TL : CẢM BIẾN ĐO 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... Cấu tạo

GVHD: Lê Ngọc Đình

SVTH: Nguyễn Minh Trung K0503200

MỤC LỤC:

• TỔNG QUAN

• RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS_RTDs

• THERMALLY SENSITIVE RESISTOR/THERMISTOR

• THERMOCOUPLE

• NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI 

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 5 T ( ° C ) + 3 2

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

l : chiều dài dây dẫn [m]

A : tiết diện dây dẫn [m2]

Ρ : điện trở suất [Ωm]

) 1

A

l R

ρ ρ

ρ

+

=

=

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

• Ta có thể coi như đáp ứng này sẽ là tuyến tính trên một khoảng nhỏ nhiệt độ,.Công thức này có thể được viết lại:

a, b, α : hằng số phụ thuộc kim loại

R T : điện trở tại nhiệt độ cần đo T [ °K ]

R 0 : điện trở tại nhiệt độ To[ °K ]

0 1 a T T b T T R

• Ảnh hưởng của sự tự đốt nóng :

δ : hệ số tiêu tán công suất [mW/ °C]

PD : công suất tiêu tán [mW]

• Độ nhạy [Ω/ °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 :

=

4 3

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

dẫn theo nhiệt độ T, do số

luợng cặp điện tử –lổ

trống tăng làm giảm điện

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

R

2

2 β

β

• 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 seebeck: giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A B và hai chuyển tiếp của chúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2, khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện

• 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

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.

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.

biết gọi là nhiệt độ chuẩn.

nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ Tc được xác định:

Đặc trưng cặp nhiệt :

Cấu tạo :

Bảng dưới đây liệt kê một

số loại cặp nhiệt điện

Sắt/Constantan

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

Chromel/Alumel

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

Chromel/Constantan

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

Platin-Rodi(10%)/Platin

0 C ÷600 0 C): ±2,5% (600 0 C ÷1500 0 C): ±0,4%

Platin-Rodi(13%)/Platin

0 C ÷538 0 C): ±1,4% (538 0 C ÷1500 0 C): ±0,25%

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 cứng :

Mạch điện ứng dụng :

• Bổ chính bằng phần mềm :đo nhiệt độ khối đẳng 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

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