấp

B = 6000 ->13000 : thermistor đo nhiệt độ cao.

Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy của Thermistor càng tăng.Đó là một ưu

điểm của nhiệt kế này.

Phạm vi sử dụng thermistor từ 100⁰C đến 400⁰C. Vì là chất bán dẫn nên khi

sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 200⁰C thì Thermistor phải có bọc chất liệu nhiệt.

2-Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện (Thermocouple) :

Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt chuyển đổi thành sức điện động để đưa vào

các voltmet chỉ thị bằng kim,bằng vạch sáng hoặc bằng các con số.

*Cấu tạo-Đặc tính tổng quát :

Một cặp nhiệt được cấu tạo bởi hai dây dẫn A và B và tại hai điểm tiếp xúc

của chúng có nhiệt độ T1 và T2 sẽ tạo ra một sức điện động E^T2T1tùy thộc

A/B

một mặt vào vật liệu của A và B, mặt khác tùy thuộc vào T1 và T2.

Nhiệt độ của một trong hai mối nối cố định, được biết và dùng làm chuẩn

(T1 = T_ref), trong khi T2 là nhiệt độ của mối nối còn lại là nhiệt độ Tc đạt được

khi đặt trong môi trường có nhiệt độ không biết Tx. Nhiệt độ Tc phụ thuộc vào

Tx và phụ thuộc vào những sự thay đổi nhiệt có thể có với những môi trường

khác (hành lang, môi trường bên ngoài).

Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé cho phép việc đo nhiệt độ

với một cấp chính xác cao, đồng thời số lượng calo được thu nhỏ cho phép một

vận tốc đáp ứng nhanh. Hai ưu điểm này cho thấy cặp nhiệt điện được sử dụng

có ưu điểm hơn điện trở.

Ngoài ra, nó còn có một ưu điểm khác là tín hiệu được tạo ra chính là sức

điện động mà không cần tạo ra một dòng điện chạy qua cảm biến, như vậy tránh

được hiện tượng đốt nóng cảm biến.

Tuy nhiên, nhược điểm của Thermocouple là trong quá trình đo nhiệt độ thì

nhiệt độ của mối nối chuẩn (T_ref) phải biết rõ, tất cả sự không chính xác của T_ref

sẽ dẫn đến một sự không chính xác của Tc.

*Hình dạng và nguyên lý làm việc:

Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẫn được đặt bên

trong vỏ cách điện bằng sứ,cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được che chở

thêm bằng một lớp vỏ để chống sự xâm phạm của các khí cũng như những đột

biến nhiệt, lớp vỏ thường bằng sứ hoặc thép; trong trường hợp bằng thép, mối

nối có thể được cách với vỏ hay tiếp xúc với vỏ, điều này có lợi là vận tốc đáp

ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn.

-Hình dạng các đầu cặp nhiệt:

Phương pháp hàn đầu mối nối cặp nhiệt thông thường là hàn điện, hàn hồ

quang, hàn C₂H₂, hàn hóa chất.

Cặp nhiệt loại 1,2,3 : đo ở nhiệt độ <= 100⁰C.

Cặp nhiệt loại 4,5 : đo ở quán tính nhiệt độ thấp

- Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện:

E = A.

E: sức điện động được tạo ra khi cặp nhiệt điện làm việc.

T: hiệu số nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh.

 T +B.  

T²+C. T³



A, B, C: các hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt.

- Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện:

Tại mối nối của hai dây dẫn kim loại khác nhau A và B trong cùng một

điều kiện nhiệt độ T sẽ hình thành một hiệu điện thế. Hiệu điện thế này chỉ phụ

thuộc vào tính chất vật liệu cấu tạo dây dẫn và nhiệt độ của chúng.

V_M– V_N= P^T_A/B(sức điện động ứng Peltier)

A_(T)

M .

.N

B_(T)

P^T

A/B

+ Nếu tạo thành một mạch kín đẳng nhiệt cấu tạo bởi những dây dẫn khác

nhau thì sức điện động Peltier tổng cộng sẽ bằng 0. Trong mạch được cấu tạo

bởi những vật liệu A, B, C, D thì :

P^T+ P^T_B/C+P^T+ P^T_D/A= 0

A/B

C/D

A

P=0

B

D

C

- Giữa hai điểm M, N có nhiệt độ khác nhau trong cùng một thanh dây

dẫn đồng chất A sẽ hình thành một sức điện động chỉ tùy thuộc vào loại

dây dẫn và các nhiệt độ T_M, T_N:

TM

E^TNTM

=

: sức điện động Thompson

A

^hA.dT

TN

với h_Alà hệ số Thompson của dây dẫn A, là một hàm của nhiệt độ

oM_TM

A

N_TNo

T_MT_N

E_A

Nếu hai đầu của một mạch điện được cấu tạo bởi một dây dẫn duy nhất và

đồng cấp, đồng thời có cùng nhiệt độ thì E_A^TMTN= 0.

-Nếu trong một mạch điện kín được cấu tạo bởi hai dây dẫn A và B mà hai

mối nối của chúng có nhiệt độ T1 và T2 thì sẽ tạo ra một sức điện động (gọi là

sức điện động Seebeck):

T 2

E^T2T1_A/B= P^T2_A/B- P^T1

+

A/B

 ^{( hA  hB ) dT}

T 1

A

B

.a

.b

c.

(T2)

(T1)

.d

Đây chính là nguyên lý làm việc của một cặp nhiệt điện được cấu tạo từ hai

dây dẫn kim loại khác nhau A, B.

Với nhiệt độ T1 biết trước dùng làm nhiệt độ chuẩn T1 = T_ref, sức điện

động của cặp nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T2 là nhiệt độ cần xác định.

*Cách sử dụng:

Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây cảm biến hoặc

do sự cấu tạo không đồng nhất của cảm biến làm thay đổi đặc tính nhiệt điện của

cảm biến.

Những sự không đồng nhất trong cấu tạo có ba nguyên nhân chính:

- Lực ép cơ khí có được do sự sắp xếp hoặc do sự căng dây, thông thường.

Chúng có thể loại bỏ được nhờ sự nung lại.

- Những tác động hóa học: hai dây dẫn phải được che chở chống lại mọi tác

nhân có thể tác động đến chúng. Đặc biệt, sự điều chế vật liệu cần thiết phải

được tinh khiết .

- Những tia bức xạ hạt nhân gây ra những chuyển đổi trong vài hợp kim

cặp nhiệt điện.

Mối nối của cặp nhiệt điện phải có thể tích giảm thiểu nhằm tránh những

điểm có nhiệt độ khác nhau tại mối nối, điều này dẫn đến nhữnh sức điện động

ký sinh, cũng như những thay đổi hóa học của vật liệu do mức độ hàn.

Tránh việc thay đổi nhiệt độ đột ngột đối với cặp nhiệt điện.

Tránh xa vùng ảnh hưởng của điện trường và từ trường mạnh.

Nên để cặp nhiệt điện thẳng đứng nhằm tránh ống bảo vệ bị biến dạng

nhiệt.

Hộp đầu dây của cặp nhiệt điện không nên đặt quá gần nơi cần đo nhiệt độ

để tránh nhiệt độ đầu tự do quá cao.

Chú ý đến phạm vi sử dụng của từng loại cặp nhiệt điện mà chọn loại cặp

nhiệt điện phù hợp (thông thường phạm vi sử dụng cặp nhiệt nói chung rất rộng

từ –50⁰C đến 2500⁰C, nhưng ở nhiệt độ cao thì độ chính xác kém dần).

Chú ý đến điều kiện sử dụng cặp nhiệt điện:

+Dùng cho lò nung cố định, gia nhiệt từ từ: chọn loại có ống bảo vệ kín

hoặc hở.

+Dùng nhúng trực tiếp trong nước: chọn loại không bọc.

+Dùng trong môi trường hay bị ăn mòn: chọn ống bảo vệ bằng sứ hoặc

thép đặc biệt chịu ăn mòn.

*Một số cặp nhiệt điện thông dụng:

-Thermocouple Platin_Rhodium Platin:

Nhiệt độ sử dụng : T = -50⁰C -> 1500⁰C

Đường kính dây : 0,51mm

Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV

Loại 10% Platin : T = 0⁰C -> 600⁰C , cấp chính xác là +/-2,5%

T = 600⁰C -> 1600⁰C , cấp chính xác là +/-0,4%

Loại 13% Platin : T = 0⁰C -> 538⁰C , cấp chính xác là +/-1,4%

T = 538⁰C -> 1500⁰C , cấp chính xác là +/-0,25%

Loại 30% Platin : T = 0⁰C -> 1700⁰C , cấp chính xác là +/-0,5%

-Thermocouple Wolfram-Rhenium:

Đường kính dây : 0,40mm

Sức điện động Seebeck : E = (0  38,5)mV

Loại Wolfram_Rhenium 5% : T = 0⁰C  2760⁰C

Loại Wolfram_Rhenium 26% : T = 0⁰C  1950⁰C

Chuyên dùng để đo nhiệt độ rất cao.

-Thermocouple Chromel_Alumel:

Nhiệt độ sử dụng : T = -270⁰C  1250⁰C

Đường kính dây : 3,25mm

Sức điện động Seebeck : E = (-5,35  50)mV

Cấp chính xác :

T = 0⁰C  400⁰C là : +/-3%

T = 400⁰C  1250⁰C là +/-0,75%

-Thermocouple Chromel_Constantan:

Nhiệt độ sử dụng : T = -270⁰C  870⁰C

Đường kính dây : 3,25mm

Sức điện động Seebeck : E = (-9,8  66)mV

Cấp chính xác :

T = 0⁰C  400⁰C là +/-3%

T = 400⁰C  870⁰C là +/-0,75%

-Thermocouple Fer_Constantan :

Nhiệt độ sử dụng : T = -210⁰C  800⁰C

Đường kính dây : 3,25mm

Sức điện động Seebeck : E = (-8  45)mV

Cấp chính xác :

T = 0⁰C  400⁰C là +/-3%

T = 400⁰C  1250⁰C là +/-0,75%

-Thermocouple Cu_Constantan :

Nhiệt độ sử dụng : T = -270⁰C  370⁰C

Đường kính dây : 1,63mm

Sức điện động Seebeck : E = (-6,25  19)mV

Cấp chính xác :

T = -100⁰C  -40⁰C là +/-2%

T = -40⁰C  100⁰C là +/-8%

T = 100⁰C  350⁰C là +/-0,75%

3-Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học :

Hoả kế quang học là tên gọi chung của các dụng cụ đo nhiệt độ bằng cách

ứng dụng các tính chất của hệ thống thấu kính quang học để thu lấy các bức xạ

của vật thể rồi căn cứ theo độ bức xạ của vật thể để xác định nhiệt độ .

a-Nguyên lý cơ bản :

Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiện tượng bức

xạ của các vật thể ở các nhiệt độ cao, trong đó có liên quan đến vai trò của vật

đen tuyệt đối. Đó là một thực thể vật chất có khả năng hấp thu hoàn toàn tất cả

các bức xạ nhận được mà không phóng xạ.

b-Một số dạng của hỏa kế quang học thông dụng :

Hiện nay, trong công nghiệp, người ta dùng rất nhiều loại hỏa kế quang học

như hỏa kế bức xạ, hỏa kế vi sai, hỏa kế đo màu sắc, hỏa kế nhiệt ngẫu…

Nếu hỏa kế tiêu thụ toàn bộ năng lượng của bức xạ toàn phần của vật thể,

đó là hỏa kế bức xạ toàn phần.

Hoả kế quang điện dùng sự so sánh giữa sự phát sáng của dây tóc ngọn đèn

được chế tạo đặc biệt với độ sáng của vật nung nóng và xác định chính xác dây

tóc và nhiệt độ.

Hỏa kế quang điện cho kết quả đo không phụ thuộc vào người quan sát và

có thể nối liên mạch với các thiết bị khống chế nhiệt độ tự động.