chương 4 cảm biến đo nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐO LƯỜNG CẢM BIẾNĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

Đề Tài : Cảm Biến Nhiệt Độ

Lớp : Điện Tử 3_K5

Sinh viên: Đồng Văn Bình.

Nguyễn Đức Giang.

Vũ Thị Thùy Anh

Lê Văn Sao

Nguyễn Văn Tuấn

Nguyễn Công Hùng

Phùng Văn Khanh

Vũ Viết Tuấn

Trần Văn Hưng

1Ha Noi University Of Industry17/04/23

Nhiệt điện trở NTC4

Tổng Quan1

Nhiệt điện trở kim loại2

Ic đo nhiệt độ3

Nhiệt điện trở PTC5

Nội DungNội Dung

Cặp nhiệt điện6


1. Tổng quan

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo nhiệt độ của đối tượng.

Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở.

Để lựa chọn cảm biến cho một ứng dụng cụ thể thì cần xem xét: độ chính xác, khoảng đo, thời gian đáp ứng và môi trường làm việc.

Cảm biến nhiệt độ được phân thành 2 loại:Cảm biến loại tiếp xúc

Cảm biến loại không tiếp xúc (đo bức xạ nhiệt)


1. Tổng quan

Cảm biến loại tiếp xúc:Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Nhiệt điện trở

• RTD

• Thermistor

IC đo nhiệt độ

Cảm biến loại không tiếp xúcNhiệt kế hồng ngoại

• Đo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại được phát ra từ vật liệu


1. Tổng quan


THANG ĐOTHANG ĐO

THANG ĐO NHIỆT ĐỘ

Celsius Fahrenheit

Kelvin Rankine


[°F] = [°C] · 9/5 + 32

[°C] = ([°F] - 32) · 5/9

[K] = [°C] + 273.15

[°R] = [°F] + 459.67

Kelvin

Celsius

Fahrenheit

Rankine

THANG ĐO NHIỆT ĐỘ


Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Thông thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngoài.

Để đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoan một lỗ nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L.

Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong chất rắn

17/04/23 Ha Noi University Of Industry 8

Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện:

Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần đường kính của nó (L≥ 10r).

Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt.


Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

2. Nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors)

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 100Thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây


2. Nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors

bạch kim thay đổi trở

khángvới nhiệt độ

Rosemount’s Series 78, 88

Rosemount’s Series 68, 58Series 65

Two common types of RTD elements:

Wire-wound sensing elementThin-film sensing element

» Hoạt động phụ thuộc vào đặc tính cố hữu của kim loại (thường Platinum) điện trở để thay đổi dòng chảy khi kim loại trải qua một sự thay đổi về nhiệt độ.»Nếu chúng ta có thể đo điện trở trong các kim loại, chúng ta biết nhiệt độ!


NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

R


2. Nhiệt điện trở (RTD)

Nguyên lý:Khi nhiệt độ tăng, điện trở hai đầu dây kim loại tăng

Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ


2. Nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors

How does a RTD works?Thay đổi trở kháng.Những thay đổi điện trở của dây bạch kim có thể được xấp xỉ bằng một đường cong lý tưởng -- the IEC 751

0

50

100

150

200

250

300

350

-400 -200 0 200 400 600 800R

esi

stance

(O

hm

s)

Temperature (oC)

oC Ohms0 100.0010 103.9020 107.7930 111.67

Nhiệt độ so với Bảng xếp hạng:

IEC 751

IEC751

IEC 751 Constants are :- A = 0.0039083, B = - 5.775 x 10 -7, If t>=0°C, C=0, If t<0, C = - 4.183 x 10 -12

Example: RT = R0 [1 + At + Bt2 + C(t-100)t3]= 103.90


IEC 751 Curve

tiêu chuẩn đường cong IEC 751 (được lập trình trong tất cả các máy phát) mô tả một kháng vs mối quan hệ nhiệt độ lý tưởng cho Pt100 = 0.00385 RTDs.

Nhiệt độ (oC)

Tín

h k

hán

g (

Oh

ms)

Dung sai lớp B

Standard IEC 751 CurveClass B Tolerance

Standard IEC 751 CurveClass B Tolerance

0.8oC at -100oC

0.3oC at 0oC

0.8oC at 100oC

1.3oC at 200oC

1.8oC at 300oC

2.3oC at 400oC

(Khả năng thay thế cảm biến lỗi)

Mục đích là để tìm ra những đường cong RTD thực là như thế, và lập trình lại máy phát để sử dụng các đường cong "thực

sự"!

