KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Các phương pháp đo nhiệt độ, phân loại  Phương pháp đo trực tiếp Tiếp xúc: Đây là phương pháp mà các chuyển nhiệt điện được đặt trực tiếp trong môi trường cần đo.. Cặp nhiệt điện Therm

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI GIẢNG

TS LÊ NGỌC TRÂN Email: lengoctranbvu@gmail.com

Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến

Cảm biến đo lường và ứng dụng

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ DỤNG

CỤ ĐO NHIỆT ĐỘ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý biểu thị mức độ nóng lạnh của vật chất môi trường Trong kỹ thuật, giá trị nhiệt độ đặc trưng cho năng lượng nhiệt tích lũy trong lòng vật chất hoặc môi trường

Định nghĩa

Đơn vị đo nhiệt độ

Thang nhiệt độ động học (Thang nhiệt độ tuyệt đối): Độ Kenvin (oK) là đơn vị đo nhiệt độ theo thang nhiệt động Đối với thang này, điểm chuẩn thực nghiệm là điểm ba của nước (Nhiệt độ cân bằng giữa ba trạng thái Rắn – Lỏng - Hơi): t0

0 = 273,16 oK

Thang nhiệt độ quốc tế (Thang nhiệt độ bách phân - Cenxiut): Đơn vị

đo là độ Cenxiut (oC) Theo thang này điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước ở điều kiện tiêu chuẩn là 00C và 1000C

Đo nhiệt độ

Các phương pháp đo nhiệt độ, phân loại

 Phương pháp đo trực tiếp (Tiếp xúc):

Đây là phương pháp mà các chuyển nhiệt điện được đặt trực tiếp trong môi trường cần đo Thường sử dụng để đo khoảng nhiệt độ trung bình và thấp

 Phương pháp đo gián tiếp (Không tiêp xúc)

Phương pháp này dụng cụ đo đặt ở ngoài môi trường đo Thường sử dụng để đo khoảng nhiệt độ cao

 Phân loại nhiệt kế

Phạm vi đo của các loại nhiệt kế

Nhiệt kế

Nhiệt độ o C

-270 0 1000 2000 3000 100000 Nhiệt kế co giãn

Nhiệt kế co giãn

Cấu tạo chính là các ống thuỷ tinh,

bên trong có mao quản và bầu chứa

các chất lỏng tuỳ theo khoảng nhiệt

độ cần đo

Các chất lỏng sử dụng trong nhiệt kế

Chất lỏng chứa trong nhiệt kế

Khoảng nhiệt độ

độ 0 C Thủy ngân

Rựu etylic Toluen pentan

- 30 ÷ +550

- 65 ÷ + 65

- 0 ÷ - 90

- 20 ÷ -180

Cặp nhiệt điện (Thermocouple): cặp nhiệt ngẫu

 Nguyên lý: dựa trên hiệu ứng Seebek, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện

Nếu 2 dây dẫn khác nhau nối với nhau tại 2 điểm và một trong 2 điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện.

• ΔT: 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)

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

 Đặc tính của Cặp nhiệt điện:

Type Composition Range Good for Not recommended

for

Cost Sensitivity

K Chromel (Ni-Cr alloy) /

Alumel (Ni-Al alloy)

Low 52 µV/°C

N Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) /

Nisil (Ni-Si alloy)

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Các loại cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Ưu nhược điểm và ứng dụng của cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Dải đo -270 o C – 1800 o C

Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản, chịu được va đập

- Khoảng đo nhiệt độ rộng

- Cần điểm tham chiếu

Ứng dụng - Dùng đo nhiệt độ trong các lò luyện gang, thép

- Đo nhiệt độ khí thải

Một số hình ảnh về cặp nhiệt điện

Ví dụ đo nhiệt độ quá trình dùng cặp nhiệt điện

MJ1 = 200 o C = 10.779mV MJ2 = 220 o C = 11.889mV MJ3 = 240 o C = 13.000mV

Nhiệt điện trở (Resistance T emperature Detectors)

RTD thông thường bao gồm một miếng kim loại rất nhỏ mà

điện trở của nó thay đổi theo một quy luật được biết trước khi

nhiệt độ thay đổi RTD đắt hơn nhiều và hơi chính xác hơn cặp

nhiệt điện Chúng có thể được sử dụng ở hầu hết các vị trí mà

cặp nhiệt điện được sử dụng

• Cấu tạo:

• Dây kim loại làm từ Đồng, Nikel, Platinum ,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

• Có 2 loại cơ bản: loại dây quấn và loại màn mỏng

• Thông dụng nhất của RTD là loại Pt 100

• Thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây

 Khi nhiệt độ tăng, điện trở hai đầu dây kim loại tăng

Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ

Nhiệt điện trở (RTD)

2 dây

Nhiệt điện trở (RTD)

3 dây

4 dây

Ưu nhược điệm và ứng dụng nhiệt điện trở

RTD

Ưu điểm - Tuyến tính trên khoảng rộng

- Chính xác cao

- Ổn định với nhiệt độ cao Nhược điểm - 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 Ứng dụng - Máy lạnh, máy điều hòa

Thermistors ( Therm ally sensitive res istor )

 Cấu tạo:

được phủ bởi nhựa hoặc thủy tinh

 Phân loại:

 Ký hiệu:

NTC Thermistor

PTC Thermistor

Thermistors ( Therm ally sensitive res istor )

• Đặc tính

NTC Thermistor PTC Thermistor

Thermistors ( Therm ally sensitive res istor )

Ưu nhược điệm và ứng dụng điện trở nhiệt

Thermistors

Ưu điểm - Đáp ứng nhanh

- Điện trở thay đổi nhiều

- Điện trở cao

• Loại bỏ vấn đề điện trở dây dẫn

- Giá thành thấp hơn RTD

- Chịu được rung và sốc

Nhược điểm - Phi tuyến

- Khoảng đo hẹp

- Điện trở cao  Phát nóng chính bản thân

- Ít ổn định hơn RTD Ứng dụng NTC và PTC

Thermistors (điện trở nhiệt)

Ứng dụng

NTC

• Dùng để đo nhiệt độ, điều khiển nhiệt độ, bù nhiệt độ:

– Các đồ điện trong nhà: tủ lạnh, máy giặt, nồi cơm điện, máy sấy tốc, …

– Trong điện tử công nghiệp: các bộ ổn định nhiệt

độ, các bộ bù nhiệt độ, … – Trong viễn thông: dùng để đo và bù nhiệt độ cho điện thoại di động

Đo nhiệt độ Điều khiển

Đo mức chất lỏng Thermistors (điện trở nhiệt)

Bù nhiệt độ Thermistors (điện trở nhiệt)

– Bộ gia nhiệt – Chỉ thị mức

• LM35/LM45

• Đo nhiệt độ dưới 0 oC

IC đo nhiệt độ

Ngõ ra áp

• LM35/LM45

• Đo nhiệt độ dưới 0 oC

Ngõ ra áp

IC đo nhiệt độ

Ngõ ra dòng (LM134, LM234, LM334)

IC đo nhiệt độ

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

ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO GIÁN TIẾP

- Đo nhiệt độ không tiếp xúc dải nhiệt độ cao lớn hơn 16000C

- Dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối Bức xạ nhiệt của vật đặc trưng bằng mật độ phổ Eλ

Mật độ phổ năng lượng phát xạ theo bước sóng của vật đen lý tưởng khi bị đốt nóng được biểu diễn bằng công thức:

Giữa năng lượng hồng ngoại và nhiệt độ của vật thể có

sự tương quan với nhau

Nhiệt kế hồng ngoại đo năng lượng hồng ngoại phát ra

từ vật thể và chuyển thành tín hiệu điện đo được

Người ta đặt một điốt lazer phát ra một chùm tia hẹp song song với trục của hỏa quang kế Vòng tròn sáng của lazer chỉnh vào vùng ta đo nhiệt độ

Năng lượng bức xạ:

+ ET=KT.Ebx=KTσT4 + Người ta dùng điốt hồng ngoại để thu năng lượng này

Đo nhiệt độ bằng phương pháp phát xạ

Nhiệt kế hồng ngoại

Nguyên lý:

Nhiệt kế hồng ngoại

Các thông số cần quan tâm

Ứng dụng:

Nhiệt kế hồng ngoại

Bảng so sánh các loại nhiệt kế

Tóm tắt chương 3.1

 Định nghĩa đo nhiệt độ, đơn vị đo

 Các phương pháp đo nhiệt độ, phân loại, phạm vi đo

 Nhiệt kế co giãn, đặc điểm, phạm vi ứng dụng

 Nhiệt kế điện, đặc điểm, phạm vi ứng dụng