Cảm biến nhiệt độ

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

VÀ ĐO NHIỆT ĐỘ

GIỚI THIỆU CHUNG

n Cảm biến nhiệt độ là thiết bị biến đổi nhiệt độ thành tín hiệu

điện.

n Bộ truyền tín hiệu điện (Temperture Transmiter) là thiết bị biến đổi đầu ra nhỏ của bộ chuyển đổi nhiệt độ thành một trong những dải tín hiệu chuẩn.

n Thang đo nhiệt độ: Celsius, Fahrenheit và Kelvin

n Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo:

n Phương pháp đo:

n Phương pháp đo tiếp xúc: khi đo, cảm biến tiếp xúc với môi trường đo.

n Phương pháp đo không tiếp xúc: khi đo cảm biến không tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt của môi trường đo vào nhiệt độ

GIỚI THIỆU CHUNG

 Phương pháp đo

 Phương pháp tiếp xúc nhiệt: Cảm biến tiếp xúc trực tiếp với môi trường

hoặc đối tượng đo .

 Ứng dụng: Dùng để kiểm tra nhiệt độ chất rắn, chất lỏng, chất khí trong phạm vi nhiệt độ rộng.

 Nhiệt kế giãn nở (lưỡng kim), nhiệt kế áp suất (chất lỏng, chất khí), nhiệt ngẫu, nhiệt điện trở (điện trở nhiệt kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn: silic, diode, tranzitor)

 Phương pháp đo không tiếp xúc: Cảm nhận năng lượng bức xạ của

nguồn nhiệt ở dạng năng lượng thu nhận được trong phần hồng ngoại của phổ điện – từ.

 Ứng dụng: Kiểm tra nhiệt độ chất rắn, lỏng (không sử dụng cho chất khí).

 Cảm biến quang (hỏa kế, hỏa kế quang điện), cảm biến siêu âm, quang phổ.

CẤU TẠO CẢM BIẾN

 Phần tử cảm nhận: Là vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ, có

tỷ nhiệt thấp, nhiệt dẫn xuất cao, nhạy cảm với nhiệt độ

 Tiếp điểm dẫn: Nối phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài, các tiếp điểm này phải có nhiệt dẫn suất nhỏ

 Vỏ bảo vệ: Phân cách cảm biến với môi trường bên ngoài, có nhiệt trở thấp và cách điện tốt, chịu ẩm và các yếu tố ăn mòn

n 2.1 Cảm biến nhiệt điện trở Platin, Niken và Silic

n 2.2 Cặp nhiệt: cấu tạo, phạm vi đo, các thông số

n 2.3 IC cảm biến nhiệt độ

n 2.4 Đo nhiệt độ cao bằng hoả quang kế

2.1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ PLATIN,

Vnet - Điện áp chênh lệch điện áp giữa các mối nối:

Vhot – Điện áp đầu dò là mối nối nóng đầu mối nối còn lại ở giữa nhiệt độ là mối nối chuẩn (hay còn gọi là nhiệt độ chuẩn), mối nối này được gọi là mối nối nguội có nhiệt độ không thay đổi

NHIỆT ĐIỆN TRỞ PLATIN (RTD)

Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin

Cấu tạo: gồm hai phiến kim loại khác bản chất được ghép chặt với nhau dưới nhiệt độ và áp suất, để tạo thành một băng kim loại có độ dãn nở nhiệt khác nhau, nên khi có tác động nhiệt thì sẽ bị biến dạng (dãn nở cong lên)

1) Dây platin, 2) Gốm cách điện

3) Ống platin 4) Dây nối

5) Sứ cách điện 6) Trục gá

7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng

Nguyên lý làm việc: Cảm biến nhiệt lưỡng kim này đơn giản là một băng lưỡng kim uốn hình xoắn ốc Băng lưỡng kim là một tấm dát mỏng của hai kim loại

có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau Khi nhiệt độ tăng, kim loại ở mặt trong dãn nở nhiều hơn là kim loại ở mặt ngoài, đường xoắc ốc có xu hướng duỗi thẳng ra Cảm biến nhiệt độ lưỡng kim điều

khiển chuyển mạch thủy ngân

NHIỆT ĐIỆN TRỞ PLATIN (RTD)

