Báo cáo MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG

THÍCH MỘT NGƯỜI BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM TPHCM Tháng 04 2014 MÔN HỌC KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG 15 16 PM NHÓM 8 SV1 MSSV SV2 MSSV SV3 MSSV NỘI DUNG BÁO CÁO SV cần làm rõ các.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

NỘI DUNG BÁO CÁO

PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

▪ SV cần làm rõ các nội dung được gợi ý từ các

slide có đề nghị phương pháp thực hiện màu tím.

▪ SV tìm hiểu thêm tài liệu và đưa vào nội dung

để là rõ cho các ý của bài.

▪ SV cần tìm các datasheet liên quan các cảm

biến mà mình báo cáo để chỉ dẫn cách sử dụng

▪ SV phải tìm các ứng dụng thức tế (video)

6.6 Các phương pháp đo

6.7 Mạch đo

◼ Có hai phương pháp để đo nhiệt độ:

◼ Phương pháp trực tiếp:

◼ Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

◼ Nhiệt điện trở kim loại (RTD)

◼ Nhiệt điện trở bán dẫn

◼ Đo nhiệt độ gián tiếp:

◼ Phương pháp quang (Optical Pyrmeter)

◼ Phương pháp bức xạ điện tử (Photon Detector)

Khi nào ta chọn phương pháp đo trực tiếp?

▪ Khi tầm nhiệt độ cần đo không quá cao

▪ Thường dùng để đo các vật tĩnh (không di chuyển)

▪ Vật cần đo không có yêu cầu cao về việc thay đổi cấu trúc, khi bị gây ảnh hưởng nhiều khi thực hiện phép đo

▪ Phương pháp đo không quá phức tạp dễ thực hiện

▪ Giá thành cho các linh kiện (như cảm biến, khối gia

công,…) là không cao

Tầm nhiệt đo trong phương pháp đo trực tiếp

▪ Cấu tạo:

– RTD được chế tạo từ những dây dẫn rất nhạy với

nhiệt độ, vật liệu chế tạo thường là Niken, Đồng,

=

4 3

3 2

1

2

R R

R R

R

R V

V out in

▪ Cấu tạo:

▪

R1=R2=R4=R3=Rg Khi R3=Rg  dR

dR R

dR

V V

) 1

A

l R

điện trở tăng) Điện trở vât thay đổi theo

nhiệt độ

▪ : điện trở suất

–Sự phụ thuộc này gần như tuyến tính:

0 1 a T T b T T R

R =  −  − +  −

R

R T = 0  1 +  * 

Giới thiệu:

Thermocouple (cặp nhiệt độ) là cảm biến nhiệt độ cấu tạo bởi 2 thanh kim loại khác nhau được tiếp xúc nhiệt với nhau

Cảm biến tác động: đầu vào nhiệt độ, đầu ra điện áp

Giới thiệu:

Thermocouple hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck.(Do Thomas Seebeck khám phá năm 1821)

Cấu tạo

Nguyên lý đo

Thermocouple chỉ đo được sự sai biệt nhiệt độ Do đó

cần phải có nhiệt độ chuẩn để so sánh

Quan hệ giữa V với T là phi tuyến Nhưng ta chấp nhận

công thức sau:

) (

2 )

( 2 1 22 12

1 T T C T T C

1 /

2 /

T T

e V

e e

A B

A B B

Nguyên lý đo

▪ Hai đầu nối T1, T2 Đầu nóng là đầu tiếp xúc với nhiệt

độ cần đo Đầu còn lại là đầu lạnh hay đầu chuẩn

▪ Để đo nhiệt độ chính xác thì phải đo được nhiệt độ

đầu chuẩn và phải giữ cố định nhiệt độ chuẩn này

Đặc tuyến

Các phương pháp xác định và giữ cố định nhiệt độ chuẩn

Nguyên tắc chung:

▪ Cách 1 : dùng nước đá đang tan để lấy nhiệt độ chuẩn ở

0oC Để nhiệt độ 0oC được giữ cố định ta phải đảm bảolượng đá trong bình vẫn đang tan

Các phương pháp xác định và giữ cố định nhiệt độ chuẩn

Cách 1:

Các phương pháp xác định và giữ cố định nhiệt độ chuẩn

Cách 1: Nhiệt độ đo được tính như sau

) )(

( A B Tip Re f

out S S T T

) (

Re

B A

out f

Tip

S S

V T

B

ICE BATH

Volt Meter

Các phương pháp xác định và giữ cố định nhiệt độ chuẩn

Đo RT xác định Tref, Tref sẽ được chuyển sang Vref

V1= V-Vref ; T1=V1/e1

Sơ đồ và nguyên tắc đo

J3

RTD T1

J4

Sơ đồ và nguyên tắc đo

TrefT

Thiết bị đo

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

▪ Điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nối mà không phụ thuộc vào những nơi khác trong mạch

▪ Nếu có một vật liệu kim loại thứ chèn giữa thì

áp ra không bị ảnh hưởng

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

2 nguyên lý này bảo đảm cho việc đi dây dài

/ /

1 /

T T

e E

T e

T e

T e

T e

E

A B

B A j

A C i

C A A

B

−

=

+ +

+

=

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

Nếu ta nối 2 kim loại A và B bởi một kim loại thứ 3

C thì điện áp đo cũng không ảnh hưởng

T e

T e

E

A B

B A A

C C

B

−

=

+ +

=

A C C

B A

e / = / − /

Vì:

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

Khi đo nhiệt độ mà chưa biết nhiệt độ chuẩn ta có thể đo gián tiếp như sau:

E E

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

Hoặc ta có thể đo gián tiếp như sau:

cb ac

T1

T2 B

Vật liệu chế tạo:

▪ Độ nhạy: Độ nhạy nhiệt được xác định bởi công thức

dT dE

s = A / B  V / oC

◼ RTD là một điện trở nhiệt kim loại, giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng, khi nhiệt độ giảm thì điện trở giảm.

◼ RTD có độ chính xác cao: RTD trong công nghiệp có độ chính xác là ±0.1°C Standard Platinum RTD có độ chính xác là ±0.0001°C, thường dung trong phòng thí nghiệm

Khái niệm RTD

Hình dạng RTD

▪ RTD thường làm bằng các loại kim loại có điện trở thayđổi theo nhiệt độ như platin, đồng, nikel…

▪ Platin có tầm nhiệt độ lớn nhất –184.44°C (–300°F) đến648.88°C (1200°F), trơ về mặt hóa học và sự ổn địnhtrong cấu trúc tinh thể, có thể đạt độ chính xác cao99.999%

▪ Nikel có độ nhạy nhiệt cao nhất, tầm nhiệt độ thấpkhoảng 250°C, hoạt đông hóa học cao dễ bị oxi hóa khi ởnhiệt độ cao

▪ Đồng có độ tuyến tính cao, tuy nhiên do hoạt động hóahọc cao nên chỉ hoạt động trong tầm < 180°C

Vật liệu chế tạo RTD

Vật liệu chế tạo RTD

Cấu tạo RTD

Cấu tạo của RTD bề mặt: RTD bề mặt thường dùng để

đo nhiệt độ bề mặt của vật rắn

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ RTD

▪ Các là các hệ số nhiệt điện trở, hay độ nhạy ở nhiệt độ T

▪ Hệ số nhiệt điện trở đặc trưng cho kim loại, phụ thuộc vàokim loại và nhiệt độ

)

.

