CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ (Mới nhất)

Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường: - Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.. Phân loại cảm biến nhiệt độCảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xú

KĨ THUẬT ĐO 2

1

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Chương 2

2

I Thang nhiệt độ

Thang Kelvin : oK Trong thang Kelvin, người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thái nước, nước đá : 273,15 oK

Thang Celsius: oC Một độ Celsius bằng 1 độ kelvin Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt

độ Kelvin được thể hiện:

T (oC) = T (oK) – 273,15

Thang Fahrenheit: oF

3

Điểm chuẩn nhiệt độ:

Nhiệt độ đo được chính là nhiệt độ của cảm biến và được ký hiệu là Tc

Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngòai

Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường:

- Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo

- Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngòai

Ví dụ: đo nhiệt độ trong lòng chất rắn : khoan 1 lỗ sâu L với bán kính r thì L ≥ 10.r và lỗ khoan phải được lấp đầy bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt

4

Phân loại cảm biến nhiệt độ

Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa đối tượng và cảm biến

- Cảm biến giản nỡ (nhiệt kế giản nỡ)

- Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở)

Nguyên lý đo nhiệt

Các bộ phận của cảm biến nhiệt độ:

Phần tử cảm nhận: vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ

Đầu kết nối: kết nối giữa phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài, có nhiệt dẫn suất và điện trở nhỏ

Vỏ bọc bảo vệ: phân cách phần tử cảm nhận với môi trường, có nhiệt trở thấp và cách điện tốt, chịu ẩm

II Thermistor

Thermistor: điện trở nhạy với nhiệt được sử dụng để đo nhiệt độ

Là hỗn hợp của các oxit kim loại được nén định dạng Có thể có kích thước rất nhỏ, một số trường hợp nhỏ hơn 1mm

Mô hình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở:

k > 0: thermistor có hệ số nhiệt dương (PTC)

k < 0: thermistor có hệ số nhiệt âm (NTC)

∆ T = k* ∆ R

8

9

Thermistor:Chế độ điện áp – dòng điện

Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó, thiết bị hoạt động ở chế độ điện áp – dòng

điện Ở chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của điều kiện môi trường, ví dụ như

sự thay đổi của lưu lượng khí qua cảm biến

11

Thermistor: Chế độ dòng điện – thời gian

Đặc trưng dòng điện – thời gian của thermistor phụ thuộc vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt dung của phần tử Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm

Đặc trưng này được sử dụng để làm chậm các ảnh hưởng của các gai áp cao

12

Thermistor: Chế độ điện trở – nhiệt độ

Ở chế độ điện trở - nhiệt độ, thermistor hoạt động ở điều kiện công suất zero, nghĩa là không

xảy ra sự tự đốt nóng

13

Thermistor: Chế độ điện trở – nhiệt độ

Đa thức bậc 3 xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của thermistor là phương trình Steinhart – Hart

Mô hình đơn giản:

T : nhiệt độ thermistor (oK)

RT : điện trở thermistor (Ω)

R0 : điện trở thermistor (Ω) tại T0

A0, A1, A3 : các hệ số được nhà sản xuất cấp

B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu BT1/T2, ví dụ B25/85 = 3540K )

14

Thermistor: Mạch gia công tín hiệu

Dùng mạch cầu Wheatstone

15

Ưu điểm

 Đáp ứng nhanh hơn hoặc bằng với thermocouples

 Không ảnh hưởng bởi quá trình ăn mòn hoặc oxy hóa

Nhược điểm:

 Giá thành cao

 Mạch điện tử giao tiếp phức tạp

 Chịu ảnh hưởng của bụi, khói, bức xạ môi trường,

16

Thermistor: Ứng dụng

Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy sấy tóc,…

 Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng,…

Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt độ khí thải hay lò đốt,…

Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,…

Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động

17

III RTD

RTD (Resistance Temperature Detector) là cảm biến nhiệt dựa vào hiện tượng điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng

 Có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi nhiều theo nhiệt độ

 Gần như tuyến tính trên một dải đo rộng (quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ gần tuyến tính)