Mỗi RTD là hơikhác nhau - họ không phải là lý tưởng!

Mỗi RTD là hơikhác nhau - họ không phải là lý tưởng!



Kết quả phần phát không đúng với nhiệt độ ban đầu.

212°F212°FProcess

Temperature

138.8 138.8

RTD Trở kháng:

Truyền phátInput:

R vs. T Curve of BẤT ĐỘNG RTDBẤT ĐỘNG RTD

Nếu chúng ta có thể nói máy phát hình dạng của đường cong RTD, chúng ta có thể loại bỏ các lỗi thay thế cho nhau!

Các đường cong được lập trình trong mỗi xmtr là IEC 751 - là

RTD đường cong lí tưởng

Với một RTD, so với mối quan hệ nhiệt độ của cảm biến không là đường cong giống như được lập trình vào máy phát

The TransmitterTranslates 138.8 into 213.4°F213.4°F

Using the IEC 751

Đường cong phần phát không giống kết quả đường cong RTD.

Kết quả??Kết quả??



Pt100 a385 Temp vs Resistance

real sensorcurve

standard IEC 751 curve

sensor matchedcurve in tx

Trở

kh

áng

Temperature

Một phương trình thứ tự thứ tư có thể được lập trình vào máy phát thông minh để không theo độ cong cảm biến lý tưởng , chỉ cần nhập bốn hằng số sử dụng 275.

Kết quả phần phát gần bằng với nhiệt độ ban đầu.Đường cong phần phát giống kết quả đường cong RTD lí tưởng

Kết quả??Kết quả??

Ro = 99.9717 = 0.00385367 = 0.172491 = 1.61027

TagTag

Loại bỏ lỗi hoán đổi cảm biến



Rt = Ro + Ro[t-(0.01t-1)(0.01t)-(0.01t-1)(0.01t)3]

Rt = Ngưỡng nhiệt độ t (° C)Ro = Cảm biến riêng liên tục (ngưỡng tại t = 0 ° C) = Cảm biến riêng liên tục = Cảm biến riêng liên tục = Cảm biến riêng liên tục (If t >=0°C, then = 0)

IEC 751 Curve

Temperature (oC)

Res

ista

nce

(

)

Class B Tolerance

• Máy phát không sử dụng 751 đường cong tiêu chuẩn IEC.

• Thay vào đó, các hằng số Callendar-Van Dusen có thể được sử dụng trong các phương trình dưới đây để tạo ra các đường cong cảm biến thực sự.

• Hoặc, thực tế IEC 751 hằng số A, B, và C có thể được sử dụng trong tiêu chuẩn IEC 751 phương trình nếu biết.

• Máy phát không sử dụng 751 đường cong tiêu chuẩn IEC.

• Thay vào đó, các hằng số Callendar-Van Dusen có thể được sử dụng trong các phương trình dưới đây để tạo ra các đường cong cảm biến thực sự.

• Hoặc, thực tế IEC 751 hằng số A, B, và C có thể được sử dụng trong tiêu chuẩn IEC 751 phương trình nếu biết.

Kết hợp cảm biến - Lập bản đồ các đường cong RTD sản

4th Order Callendar-Van

Dusen Equation



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

IR

T

PD

2

0RS

NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI



• Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi nhiều theo nhiệt độ.

Thường được làm bằng platin,niken, đôi khi sử dụng đồng và vonfram

PHÂN LOẠI NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠIPHÂN LOẠI NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI




Cách đấu dây cho RTD 2 dây

3 dây- Giảm sai số đo- Các dây phải có cùng chiều dài và

vật liệu- Dây nối có thể dài đến 600m



Cách đấu dây cho RTD 4 dây

- Độ chính xác và độ tin cậy tốt nhất- Không có sai số hệ thống- Bù hoàn toàn ảnh hưởng của sai số


phần tử cảm biến

Red

Red

White

Red

WhiteWhite

Black

GreenGreen

White

Why use a 2-, 3-, or 4- wire RTD?

