Cảm biến nhiệt độ potx

Nhiệt độ là đại lượng vật lý không thể đo trực tiếp được, nhưng có thể xác định được thông qua sự thay đổi của các đại lượng phụ thuộc điện trở, sự giãn nở.. “ _ Các loại cảm biến nhi

KỸ THUAT CAM BIEN VA DO LUO'NG

Chương 6: CẢM BIẾN NHIỆT

6.3 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel

6.4 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu bán dẫn

e CAM BIEN QUANG e© CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH e© CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT

| 6.1 KHÁI NIỆM |

/ Đại lượng nhiệt độ

Lm Không giống với các đại lượng khác như:

chiều dài , thời gian, Nhiệt độ là đại lượng

vật lý không thể đo trực tiếp được, nhưng có

thể xác định được thông qua sự thay đổi của

các đại lượng phụ thuộc (điện trở, sự giãn

nở)

" Nhiệt độ còn có thể gọi là đại lượng “ảo” Và

việc nhân chia, cộng trừ giá trị của đại lượng

` nhiệt độ là không có ý nghĩa F

/ Đại lượng nhiệt độ

Các đại lượng nhiệt độ có thể xác định dựa vào:

= Su thay déi trạng thái của chất lỏng Sự thay

đổi chiều dài (hay biến dạng) của vật thể

" Sự thay đổi điện trở của dây dẫn

" Sự thay đổi áp suất của chất khí (với điều kiện thể tích là const )

" Sự thay đổi màu sắc của bóng đèn dây tóc

" Dựa vào các hiệu ứng Thomson , FeeBeck,

|6.2 ĐẶC TĨNH CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ|

/ Thang đo nhiệt độ

và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ

—_ được viết như sau: =.:

Thang đo nhiệt độ

‹Ổ Thang Kelvín: là nhiệt độ của điểm can bang

6.3 NHIỆT ĐIỆN TRỞ VỚI PLATIN

" t2, t?: các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo

yêu cầu chính xác của phép đo

„ A,B,C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn

tả sự liên hệ giữa nhiệt độ và điện trở một cách rõ

“8:00 PM 12

trong khoảng không

gian giữa các ion bên

trong vật thể kim loại

“ _ Các loại cảm biến nhiệt điện trở kim loại

=m Khi nhiệt độ càng cao > các ion dao động càng mạnh

— sự mất trật tự càng tăng — vận tốc chuyển động

nhiệt của electron tăng — khả năng va chạm giữa ion

dương với electron càng lớn Chính sự va chạm giữa

electron với các ion dương nằm mất trật tự trong mạng

tinh thể là nguyên nhân gây ra điện trở

-> Vậy điện trở sẽ tăng lên khi nhiệt do tang

Nhiệt điện trở Platin

| = Platin la vat liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng

rãi trong công nghiệp

„ Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự

khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tỉnh khiết của

vật liệu

= O'ca 2 tiêu chuẩn đêu sử dụng phương trình

Callendar - Van Dusen:

| 6.3 NHIET ĐIỆN TRO’ PLATIN & NICKEL |

- _ Các thông số thiết bị ADT70:

- Sai số: 10C

- _ Điện áp hoạt động: 5V hoặc 5V

- _ Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 125 °C (dang 20-lead DIP, SO packages)

" Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60°C đến +2500C, vì trên

350°C nickel có sự thay đổi về pha

= Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công

nghiệp điều hòa nhiệt độ phòng:

| 6.3 NHIỆT ĐIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL |

Ứng dụng với nhiét dién tré nickel

- _ZMR 500 là thiết bị ổn áp dương tính, được thiết kế

cho những trường hợp dòng tĩnh đặc biệt thấp, đặc

biệt lý tưởng cho những trường hợp đòi hỏi mức

6.4 CAM BIẾN NHIỆT ĐỘ VỚI VAT

LIEU BAN DAN SILIC

(Temperature sensors}

trong 1 IC cùng với bộ phận khuếch đại và các

yêu cầu xử lí tín hiệu khác

- Hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức độ phức tạp

cao hơn và chạy nhanh hơn

«+ Cảm biến silic với lợi điểm là sự nhỏ gọn của

| 6.4 CAM BIEN NHIET ĐỘ BẢN DẪN

/ | 6.5 KY THUAT NOI DAY |

Tiêu chuẩn TEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng

đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau

(đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đâu phải

khác màu

`8:00 PM 32/

| 6.5 KY THUAT NOI DAY |

Cac ky thuat noi day do

¥ Cap nhiét dién (Thermocouple)

Nhiệt điện trở kim loại (RTD)

Nhiệt điện trở bán dẫn

—Ðo nhiệt độ cách ly:

v'Phương pháp quang (Optical Pyrmeter)

v'Phương pháp bức xạ điện tử (Photon

Khi nào ta chọn phương pháp đo trực tiếp?

