Bài giảng môn Cảm biến và đo lường - Chương III: Cảm biến đo nhiệt độ

Nội dung text: Bài giảng môn Cảm biến và đo lường - Chương III: Cảm biến đo nhiệt độ

1. III. Cảm biến đo nhiệt độ 1. Tổng quan 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 3. Nhiệt điện trở (RTD) 4. Themistor 5. IC đo nhiệt độ 6. Nhiệt kế hồng ngoại * 1
2. 1. Tổng quan Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo nhiệt độ của đối tượng. Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở. Để lựa chọn cảm biến cho một ứng dụng cụ thể thì cần xem xét: độ chính xác, khoảng đo, thời gian đáp ứng và môi trường làm việc. Cảm biến nhiệt độ được phân thành 2 loại: Cảm biến loại tiếp xúc Cảm biến loại không tiếp xúc (đo bức xạ nhiệt) * 2
3. 1. Tổng quan Cảm biến loại tiếp xúc: Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Nhiệt điện trở • RTD • Thermistor IC đo nhiệt độ Cảm biến loại không tiếp xúc Nhiệt kế hồng ngoại • Đo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại được phát ra từ vật liệu * 3
4. 1. Tổng quan * 4
5. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Cấu tạo Được làm bằng 2 vật liệu dẫn điện khác nhau (thường là hợp kim) được hàn dính 1 đầu, đầu còn lại được đưa đến thiết bị đo Thermocouple có 2 mối nối: lạnh và nóng Hoạt động Thermocouple hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Seebeck Điện áp giữa 2 mối nối được gọi là điện áp Seebeck * 5
6. 2. Cặp nhiệt điện Một số hình ảnh * 6
7. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Các loại cặp nhiệt điện Type Composition Range Good for Not recommended Cost Sensitivity for K Chromel (Ni-Cr alloy) / −200 °C to 1200 °C Oxidizing or Use under 540ºC Low 41 µV/°C Alumel (Ni-Al alloy) neutral applications E Chromel / Constantan (Cu −200 °C to 900 °C Oxidizing or inert Low 68 µV/°C -Ni alloy) applications J Iron / Constantan −40 °C to 750 °C Vacuum, reducing, Oxidizing or humid Low 52 µV/°C or inert apps environments N Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / −270 °C to 1300 °C Oxidizing or Low 39 µV/°C Nisil (Ni-Si alloy) neutral applications T Copper / Constantan −200 °C to 350 °C Oxidizing, reducing Wet or humid Low 43 µV/°C or inert apps environments R Platinum /Platinum with 0 °C to 1600 °C High temperatures Shock or vibrating High 10µV/°C 13% Rhodium equipment S Platinum /Platinum with 0 °C to 1600 °C High temperatures Shock or vibrating High 10µV/°C 10% Rhodium equipment B Platinum-Rhodium / 50 °C to 1800 °C High temperatures Shock or vibrating High 10µV/°C Pt-Rh equipment * 7
8. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Công thức tính Điện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện được cho bởi công thức V = S * ΔT Trong đó: • V: Điện áp đo được (V) • S: Hệ số Seebeck (V/0C) • ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nối Do đó, nhiệt độ cần đo được tính theo công thức T= Ttham chiếu + V/S (°C) * 8
9. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Đặc tính * 9
10. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Đặc tính * 10
11. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Các kiểu đầu dò của cặp nhiệt điện: -Đơn giản nhất -Đầu đo được đặt trong ống -Đầu đo được làm bằng - Nhỏ gọn, đáp kim loại (inox hoặc hợp kim) vật liệu dẻo, dễ uốn ứng nhanh - Đo được nhiệt độ cao, nhiều -Dùng đo nhiệt độ bề -Dùng đo nhiệt độ môi trường vật chất mặt vật liệu chất khí * 11
12. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Thuận lợi Cấu tạo đơn giản, chịu được va đập Khoảng đo nhiệt độ rộng Rẻ tiền Đáp ứng nhanh Đa dạng Khó khăn Phi tuyến Ít ổn định Điện áp thấp Cần điểm tham chiếu * 12
13. 2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Ứng dụng Dùng đo nhiệt độ trong các lò luyện gang, thép Đo nhiệt độ khí thải * 13
14. 3. Nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors) Cấu tạo: Dây kim loại làm từ Đồng, Nikel, Platinum, được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Có 2 loại cơ bản: loại dây quấn và loại màn mỏng Thông dụng nhất của RTD là loại Pt 100 Thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây * 14
15. 3. Nhiệt điện trở (RTD) Nguyên lý: Khi nhiệt độ tăng, điện trở hai đầu dây kim loại tăng Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ * 15
16. 3. Nhiệt điện trở (RTD) Cách đấu dây cho RTD 2 dây 3 dây - Giảm sai số đo - Các dây phải có cùng chiều dài và vật liệu - Dây nối có thể dài đến 600m * 16
17. 3. Nhiệt điện trở (RTD) Cách đấu dây cho RTD 4 dây - Độ chính xác và độ tin cậy tốt nhất - Không có sai số hệ thống - Bù hoàn toàn ảnh hưởng của sai số * 17
18. 3. Nhiệt điện trở (RTD) Ứng dụng RTD Máy lạnh, máy điều hòa Chế biến thực phẩm Bếp, lò nướng Ngành dệt Gia công vật liệu Vi điện tử Đo nhiệt độ khí, gas, chất lỏng * 18
19. 3. Nhiệt điện trở (RTD) Ưu điểm của RTD Tuyến tính trên khoảng rộng Chính xác cao Ổn định với nhiệt độ cao Nhược điểm của RTD Đáp ứng chậm hơn cặp nhiệt điện Đắc tiền hơn cặp nhiệt điện Ảnh hưởng bởi sốc và rung Yêu cầu 3 dây hoặc 4 dây * 19
20. 4. Thermistors (Thermally sensitive resistor) Cấu tạo: Được làm bằng các ôxít kim loại: Niken, Mangan, côban, được phủ bởi nhựa hoặc thủy tinh Phân loại: Hệ số nhiệt âm - NTC ( Negative Temperature Coefficient) Hệ số nhiệt dương - PTC (Positive Temperature Coefficient) Ký hiệu: * 20
21. 4. Thermistors NTC Thermistor PTC Thermistor * 21
22. 4. Thermistors Đặc tính NTC Thermistor PTC Thermistor * 22
23. 4. Thermistors Ưu điểm Đáp ứng nhanh Điện trở thay đổi nhiều Điện trở cao • Loại bỏ vấn đề điện trở dây dẫn Giá thành thấp hơn RTD Chịu được rung và sốc Khuyết điểm Phi tuyến Khoảng đo hẹp Điện trở cao Phát nóng chính bản thân Ít ổn định hơn RTD * 23
24. 4. Thermistors Ứng dụng NTC • Dùng để đo nhiệt độ, điều khiển nhiệt độ, bù nhiệt độ: – Các đồ điện trong nhà: tủ lạnh, máy giặt, nồi cơm điện, máy sấy tốc, – Trong điện tử công nghiệp: các bộ ổn định nhiệt độ, các bộ bù nhiệt độ, – Trong viễn thông: dùng để đo và bù nhiệt độ cho điện thoại di động • Cảm biến mức chất lỏng – Dựa vào sự khác nhau của hằng số tiêu tán nhiệt độ trong nước và không khí hoặc hơi, * 24
25. 4. Thermistors Đo nhiệt độ Điều khiển Đo mức chất lỏng * 25
26. 4. Thermistors Bù nhiệt độ * 26
27. 4. Thermistors Ứng dụng PTC • PTC công suất – Làm cầu chì: bảo vệ ngắn mạch/quá tải – Làm công tắc: khởi động động cơ, khử từ, thời gian trễ – Bộ gia nhiệt – Chỉ thị mức • Cảm biến – Nhiệt độ: bảo vệ quá nhiệt, đo và điều khiển – Nhiệt độ giới hạn: bảo vệ động cơ, bảo vệ quá nhiệt * 27
28. 5. IC đo nhiệt độ Ngõ ra điện áp Ngõ ra dòng điện Ngõ ra so sánh Một số IC khác * 28
29. 5.1 Ngõ ra áp LM35/LM45 Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ (10 mV/ oC) Khoảng đo và độ chính xác • LM35: Từ -55 oC đến +150 oC, ±1 oC • LM45: Từ -20 oC đến +100 oC, ±3 oC Dùng điện trở kéo xuống ở chân ngõ ra để đo được nhiệt độ dưới 0 oC * 29
30. 5.1 Ngõ ra áp LM35/LM45 Đo nhiệt độ dưới 0 oC * 30
31. 5.1 Ngõ ra áp Một số IC khác LM20: • Điện áp ra tỉ lệ nghịch với nhiệt độ oC (-11.7mV/oC) LM135, LM235, LM335: • Đo nhiệt độ tuyệt đối (K) với hệ số dương (+10mV/K) LM34: • Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oF (10mV/oF) * 31
32. 5.1 Ngõ ra áp Một số IC khác LM50: • Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oC (+10mV/oC) + 500mV • Đo được nhiệt độ âm không cần điện trở kéo xuống LM60: • Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oC (+6.25mV/oC) + 424mV • Nguồn cung cấp có thể +2.7 V * 32
33. 5.2 Ngõ ra dòng (LM134, LM234, LM334) Dòng điện ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối Độ nhạy được điều chỉnh bằng điện trở ngoài Chỉ cần cấp nguồn 1.2 V là IC hoạt động được * 33
34. 5.3 Ngõ ra so sánh LM 26/LM27 1 ngõ ra tương tự 1 ngõ ra so sánh * 34
35. 5.3 Ngõ ra so sánh LM 56 1 ngõ ra tương tự 2 ngõ ra so sánh * 35
36. 5.4 Một số IC khác LM73/LM74/LM95071/ LM 86/LM89/LM90/ * 36
37. 5. IC đo nhiệt độ Ưu điểm Tuyến tính cao Ngõ ra thay đổi lớn Rẻ tiền Khuyết điểm Đo dưới 250 0C Đáp ứng chậm Yêu cầu nguồn cung cấp Tự phát nóng * 37
38. 6. Nhiệt kế hồng ngoại Cấu tạo: Hoạt động: Mọi vật thể đều phát ra năng lượng hồng ngoại khi ở nhiệt độ trên điểm không tuyệt đối (0 K). Giữa năng lượng hồng ngoại và nhiệt độ của vật thể có sự tương quan với nhau. Nhiệt kế hồng ngoại đo năng lượng hồng ngoại phát ra từ vật thể và chuyển thành tín hiệu điện đo được. * 38
39. 6. Nhiệt kế hồng ngoại * 39
40. 6. Nhiệt kế hồng ngoại Các thông số cần quan tâm Khoảng đo Kích thước vật đo Khoảng cách đo Đối tượng di chuyển hay cố định * 40
41. 6. Nhiệt kế hồng ngoại Ưu điểm: Đo nhiệt độ ở những nơi khó dùng cảm biến tiếp xúc Không bị hao mòn, ma sát làm việc được lâu hơn Nhược điểm: Bị ảnh hưởng bởi các bức xạ hồng ngoại khác * 41
42. 6. Nhiệt kế hồng ngoại Ứng dụng: * 42