– 2dây: chi phí thấp nhất - ít được sử dụng do lỗi cao từ điện trở dây dẫn

– 3 dây: Cân bằng chi phí và hiệu suất. Tốt dây bồi thường dẫn

– 4 dây: Về mặt lý thuyết phương pháp tốt nhất dẫn dây điện bồi thường (bù đắp đầy đủ), các giải pháp chính xác nhất. Chi phí cao nhất.

4dây RTD

Thường sử dụng dây đồng để mở rộng từ các bộ cảm biến



2-wire or 4-wire RTD ?• Nếu phần tử cảm biến là ở 20 ° C,

• Điều gì sẽ là nhiệt độ đo được ở cuối của dây mở rộng bằng cách sử dụng 2 dây

• Điều gì sẽ là nhiệt độ đo được ở cuối của dây mở rộng bằng cách sử dụng 4 dây

Red

White

2 dây RTD6 mét mở rộng đồng

dây, chì kháng =

0,06 ohms / mét

(1 ohm = 2,5 độ C khoảng)Phần tử cảm biến

Lỗi cho một loại 2 dây:0,06 x 6 x 2 = 0,72 ohms hoặc 1.8 độ CĐiều này có nghĩa là nhiệt độđo ở cuối của cáp sẽ là 21,8 độ C

Lỗi cho một loại4 dâyNhư các điện trở chì có thể được tính cho nhiệt độ đo được ở cuối của cáp sẽ là 20.0 độ C



• Hỗ trợ khả năng sao lưu nóng• Hai thành tố cho biết thêm chỉ có 5 $ trong đơn

tố RTD• Giảm nguy cơ thất bại của một điểm nhiệt độ• Hỗ trợ chênh lệch nhiệt độ đo

Hai phần tử RTD có sẵn

Red

Red

White

Black

RedRed

Green

BlueBlue

White

Hai phần tử:RTD 3 dây



RTD công nghiệp





Điện trở dây cuốn R~ 1000Ω ở 00C

Điện trở bề mặt - Vật liệu Ni, Fe-Ni, Pt- Chế tạo bằng quang khắc- Dán trên bề mặt- Tỉ lệ bề mặt/ diện tích cao


Ứng dụng RTDMáy lạnh, máy điều hòa

Chế biến thực phẩm

Bếp, lò nướng

Ngành dệt

Gia công vật liệu

Vi điện tử

Đo nhiệt độ khí, gas, chất lỏng



Ưu điểm của RTDTuyến tính trên khoảng rộng

Chính xác cao

Ổn định với nhiệt độ cao

Nhược điểm của RTDĐáp 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


3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

AD 22100

LM 35

DS 18B20 TC 74

LM75 LM 335


IC CẢM B3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘN NHIỆT ĐỘ

CẤU TẠO CẢM BIẾN NHIỆT BÁN DẪN

Hầu hết các cảm biến IC sử dụng tính chất cơ bản của các lớp tiếp xúc PN là hàm của nhiệt độ


HÀM PHỤ THUỘC ĐIỆN TRỞ VÀO NHỆT HÀM PHỤ THUỘC ĐIỆN TRỞ VÀO NHỆT ĐỘĐỘ

R0 là hằng số, ΔEg là độ rộng vùng cấmkB là hằng số Boltzmann là 1 đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng

IC CẢ 3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘBIẾN NHIỆT ĐỘ


CẢM BIẾN NHIỆT LM35

4-30 VDC

GND

OUTIC

10 mV/°C

IC LM35 có điện áp ra tỉ lệ trực tiếp tới nhiệt độ thang đo °C, điện áp ngõ ra là 10mv/ °C và sai số không tuyến tính là ±1.8 mV cho toàn thang đo. Điện áp nguồn nuôi thay đổi từ 4-30 VDC



Nhiệt độ (0C) Trở kháng của cảm biến (k)

0 29.490

25 10.000

50 3.893

75 1.700

100 0.817

Trở kháng của bộ cảm biến nhiệt theo nhiệt độ



LM35A

LM35

LM35CA

LM35C

LM35D

-55 150 °C

-55 150 °C

-40 110 °C

-40 110 °C

0 100 °C

+1.0 °C

+1.5 °C

+1.0 °C

+1.5 °C

+2.0 °C

10 mV/F

10 mV/F

10 mV/F

10 mV/F

10 mV/F

MÃ SP DẢI T °C ĐỘ CHÍNH XÁC ĐẦU RA

IC CẢM BIẾN NHIỆT HỌ LM35



MẠCH KẾT NỐI CẢM BIẾN

ADCLM35

VCC

GND

VI XỬ LÝ HIỂN THỊ


CẢM BIẾN NHIỆT AD22100

CHUẨN 8 PIN CHUẨN TO-92



AD22100 có hệ số nhiệt độ 22,5 mV/ °C .Điện áp ngõ ra có công thức

Vout=(V+/5v)*(1.375v + 22.5mV/ °C *T)