= Khi tâm nhiệt độ cần đo không quá cao

» Thường dùng để đo các vật tỉnh (không di chuyển)

= Vat can do không có yêu cầu cao về việc thay đổi cấu trúc khi bị gây ảnh hưởng nhiều khi thực hiện phép đo

= Phuong phap đo không quá phức tạp dễ thực hiện

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

công, ) là không cao

Tâm nhiệt đo trong phương pháp đo trực tiếp

¢ Được sử dụng tâm đo từ:

-190°C đến 1063°C Với:

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

o 190°C: la nhiét độ mà Oxy chuyển từ thể

— RTD duoc chế tạo từ những dây dẫn rất nhạy với

nhiệt độ, vật liệu chế tạo thường là Niken, Đồng, _ `3:00 PM Niken-Đông,Platium 38

Nguyên lý hoạt động: (khi nhiệt độ tăng —›

điện trở tăng) Điện trở vât thay đổi theo

«L: chiéu dài dây dẫn

„ A: diện tích diện dây dẫn

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

-Sự phụ thuộc này gần như tuyến tính:

= a,b,a:hang so phu thuéc kim loai

= R,;: điện trở tại nhiệt độ cần đo

" Rạ:điện trở tại nhiét do T,

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

Thermocouple hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck.(Do

Thomas Seebeck khám phá năm 1821)

cần phải có nhiệt độ chuẩn để so sánh

| =C¡Œ;—T;)+C2Œ2~T°)

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

"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

12

Nguyên tắc chung:

„ Cách 1 : dùng nước đá đang tan để lấy nhiệt độ chuẩn ở 0°C Để nhiệt độ 0°C được giữ cố định ta phải đảm bảo lượng đá trong bình vẫn đang tan

Cách 1: Nhiệt độ đo được tính như sau

7

V ou (S,-S5)Trip — Tre) => Thy = Tres _——

Sa, S; là hệ số Seebeck phụ thuộc vật liệu chế tạo

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

4 Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

2 nguyên lý này bảo đảm cho việc đi dây dài

B= ly te acl; +eo) 41, +,p1, b=e,,,0,-1)

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Z

/ (Thermocouple) (Thermocouple)

Chú ý: Tất cả các dây kết nổi vào T/C phai Sơ đồ và nguyên tắc đo:

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

œ=== _Đúng!

= mg Sai! méinéi - V1 E=e,,(T-T,)

C

T Vi: en 4 = ©Bic = C4

Không sử dụng dây đồng để nói Dây nối cho T/€ là loại B

~ dây cứng chịu nhiệt cao do dé rat dat tién!

`0 PM

59: ⁄ `ạø0 PM 60/

15

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

Khi đo nhiệt độ mà chưa biết nhiệt độ chuẩn ta có

thể đo gián tiếp như sau:

Chưa biết / chưa biết Chưa biết / biết Biết / Biết

Sơ đồ và nguyên tắc đo:

Hoặc ta có thể đo gián tiếp như sau:

Thermocouple được chế tạo bởi các kim loại khác

nhau Các kim loại được chọn theo 4 tiêu chí sau:

» Độ nhạy

„Độ ổn định

s _ Tương thích với hệ thống đo

= Chi phi hap ly

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Resistance Temperature Detector(RTD)

Khái niệm RTD

m 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

m R[D có độ chính xác cao: RTD trong công nghiệp có độ

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Resistance Temperature Detector(RTD)

Vật liệu chế tạo RTD

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Resistance Temperature Detector(RTD)

Vật liệu chế tạo RTD

= RTD thudng làm bằng các loại kim loại có điện trở thay

đổi theo nhiệt độ như platin, đồng, nikel

"_Platin có tâm nhiệt độ lớn nhất -184.44°C (—300°F) đến

648.868°C (1200°F), trơ về mặt hóa học và sự ổn định

trong cấu trúc tinh thể, có thể đạt độ chính xác cao

99.999%

= Nikel cé dé nhạy nhiệt cao nhất, tâm nhiệt độ thấp

khoảng 250°C, hoạt đông hóa học cao dê bị oxi hóa khi ở

nhiệt độ cao

" Đồng có độ tuyến tính cao, tuy nhiên do hoạt động hóa

học cao nên chỉ hoạt động trong tâm < 180°C

“8:00 PM S7

Cam biến đo nhiệt độ trực tiếp

Resistance Temperature Detector(RTD)