Nguyên lý làm việc Phần tử nhiệt – điện – trở kim loại

Cặp nhiệt làm từ sắt và hợp kim đồng

Vnet = Vhot - Vcold

a) Kiểu dây cuốn đơn; b) Kiểu dây cuốn đôi; c) Kiểu màng mỏng

Hình dạng kết cấu nhiệt kế công

nghiệp

Resistance Temperature Detector – RTD

NHIỆT ĐIỆN TRỞ PLATIN (RTD)

 RTD cũng được gọi là điện trở nhiệt bao gồm các loại : Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, Ni500 (trong đó 2 loại chính thường dùng trong công nghiệp là Pt100 và Ni100)

 Cảm biến nhiệt độ PT100: Pt là thuật ngữ viết tắt của từ Platinum còn có cái tên gọi là bạch kim là loại kim loại quý hiếm

 Cảm biến nhiệt độ Pt100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại (RTD), được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0ºC là 100 Ohm

 Ưu, nhược điểm của RTD (PT100).

 Nhược điểm: Nó chỉ có nhược điểm duy nhất là với những ứng dụng cần đo nhiệt

độ trên 850ºC thì Pt100 không thể đo được.

Cảm biến nhiệt độ PT100

Nhiệt điện trở Pt100

Đặc tính biến thiên

SƠ ĐỒ KẾT NỐI

MỐI LIÊN HỆ GIỮA ĐIỆN TRỞ VÀ NHIỆT ĐỘ

  

SƠ ĐỒ KẾT NỐI VỚI PLC

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VỚI VẬT LIỆU SILIC

 Nguyên tắc: Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương (hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/0C ở 250C)

Tín hiệu đầu ra của cảm biến tỷ lệ với nhiệt độ trong một phạm vi đặc trưng.

 Cấu tạo: Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic được chế tạo mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc.

 Ứng dụng: Các cảm biến silic có thể được thiết kế như một phần tử nằm trong tổ hợp ống nghiệm hoặc tích hợp trực tiếp trên board mạch in trong kết cấu lắp đặt bề mặt

 Chú ý: Trong mẫu thiết kế IC cảm biến nhiệt độ sử dụng công nghệ silic cần rất cẩn trọng đối với hiện tượng quá dòng

có thể gây ra sự phát nhiệt tự thân của phần tử cảm biến

  

THERMISTOR

2.2 CẶP NHIỆT: CẤU TẠO, PHẠM VI ĐO,

CÁC THÔNG SỐ

 Cặp nhiệt điện loại cảm biến nhiệt độ mạch kín với 2 dây dẫn kim

loại khác nhau được đấu nối 2 đầu

 Cấu tạo:

• Measuring junction (Điểm giao nhau): Bao gồm 2 thanh kim loại khác

nhau được hàn 1 đầu dây với nhau – đây chính là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện

• Thermocouple wires (Dây cặp nhặt nhiệt điện): Là phần dây kết nối

giữa nhiệt độ với bộ điều khiển thiết bị.

• Ceramic insulators (Gốm cách điện): Được làm từ chất liệu sứ có khả

năng cách điện, có nhiệm vụ giữa dây cặp nhiệt ngẫu cách điện dọc theo chiều dài của đầu dò.

• Protective sheath (Vỏ bảo vệ): Phần vỏ bên ngoài có chức năng bảo vệ,

được làm từ chất liệu inox (chịu được <1200 0 C) hoặc sứ (chịu nhiệt

>1200 0 C)

• Connection head (Đầu kết nối): Chứa dây kết nối và bộ chuyển đổi của

cặp nhiệt điện.

