Chương II: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lý khác chẳng hạn như điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối, điện tr
Trang 1Chương II:
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lý khác chẳng hạn như điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống đô lường điều khiển nhiệt độ nào Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất…
I.CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN:
1.Thông số cấu tạo : được quyết định do nhà sản xuất và phụ thuộc vào từng
loại cảm biến
2.Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố sau:
Trang 2 Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng khi
chưa bị bảo hòa Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và tính lý hóa của từng loại cảm biến qui định
đôä nhạy: được định nghĩa:
df: sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến
dx : sự thay đổi đại lượng vật lý
Ngưỡng độ nhạy: là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được.
Tính trễ: còn gọi là quán tính của cảm biến Tính trễ của cảm biến tạo ra
sai số của phép đo Tốc độ thay đổi cuả đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm biến Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến lớn thì không thể đo chính xác được Mọi cảm biến đều có tính trễ do ảnh hưởng của vỏ bảo vệ
II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG:
1.Cặp nhiệt điện :
dx df
s
Trang 3Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau:
Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẩn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây là T1-T2 thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt
Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thì tại vị trí mối nối sẽ có sự hấp thụ hay tỏa nhiệt
Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ , khi có sự chênh lệch nhiệt độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ xuất hiện một suất điện động
Định luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng không
Nguyên tắc:
Nguyên tắc cấu tạo của cặp nhiệt điện dựa theo cơ sở thực nghiệm sau: Khi nung nóng một dây kim loại hay một đoạn dây ,tại đó tập trung điện tử tự
do và có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung ít Có nghĩa là đầu nóng (+)sang đầu nguội(-) (hiệu ứng seebeck) Ở đoạn dây xuất hiện một suất điện động Thomson phụ thuộc vào bản chất của dây kim loại
Trang 4Rỏ ràng ở đây nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất a ,nối với nhau qua hai điểm T1 và T2 trong mạch sẽ xuất hiện hai suất điện động bằng nhau nhưng ngược chiều nhau nên tổng suất điện động bằng không
Nhưng nếu mạch kín trên được cấu tạo bởi hai dây kim loại khác nhau a và b thì tổng suất điện động xuất hiện trong mạch này bằng suất điện động Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T1,T2 ở hai đầu mối ghép của dây dẫn Ngoài ra trong mạch còn có suất điện động Seebeck ,điều này được giải thích là do sự tập trung khác nhau của điện tử tự do ở hai đầu mối ghép Mặt khác ,do sự xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vực mối ghép bởi hai dây dẫn không đồng chất lý thuyết trên được thể hiện bằng công thức:
E ab (T1,T2)=E ab (T2)-E ab (T1)
Trong đó:
+ Eab(T1,T2) : tổng suất điện động trong mạch kín khi hai đầu mối ghép có nhiệt độ T1,T2
Trang 5+Eab(T1) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ T1
+Eab(T2) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ T2
Công thức trên chính là cơ sở chế tạo cạêp nhiệt điện Nếu để chuẩn một đầu có nhiệt độ T1=0oC thì suất điện độngở hai đầu cặp nhiệt tại mối ghép khi T2=T là:
A,B,C là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Như vậy suất điện động E0 là hàm phi tuyến đối với nhiệt độ Nói cách khác độ nhạy của cặp nhiệt thay đổi trong từng khoảng đo.Hoặc về mặt toán học hàm Eo được xem là tuyến tính với nhiệt độ khi B,C A
Tóm lại: suất điện động được xem là tuyến tính với nhiệt độ trong khoảng làm việc nào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim loại để làm cặp nhiệt
Cấu tạo :
3 2
2
1 2
AT
Trang 6Cặp nhiệt điện được chế tạo bằng hai sợi kim loại khác nhau ,và có ít nhất là hai mối nối.Một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra đầu còn lại tiếp xúc với đối tượng đo
Cặp nhiệt điện có cực dương và cực âm,cực dương thường đánh dấu màu đỏ
Tùy theo vật liệu chế tạo ,cặp nhiệt điện được phân thành các loại sau:
Vật liệu cấu tạo
Về nguyên tắc ,khi đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ đều phát sinh một suất điện động nhiệt Nhưng không phải tất cả các kim loại và hợp kim
T1
Eab(T1,T2) BỘ HIỂN THỊ
20
40
30
50
10
1800 1400 1000 600 200
60
T ( 0 C)
70
E(mV)
R
J
T
K
S
E
B
EJ
KT
E: Chromel/constantan J: Sắt/constantan T: Đồng/constantan K: Chromel/Alumel R: Platin-Rodi(13%)/Platin S: Platin-Rodi(10%)/Platin B: Platin-Rodi(30%)/Platin-Rodi(6%)
Trang 7nào cũng đều dùng làm cặp nhiệt được.Vật liệu làm cặp nhiệt điện đòi hỏi một số yêu cầu sau:
độ tinh khiết cao
tính chống ăn mòn tốt
độ nóng chảy cao hơn nhiệt môi trường cần đo
một số tính chủ yếu như dẫn điện ,dẫn nhiệt tốt
tính lặp lại trong khoảng một thời gian dài
Ngoài ra độ chính xác của cặp nhiệt điện còn phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo và lý tính của môi trường đo
Cách sử dụng:
Để cặp nhiệt độ có thể làm việc tốt và lâu bền ,khi sử dụng cần lưu ý: + Cặp nhiệt điện cần có vỏ bảo vệ để chống tác động xâm thực của môi trường yêu cầu đối với vỏ bọc là cách điện nhưng không cách nhiệt
+ Phải đặt cặp nhiệt ở nơi thích hợp vì thường là nhiệt không phân bố đều + Vị trí lắp đặt phải tránh chổ có từ trường ,điện trường mạnh
+Để cặp nhiệt thẳng đứng đề phòng ống bảo vệ bị biến dạng do nhiệt cao +Nên lắp đặt dây bù vào ống sắt nối đất để tránh nhiễu
2.Nhiệt kế điện trở:
Trang 8Nguyên lý làm việc của nhiệt kế là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật liệu dẫn điện
2.1.Nhiệt điện trở kim loại:
Cấu tạo:
Vật liệu cấu tạo điện trở kim loại đòi hỏi các yêu cầu sau:
+ Hệ số nhiệt lớn
+ Điện trở suất lớn
+ Tính ổn định lý hóa tốt
+ Tính thuần khiết
Độ nhạy:
Độ nhạy S của nhiệt điện trở kim loại có dạng sau:
R
S= = Ro
Tỷ suất
: là hệ số nhiệt điện trở
Ro: là điện trở ở 0oC
Hệ số nhiệt điện trở:
Hệ số nhiệt điện trở của kim loại sẽ tính như sau:
Trang 91dR
RdT
Hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính đồng nhất của kim loại
2.2.Nhiệt điện trở bán dẫn:
Thay đổi nhiệt độ được chế tạo bằng chất bán dẫn thường gọi là Thermistor
Thành phần chính của thermistor là bột của các oxyt kim loại như Máy nghiền bi,Fe,Ni…,hoặc các hổn hợp tinh chế như MgAl2O4 ,Zn2TiO4 …
Phân loại:
Nhiệt điện trở bán dẫn được chia thàn hai loại :
Nhiệt điện trở Pct :là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương ,nghĩa là nhiệt độ tăng thì R giảm
Nhiệt điện trở Nct: thành phần chính là bột kim loại như: MnAl2O4 và
Zn2TiO4 Độ tin cậy của nhiệt điện trở bán dẫn phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệ chế tạo Nct thường có hình dạng như:dạng hạt ,dạng dĩa ,dạng khoen
Hệ số thu nhiệt độ:
Trang 10Thermistor sẽ bị đốt nóng khi khi nhiệt độ môi trường xung quanh tăng từ nhiệt độ T0 đến T ,như vậy là nhiệt điện trở đã tiêu thụ được một công suất theo công thức như sau:
W= C(T-T0)
C : là hệ số thu nhiệt của điện trở :là năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của Thermistor lên 1oC so với nhiệt độ xung quanh,có đơn vị là wm/
oC
Cách sử dụng:
Khi sử dụng nhiệt kế không nên dùng nhiệt điện trở ở nhiệt độ quá cao hay qúa thấp làm cơ cấu tinh thể kim loại thay đổi ,cũng không nên để nơi quá ẩm sẽ tạo điều kiện cho điện trở rỉ không kiểm soát được Không nên đặt điện trở kim loại nơi có chấn động rung hay va đập
Các ưu điểm: có độ chính xác cao,có thể kết nối với máy tính…
3.IC cảm biến nhiệt độ:
Đây là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi thành điện ,cho phép đo được ở dạng biến áp hay dòng
Một số loại IC cảm biến thông dụng:LX5700, LX135, LM235, LM335, AD590, LM134,…