Đồ án Đồng hồ trường học - Chương 2: Tổng quan về các phương pháp đo

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO Yêu cầu của hệ thống. 2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật. Đo đếm thời gian (ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây). Đo nhiệt độ phòng: Nhiệt độ biến thiên trong khoảng (0 ÷ 700C), độ ẩm 80% ÷ 90%. Khoảng cách cần đo cách mặt đất khoảng 0 ÷ 10 m. Không cần độ chính xác cao. Yêu cầu gọn nhẹ, tránh cồng kềnh (kích thước thiết bị chỉ 200x150x100). 2.1.2.Yêu cầu khả thi. Linh kiện dùng để xây dựng mạch đo có bán trên thị trường. Linh kiện bền, giá thành rẻ. Phương pháp đo thời gian. Giây được định nghĩa là khoảng thời gian bằng 1/86 400 ngày mặt trời trung bình. Ngày mặt trời trung bình là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp “Mặt trời trung bình” đi qua cùng một điểm cao nhất nào đó. “Mặt trời trung bình” được hiểu là một mặt trời tưởng tượng chuyển động đều (một cách tương đối có thể xem là mặt trời chuyển động so với quả đất) theo đường xích đạo trời và thực hiện một vòng quay của nó trên vòm trời mất một khoảng thời gian mà mặt trời thực chuyển động không đều theo quỹ đạo elip thực của nó. Độ chính xác của việc xác định ngày mặt trời trung bình chỉ đạt 10-7. Năm 1960 giây được định nghĩa là khoảng thời gian bằng 1/131 556 925,9747 của năm trôpic tính cho năm 1900 tháng giêng, ngày 0 lúc 12 giờ theo lịch thiên văn (tức là 31 tháng 12 năm 1899). Do hiện tượng tuế sai của quả đất, do sự chuyển động của quả đất xung quanh mặt trời không hoàn toàn đếu đặn nên độ dài năm trôpic có thay đổi. Độ chính xác của giây tính theo năm trôpic có độ chính xác tới 10-10 (100 lần chính xác hơn định nghĩa cũ). Trong thực tế, đơn vị thời gian chính xác thường được thể hiện bằng đồng hồ thạch anh (các bộ dao động điện từ với bộ phận cộng hưởng thạch anh áp điện). Các tín hiệu thời gian được lấy ra từ đây với độ chính xác vào khoảng 10-9. Năm 1967, giây nguyên tử là định nghĩa mới của giây. Theo định nghĩa này, giây là khoảng thời gian bằng 9192631770 chu kỳ bức xạ ứng với sự chuyển giữa hai mức siêu tinh tế F = 4, mF = 0 và F = 3, mF = 0 của nguyên tử xesi 133 khi không bị nhiễu loạn bởi từ trường ngoài. Định nghĩa này bảo đảm độ lớn của “giây nguyên tử” bằng độ lớn “giây thiên văn” nhưng có độ chính xác cao hơn nhiều. Giây nguyên tử có độ chính xác khoảng 10-12. Chuẩn tần số xesi chính xác nhất hiện nay là 3.10-14. Phương pháp đo nhiệt độ. Xuất phát từ những yêu cầu trên về kỹ thuật việc đo nhiệt độ môi trường dựa trên cơ sở của phương pháp đo tiếp xúc, ở nhiệt độ trung bình, thấp. Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếp xúc. Có hai loại nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu. Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Đối với môi trường khí hoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy. Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt. Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất..). Cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài. 2.3.1. Nhiệt kế nhiệt điện trở. Nguyên lý nhiệt kế nhiệt điện trở: Dựa trên cơ sở khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của một số vật liệu (kim loại, bán dẫn) cũng thay đổi. Tuỳ theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi mà người ta phân thành: Nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng. Nhiệt điện trở không đốt nóng: Dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm tăng nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ môi trường. Nhiệt điện trở loại này dùng để đo nhiệt độ và các đại lượng cơ học như đo di chuyển. Nhiệt điện trở đốt nóng: Dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên cao hơn nhiệt độ môi trường, nên có sự toả nhiệt ra môi trường xung quanh. Nhiệt điện trở loại này được dùng để đo lưu lượng, lưu tốc của dòng chảy, phân tích các chất hoá học..Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể chế tạo bằng dây Platin, đồng, niken, bán dẫn v.v..quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ bằng kim loại có đầu nối ra ngoài. Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo là: Có hệ số nhiệt độ lớn, bền hoá học khi có tác dụng của môi trường, điện trở xuất lớn, khó chảy. Để giảm tổn hao nhiệt dẫn, chiều dài của nhiệt điện trở phải lớn hơn đường kính dây nhiều lần khoảng 100 ÷ 200 lần. Độ nhậy nhiệt độ: Trong trường hợp tổng quát, giá trịcủa một điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ: R(T) = R0 F(T- T0) Trong đó: R0: là điện trở kim loại ở nhiệt độ T0. F : là hàm đặc trưng cho vật liệu, F= 1 khi T=T0. Trường hợp nhiệt điện trở dây (kim loại). R(T) = R0(1+AT + BT2 + CT3) Trong đó: T đo bằng 0C và T0 = 00C Trường hợp nhiệt điện trở (hỗn hợp các oxit bán dẫn) : R(T) = R0 expvới T là nhiệt độ tuyệt đối. Nhiệt điện trở kim loại: Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác người ta tường chế tạo nhiệt điện trở bàng dây Pt, Ni đôi khi dùng cả Cu, W. Đường kính dây từ 0,02 ÷ 0,06 mm vơii chiều dài từ 5 ÷ 20 mm. Nhiệt điện trở Plantin: Có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%), điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính chất điện của vật liệu. Ngoài ra tính trơ về hoá học và sự ổn định trong cấu trúc tinh thể Plantin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ vật liệu này. Các điện trở làm bằng Plantin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ từ -200 ÷ 10000C. Phương trình đặc trưng của chuyển đổi có thể được viết dưới dạng: RT = R0 (1 + At +Bt2) ở nhiệt độ 00C ÷ 6600C. RT = R0 (1 + At +Bt2 + C(1– t)3) ở nhiệt độ -1800C ÷ 00C. Trong đó: R0 là điện trở ở 00C. A, B, C là các hằng số. Đặc tính của nó có dạng phi tuyến. Đặc điểm: Độ bền hoá học rất cao, tính dẻo tôt có thể chế tạo thành các sợi mảnh đến 1,25 µm nên được sử dụng rộng rãi. Không dùng được trong các môi trường ôxy hoá khử. Nhiệt điện trở Niken: Làm bằng dây Niken, dải làm việc :-1950C ÷ 2600C. Nếu lớn hơn 2600C thì quan hệ là phi tuyến, không đơn trị. Tính chất điện của Niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất và quá trình nhiệt luyện RT = R0 (1+αt) αNi = 5.10-3(1/0C). Ưu điểm của nhiệt điện trở Niken là có điện trở suất lớn do đó kích thước nhỏ gọn nhưng giá trị điện trở lớn. Nhiệt điện trở đồng: Sự thay đổi nhiệt độ của các nhiệt điện trở chế tạobằng đồng có độ tuyếntính cao. Tuy nhiên do hoạt tính hoá học của đồng quá lớn nên các nhiệt điện trở loại này chỉ được sử