CẤU TẠO

 1- Measuring junction: bao gồm 2

thanh kim loại có cấu tạo vật liệu

khác nhau được hàn 1 đầu với nhau

 2-Thermocouple wires: phần dây

kết nối để nối giữa phần đo nhiệt độ

và bộ điều khiển

3- Ceramic insulators: phần sứ cách

nhiệt được sử dụng để giữ dây cặp nhiệt điện cách điện dọc theo toàn bộ chiều dài của đầu dò

4- Protective sheath: phần vỏ bảo

vệ bên ngoài của cặp nhiệt điện

 5- Connection head: chứa dây kết

nối của cặp nhiệt điện Khi ta dùng các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện

ra 4-20mA thì sẽ được cho vào đây

2.2 CẶP NHIỆT: CẤU TẠO, PHẠM VI ĐO,

2.2 CẶP NHIỆT: CẤU TẠO, PHẠM VI ĐO,

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

CÁC LOẠI CẶP NHIỆT ĐIỆN

Phạm vi: - 270 0 C ÷ + 870 0 C Sai số: +/-1.7 o C

Loại N:

Vật liệu: Nicrosil / Nisil Phạm vi: - 270 0 C ÷ + 392 0 C Sai số: +/-1.1 o C

Loại K

Loại J

Loại T

Loại E Loại N

Loại R

ỨNG DỤNG

• Ngành thực phẩm: kiểm soát nhiệt độ của lò nướng, đo nhiệt độ ấm của nước, giúp theo dõi bếp điện hoạt động ở mức nhiệt nhất định,

…

• Trong đo nhiệt độ thấp: Sử dụng các cặp nhiệt độ đo ở mức nhiệt

độ thấp như loại E, K, T, N (<200oC) Ứng dụng đo nhiệt độ trong các môi trường thấp như máy lạnh, tủ đông,…

• Trong lò nung: Đo nhiệt nhiệt độ ở trong lò nung gốm, gạch hay lò sấy,…

• Trong nóng chảy kim loại: Thường sử dụng cặp ngẫu nhiệt loại R,

S, K, M hoặc B để thực hiện đo nhiệt độ cao trong quá trình nóng chảy kim loại

LỖI THƯỜNG GẶP KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ

• Đấu dây sai cách: Đấu dây cặp nhiệt điện sai khiến cho không hiển

thị được, vì vậy cần chú ý xem kỹ hướng dẫn lắp đặt và sử dụng thiết bị

• Chọn sai thang đo nhiệt độ: Đảm bảo mua cặp nhiệt điện có

khoảng đo nhiệt phù hợp với mục đích cần sử dụng Nếu lựa chọn sai thì thiết bị sẽ bị hỏng hóc, gây nổ, mất an toàn cho con người và

hệ thống điện

• Không dùng bộ chuyển đổi: Khi sử dụng cặp nhiệt điện từ đầu

lạnh sẽ cho ra dạng điện áp, tín hiệu này dễ bị nhiễu, sụt áp khi ở khoảng cách xa Vì vậy khi dùng, cần sử dụng thêm bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA (nhờ khả năng không bị suy giảm khi bị truyền đi xa)

2.3 IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (thermistor) là loại cảm biến nhiệt độ được tạo thành từ một vật liệu bán dẫn như oxit kim loại hoặc silic Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của vật liệu bán dẫn sẽ thay đổi theo một tỷ lệ nhất định Điều này cho phép đo được nhiệt độ bằng cách

đo điện trở của vật liệu bán dẫn

2.3 IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

• Đặc điểm:

• Cảm biến nhiệt bán dẫn được làm từ các loại chất bán dẫn

• Hoạt động dựa trên sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

• Loại này khá rẻ tiền, dễ chế tạo, có độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lí đơn giản nhưng lại không chịu được nhiệt độ cao và cũng kém bền

2.3 IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

 2.3.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34

 LM34 tạo tín hiệu điện áp ra tỷ lệ trực tiếp với nhiệt độ F

 LM35 tạo tín hiệu điện áp ra tỷ lệ trực tiếp với nhiệt độ C.

IC cảm biến nhiệt độ LM 35/34

2.3 IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

 Cảm biến nhiệt LM 35

 Cảm biến LM35 là loại dùng đo nhiệt độ theo

thang đo C trong phạm vi -55 đến +150 [oC]

 Độ chính xác ở 25 [ o C ] 1.5 là độ, ở đoạn đầu và cuối khoảng đo thì độ chính xác là 20 Độ tuyến tính trong phạm vi nhiệt độ làm việc có sai lệch khoảng 0,5 độ

 Tín hiệu ra của phần tử cảm biến là 10 [0]; điện áp làm

việc là trong khoảng 4 tới 30 [V] Cảm biến LM35 không

đòi hỏi các biện pháp chỉnh định cân bằng

] /

2.3 IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

 IC gồm 3 cổng : Chân cấp nguồn Vs, chân GND, và chân Vout.

 IC cảm biến DS18B20: Nhiệt độ từ -55oC đến + 125oC Độ chính xác là + -5% Dữ liệu thiết bị nhận được từ 1 dây sẽ từ 9 bit - 12 bit.

 IC cảm biến nhiệt độ cảm biến nhiệt TMP01 (Analog Devices)

IC cảm biến nhiệt độ cảm biến nhiệt TMP01

2.4 ĐO NHIỆT ĐỘ CAO BẰNG HOẢ QUANG KẾ

• Hỏa kế (Nhiệt kế bức xạ) thiết bị được sử dụng để đo nhiệt độ của một đối tượng bằng phương pháp không tiếp xúc

• Hoạt động dựa trên việc đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

• Hoả kế có thể dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo nhưng lại có độ chính xác không cao và cũng kém bền

• Có dải đo vào khoảng -97 ~ 1800oC

• Được ứng dụng để làm thiết bị đo cho lò nung

• Hoả quang kế gồm các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng

và hỏa kế màu sắc

2.4 ĐO NHIỆT ĐỘ CAO BẰNG HOẢ QUANG KẾ

 Cấu tạo:

 Phần đầu đo: gồm các cặp nhiệt điện được mắc nối tiếp với nhau và một hệ thống các thấu kính hội tụ, vỏ đầu đo, hệ thống kính màu để bảo

vệ mắt người dùng.

 Thiết bị chỉ thị: Hiển thị dạng số hoặc dạng kim chỉ thị

 Nguyên lý hoạt động: Nhiệt lượng tỏa ra từ nguồn nhiệt thông qua các ống kính quang học nó được thu thập, tập trung vào đầu dò với sự giúp

đỡ của gương và sự sắp đặt dựa vào thị kính Đầu dò có thể là điện trở nhiệt hoặc một ống quang điện Như vậy, nhiệt năng đã được biến đổi tương ứng thành tín hiệu điện tương ứng bởi đầu dò và được gửi đến các thiết bị đầu ta hiển thị nhiệt độ.

2.4 ĐO NHIỆT ĐỘ CAO BẰNG HOẢ

QUANG KẾ

• Ưu điểm: 

• Hoạt động tốt trong các môi trường cực kỳ khắc nghiệt, dùng để đo nhiệt

độ rất cao mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt (kim loại nóng chảy)

• Tốc độ đáp ứng nhanh, có thể đo các đối tượng chuyển động

• Không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách từ hỏa kế đến đối tượng đo

• Nhược điểm: 

• Không tuyến tính, độ nhạy kém.

• Tính sẵn có của vật liệu quang học làm giới hạn các bước sóng có thể

đo được.

• Cấu tạo đơn giản nhưng giá thành và chi phí lắp đặt cao.

• Cần bảo dưỡng thường xuyên vì ống kính bẩn sẽ làm giảm bức xạ

• Sự phát xạ của vật liệu đối tượng ảnh hưởng đến phép đo

• Nếu có bất kì một nguồn nhiệt nào khác đối tượng đo sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo

MỘT SỐ ỨNG DỤNG

Đo nhiệt độ quặng, thiêu kết, than đá…

trên băng tải

Đo và kiểm soát nhiệt độ trong hệ thống lò

coke nhà máy thép

Đo và giám sát nhiệt độ cho dây chuyền

cán thép

MỘT SỐ ỨNG DỤNG

LỰA CHỌN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

 Theo cảm biến: Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể có thể lựa chọn cảm biến RTD, thermocouple hoặc thermistor

 Theo độ chính xác: RTD tốt hơn Thermocouple khoảng 10 lần.