 Cần cung cấp một dòng điện để tạo ra điện áp rơi trên cảm biến

18

RTD

19

RTD

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của RTD được biểu diễn bằng phương trình đơn giản sau:

20

RTD

Để đo nhiệt độ có tầm đo lớn hay độ chính xác cao ta sử dụng phương trình Calendar Van –

Dusen như sau:

21

RTD

Có 3 pp nối dây được sử dụng

22

24

 Độ nhạy thấp khi nhiệt độ thay đổi ít

 Nhạy cảm với rung sốc

 Cần hiệu chỉnh nếu sử dụng ngoài tầm nhiệt độ định mức

25

RTD: Mạch ứng dụng

26

IV Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu)

Gồm 2 hay nhiều thanh dẫn điện được hàn với nhau.

Biến đổi nhiệt năng thành điện năng.

Cần có sự chênh nhiệt giữa mối nối có nhiệt độ cần đo t và mối nối có nhiệt độ chuẩn t0

Dễ dàng sử dụng và đo lường.

27

Khi 2 kim loại khác nhau được nối 2 đầu, một đầu đốt nóng thì có một dòng điện chạy trong mạch

Hiệu ứng seebeck

28

Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt

độ và thành phần của 2 kim loại

Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính

với nhiệt độ : ∆ eAB = α∆ T

α : hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ29

VD: Hiệu điện áp Thermocouple loại K tại 3000C = 12.2mV

Thermocouple

30

Các loại Thermocouple

31

32

1.Dòng nhiệt điện không thể tạo ra trong các mạch đồng nhất

2 Tổng đại số sức nhiệt điện trong một mạch được cấu tạo

từ các chất dẫn điện khác nhau bằng 0 nếu nhiệt độ tại các chỗ tiếp giáp như nhau

Các định luật Thermocouple

33

3 Nếu 2 tiếp giáp tại nhiệt độ T1 và T2 tạo ra điện áp Seebeck V2, tại nhiệt độ T2 và T3 tạo ra điện áp V1 thì tại nhiệt độ T1 và T3 tạo ra điện áp là V3 = V1 + V2

Các định luật Thermocouple

34

Đo điện áp Thermocouple

Không thể đo trực tiếp điệp áp Seebeck vì:

Phải nối vôn kế vào Thermocouple và chính các dây dẫn vôn kế tạo ra một mạch nhiệt điện khác

Muốn tìm nhiệtđộ tại J1 phải biết Nhiệt độ tại

J235

Lớp tiếp giáp tham chiếu

V = V 1 − V2 = α ( tJ1 − tJ2) = α TJ1

36

Lớp tiếp giáp tham chiếu

1

V = α ( T − TREF)

37

Mạch tham chiếu

Thay khối Ice Bath bởi khối Isothermal

38

Mạch tham chiếu

Áp dụng định luật 2

39

 Ít nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ

 Dây dẫn nối dài phải dùng cùng loại thermocouple

 Dây dẫn có thể bị nhiễu nếu không bọc giáp chống nhiễu

41

Ví dụ

Cho Thermocouple loại J có độ nhạy α = 53 µ V/0C

Khi nhiệt độ đo T = 100 thì vôn kế chỉ bao nhiêu? Nếu vôn kế chỉ 0.507mV thì nhiệt độ đo T = ?

42

Cảm biến hồng ngoại

 Ưu điểm:

 Cảm biến không tiếp xúc

 Đáp ứng nhanh hơn hoặc bằng với thermocouples

 Không ảnh hưởng bởi quá trình ăn mòn hoặc oxy

 Mạch điện tử giao tiếp phứctạp

 Chịu ảnh hưởng của bụi, khói, bức xạ môi trường,…

Cảm biến nhiệt độ: Bán dẫn

 Các linh kiện bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ: diode hoặc transitor nối theo kiểu diode Điện áp

trên diode hoặc giữa 2 mối nối C-E của transitor là hàm của nhiệt độ

 Tầm đo nhỏ hơn so với thermocouples và RTD, nhưng khá chính xác và có giá thành thấp.

46

Vòng kín điều khiển nhiệt độ

47

Vòng kín điều khiển nhiệt độ

48