Cấu tạo RTD

RTD có 2 dạng: RTD dây cuốn và RTD bề mặt

- Cudn day Platin làm cho R có giá trị lớn nên cho

phép chúng do với độ nhạy tương đối tốt

.-_ Gốm, mica đặt trong vỏ bọc để chống rung động

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Resistance Temperature Detector(RTD)

Cấu tạo RTD

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

đo nhiệt độ bê mặt của vật rắn

Resistance Temperature Detector(RTD) Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Quan hệ giửa điện trở và nhiệt độ RTD

|R= R,d+7.T +27? + +7v77)|

Trong đó: Rạ là điện trở của RTD ở 0°C

" 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

l thuộc vào kim loại và nhiệt độ

Resistance Temperature Detector(RTD) Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Quan hệ giửa điện trở và nhiệt độ RTD

" Trong tâm đo nhiệt độ của kim loại, thì R thay đổi tuyến

" Khi nhiệt độ ngoài tâm đo thì quan hệ R và nhiệt độ là

không tuyến tính Có thể biểu diễn theo quan hệ bậc hai:

18

RTD Day 2

Day 3 Điện trở nối tiếp

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Resistance Temperature Detector(RTD)

Mạch đo RTD Trường hợp R không tuyến tính với nhiệt độ

Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

Resistance Temperature Detector(RTD)

phẩm cần độ chính xác về nhiệt độ cao, và độ an toàn

(RTD không gây hại với môi trường)

8:00 PM 78/

| 6.6 PHƯƠNG PHÁP ĐO |

J Cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp

/ Resistance Temperature eee

19

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

loại oxit của nikel, mangan, cobal Pracecinten :

” @ Ath Lx

“

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

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

- RO la điện trở ở nhiệt độ 25°C

-_ Giá trị B nằm trong khoảng 3000-

5000K Khi đó độ nhạy nhiệt:

5

TỶ

-Ổ Quan hệ giữa điện trở và nhiệt

độ của thermistor là không tuyến

Mach do cua thermistor:

¢ Thermistor dudc ndi vao mach

/ Cam biến đo nhiệt độ trực tiếp

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

= Chi dung trong tâm từ -190°C đến 1063°C

= C6 thé ảnh hưởng đến cấu trúc hệ thống cần đo nhiệt

» Xac dinh nhiét dO cua mot vat dang di chuyển

« Xac dinh nhiét d6 của một vật rất nóng không thé do 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

Cam bien do nhiet do cach ly

Nguyén ly do nhiét do cach ly

„ Các vật thể ở nhiệt độ Idn hon 0°K phát

ra một bức xạ điện từ trên bề mặt tỉ lệ

với nhiệt độ của vật

„ Ta đo nhiệt độ của vật dựa trên bức xạ

Nguyên lý đo nhiệt độ cách ly

„ Liên hệ giữa cường độ và bước sóng bức xạ với nhiệt độ

| 6.6 PHƯƠNG PHẬP BO |

Cam biên đo nhiệt độ cach ly

Phổ phát xạ của vật đen theo bước sóng

Cam bien do niet do cact hy quar otc pyromets

Đo nhiệt độ cách ly PP quang

" Dùng để đo nhiệt độ trong khoảng từ 973 - 4273 K

" 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

Các cách đo nhiệt độ cách ly

» SU dụng phương pháp quang (optical pyrometer)

» SU dung phuong phap btrc xa dién

Cam bien do net GO cact ty cua (yiolprmds)

Sơ đồ đo nhiệt độ cách ly PP quang

22

| 6.6 PHUO'NG PHAP DO |

Cam Dien Go niniet do cacth ly quar (optical pyromete)

Đo nhiệt độ cách ly PP quang

= Khi cường độ sáng của nền và dây tóc bằng nhau thì ta có

se c là hệ số phát xạ của vật

e Tf là nhiệt độ của dây tóc bóng đèn

se TT là nhiệt đô của vật

Cam bien do thiệt dO cach Iy bute xa didn ti (Photon Detector

Đo nhiệt độ cách ly PP bức xạ điện tử

“ Có rất nhiêu ứng dụng đòi hỏi phải xác

định nhiệt độ không tiếp xúc như: đo

lường nhiệt độ tòa nhà, hệ thống ống dân,

khu vực có diện tích rộng, hoặc những lò

luyện kim

, Thiết bị đo nhiệt dd su’ dung Photon

Detector là giải pháp cho vấn đề trên

(âm Điện f0 nhiệt dO cact ly quar otc pyran)

Đo nhiệt độ cách ly PP quang

re | A(ine)/C, +1/T,

Cam bien ft nhiệt do cach ly bite xa didn ti (Photon Detector

Photon Detector la một loại sensor mà đáp ứng của

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