 Theo độ nhạy: RTD và Thermocouple đều phản ứng nhanh với sự

thay đổi của nhiệt độ nhưng với chi phí tương tự thì Thermocouple nhanh hơn

• Thời gian đáp ứng: Nếu thời gian đáp ứng là yếu tố quan trọng,

bạn nên chọn cảm biến thermocouple hoặc thermistor

• Điều kiện môi trường: Nếu môi trường làm việc có nhiều tạp chất,

bạn nên chọn cảm biến RTD hoặc thermocouple có khả năng chống

ăn mòn và ăn mòn tốt hơn

 Đo nhiệt độ của PCB hoặc IC điện tử thì các cảm biến bán dẫn là lựa chọn tốt nhất

 Chi phí cũng là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị cảm biến phù hợp

CẶP ĐIỆN NHIỆT VÀ NHIỆT ĐIỆN TRỞ RTD

• Thực chất RTD dùng để phát hiện nhiệt độ điện trở, thường được cấu tạo từ các vật liệu tinh khiết là Platinum, Niken hoặc đồng Sử dụng đồng hồ VOM, vặn chúng sang thang đo điện trở, nếu PT1000 thì tại nhiệt độ thường có giá trị > 100 ôm; PT1000 thì giá trị điện trở

>1000 ôm

• Thực hiện tương tự với cặp nhiệt điện, dùng thang đo mV trên đồng

hồ VOM, đầu ra của nhiệt điện cho giá trị dạng mV

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

3 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VỚI VẬT LIỆU SILIC

 Rẻ tiền hơn các điện trở nhiệt kim loại RTDs

 Có độ tuyến tính tốt hơn các nhiệt điện trở bán dẫn thermistors

 Dễ sử dụng hơn RTDs và cặp nhiệt ngẫu thermocouple bởi tín hiệu ra lớn hơn

 Các kiểu cảm biến IC cảm biến nhiệt độ IC có tiện ích chuẩn hoá tín hiệu tích hợp bên trong chip

 Nhiều dạng cảm biến IC bao gồm cả các giao thức liên lạc với hệ thu thập dữ liệu kiểu bus

2.3 IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

 Cấu tạo: Các thermistors được làm từ các vật liệu bán dẫn (oxit), có cấu trúc tùy theo ứng dụng cụ thể (dạng hạt, dạng đĩa, dạng xuyên tâm).

 Nguyên tắc hoạt động: Khi nhiệt độ tăng, các nhiệt điện trở NTC giảm điện trở, cho phép dòng điện chạy qua lớn hơn.

3 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VỚI VẬT LIỆU SILIC

 Đáp ứng nhiệt chậm hơn các hệ cảm biến nhiệt khác

 Kích thước điển hình lớn hơn so với các RTDs và thermistors

 Đòi hỏi bao gói kích thước lớn hơn đối với kiểu nhúng

 Đòi hỏi phải có các bộ phận thành phần hay mạch phụ trợ để điều khiển tải ứng dụng

 Mạch cảm biến đo nhiệt độ phòng

BÀI TẬP:

dùng IC cảm biến nhiệt độ LM35 có những thông số sau:

5.NHIỆT ĐIỆN TRỞ NTC

 Đặc tính cảm biến nhật NTC không tuyến tính do đó không dùng để cung cấp chỉ số đo nhiệt độ với độ chính xác cao mà chỉ dùng để chỉ thị những thay đổi nhiệt độ.

 Các thermistor có hệ số nhiệt độ âm (đường đậm)

5.NHIỆT ĐIỆN TRỞ NTC

5.NHIỆT ĐIỆN TRỞ NTC

 5.3 Ứng dụng:

 Cảm biến NTC được phân loại theo ứng dụng và tên gọi.

 K276: dùng cho những mạch chức năng đo và điều chỉnh nhiệt độ làm việc trong môi trường không khí tự nhiên hay trong chất lỏng

 K252 đặc biệt dùng cho các mạch lắp trên chassis (khung, gầm, vỏ