dụng ở dải nhiệt độ từ: -500C÷ 1800C. Ngoài ra điện trở suất của đồng nhỏ nên muốn có điện trở cao phải tăng chiều dài của dây tức là làm giảm kích thước của chuyển đổi. Phương trình đặc trưng: RT = R0(1 + α t) Trong đó: α : hệ số nhiệt độ của điện trở α = 4,3.10-3/0C ở dải 0 ÷ 1000C t : nhiệt độ (0C). R0 : điện trở của chuyển đổi ở 00C. Nếu biết giá trị của R0 có thể dùng biểu thức : RT2 = TT1(τ + t2)(τ + t1) Trong đó: RT1, RT2 là điện trở ứng với nhiệt độ t1, t2. τ = 1/α là hằng số phụ thuộc vật liệu với Cu thì τ = 234. Khi tính điện trở R2 ở nhiệt độ t2 chỉ cần biết điện trở R1 ở nhiệt độ t1 bất kỳ. Nhiệt điện trở Wonfram: Wonfram có độ nhạy cao hơn đối với Plantin khi nhiệt độ dưới 100K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn. Từ Wonfram có thể chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trịư số cao hoặc tối thiểu hoá kích thước của các chuyển đổi. Tuy nhiên ứng suất trong Wonfram có ổn định nhở hơn so với các nhiệt điện trở Plantin. Chế tạo nhiệt kế. Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở là : Δ R = R αk ΔT Gây ra một điện áp : Vm = Δ R x i Trong đó: i là dòng điện chạy qua một nhiệt điện trở. Thông thường dòng điện i thường được giới hạn ở mức một vài miliAmpe để tránh nóng đầu dây đo. Để có độ nhạy cao cần phải sử dụng điện trở tương đối lớn, muốn vậy: Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế do tiết diện dây càng nhỏ thì dây càng dễ đứt. Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị hạn chế do tăng chiều dài dây thì tăng kích thước của chuyển đổi. Giải pháp thường được ấn định giá trị R = 100Ω ở 00C. Khi đó nếu dùng Plantin đường kính dây khoảng 10 cm, sau khi cuốn lại sẽ nhận được nhiệt kế cỡ 1cm. Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở ở 00C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở trị số lớn thường được sử dụng để đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt. Nhiệt kế nhiệt điện trở thường được cuốn trên một lõi thép cách điện đặt trong một vỏ kim loại có đầu ra nối ra ngoài. Tuỳ thuộc vào cách đo: đo nhiệt độ bề mặt hay dò tìm trong môi trường đo mà cấu tạo của nhiệt kế sẽ khác nhau. Nói chung nhiệt kế nhiệt điện nen có vỏ bạc tốt chống va cham và rung động. Cấu tạo của nhiệt kế điện trở cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi và môi trường đo. Khi chọn vật liệu chế tạo nhiệt kế cần chú ý đến hệ số giãn nở nhiệt độ của các vật liệu cấu thành để tránh gây ứng suất trong quá trình làm việc. Độ kín của các vỏ bọc cần được đảm bảo một cách tuyệt đối. Ngoài ra vật liệu bọc dây điện trở phải có độ cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân có thể dẫn đến hỏng kim loại. Nhiệt điện trở bán dẫn. Cấu tạo: Từ một số các oxit kim loại và oxit bán dẫn đa tinh thể ( MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, NiO, ZnTiO4). Tán oxit thành bột, trộn theo một tỷ lệ thích hợp, nén định dạng và thiêu kết ở 10000C sau đó hàn 2 dây dẫn trên bề mặt của sensor. Độ dẫn của chất bán dẫn: σ = q(µn n + µp p) n, p : nồng độ của điện tử và lỗ trống. µn, µp : độ linh động của điện tử và lỗ trống. q : điện tích của điện tử. Nguyên lý làm việc: Đối với Chất bán dẫn nhiệt độ ảnh hưởng chủ yếu đến n và p. Khi nhiệt độ thay đổi