V : Là điện áp cấpT : nhiệt độ cần đo



CÁC LOẠI CẢM BIẾN HỌ AD2210




MẠCH KẾT NỐI CẢM BIẾN



CẢM BIẾN NHIỆT LM75IC CẢ 3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘBIẾN NHIỆT ĐỘ


Ngõ ra điện áp

Ngõ ra dòng điện

Ngõ ra so sánh

Một số IC khác



LM35/LM45Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ (10 mV/ oC)

Khoảng đo và độ chính xác

• LM35: Từ -55 oC đến +150 oC, ±1 oC

• LM45: Từ -20 oC đến +100 oC, ±3 oC

Dùng điện trở kéo xuống ở chân ngõ ra để đo được nhiệt độ dưới 0 oC



LM35/LM45Đo nhiệt độ dưới 0 oC



Một số IC khácLM20:

• Điện áp ra tỉ lệ nghịch với nhiệt độ oC (-11.7mV/oC)

LM135, LM235, LM335:

• Đo nhiệt độ tuyệt đối (K) với hệ số dương (+10mV/K)

LM34:

• Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oF (10mV/oF)



Một số IC khácLM50:

• Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oC (+10mV/oC) + 500mV

• Đo được nhiệt độ âm không cần điện trở kéo xuống

LM60:

• Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oC (+6.25mV/oC) + 424mV

• Nguồn cung cấp có thể +2.7 V



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

IC CẢ 3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ NHIỆT ĐỘ


LM 26/LM271 ngõ ra tương tự

1 ngõ ra so sánh



LM 561 ngõ ra tương tự

2 ngõ ra so sánh



Ic cảm biến nhiệt DS18B20

Lấy nhiệt độ theo giao thức 1 dây (1wire)+ Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải config 9,10,11,12 bit, tùy theo sử dụng. Trong trường hợp không config thì nó tự động ở chế độ 12 bit.Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit

Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55 -> +125°C. Với khoảng nhiệt độ là -10°C to +85°C thì độ chính xác ±0.5°C,±0.25°C ,±0.125°C,±0.0625°C. theo số bít config.

IC 3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ



Có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép. Người dùng có thể lập trình chức năng này cho DS18B20. Bộ nhớ nhiệt độ cảnh báo không bị mất khi mất nguồn vì nó có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze.




Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, vì vậy bạn có thể kiểm tra nhiệt độ với nhiều IC DS18B20 mà chỉ dùng 1 dây dẫn duy nhất để giao tiếp với các IC này.Với DS18B20 bạn hoàn toàn có thể tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ theo ý muốn.+ Điện áp sử dụng : 3 – 5.5 V

+ Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ rất nhỏ.

IC 3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ


Sơ đồ bộ nhớ của ds18b20

IC CẢ 3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ


Các byte thứ 5 của bộ nhớ đệm có chức năng đăng ký cấu hình (config) cho ds18b20, và các bít được tổ chức như sau:

Các bit từ 0 đến 4 luôn được đọc giá trị là 1, bít số 7 luôn được đọc giá trị là 0. Cấu hình độ phân giải cho ds18b20 được quyết định bởi R1 và R0 ta

có bảng thiết lập như sau.



Giao tiếp với phần cứng.





Dùng D đặt DQ xuống mức thấp trong khoảng thời gian tối thiểu là 480 μS. Giải phóng DQ khỏi mức thấp, điện trở kéo lên sẽ tự đưa DQ lên mức cao. Khi DS18B20 phát hiện xung mức cao, nó sẽ chờ từ15-60 μS và DS18B20 sẽ kéo DQ xuống mức thấp trong khoảng thời gian từ60-240 μS. Bắt được tín hiệu này tức là DS18B20 săn sàng.



