Tieu luan ky thuat ĐO

Các thiết bị cảm biến nhiệt độ được ví như con mắt của hệ thống vì chúng có thể đo được nhiệt đọ xung quanh một cách dễ dàng và dựa vào những thiết bị xuất ra cho chúng ta biết nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ NGHIỆT LẠNH

BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐO

TIỂU LUẬN :

ĐO NHIỆT ĐỘ

SVTH

: Phạm Văn Sơn

Tạ Phương Nam

Lê Minh Quang Lớp : DHNL2

Khóa : 2006-2010 GVHD : Bùi Trung Thành

GIÁO VIÊN HD : TR N VI T HÙNG ẦN VIỆT HÙNG ỆT HÙNG

PH M V N S N ẠM VĂN SƠN ĂN SƠN ƠN 06051471

T PH ẠM VĂN SƠN ƯƠN NG NAM 06053151

LÊ MINH QUANG 06054691

TR N QUANG PH ẦN VIỆT HÙNG ƯƠN NG 06049591 NGUY N V N LUÂN ỄN VĂN LUÂN ĂN SƠN 06042081

TP.H Chí Minh, tháng 10/2009 ồ Chí Minh, tháng 10/2009

MỤC LỤC

Lời mở đầu

1 Mục tiêu thiết bị đo

2 Thiết bị dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ

2.1 Phương pháp đo trực tiếp

2.1.1 Cặp nhiệt điện ( Thermocouple )

2.1.2 Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ) 2.1.3 Thermistor

2.1.4 Bán dẫn ( Diode, IC ,….)

2.2 phương pháp đo gián tiếp

2.2.1 Hỏa kế quang điện

2.2.2 Hỏa kế bức xạ toàn phần

2.2.3 Hỏa kế màu sắc

3 Phạm vi ứng dụng

LỜI MỞ ĐẦU

Trước tiên, cảm biến là gì: Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lượng không liên quan đến điện chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợp với các cơ cấu điện tử

Trong thời đại ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, kĩ thuật nhiệt đã có những khởi sắc đáng chú ý Với xu hướng phát triển thành một ngành kĩ thuật thông minh, thân thiện với môi trường Không thể thiếu những công cụ cho phép chúng ta biết được một cách chính xác nhiệt độ của một khu vực nào đó bằng các phương pháp đo nhiệt độ Nó được ví như con mắt trong hệ thống lạnh Nhất là trong thời đại tự động hóa ngày nay, nhiệm vụ của chúng ta là làm sao để tạo ra các cảm biến đo nhiệt độ thật chính xác dựa theo các nguyên lý đo nhiệt độ đã được xây dựng Với mong muốn nghiên cứu về các phương pháp đo nhiệt độ, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài này để cùng nhau xây dựng

1 Mục tiêu thiết bị đo

Trong đời sống hàng ngày cũng như trong sản xuất công nghiệp Việc kiểm soát nhiệt độ tại một môi trường theo mong muốn là rất quan trọng Các thiết bị cảm biến nhiệt độ được ví như con mắt của hệ thống vì chúng có thể đo được nhiệt đọ xung quanh một cách dễ dàng và dựa vào những thiết bị xuất ra cho chúng ta biết nhiệt độ xung quanh

là bao nhiêu Mục đích của cảm biến nhiệt độ là đo nhiệt xung quanh chúng và cấp dữ liệu cho các thiết bị khác, như trong thermostat, khi nhiệt độ thấp các tiếp điểm sẽ đóng lại cấp điện cho quá trình xả đá Khi nhiệt độ đã đủ lớn kim loại dòng môi chất sẽ dãn ra

làm cho tiếp điểm mở ra tiếp tục làm lạnh Việc tạo ra và duy trì nhiệt độ tại các hệ thống

lạnh, nóng nói chung có sự đóng góp rất lớn của các cảm biến nhiệt độ Nó cho phép hệ thống được hoạt động trơn chu và hiệu quả, tiết kiệm

2 Thiết bị dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ

Có 2 phương pháp đo: đo trực tiếp và đo gián tiếp

2.1 Phương pháp đo trực tiếp: gồm có các loại cảm biến: Cặp nhiệt điện

( Thermocouple ), Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ), Thermistor, Bán dẫn ( Diode, IC ,….)…

2.1.1 Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).

- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

- Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C

- Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải

ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J,

K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp

- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển )

Lưu ý khi sử dụng:

- Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ) Cọng dây của cảm biến nên

để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ) Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị

- Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để

lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng

Hình cặp nhiệt điện

2.1.2 Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ).

Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100,

200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây

Lưu ý khi sử dụng:

- Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số

- Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu ) và có thể đo test bằng VOM được

- Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây

Cảm biến dạng NTD

2.1.3 Thermistor.

-Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

- Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

- Tầm đo: 50 <150 D.C

Cấu tạo Thermistor.

- Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ

và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt

âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC.

-Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ

Lưu ý khi sử dụng:

- Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( gọi nôm na là thường đóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM

- Nên ép chặt vào bề mặt cần đo

- Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ

- Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây

Hình thermistor.

2.1.4 Bán dẫn ( Diode, IC ,….)

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

- Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

-Tầm đo: -50 <150 D.C

- Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn.

Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều

ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn

- Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho

ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch

IC cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến nhiệt dạng Diode

Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”

IC cảm biến nhiệt DS18B20

Lưu 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 Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác

- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh

2.2 phương pháp đo gián tiếp: loại loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ) dùng hồng ngoại hay lazer

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

- Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung

- Tầm đo: -54 <1000 D.F

- Nhiệt kế bức xạ ( hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)

- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo

2.2.1 H a k quang i n ỏa kế quang điện ế quang điện điện ện

Nguyên tắc đo nhiệt độ của hỏa kế quang điện cũng tương tự như hỏa kế quang học song nhờ dung đèn quang điện làm bộ phận nhạy cảm và thực hiện điều chỉnh độ sang của bóng đèn một cách tự động nên hỏa kế quang điện là dụng cụ tự động đo được nhiệt độ các quá trình biến đổi nhanh có thể tự ghi số đo một cách liên tục và dung trong các hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ

Phạm vi đo 600-2000C đặc biệt khi sử dụng kính mờ có thể đo đến 40000C

2.2.2 Hỏa kế bức xạ toàn phần

Nguyên lý: ứng dụng định luật bức xạ toàn phần của Boltzman

Chùm tia phát xạ được kính hội tụ trên tấm nhận bức xạ (nhiệt điện trở) và đốt nóng nó Nhiệt điện trở được mắc vào một nhánh cầu tự cân bằng cung cấp từ nguồn điện xoay chiều tần số 50HZ

Nhiệt độ đo được của vật Tđ bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt độ tính toán Tt

Theo định luật Stefan-Boltzman ta có:

hệ số bức xạ tổng xác định tính chất của vật và nhiệt độ của nó

- Khoảng đo từ 18000C đến 35000C

2.2.3 Hoả kế so màu sắc

So sánh cường độ bức xạ hoặc độ sáng với hai bức xạ khác nhau trong trường hợp này gọi

là nhiệt độ so độ sắc

Nguyên lý làm việc : cường độ bức xạ từ một vật đo qua một thấu kính hội tụ và tập trung ánh sáng qua đĩa quay Đĩa này xoay quanh trục nhờ động cơ xoay chiều Sau khi ánh sáng đi qua đĩa thì đi đến phần từ quang điện Trên đĩa này có khoan một số lỗ, trong

đó đặt một nửa bộ lọc màu đỏ còn đĩa kia đặt bộ lọc màu xanh Sự chênh lệch giữa hai dòng điện do các sung lượng tạo ra gây nên trong BKĐ, một tín hiệu tỉ lệ với logarit tự nhiên của tỷ số 2 dòng quang điện khi tấm chắn quay

Ưu điểm

- Nhiệt độ màu sắc gần giống nhiệt độ thực hơn so với nhiệt độ ánh sáng và nhiệt độ bức xạ

- Việc xác định đối với các đối tượng rất khó, trái lại xác định tỷ số độ đen của hai sóng bức xạ dễ dàng và chính xác nên số bổ chính tìm được đáng tin cậy hơn, và sai

số giảm đi nhiều

- Ảnh hưởng do bức xạ của môi trường giảm rất nhỏ so với các hoả kế khác

Lưu ý khi sử dụng:

- Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao Và vì đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh ( góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường )

Hình hỏa kế

3 Phạm vi ứng dụng

Có một số thiết bị thường được sử dụng để đo lường trong các ứng dụng công nghiệp Nhiệt ngẫu, nhiệt kế điện tử, bộ dò nhiệt độ điện trở (RTDs) là các thiết bị thường được sử dụng trong một số ứng dụng đo nhiệt độ như trong các ngành dược phẩm, thực phẩm và đồ uống

Mỗi thiết bị đều có những ưu thế riêng, tuy nhiên một số thiết bị lại chỉ thích hợp trong một số ứng dụng cụ thể Có thể cũng có những thiết bị sử dụng phù hợp hay không phù hợp với ứng dụng của bạn, cảm biến nhiệt độ được thiết kế mới kết hợp chặt chẽ các đặc điểm nhằm hỗ trợ về tính khả dụng cũng như tính năng

Chúng ta hãy so sánh một số công nghệ khác nhau Một thí dụ là nhiệt ngẫu Cảm biến này chứa hai kim loại không giống nhau được gắn với nhau tại một chỗ nối Điểm nối hai kim loại phát triển một mức điện áp nhỏ, chỉ vào khoảng 50μV trên mỗi độ Celsius, mứcV trên mỗi độ Celsius, mức điện áp này thay đổi theo nhiệt độ Nhà sản xuất cung cấp các bảng thông số để chuyển điện áp thành nhiệt độ

Nhiệt ngẫu là thiết bị đơn giản, rẻ tiền Hạn chế lớn nhất của nhiệt ngẫu là độ chính xác, có thể khó mà đạt được sai số hệ thống thấp hơn 1°C Nguyên nhân chính của lỗi trong một nhiệt ngẫu là điệp áp tạp phát triển trong hệ thống nơi kết nối dây của nhiệt ngẫu được gắn với thiết bị đo lường Để giải quyết điều này, chúng đòi hỏi phải bù điểm nối nguội, thường được thực hiện bằng cách phơi bày một điểm nối trước một nhiệt độ tham chiếu, thông thường là 0°C, cũng như nhiệt độ đo mong muốn Kết nối dây nhiệt ngẫu phải chạy trên toàn bộ khoảng cách giữa điểm đo và bộ xử lí Nhiệt ngẫu thường có

độ lặp ít hơn và ít ổn định bằng các thiết bị cảm ứng

Nhiệt ngẫu là những bộ kháng bằng phi kim có thể đo sự thay đổi nhiệt độ thông qua điện trở Nhiệt ngẫu thường được làm bằng gốm và oxide kim loại và do đó có thể đo nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt ngẫu và RTD Nhiệt ngẫu thường được sử dụng trong các ứng dụng chỉ đòi hỏi đo nhiệt độ nhỏ do đầu vào của họ có thể tính gần đúng theo tuyến tính trên một phạm vi hẹp Đầu ra của họ về bản chất có dạng hằng số mũ

Có hai loại nhiệt ngẫu: nhiệt ngẫu hệ số nhiệt độ dương (PTC) khi điện trở tăng thì nhiệt

độ tăng, và nhiệt ngẫu hệ số nhiệt độ âm với điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Với nhịêt ngẫu PTC, thường có một sự tăng rõ nét về điện trở ở nhiệt độ thực, trong khi đó nhiệt ngẫu NTC được sử dụng như nhiệt ngẫu kháng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp

RTDs cũng sử dụng điện trở để đo nhiệt độ Chúng đòi hỏi phải có nguồn nhỏ để đo điện trở Điện trở được đo bằng cảm biến tỉ lệ thuận với biến đổi nhiệt độ được đo bằng phương tiện được cảm ứng RTDs có kết nối dây platinum được quấn xung quang một lõi hay được lấy mẫu theo một đoạn film nhỏ

IEC 751:1983 của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế xác định sai số và nhiệt độ đối với điện trở cho nhiệt ngẫu platinum Thiết bị phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp, Pt-100s, có điện trở 100 ohms ở 0°C Pt-1000s đo 1000 ohms ở 0 °C, và có một độ phân giải cao hơn nhưng có phạm vi hoạt động nhỏ hơn của Pt-100 Mọi cảm biến Pt-100 được sản xuất với tiêu chuẩn điện trở 100 ohm để tạo ra đọ tin cậy và chính xác cao Tuy nhiên, có hai tiêu chuẩn kỹ thuật tồn tại: tiêu chuẩn châu Âu a = 0.00385, và tiêu chuẩn Hoa Kỳ a = 0.003916 Cả hai tiêu chuẩn này đều được sử dụng phổ biến và điều quan trọng là xác định tiêu chuẩn nào được bộ xử lí chấp nhận

Nhà sản xuất thường kết hợp công nghệ Pt-100 cơ bản vào công nghệ cảm ứng nhiệt độ tiên tiến để làm cho toàn bộ gói sản phẩm này có thể đo nhiệt độ theo ý muốn của người sử dụng Mặc dù chúng thường có giá cao hơn, cảm biến này thường được thiết

kế với các tính năng mới giúp chúng được sử dụng dễ dàng, giống như việc lập trình và điều khiển nút ấn, với kết quả đọc số có tính trực quan cao Một số nhà sản xuất cũng thiết

kế cảm biến Pt-100 của mình với vỏ bọc nhỏ gọn cho phép sử dụng trong những vị trí chật chội, khó tiếp cận

Khi ứng dụng cảm biến nhiệt độ, điều quan trọng là cân nhắc tất cả các phụ kiện giúp cho hệ thống vận hành Thông thường, khi ứng dụng một RTD, có nhiều linh kiện lắp đặt dễ dàng Hộp đo nhiệt và cơ cấu nén cho phép RTDs được lắp đặt trong ống, thùng cũng như các ứng dụng khác đòi hỏi kết nối quá trình đặc biệt, như cơ cấu làm sạch Hộp

đo nhiệt cho phép người sử dụng chèn hộp đo nhiệt độ vào quá trình để gỡ/chèn RTD theo yêu cầu Hộp đo nhiệt tạo ra giới hạn giữa RTD và phương tiện được đo, và do đó gimả thiểu được thời gian đáp ứng của cảm biến đồng thời bảo vệ cuộn cảm Cơ cấu nén gắn ren vào ống hay thùng và sau đó nén trên cuộn cảm cố định trong khoang làm việc RTDs có rất nhiều kiểu khác nhau tương ứng vói các ứng dụng khác nhau Hiện có các cuộn cảm phù hợp với các ứng dụng không bẩn, cũng như các phiên bản cáp Ngoài ra, kết nối từ xa cho phép đo nhiệt độ cao hơn Khi bộ xử lí điện tử được di chuyển ra khỏi vùng nhiệt độ cao và được kết nối với cuộn dò thông qua cáp, mức đo nhiệt độ có thể lên đến 900°F

Rất nhiều cảm biến nhiệt độ khác nhau tồn tại cho các ứng dụng đòi hỏi đo nhiệt

độ Lựa chọn công nghệ đo nhiệt độ cho ứng dụng của bạn phụ thuộc vào một số nhân tố