BẢN THUYẾT MINH CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ - NHÓM 1 3 I. RTDs (Resistance Temperature Detectors): 1. Khái niệm: - RTD là thuật ngữ viết tắt của từ Resistance Temperature Detector là một loại cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt. RTD có thiết kế là một thanh kim loại hay dây kim loại mà điện trở của nó phụ thuộc theo sự thay đổi của nhiệt độ. - RTD cũng được gọi là điện trở nhiệt bao gồm: Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, Cu100,… 2. Cấu tạo: a) Cấu tạo chung: - RTD cấu tạo gồm 2 hoặc 3 hoặc 4 dây kim loại giống nhau được nối với nhau ở một đầu (đầu đo), đầu kia để lấy tín hiệu điện trở (đầu tham chiếu). - Phần lớn RTD sử dụng trong công nghiệp là loại cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

2

I RTDs (Resistance Temperature Detectors): 3

1 Khái niệm: 3

2 Cấu tạo: 3

a) Cấu tạo chung: 3

b) Cấu tạo đầu dò: 4

c) Vật liệu chế tạo đầu dò: 6

3 Nguyên lý hoạt động: 8

a) Tổng quát: 8

b) Nguyên lý đo: 8

c) Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ (transmitter): 10

4 RTD 2 dây, 3 dây, 4 dây: 11

a) RTD 2 dây: 11

b) RTD 3 dây: 13

c) RTD 4 dây: 14

d) So sánh: 15

5 Ưu, nhược điểm của RTD: 15

6 Ứng dụng: 16

II PT100: 19

1 Khái niệm: 19

2 Phân loại: 19

3 Cấu tạo: 20

1 Đầu cảm biến (Pt/Ni/Cu): 20

2 Dây tín hiệu của cảm biến nhiệt điện trở: 20

3 Chất cách điện bằng gốm: 21

4 Chất làm đầy 21

5 Vỏ bảo vệ: (bằng inox hoặc gốm trong trường hợp nhiệt độ quá cao) 21

6 Đầu nối hay còn gọi là đầu củ hành: 22

7 Các thành phần khác: 22

4 Đường đặc tính: 23

5 Sai số: 24

6 Sơ đồ nối dây: 25

7 Giá thành: 26

3

I RTDs (Resistance Temperature Detectors):

1 Khái niệm:

- RTD là thuật ngữ viết tắt của từ Resistance Temperature Detector là

một loại cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt RTD có thiết kế là một thanh kim loại hay dây kim loại mà điện trở của nó phụ thuộc theo sự thay đổi của nhiệt độ

Ni100, Cu100,…

2 Cấu tạo:

a) Cấu tạo chung:

- RTD cấu tạo gồm 2 hoặc 3 hoặc 4 dây kim loại giống nhau được nối với nhau ở một đầu (đầu đo), đầu kia để lấy tín hiệu điện trở (đầu tham chiếu)

- Phần lớn RTD sử dụng trong công nghiệp là loại cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây

Hình 1 - RTD dạng dây

https://bitly.com.vn/aFwA3

Hình 2 - RTD dạng đầu củ hành

https://bitly.com.vn/aFwA3

4

b) Cấu tạo đầu dò:

sử dụng phổ biến nhất

- Có 3 loại đầu dò nhiệt độ hiện nay:

o Cảm biến dây quấn (Wire-Wound): (phổ biến nhất)

Các sợi dây kim loại có đường

kính rất nhỏ (thường là 0.0005

đến 0.0015 inch được quấn

quanh bên ngoài một trục

bằng gốm

Các thành phần dây quấn trục

được sản xuất thường có từ

100 Ω đến 1000 Ω, trong đó

100 Ω là sự lựa chọn phổ biến nhất cho các ứng dụng công nghiệp Chúng

Hình 3 – Cấu tạo chung của RTD

https://donghocambien.com/rtd-la-gi.html

Hình 4 – Cảm biến dây quấn quanh trục

temperature-sensors/

https://www.designworldonline.com/designing-with-rtd-5

có phạm vi từ –200 đến 850 °C (–328 đến 1562 °F) và có phạm vi tối đa từ –240 đến 960 °C (–400 đến 1760 °F)

6

o C ảm biến cuộn (Coiled)

c) Vật liệu chế tạo đầu dò:

Yêu cầu chung đối với vật liệu làm RTD:

- Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu Ro lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ

- Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu

- Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc

- Dễ gia công và có khả năng thay lẫn

- Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni, đôi khi sử dụng Cu

Trong đó: α - Hệ số nhiệt độ điện trở (Ω/Ω/° C)

Hình 7 – Cảm biến cuộn

https://www.wikiwand.com/en/Resistance_thermometer

Hình 8 – So sánh vật liệu chế tạo đầu dò

https://www.instrumentationtoolbox.com/2011/01/sensors-used-in-industrial_23.html#axzz4xxwWnh3K

7

 Platinum: (ph ổ biến nhất)

- Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó độ chính xác cao

- Platinum nguyên chất có α = 0,003925 được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, tiêu chuẩn được công nhận rộng rãi trong công nghiệp là IEC 60751 (α = 0,00385)

- Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng

- Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -260oC - 850oC

- Độ tuyến tính cao do đó làm cho tăng độ chính xác Vì khi đó phương trình của C gần với bật nhất

tăng chiều dài dây làm tăng kích thước của RTD

 Niken:

- Có độ nhạy nhiệt cao Dải nhiệt độ đo được thấp hơn 260oC

- Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định

https://www.ebookbkmt.com/2017/12/moi-quan-he-giua-ien-tro-va-nhiet-o.html

Hình 9 – Đường đặc tính của vật liệu làm đầu dò

https://www.instrumentationtoolbox.com/2011/01/sensors-used-in-industrial_23.html#axzz4xxwWnh3K

8

3 Nguyên lý hoạt động:

a) Tổng quát:

RTD chuyển đổi nhiệt độ cần

đo thành tín hiệu điện trở

Khi nhiệt độ ở đầu đo của

nhiệt điện trở thay đổi sẽ

xuất hiện một điện trở ở đầu

kia của cảm biến, đây là là

cơ sở chính để đo nhiệt độ

của nhiệt điện trở

Khi nhiệt độ cần đo tăng hoặc giảm, điện trở RAB = R RTD (xem như bỏ qua điện trở dây dẫn) sẽ tăng hoặc giảm theo nhiệt độ cần đo (nhiệt độ tăng thì

điện trở tăng, nhiệt độ giảm thì điện trở giảm) Đo giá trị điện trở đó ta có thể suy ra ngược lại giá trị của nhiệt độ

b) Nguyên lý đo:

RTD là thiết bị thụ động, yêu cầu một dòng điện kích thích không đổi để phát

ra tín hiệu ở ngõ ra

Thông thường, RTD sẽ được đo điện trở bằng:

 M ạch cầu (Wheatstone Bridge):

Ta sẽ thay điện trở Rx thành một RTD Điện áp VG sẽ thay đổi tỉ lệ thuận với giá trị điện trở RTD thay đổi

Khi cầu cân bằng, ta sẽ tính được giá trị điện trở RTD theo công thức:

R1

𝑅2𝑅(𝑅𝑇𝐷)

Hình 10 – Nguyên lý hoạt động của RTD

https://bitly.com.vn/vvm3d

 Máy đo điện trở:

Hình 11 – Máy đo điện trở

https://bitly.com.vn/ZsVwz

10

c) Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ (transmitter):

Trong các ứng dụng công nghiệp, người ta thường tích hợp thêm transmitter

để chuyển đổi tín hiệu điện trở của RTD sang tín hiệu dòng điện (mA) hoặc tín hiệu điện áp (V) để dễ điều khiển và đưa tín hiệu đi xa hơn

 B ộ chuyển đổi tín hiệu T120/T121

(lo ại 1):

Loại này được gắn trực tiếp vào đầu củ hành

Chỉ chuyển đổi tín hiệu điện trở sang tín hiệu

11

Hai loại này được gắn trên tủ điện

Chuyển đổi từ tín hiệu điện trở sang nhiều tín hiệu dòng điện và điện áp khác nhau

Loại 3 có giá thành cao nhất

4 RTD 2 dây, 3 dây, 4 dây:

12

Cách hoạt động của máy đo

điện trở này là sẽ tạo ra dòng

điện kích thích nhỏ, không

đổi chạy qua RTD Lúc đó

vôn kế sẽ đo điện áp giữa hai

Khi dòng điện kích thích chạy qua RTD, do sự mất mát năng lượng (một phần điện năng sẽ chuyển hóa thành nhiệt năng), làm đầu dò của RTD nóng lên, làm sai lệch đi kết quả đo Hiện tượng này gọi là self-heating Do đó dòng điện kích thích này phải nhỏ và không đổi

Thực tế, thì luôn tồn tại điện trở trên dây dẫn Đây chính là nguyên nhân lớn nhất dẫn đến

sự sai lệch trong kết quả đo của RTD

Khi đó, máy đo điện trở

sẽ đo luôn tổng điện trở của dây dẫn và RTD:

Rđo = RRTD + RW1 + RW2

Thí dụ: Loại Pt100 có độ thay đổi 0.385Ω / 1oC, điện trở trên mỗi dây là 1Ω thì tổng trở sai số là 2Ω  Nhiệt độ sai số tăng lên là 5.2 oC

Hình 15 – Đo điện trở RTD lý tưởng

Hình 16 – Đo điện trở RTD 2 dây

13

b) RTD 3 dây:

RTD 3 dây là loại phổ biến

nhất trong công nghiệp

Trong cấu hình 3 dây, vôn kế

sẽ bù điện trở cho dây dẫn

Tiếp theo máy đo chuyển sang kết nối bình thường như trên hình và đo điện trở như sau:

R 2 = R W2 + R W3 + R RTD (2)

Ta lấy (2) – (1), vế theo vế:

Hình 17 – Đo điện trở RTD 3 dây

c) RTD 4 dây:

Với cấu hình 4 dây này, ý tưởng là có các dây riêng biệt để đo điện áp và dòng điện qua RTD

Khi đo điện trở, dòng điện

sẽ đi qua dây W1  RTD

 dây W4, bỏ qua dây W2

và W3 vì 2 dây này nối trực tiếp vào vôn kế (có trở kháng lớn)

Nhờ đó, điện trở dây dẫn không gây ảnh hưởng đến kết quả phép đo Vôn kế sẽ đo trực tiếp điện áp trên 2 đầu của RTD và dùng định luật Ohm ta sẽ tính chính xác được giá trị điện trở của RTD:

𝑰

Hình 18 – Đo điện trở RTD 4 dây

15

d) So sánh:

Mặc dù, cấu hình 4 dây có độ chính xác rất cao nhưng do giá thành cao, chỉ thích hợp cho các ứng dụng có độ chính xác gần như tuyệt đối Trong khi cấu hình 3 dây có chi phí sản xuất thấp hơn 4 dây, có độ chính xác cao đã

đủ đáp ứng cho hầu hết các các ứng dụng trong công nghiệp

Được dùng phổ biến trong công nghiệp

Được sử dụng nhiều trong các

nghiệm

5 Ưu, nhược điểm của RTD:

- Dải nhiệt độ đo được rất lớn từ

Bảng 1 – So sánh RTD 2 dây, 3 dây, 4 dây

Bảng 2 – Ưu, nhược điểm của RTD

16

6 Ứng dụng:

Được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

- Đo nhiệt đọ trong bồn đun nước, xăng, dầu,…

- Đo nhiệt độ môi trường

- Đo nhiệt độ lò nung, lò sấy,…

- Đo nhiệt độ trong máy điều hòa, lò sưởi, thông gió

Giám sát nhiệt độ trong bồn

nước, xăng, dầu để tránh nhiệt

độ quá cao làm cho xăng, dầu

bốc cháy dẫn đến phát nổ, gây

nguy hiểm

Nhiệt độ môi trường là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật Do đó giám sát nhiệt độ sẽ giúp chúng ta chủ động hơn trong việc tưới tiêu và bón phân cho cây một cách hợp lý

Hình 19 – Đo nhiệt độ trong bồn đun nước, xăng, dầu

Hình 20 – Đo nhiệt độ môi trường

17

Giám sát nhiệt độ trong lò

nung sẽ giúp cho lượng

nguyên, nhiên liệu đầu vào

được đốt hiệu quả, không

gây hao phí, dư thừa khi

nhiệt độ nung không đủ

cao

Hình 21 – Đo nhiệt độ lò nung

Hình 22 – Lò đốt

18

Mỗi hóa chất đều có một nhiệt

độ hóa hơi, nhiệt

độ cháy khác nhau, do đố việc giám sát nhiệt độ trong bồn chứa hóa chất là rất quan trọng

Hình 23 – Lò hơi

Hình 24 – Giám sát nhiệt độ hóa chất

o Có dải đo nhiệt độ rộng, nhiệt độ đo trong khoảng từ -200…850oC (tuy nhiên trên thực tế thì giá trị có thể thấp hơn tuỳ từng nhà sản xuất và độ tinh khiết của vật liệu)

o Độ bền cao

o Độ chính xác cao

o Dễ dàng lắp đặt, kết nối được với tất cả các transmitter

- Pt100 với Pt là chữ viết tắt của Platinum, còn 100 là giá trị tại 0oC điện trở đạt 100Ω

2 Phân loại:

 Theo vật liệu cấu tạo: Pt, Ni, Cu

 Theo cấu tạo đầu dò:

o Cảm biến dây quấn

20

o Dạng dây

o Dạng đầu củ hành

3 Cấu tạo:

1 Đầu cảm biến (Pt/Ni/Cu):

Đầu cảm biến là thiết bị đo chính của cảm biến

cũng là thành phần quan trọng nhất của cây cảm

biến nhiệt độ điện trở Nó ảnh hưởng trực tiếp

đến độ nhạy của cảm biến Sau khi kết nối với

dây tín hiệu nó sẽ được đặt bên trong ống bảo

vệ

(Lưu ý rằng độ nhạy của cảm biến chính là thời

gian đáp ứng của cảm biến nó khác toàn toàn

với độ chính xác của cảm biến.)

2 Dây tín hiệu của cảm biến nhiệt điện trở:

Dây tín hiệu được kết nối với đầu dò cảm biến

với ngõ ra dạng 2 dây, 3 dây hoặc 4 dây Vật liệu

của dây tín hiệu được sử dụng tuỳ theo từng loại

đầu đò

Hình 27 – Pt100 dạng dây có ren Hình 28 – Pt100 dạng que cắm

Hình 29 – Cấu tạo của Pt100 dạng đầu củ hành

tiếp với nguồn nhiệt cần đo Nó bảo vệ

đầu dò cảm biến và dây tín hiệu của

cảm biến Vỏ bảo vệ cần được làm

bằng đúng vật liệu và kích thước để có

thể bảo vệ được các thành phần bên

trong Trong một số trường hợp nhất

định chúng ta phải dùng thêm ống bảo

vệ bên ngoài hay còn gọi là Thermowell

hay Protect tube

Hình 30 – Thermowell

https://techbike.vn/threads/thermowell-la-gi-tai-sao-phai-dung-thermowell.7037/

22

6 Đầu nối hay còn gọi là đầu củ hành:

Đầu nối cảm biến thường làm bằng các vật liệu cách điện như: nhựa, nhôm hay gốm Tuỳ theo điều kiện sử dụng có thể gắn thêm bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ)

Với loại linh động có khả năng uốn cong được thì phải loại bỏ thành phần bảo vệ bằng gốm (5) và chất làm đầy (4) Tuy nhiên chúng được sản xuất một cách đặc biệt để đạt được hiệu suất cao với đặc tính

cơ học tuyệt vời

Loại cảm biến này phá vỡ các kiểu sản xuất truyền thống thay vào đó là khả năng uốn cong cảm biến

và độ dài cảm biến tuỳ ý cùng với khả năng hàn vỏ sau khi lắp đặt

Hình 31 – Cấu tạo Pt100 uốn cong được

23

4 Đường đặc tính:

Là đường biểu diễn mối

quan hệ giữa nhiệt độ và

điện trở của cảm biến Mối

quan hệ này nghiên cứu

và phát triển dựa vào

R0 = 100Ω (Giá trị điện trở tại 0⁰C)

Hình 33 – Đường đặc tính của Pt100 Hình 32 – Cấu tạo Pt100 dạng dây

25

 Hạng C: 0,6⁰C

Trong công nghiệp, hạng A và B được sử dụng phổ biến nhất vì có độ sai

số tương đối và giá thành hợp lí hơn so với 2 hạng còn lại

Ngoài ra Pt100 có độ nhạy khá cao nhưng thấp hơn cặp nhiệt ngẫu Link tham khảo:

90OsV4rbD3P8mkIUSG6EjreG7IMW5zFGvMs4cmCrJuk3gNSs5U

https://thietbikythuat.com.vn/cau-tao-cam-bien-nhiet-pt100/?fbclid=IwAR0ID88Q-6 Sơ đồ nối dây:

Để chuyển đổi tín hiệu từ Pt100 đến bộ phận hiển thị hoặc vi điều khiển, chúng ta cần sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu

- Loại 2 dây: Một dây nối vào số 1

hoặc 2, dây còn lại nối vào số 3

hoặc 4

- Loại 3 dây: 2 dây cùng màu nối

vào số 3 và 4 Dây còn lại nối vào

số 1

- Loại 4 dây: 2 cặp dây cùng màu

nối vào số 3 và 4 2 cặp dây cùng

màu còn lại nối vào số 1 và số 2

Hình 35 – Sơ đồ nối dây của Pt100 với Seneca T120

Hình 36 – Transmitter Seneca T120

26

- Số 5 và số 6 đưa tín hiệu ngõ ra đến bộ hiển thị hoặc vi điều khiển (số 5

là chân +, số 6 là chân -)

7 Giá thành:

Hình 37 – Nối dây thực tế

Hình 38 – Theo uk.rs-online.com

27

Hình 39 – Theo picotech.com