DS18B20 có hai dạng rãnh viết: viết 0 và viết 1 .Mỗi rãnh viết không được dài quá 60 μS, và giữa 2 rãnh viết liên tiếp phải cách nhau ít nhất 1 μS. Quá trình viết như sau: (viết hai giá trị 0 và 1 liên tiếp nhau)- Đặt DQ xuống giá trị 0 trong 15 μS rồi đặt bit cần viết lên và delay 15-45 Μs nữa. Đặt DQ lên mức cao trong 1 μS.-Sau đó lại đặt DQ xuống giá trị 0 trong khoảng nhỏ hơn 15 μS rồi đặt bit cần viết

tiếp theo lên .Delay 15-45 μS nữa.Mỗi rãnh đọc không được dài quá 60 μS, và giữa 2 rãnh đọc liên tiếp phải cách

nhau ít nhất 1 μS.


Quá trình đọc như sau: (đọc hai giá trị 0 và 1 liên tiếp nhau)-Đặt DQ xuống giá trị 0 trong khoảng lớn hơn 1 μS (khoảng 1-3 μS) rồi lấy mẫu về

cho D trong khoảng thời gian nhỏ hơn 15 μS kể từ lúc bắt đầu của rãnh.Đặt DQ lên mức cao trong 1 μS.-Sau đó lại đặt DQ xuống giá trị 0 trong khoảng lớn hơn 1 μS (khoảng 1-3 μS) rồi

lấy mẫu về cho D (ở đ y là 1) trong khoảng thời gian nhỏ hơn 15 μS kể từ lúc bắt đầu của rãnh.



Sơ đồ khi sử dụng một cảm biến.




Sơ đồ khi mắc nhiều cảm biến. (Chúng ta cũng chỉ cần 1 dây để lấy mẫu nhiệt độ).



Ưu điểmTuyến tính cao

Ngõ ra thay đổi lớn

Rẻ tiền

Khuyết điểmĐo dưới 250 0C

Đáp ứng chậm

Yêu cầu nguồn cung cấp

Tự phát nóng

IC CẢ 3.IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ NHIỆT ĐỘ


4. Thermistors (Thermally sensitive resistor)

Cấu tạo:Được làm bằng các ôxít kim loại: Niken, Mangan, côban, … được phủ bởi nhựa hoặc thủy tinh

Phân loại:Hệ số nhiệt âm - NTC ( Negative Temperature Coefficient)

Hệ số nhiệt dương - PTC (Positive Temperature Coefficient)

Ký hiệu:


4. Thermistors

NTC Thermistor

PTC Thermistor


4. Thermistors

Đặc tính

NTC Thermistor PTC Thermistor


ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG THERMISTOR

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

T= k * R

K>0: Thermistor có hệ số nhiệt dương PTC

K<0: Thermistor có hệ số nhiệt âm NTC


4. Thermistors

ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG NTC,PTC

DÂY CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ NTC DÂY CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ PTC


4. Thermistors


Thermistor

Điện áp

Dòng Điện

Dòng Điện

Thời Gian

Điện Trở

Nhiệt Độ


4. Thermistors


CHẾ ĐỘ ĐIỆN ÁP – DÒNG ĐIỆN


4. Thermistors

HÀM PHỤ THUỘC ĐIỆN TRỞ VÀO NHỆT HÀM PHỤ THUỘC ĐIỆN TRỞ VÀO NHỆT ĐỘĐỘ

T : nhiệt độ thermistor (K) R : điện trở thermistor (Ω) tại T R0 : điện trở thermistor (Ω) tại T0 B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu BT1/T2 , ví dụ B25/85 = 3540K )



4. Thermistors


TUYẾN TÍNH HÓA ĐẶC TRƯNG CỦA THERMISTOR

Sử dụng điện trở mắc song song

( hoặc nối tiếp )


4. Thermistors



4. Thermistors

4. Thermistors

Đo nhiệt độ Điều khiển

Đo mức chất lỏng


4. Thermistors

Bù nhiệt độ


4. Thermistors

Ứng dụngNTC

• 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

• Cảm biến mức chất lỏng

– Dựa vào sự khác nhau của hằng số tiêu tán nhiệt độ trong nước và không khí hoặc hơi, …


4. Thermistors

Ứng dụngPTC

• PTC công suất

– Làm cầu chì: bảo vệ ngắn mạch/quá tải

– Làm công tắc: khởi động động cơ, khử từ, thời gian trễ

– Bộ gia nhiệt

– Chỉ thị mức

• Cảm biến

– Nhiệt độ: bảo vệ quá nhiệt, đo và điều khiển

– