Cảm biến nhiệt độ và ứng dụng cảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ là tính chất vật lý của vật chất Nhiệt độ chỉ có thể đo được bằng cách đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ Để đo nhiệt độ người ta thường sử dụng các cảm biến nhiệt độ. Trong cảm biến nhiệt độ người ta dùng nhiều loại các biến nhiệt độ khác nhau, mỗi loại có một nguyên lý làm việc khác nhau nhưng điều tuân theo một thang đo nhất định (Kelvin, Celius, Fahrenheit).

CẢM BIẾN VÀ ỨNG

DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

TRẦN CHÁNH PHÁT PHAN VIỆT TUẤN NGUYỄN VĂN NGUYÊN

THÁI BÌNH MINH

YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

• Nhiệt độ môi trường cần đo

• Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến

Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là nhiệt độ môi trường cần đo và nhiệt độ cảm nhận của cảm biến Điều đó có nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu dò của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay rẻ cũng do nguyên nhân này quyết định).

NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

• Phải luôn đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa môi trường

cần đo với phần tử cảm biến

TỔNG QUAN

• Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở.

• Để lựa chọn cảm biến cho một ứng dụng cụ thể thì cần xem xét: độ chính xác, khoảng đo, thời gian đáp ứng và môi trường làm việc.

• Cảm biến nhiệt độ được phân thành 2 loại:

 Cảm biến loại tiếp xúc

 Cảm biến loại không tiếp xúc (đo bức xạ nhiệt)

Cảm biến loại tiếp xúc:

Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Nhiệt điện trở

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiện tượng điện (hiệu ứng Seebeck): nếu hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau nối với nhau tại hai điểm tạo thành một vòng dây kín và hai điểm đó có nhiệt độ khác nhau thì sẽ xuất hiện một sức điện động và do đó hình thành nên dòng điện trong vòng dây Sức điện động đó được gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiệu số của các hàm số nhiệt độ của hai điểm nối Mạch điện như vậy gọi

là cặp nhiệt điện hay cặp nhiệt ngẫu

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Điểm được đốt nóng gọi là đầu

công tác, điểm còn lại gọi là

đầu tự do Nếu giữ nhiệt độ của

MỘT SỐ HÌNH ẢNH

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Vật liệu: việc dùng vật liệu để chế tạo cặp nhiệt ngẫu cần đảm bảo các yêu cầu sau:

• Quan hệ giữa nhiệt độ và sức điện động nhiệt điện là

một hàm đơn trị

• Tính chất nhiệt không thay đổi

• Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao

• Dẫn nhiệt tốt

• Có trị số sức điện động nhiệt điện lớn

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

STT Tên cặp nhiệt điện

Giới hạn nhiệt độ trên 0 C

Sức điện động nhiệt điện với 100 0 C (mV)

Đo lâu dài Đo ngắn hạn

2 Crommel (90%Ni + 10%Cr) – Alumel (95%Ni + 5%Al) 900 1300 4,10

Type Composition Range Good for Not recommended

for Cost Sensitivity

K Chromel (Ni-Cr alloy) /

Alumel (Ni-Al alloy) −200 °C to 1200 °C Oxidizing or neutral

applications

Use under 540ºC Low 41 µV/°C

E Chromel / Constantan

(Cu-Ni alloy) −200 °C to 900 °C Oxidizing or inert applications Low 68 µV/°C

J Iron / Constantan −40 °C to 750 °C Vacuum, reducing,

or inert apps Oxidizing or humid environments Low 52 µV/°C

N Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy)

/ Nisil (Ni-Si alloy) −270 °C to 1300 °C Oxidizing or neutral

Công thức tính

Điện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện được cho bởi công thức

V = S * ΔTT Trong đó:

• V: Điện áp đo được (V)

• S: Hệ số Seebeck (V/ 0 C)

• ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nốiT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nối

Do đó, nhiệt độ cần đo được tính theo công thức

T= T tham chiếu + V/S (°C)

ĐẶC TÍNH

- Đơn giản nhất

- Nhỏ gọn, đáp ứng nhanh

- Dùng đo nhiệt độ chất khí

- Đầu đo được đặt trong ống kim loại (inox hoặc hợp kim)

- Đo được nhiệt độ cao, nhiều môi trường vật chất

- Đầu đo được làm bằng vật liệu dẻo, dễ uốn

- Dùng đo nhiệt độ bề mặt vật liệu

CÁC KIỂU ĐẦU DÒ CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN:

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn

và đặt trong thiết bị bảo vệ tránh bị ăn mòn hóa học, thiết

bị này được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền cơ học, không thấm khí Các loại thiết bị này thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt Đối với cặp nhiệt điện quý, ống chế tạo được bảo vệ bằng thạch anh và gốm Để cách điện người ta dùng amiang (3000C), ống thạch anh (10000C) hoặc ống sứ (14000C)

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Nguyên nhân gây sai số:

Một cách gần đúng, phương trình biến đổi của cặp nhiệt điện trong trường hợp chung có thể viết dưới dạng:

Trong đó:

ET: sức điện động nhiệt điện

t: hiệu nhiệt độ giữa đầu công tác và đầu tự do

A, B, C: các hằng số phụ thuộc vào vật liệu của dây làm cặp nhiệt điện

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Độ nhạy của chuyển đổi:

Phương trình xác định độ nhạy của cơ cấu phụ thuộc vào nhiệt độ, không phải là hằng số Do vậy các cặp nhiệt điện trong công nghiệp thường cho trước một bảng sức điện động ứng với các chuyển đổi nhiệt độ khác nhau trong khoảng 10C với nhiệt độ ở đầu tự do là 00C

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi: Khi khắc độ các cặp nhiệt điện, đầu tự do được đặt trong môi trường có nhiệt

độ 00C, nhưng trong thực tế sử dụng, nhiệt độ đầu tự do đặt trong môi trường khác 00C Để khắc phục tình trạng này, có thể sử dụng một số biện pháp như sau:

+ Hiệu chỉnh hệ số k trên từng đoạn của đường cong đặc

tính E T = f(t).

+ Dùng thiết bị hiệu chỉnh nhiệt độ tự động nhiệt độ đầu

tự do

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Sai số do sự thay đổi điện trở đường dây, cặp nhiệt và chỉ thị

Cặp nhiệt điện thường được đo sức điện động bằng milivonmet hoặc điện thế kế điện trở nhỏ điều chỉnh bằng tay hoặc tự động với giới hạn đo đến 100mV Khi đo sức điện động bằng milivonmet, dòng điện chạy trong mạch tính được bằng biểu thức:

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Điện áp rơi trên milivonmet:

Từ công thức trên, nhận thấy cần giữa cho RND

và Rd không thay đổi Khi khắc độ thường được tính (RND + Rd) = 5Ω Nguyên nhân gây Ω Nguyên nhân gây

ra sai số chủ yếu là do điện trở của milivonmet thay đổi, vì vậy điện trở của nó chọn có trị số lớn 40 đến 5Ω Nguyên nhân gây 0 lần điện trở của cặp nhiệt điện để giảm sai số

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Sai số do các yếu tố khác: Các sai số của cặp nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác có thể kể đến như là đặt cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng hướng và diện tích tiếp xúc của cặp nhiệt điện với đối tượng đo quá nhỏ, …

CẶP NHIỆT ĐIỆN

Thuận lợi

o Cấu tạo đơn giản, chịu được va đập

o Khoảng đo nhiệt độ rộng

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

Ứng dụng của cặp nhiệt điện:

Cặp nhiệt điện có ứng dụng chủ yếu dùng để đo nhiệt độ, ngoài ra còn được dùng để đo các đại lượng không điện

và điện khác như đo dòng điện cao tần, đo hướng chuyển đổi và lưu lượng của các dòng chảy, đo di chuyển, đo áp suất (độ chân không), …

CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLE)

NHIỆT ĐIỆN TRỞ

Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ

NHIỆT ĐIỆN TRỞ

RTD được sản xuất từ các vật liệu có nhiệt điện trở dương, phổ biến nhất là Đồng, Nikel, hợp kim Sắt - Nikel, Vonfram, Platin.

Tên vật liệu Phạm vi nhiệt độ làm việc

Platin -450 0 F đến 1200 0 F Nickel -150 0 F đến 600 0 F

Hợp kim Sắt/ Nikel 32 0 F đến 400 0 F

NHIỆT ĐIỆN TRỞ

Cách đấu dây:

• Loại 2 dây

• Loại 3 dây

• Loại 4 dây

- Giảm sai số đo

- Các dây phải có cùng chiều dài và vật liệu

- Dây nối có thể dài đến 600m

NHIỆT ĐIỆN TRỞ

Ưu điểm của RTD

Tuyến tính trên khoảng rộng

Chính xác cao

Ổn định với nhiệt độ cao

Nhược điểm của RTD

Đáp ứng chậm hơn cặp nhiệt điện Đắc tiền hơn cặp nhiệt điện

Ảnh hưởng bởi sốc và rung

Yêu cầu 3 dây hoặc 4 dây

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.

Hệ số nhiệt âm - NTC ( Negative Temperature Coefficient)

Hệ số nhiệt dương - PTC (Positive Temperature Coefficient)

Ký hiệu:

NTC Thermistor

PTC Thermistor

ĐẶC TÍNH

THERMISTOR – NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Nguyên lý hoạt động của thermistor dựa trên sự thay đổi của bán dẫn theo nhiệt độ T, do số lượng cặp điện tử - lỗ trống tăng làm giảm điện trở

Trong công thức: β là hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt

điện trở, RT: điện trở tại nhiệt độ

cần đo T (0K), R0: điện trở tại nhiệt độ T0 (0K)

THERMISTOR – NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Đối với nhiệt độ lớn hơn thì phải dùng phương trình Steinhart – Hart:

Đo nhiệt độ Điều khiển

Đo mức chất lỏng

Bù nhiệt độ

– Chỉ thị mức

• Cảm biến

– Nhiệt độ: bảo vệ quá nhiệt, đo và điều khiển – Nhiệt độ giới hạn: bảo vệ động cơ, bảo vệ quá nhiệt

THERMISTOR – NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Do tính phi tuyến nên

thermistor không được

BÁN DẪN

• Cảm biến nhiệt bán dẫn với vật liệu silic (Si)

• IC cảm biến nhiệt độ

BÁN DẪN – CHÚ Ý KHI SỬ DỤNG

Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào

đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng

Do vậy cần phải hết sức quan tâm đến tầm đo

được sự chính xác Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: độ

tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh

PHÂN LOẠI THEO NGÕ RA

Ngõ ra điện áp

Ngõ ra dòng điện

Ngõ ra so sánh

Một số IC khác

Ngõ ra áp

LM35/LM45

Đo nhiệt độ dưới 0 o C

Ngõ ra dòng (LM134, LM234, LM334)

Dòng điện ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối

Độ nhạy được điều chỉnh bằng điện trở ngoài Chỉ cần cấp nguồn 1.2 V là IC hoạt động được

Ngõ ra so sánh

LM 26/LM27

1 ngõ ra tương tự

1 ngõ ra so sánh

Ngõ ra so sánh

LM 56

1 ngõ ra tương tự

2 ngõ ra so sánh

Một số IC khác

LM73/LM74/LM95071/ …

LM 86/LM89/LM90/ …

Nhiệt kế hồng ngoại đo năng lượng hồng ngoại phát ra từ vật thể và

chuyển thành tín hiệu điện đo được.

Nhiệt kế hồng ngoại

Các thông số cần quan tâm

Nhiệt kế hồng ngoại

Ứng dụng:

Hỏa kế bức xạ toàn phần

Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật

Trong đó: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen

tuyệt đối (K)

Thông thường có hai loại: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ, hoả kế bức xạ có kính phản xạ

Hỏa kế bức xạ toàn phần

a) Loại có ống kính hội tụ b) Loại có kính phản xạ

1) Nguồn bức xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ

4) Bộ phân thu năng lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp

Trong sơ đồ hình (a): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính hội tụ (2) đập tới

bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5).

Trong sơ đồ hình (b): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ

đo thứ cấp (5).

Hỏa kế bức xạ toàn phần

Bộ phận thu năng lượng có thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu:

• Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ 100 - 150oC.

• Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây.

• Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đó.

Hỏa kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp (~10%), hỏa kế dùng thấu kính hội tụ có thể tổn thất tới 30 – 40% Tuy nhiên loại thứ nhất có nhược ddiemr là khi môi trường nhiều bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do

đó sai số tăng Khi đo nhiệt độ bằng hỏa kế bức xạ sai số thường không vượt

• Vật đo phải có độ đen xấp xỉ bằng 1.

• Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn

1/16.

• Nhiệt độ môi trường 20 ± 20C.

Trong thực tế độ đen của vật đó e <1, khi đó

Thông thường xác định theo công thức sau:

Với ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nốiT là lượng hiệu chỉnh phụ thuộc Tđọc và độ đen của vật đó Khoảng cách đo tốt nhất là 1 ± 0,2 mét

Hỏa kế bức xạ toàn phần

Hoả kế quang học chế tạo dựa trên định luật Plăng:

Trong đó λ là bước sóng, C1, C2 là các hằng số

Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang học là so sánh cường độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau

Hỏa kế quang học

Từ hình ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị,

do đó người ta thường cố định bước sóng ở 0,65μm.m

Hỏa kế quang học

Hỏa kế quang điện

Khi đo, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức

xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sánh đỏ (7) tới thị kính (8)

và mắt Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo Sai số khi đo Sai số do độ đen của vật đo ε < 1 Khi đó Tđo xác định bởi công thức:

Hỏa kế quang điện

Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nốiT

Giá trị của ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nốiT cho theo đồ thị

Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ Khi môi trường

có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng