Slide thuyết trình Cảm biến nhiệt độ

CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘNhiệt 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 giản nở...  Sự phụ

GVHD: Lê Ngọc Đình SVTH: Nguyễn Minh Trung K0503200

CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

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 giản nở)

ĐƠN VỊ ĐO NHIỆT ĐỘ :

 Thang đo Celsius

 Thang đo Kelvin:

 Thang đo Fahren:

T C ( )   T K ( )   2 7 3 1 5

T (  F )  9 T (  C ) 

Thang đo nhiệt độ chuẩn :

CÁC PHUƠNG PHÁP ĐO

NHIỆT ĐỘ :

 Đo nhiệt độ trực tiếp:

- Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

- Nhiệt điện trở kim loại/ nhiệt điện trở dương (Resistance Temperature

Detectors-RTDs).

- Nhiệt điện trở bán dẫn/ nhiệt điện trở

âm (Thermally Sensitive

Resistor/Thermistor)

 Đo nhiệt độ gián tiếp:

- Nhiệt kế hồng ngoại

RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS_RTDs :

theo nhiệt độ:

l : chiều dài dây dẫn [m]

A : tiết diện dây dẫn [m2]

Ρ : điện trở suất [Ωm] m]

) 1

A

l R

 Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ gần như tuyến tính được biểu diễn theo phương trình:

một khoảng nhỏ nhiệt độ,.Công thức này có thể được

viết lại:

a, b, α : hằng số phụ thuộc kim loại

 Ảnh hưởng của sự tự đốt nóng :

δ : hệ số tiêu tán công suất [mW/ °C]

PD : công suất tiêu tán [mW]

 Độ nhạy [Ωm] / °C]:

T

I

R T

Quan hệ điện trở_nhiệt độ :

Nhiệt độ tăng thì điện trở tăng

Cấu tạo :

Vật liệu chế tạo :

Mạch điện ứng dụng :

 Mạch phân áp :

3 2

1

2

R R

R R

R

R V

V out in

 Khi cầu cân bằng : Vout = 0 :

3

4 2

1 2

2 1

3

4 3

4 3

3 2

1

2

R

R R

R R

R

R R

R

R R

R

R R

Mạch điện ứng dụng :

 Khi R1=R2=R4=Rg:

g

g in

out

g g

g in

out

g

g g

g in

out

R R

R R

v V

R R

R

R V

V

R R

R R

R V

3 3

2

1 2

1 2

 Khi R3=Rg ±dR:

dR R

dR

V V

g

in out

THERMALLY SENSITIVE RESISTOR/THERMISTOR :

 Nguyên lý : Sư thay đổi của bán d n theo ẫn theo nhiệt độ T, do số luợng cặp điện tử –lổ trống tăng làm giảm điện trở :

β: hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở h ng hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở s hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở v t hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở li u hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở ph hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở thu c hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở nhi t hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở đi n hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở tr hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở ằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở ố vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở ật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở ệu phụ thuộc nhiệt điện trở ụ thuộc nhiệt điện trở ộc nhiệt điện trở ệu phụ thuộc nhiệt điện trở ệu phụ thuộc nhiệt điện trở ở

RT: hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở đi n hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở tr hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở t i hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở nhi t hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở đ hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở c n hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở đo hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở T hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở [ ệu phụ thuộc nhiệt điện trở ở ại nhiệt độ cần đo T [ ệu phụ thuộc nhiệt điện trở ộc nhiệt điện trở ần đo T [ °K]

Ro: hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở đi n hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở tr hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở t i hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở nhi t hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở đ hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở To[ ệu phụ thuộc nhiệt điện trở ở ại nhiệt độ cần đo T [ ệu phụ thuộc nhiệt điện trở ộc nhiệt điện trở °K]

1

1 exp

T T

 Đối với nhiệt độ lớn hơn thì ta phải dùng phương trình Steinhart-Hart:

T  A  B l n R T  C l n R T

THERMALLY SENSITIVE RESISTOR/THERMISTOR :

Quan hệ điện trở_nhiệt độ :

Nhiệt dộ tăng thì điện trở giảm

Cấu tạo :

 Thermistor là một thuật ngữ thông dụng của

thermally sensitive resistor,đầu dò nhiệt của

chúng là chất bán dẫn có α âm / dương Những thiết bị này được cấu tạo bởi vật liệu sứ có tính chất dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ.

 NTC thermistor thường được làm từ những oxid của mangan,nickel,coban,sắt.Trong quá trình

sản xuất thông thường,trước hết,một hỗn hợp

hai hay ba loại oxid được gắn kết với nhau nhờ chất gắn kết thích hợp và được đúc theo những hình dạng mong muốn.Với những chất oxid

khác nhau,tỷ lệ pha trộn khác nhau thì ta sẽ có sản phẩm khác nhau mang tính chất ta muốn có

Mạch điện ứng dụng :

 Tuyến tính hóa thermistor:

Sử dụng mạch analog: mạch xấp xỉ tuyến

tính_piecewise; mạch chuyển đổi điện áp

thành tần số; mạch logarit; mạch chuyển đổi nhiệt độ thành tần số……

Sử dụng kỹ thuật số tuyến tính hóa trong miền tần số.

Thay đổi mạch của transducer : mạch cầu

Wheatstone; gắn trở song song.

 Thông thường điện trở song song được tính theo công thức :

S

T

T R

 Hiệu ứng Peltier: ở chỗ tiếp xúc giữa

hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng cùng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ:

 Định luật Volta : trong một chuỗi

cách nhiệt được cấu thành từ những vật dẫn khác nhau, tổng suất điện

động Peltier bằng 0

 VD : trong một chuỗi gồm bốn vật dẫn A B C D mắc nối tiếp , tổng suất điện động sẽ bằng 0:

 khi hai vật dẫn A và C được phân cách bởi các vật dẫn trung gian và toàn hệ là đẳng nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và C ở đầu mút cũng chính bằng hiệu điện thế nếu như chúng (A và C)

tiếp xúc trực tiếp với nhau

 Hiệu ứng Thomson: trong một vật

dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và

N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra

một suất điện động Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ TM, TN của hai điểm M và N

 Cặp nhiệt điện này gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng

thời của hai hiệu ứng Peltier và

Thomson.Suất điện động đó gọi là

suất điện động Seebeck.

 Suất điện động giữa a và b, b và c, c

và d, d và a lần lược bằng:

 Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng

các suất điện động thành phần Peltier và Thomson ở trên:

 Nếu chọn T1 là nhiệt độ so sánh và lấy T1 = 0 °C, khi đó đối với một cặp vật

dẫn A B cho trước, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2

 Nguyên lý :Hai vật liệu dẫn điện khác

nhau được nối nhau tạo thành 2 mối nối,khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng sẽ tự sinh ra sức điện động.

 Do bởi sức điện động chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối, cần phải biết được ít nhất nhiệt đô của 1 trong

2, mới xác định được nhiệt độ mối nối còn lại.

 Nhiệt độ của mối nối đã biết gọi là nhiệt độ chu n ẩn.

 Độ nhạy nhiệt (hay cịn gọi là năng suất

nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ Tc được xác định: hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở

Đặc trưng cặp nhiệt :

Cấu tạo :

Bảng dưới đây liệt kê một số loại cặp nhiệt điện thường gặp:

Cặp nhiệt điện Nhiệt độ làm việc 0 C E, mV Độ chính xác

Đồng/Constantan

Ф = 1,63 mm -270 ÷370 -6,258 đến 19,027 (-100

0 C ÷-40 0 C): ±2% (-40 0 C ÷100 0 C): ±0,8% (100 0 C 350 0 C): ±0,75%

Sắt/Constantan

Ф = 3,25 mm -210 ÷800 -8,096 đến 45,498 (0

0 C ÷400 0 C): ±3 0 C (400 0 C ÷800 0 C): ±0,75%

Chromel/Alumel

Ф = 3,25 mm -270 ÷1250 -5,354 đến 50,633 (0

0 C ÷400 0 C): ±3 0 C (400 0 C ÷1250 0 C): ±0,75%

Chromel/Constantan

Ф = 3,25 mm -270 ÷870 -9,835 đến 66,473 (0

0 C ÷400 0 C): ±3 0 C (400 0 C ÷1250 0 C): ±0,75%

Mạch điện ứng dụng :

 Suất điện động Seebeck đo được giữa hai đầu của cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin

về nhiệt độ cần đo.Người ta thường áp

dụng hai phương pháp đo suất điện động:

- Sử dụng milivôn kế có điện trở trong rất lớn để giảm sụt thế trên dây dẫn

- Sử dụng phương pháp xung đối để dòng chạy qua cặp nhiệt bằng không

Mạch điện ứng dụng :

 Các cách bổ chính cặp nhiệt : Để bảo đãm việc đo luôn chính xác, có 2 cách bổ chính cho nhiệt độ mối nối:

 Bổ chính bằng phần c ng :ứng :

Mạch điện ứng dụng :

 Bổ chính bằng phần mềm :đo nhiệt độ khối đ ng nhiệt bằng cảm biến nhiệt ẳng nhiệt bằng cảm biến nhiệt khác như RTD :

Đo điện trở RTD để có TREF

Từ TREF xác định áp VREF

Đo VM và trừ Vref có V1

Từ V1 xác định T1

- Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp

phép đo của thiết bị hồng ngọai với chỉ

số bức xạ của vật thể được đo

NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI :

- Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo

sự thay đổi nhiệt độ phía bên trong thiết

bị không bị truyền đến ngõ ra

NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI :

 Màng nhĩ phát ra năng lương hồng ngọai

Bộ vi xử lý sẽ điều khiển việc điều chỉnh

độ nhạy và bù nhiệt, và tiến hành tính toán nhiệt độ bệnh nhân theo phương trình :

NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI :

Cảm biến môi trường là một nhiệt điện trở

có tác dụng điều chỉnh cảm biến đo nhiệt

độ (Ta)

Cảm biến hồng ngọai là một cảm biến hỏa điện (pyroelectric sensor) theo sau là bộ chuyển đổi dòng sang áp