T R

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ RTD

▪ Trong tầm đo nhiệt độ của kim loại, thì R thay đổi tuyếntính với nhiệt độ nền:

▪ Khi nhiệt độ ngoài tầm đo thì quan hệ R và nhiệt độ làkhông tuyến tính Có thể biểu diễn theo quan hệ bậc hai:

) 0 (

2 )

0 (

−

=

nối tiếp

Chỉnh offset

R1

R2

+

_

Mạch đo RTD

Trường hợp R không tuyến tính với nhiệt độ

▪ Sử dụng thêm Rshunt=3.RTD, làm tăng tính tuyến tính (nhưng không hoàn toàn)

▪ Mạch RTD có Rshunt hoạt động trong tầm -196°C →

260°C

RTD

Dây 1 Dây 2

Dây 3 Dây 4

Vi

Nguồn dòng

Ứng dụng RTD

▪ Dùng để đo nhiệt độ trong các đường ống, kho chứa, đo nhiệt độ không khí

▪ Dùng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược

phẩm… cần độ chính xác về nhiệt độ cao, và độ an toàn (RTD không gây hại với môi trường)

Ứng dụng RTD

Nguyên tắc: Giống như RTD nhưng được cấu tạo từ các

loại oxit của nikel, mangan, cobal…

Tính chất: Có độ nhạy nhiệt âm và rất cao, khoảng 10 lần

so với các điện trở kim loại

• Độ ổn định của nhiệt điện trở phụ thuộc vào việc chế tạo

và điều kiện sử dụng

• Tầm hoạt động của thermistor có thể từ 1 vài độ tuyệt

Thermistor được chế tạo từ những vật liệu bán dẫn,

sự thay đổi điện trở của vật liệu tỉ lệ với nhiệt độ trong dải đo.

Khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm, do vậy Thermistor có hệ số nhiệt âm Mặc mặc dù vậy cũng

có một số thermistor có hệ số nhiệt dương.

Thích hợp dùng trong các ứng dụng có giải nhiệt độ nhỏ.

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ:

)) 0

1 1 (

(

0 e B T T R

• Giá trị B nằm trong khoảng

3000-5000K Khi đó độ nhạy nhiệt:

• Quan hệ giữa điện trở và nhiệt

độ của thermistor là không tuyến

Mạch đo của thermistor:

• Thermistor được nối vào mạch

cầu H như hình vẽ

• Khi cầu cân bằng:

• Thông thường người ta chọn

R2=R3, Rt=R4 Khi đó:

)).(

(

4 3

2

3 0

R R

R R

R

R R E

E

T T

T T

T

T T

R R

E

E

/ /

/ /

2

/

2 2

2

0

+ +

 +

 +

R2

Hạn chế của phương pháp đo trực tiếp:

Ngoài một số ưu điểm đã được nêu trên, phương pháp

đo trực tiếp này cón một số hạn chế như sau:

▪ Không thể đo nhiệt độ trên diện tích lớn

▪ Không đo được những vật đang chuyển động

▪ Chỉ dùng trong tầm từ -190oC đến 1063oC

▪ Có thể ảnh hưởng đến cấu trúc hệ thống cần đo nhiệt

độ vì cảm biến có thể tích lớn …

Tại sao chúng ta phải đo nhiệt độ bằng phương pháp cách ly?

▪ Xác định nhiệt độ của một vật đang di chuyển.

▪ Xác định nhiệt độ của một vật rất nóng không thể đo được bằng dụng cụ thông thường

▪ Xác định nhiệt độ của một vật nằm trong khu vực nguy hiểm như

lò phản ứng hạt nhân, lò nung, lò luyện kim…

▪ Xác định nhiệt độ của một khu vực có diện tích rộng

▪ Xác định nhiệt độ mà không gây ảnh hưởng đến đối tượng cần đo.

▪ Xác định nhiệt độ mà không làm thay đổi cấu trúc của vật cần đo.

Nguyên lý đo nhiệt độ cách ly

ra một bức xạ điện từ trên bề mặt tỉ lệ

với nhiệt độ của vật.

điện từ vật đó phát ra

Nguyên lý đo nhiệt độ cách ly

2

/ 5

Phổ phát xạ của vật đen theo bước sóng

Đo nhiệt độ cách ly PP quang

▪ Dùng để đo nhiệt độ trong khoảng từ 973 - 4273 oK.

▪ Pyrometer hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh

độ sáng của dây tóc bóng đèn với độ sáng của vật cần đo

▪ Độ sáng của bóng đèn được chuẩn hóa với một nguồn đen tuyệt đối phát xạ ở một nhiệt độ biết trước.

Sơ đồ đo nhiệt độ cách ly PP quang

Đo nhiệt độ cách ly PP quang

▪ Khi cường độ sáng của nền và dây tóc bằng nhau thì ta cóphương trình:

• λ là bước sóng của red filtrer khoảng 0.63μm

• ε là hệ số phát xạ của vật

• Tf là nhiệt độ của dây tóc bóng đèn

• T là nhiệt đô của vật

Đo nhiệt độ cách ly PP quang

) (ln

Đo nhiệt độ cách ly PP bức xạ điện tử

▪ Có rất nhiều ứng dụng đòi hỏi phải xác định nhiệt độ không tiếp xúc như: đo lường nhiệt độ tòa nhà, hệ thống ống dẫn, khu vực có diện tích rộng, hoặc những lò luyện kim…

▪ Thiết bị đo nhiệt độ sử dụng Photon Detector là giải pháp cho vấn đề trên.

Bước 1: Chuyển tín hiệu hồng ngoại phát xạ ra từ vật nhận được ra tín hiệu điện

Bước 2: Bù nhiệt độ nền của môi trường cần đo

Bước 3: Tuyến tính hóa kết quả nhận được và xuất

ra thông tin về nhiệt độ cần đo

Ba bước chính để đo nhiệt độ của vật:

Photon Detector là một loại sensor mà đáp ứng của

nó là điện áp tỉ lệ với mật độ dòng photon tập trung trên bề mặt cảm biến.

Nguyên lý hoạt động:

• k : hệ số truyền của thấu kính

=



◼ Điện áp sinh ra được tính theo công

thức:

truyền, độ lợi điện áp và độ nhạy của cảm biến)

◼ Do có nhiều ứng dụng thương mại và công nghiệp sử dụng photon detector nên tầm đo của nó rất đa dạng

◼ Với 1 photo detector-based temperature scanner có thể

sử dụng để đo nhiệt độ trong khoảng 253 đến 1873 o K

◼ Độ nhạy của scanner trên ở 30 o C là 0.1 o

Đặc tính của phương pháp:

◼ Các vật thể ở nhiệt độ lớn hơn 0K phát ra một bức

xạ điện từ trên bề mặt tỉ lệ với nhiệt độ của vật

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động:

CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT

• SV tìm ít nhất một datasheet của loại này và

chỉ ra các thông số cần thiết khi sử dụng.

• SV tìm một video ứng dụng mô tả cho loại

cảm biến này.

• SV tóm lược các nội dung chính của CB này.

◼ IC (LM135/235/335) hạn chế về tầm đo từ -55oC đến +1500C, tuy đầu ra (áp) là tuyến tính với

nhiệt độ và “dễ” sử dụng

◼ Khi muốn có tầm đo lớn hơn hoặc muốn có độ nhạy cao hơn thì phải sử dụng các sensor khác như Thermocouple, RTD hoặc Thermistor.

◼ Với sensor là RTD, Thermistor thì đại lượng thay đổi tương ứng vơi nhiệt độ là điện trở, còn với

Thermocouple là điện áp, nhưng rất nhỏ (µV) Sự thay đổi là không tuyến tính với nhiệt độ

◼ Có thêm các mạch gia công tín hiệu để biến đổi thành điện áp, khuyếch đại đến tầm mong muốn.

( ) *

V = I R +    = R V I  R

▪ Áp ra lớn khi I lớn

▪ I không thể quá lớn

• Giới hạn công suất

• Toả nhiệt trên phần tử đo.

Có một phương pháp tôt hơn là sử dụng cầu Wheatstone sử dụng nguồn dòng/áp

Có 4 loại cầu Wheatstone thông dụng

Vo:

VoR+R

VB2

R R+R/2

VB2

R

R R

Sai số

TT: 0,5%/% 0,5%/% 0

0

Cầu Wheatstone với 1 phần tử thay đổi

• Áp ra không tuyến tính (có thể giải quyết bằng phần

mềm hoặc kĩ thuật mạch)

• Độ nhạy 0.5%/%

Vo:

VoR+R

R R+R/2

VB2

R R+R/2

VB2

R

R VB

R R Sai số

TT: 0,5%/% 0,5%/% 0

0

Cầu Wheatstone với 2 phần tử thay đổi (dạng 1)

• Không tuyến tính (0.5%/%)

• Độ nhạy tăng gấp đôi so với trường hợp đầu

Vo:

VoR+R

VB2

R R+R/2

VB2

R

R R

Sai số

TT: 0,5%/% 0,5%/% 0

0

Cầu Wheatstone với 2 phần tử thay đổi (dạng 2)

• Tuyến tính

• Độ nhạy tăng gấp đôi so với trường hợp đầu

• Cầu này thường dùng cho cảm biến áp suất hoặc lưu lượng

Vo:

VoR+R

R R+R/2

VB2

R R+R/2

VB2

R

R R

Sai số TT: 0,5%/% 0,5%/% 0

0

Cầu Wheatstone với 4 phần tử thay đổi

• Tuyến tính

• Độ nhạy tăng gấp 4 so với trường hợp đầu

• Cầu dạng này thường dùng với Loadcell

Vo:

VoR+R

R R+R/2

VB2

R R+R/2

VB2

R

R VB

R R Sai số

TT: 0,5%/% 0,5%/% 0

0

Cầu Wheatstone với nguồn dòng

Ưu điểm:

• Điện trở dây, tiếp xúc không gây sai lệch kết quả

• Có thể dùng dây dẫn đơn giản, rẽ hơn

Vo:

VoR+R

R+R

R-R

R-R

VoR

R+R

R-R

R

VoR+R

R R+R/4

IB

2 R

IB

2 R IB RSai số

TT: 0,25%/% 0 0

0

Tuyến tính hóa – khuếch đại tín hiệu sau cầu

▪ Tín hiệu đưa ra còn nhỏ (vài chục – vài trăm mV), do đócần phải được khuyếch đại trước khi đưa vào bộ ADC hoặc

xử lý tiếp

▪ Khuyếch đại đơn giản có thể dùng bộ OpAmp

Tuyến tính hóa – khuếch đại tín hiệu sau cầu

Mạch này cho độ chính xác không cao

• Độ khuyếch đại phụ thuộc vào điện trở cầu, RF

• Tổng trở không cân bằng ở ngõ vào

• Áp ra không tuyến tính do chỉ đơn thuần là bộ khuyếch đại

2 +VS

Tuyến tính hóa – khuếch đại tín hiệu sau cầu

Mạch này cho độ chính xác cao

R R+R/2 GAIN

VREF=VB

RG

Tuyến tính hóa – khuếch đại tín hiệu sau cầu

Tuyến tính hóa – khuếch đại tín hiệu sau cầu

Mạch này vừa khuyếch đại, vừa tuyến tính hoá Vout so với ∆R

-VS

VOUT= VB

2

R R

R1

R21+

+VS

-VS

Đặc tuyến của các loại cảm biến khác nhau

Thermocouple

RTD

Thermistor

Semiconductor

Đặc tuyến của các loại cảm biến khác nhau

Đường đặc tuyến T – V ( hoặc R )

Dùng mạch Opamp

Dùng mạch cầu cân bằng

Dùng IC vi điều khiển

CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT

• SV tóm lược các nội dung chính của phân này

này.

• Rút ra kết luận cho từng loại mạch đo được sử

dụng cho từng loại cảm biến