thì làm đứt mối quan hệ giữa các nguyên tử hình thành các cặp lỗ trống và điện tử. Gọi G là cặp lỗ trống - điện tử được hình thành trong một đơn vị thời gian tại một đơn vị bề mặt: G = A Tae-qE/kJ A, a: là const, nó phụ thuộc vào vật liệu. k: hệ số. E: năng lượng làm đứt các mối quan hệ giữa nguyên tử T :0K. Đặc điểm: Độ nhạy theo nhiệt độ rất cao, gấp 10 lần các nhiệt điện trở kim loại. Hệ số nhiệt độ có giá trị âm. Có thể cấu tạo ra thành các hình dạng khác nhau. RT = R0()2eb() Trong đó: T0, R0 là nhiệt độ và điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối 00K. Độ nhạy nhiệt độ α R = Do RT phụ thuộc nhiều vào b và nhiệt độ nên: RT = R0 eb () α R= -b /T2 (b = 3000÷ 5000K). 2.3.2. Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu. Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất. Nếu hai dây dẫn khác nhau nối với nhau tại hai điểm 1 và 2. một trong hai điểm đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi suất điện động gọi là suất điện động nhiệt điện, là hiệu số các hàm nhiệt độ của hai điểm nối đó ET = f(t1) – f(t2) Điểm được đốt nóng gọi là đầu công tác, điểm còn lại gọi là đầu tự do là hằng số f(t2) = const. Như thế ta có : ET = f(t1) – C = F(t1). Mạch đo của nhiệt kế nhiệt ngẫu là miliVônmet hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ 0 ÷ 100mV. Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng miliVônmét sẽ gây sai số do nhiệt độ của mạch đo thay đổi. Dòng điện chạy qua chỉ thị lúc đó là: I = Điện áp rơi trên miliVônmet là: U = E – I(Rd + RT) = E Thường Rd + RT được hiệu chỉnh khoảng 5W, còn điện trở của miliVônmét lớn hơn nhiều lần (40 ÷ 50 lần). Vì vậy sai số chủ yếu do điện trở của miliVônmét Rdc thay đổi. Đo sức điện động bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng tiêu thụ bằng không khi tiến hành phép đo. (Để khắc phục sai số người ta thường dùng mạch bù sai số có thể giảm 0,04% trên 100C). Vật liệu sử dụng để chế tạo cặp nhiệt điện: Vật liệu của cặp nhiệt điện càng lớn càng tốt, độ nhậy cao. Phải bền vững ở nhiệt độ cao vì vùng làm việc từ 8000C ÷ 17000C. Điện dẫn lớn và hệ số nhiệt α nhỏ nên R nhỏ. Đặc tính suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ phải ổn định và đơn trị. Tính chất nhiệt điện phải là ổn định, không bị oxy hoá trong quá trình làm việc. Vật liệu phải đồng nhất, các thành phần phải ổn định. Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn và đặt trong thiết bị bảo vệ để tránh bị ăn mòn hoá học. Thiết bị này được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền cơ học, không thấm khí. Thiết bị trên thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt. Đối với nhiệt điện quí, ống bảo vệ chế tạo bằng thạch anh và gốm. Để cách điện người ta dùng ống Amiăng (3000C), ống thạch anh (với 10000C) hoặc ống sứ (đến 14000C). 2.3.3. Cảm biến nhiệt độ dựa trên tính chất của diod và tranzitor. Tính chất của điot và tranzitor: Nhiệt độ môi trường thay đổi nên dòng Ie,Ic thay đổi. Ic = α F Ic : dòng colector. α F : hệ số. Ies, Ics : dòng emictor bão hoà và dòng colector bão hoà. Q : điện tích. T(0K) Gọi α FIbe = Is. Ubc =0 (nối tắt) Ube = ln Nếu Ic, Is = const thì Ube phụ thuộc vào T và có đặc tính phi tuyến. Để khử tính chất phi tuyến thì phải ghép 2 tranzitor làm 1 tạo thành IC để đo nhiệt độ. Sơ đồ: Hình 1. Cảm biến nhiệt độ dựa trên tính chất của tranzitor. T1, T2 mắc đối xứng. Nếu nhiệt độ T1, T2 giống nhau: Ura = Ebe1 – Ebe2 = Nếu Is1 = Is2 thì Ura = Nếu Ic1 = Ic2 (2 tranzitor giống nhau đặt trong cùng một môi trường). Ura= f(T) tuyến tính. Bảng 1. Một số cảm biến nhiệt độ: Loại Độ nhạy Giải đo Sai số AD592CN 1mA/K -250C ÷ 1050C 0,30C LM35 ±10mV/K -550C ÷ 1500C ± 0,250C MMBTS102 -2,25mV/K -40 0C÷ 1000C ± 20C RFF_02A 2,1mV/K -550C ÷ 1250C ± 0, 50C LM335 10mV/K -100C ÷ 1000C 10C Đo nhiệt độ sử dụng đầu đo LM335. Để đo nhiệt độ chính xác thì cần phải có những đầu đo đặc biệt và đầu đo LM335 là một đầu đo được sử dụng rộng rãi. Vi mạch LM335 là loại sensor đo nhiệt độ của hãng Nationnal Semiconductor chế tạo. Loại sensor này được tích hợp dạng vi mạch có độ chính xác 10C. Hoạt động của đầu đo giống như một điot Zener hai cực, điện áp đánh thủng tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối là 10mV/K Trở kháng động khi đầu đo hoạt động trong vùng dòng 400m A÷ 5mA nhỏ hơn 1W. Trở kháng nhỏ cùng điện áp lối ra tuyến tính là ưu điểm của loại đầu đo LM335. Các thông số kỹ thuật của vi mạch: Định thang trực tiếp theo độ Kenvin. Tín hiệu lối ra bằng 10mV/K. Độ chính xác 10C. Dòng hoạt động trong vùng từ 400 m A ÷ mA. Điện áp nguồn nuôi: 5÷ 18V. Dải làm việc:0 ÷ 1000C. Vi mạch LM335 được đóng vỏ IC dạng Τ-92 có ba chân. Hai chân cung cấp nguồn. 1 2 3 Top view Hình 2. Sơ đồ chân của IC LM335. Chân 1 2 3 Chức năng Đầu ra Nguồn cấp Vcc Đất Phương pháp thiết kế và chọn linh kiện. Với nhiệm vụ cho trước, có nhiều phương pháp thiết kế cũng như nhiều cách chọn linh kiện. Trên thực tế, với cùng tính năng sử dụng cũng có thể có nhiều họ vi mạch khác nhau, mỗi loại linh kiện lại thích hợp với nhu cầu sử dụng trong những điều kiện nhất định. Khi lựa chọn thiết bị, linh kiện đòi hỏi chúng ta phải hiểu rõ bản chất (ít nhất là những tính năng cần thiết cho mục đích sử dụng và những vấn đề liên quan.) và cách sử dụng nó. Quan trọng hơn cả là kinh nghiệm thực tế. Nên kế thừa những kinh nghiệm của lớp người đi trước, sau đó phát triển thành cái của mình, ít nhất là bằng sau đó tiến tới cái tốt hơn hoàn thiện hơn. Điều giúp thành công vẫn là thực hành và thử nghiệm. Việc thiết kế và sử dụng linh kiện phải quan tâm đến sự tác động lẫn nhau có thể gây nhiễu, gây sai số không đúng như trong tính toán thiết kế. Ví Dụ: Không nên cho thiết bị đo nhiệt độ gần phẩn tử toả nhiệt như IC ổn áp hay biến áp, nếu không cảm biến đo đúng nhưng nhiệt độ môi trường sẽ không còn chính xác nữa hoặc khi cần độ chính xác giữa hai điểm trên cùng một đường nối mạch chung thì nên vẽ mạch in sao cho khoảng cách nối giữa chúng là ngắn nhất (ví dụ chân Ground và chân V-ref của ADC). Như vậy: kỹ thuật vẽ mạch in cũng quan trọng đối với hệ thống. Khi ghép nối chúng với nhau phải đảm bảo tương thích. Tránh xung đột lẫn nhau. Để đảm bảo điều này, phải xác định rõ các thiết bị của hệ thống sau đó xác định phần điều khiển chính (Vi xử lý), xác định cách điều khiển (Port hay Bus), xác định vùng làm việc trong bộ nhớ. Tránh việc xếp chồng dữ liệu trong bộ nhớ như thế sẽ mất hết dữ liệu, hệ thống sẽ chạy sai hoặc ngừng hoạt động.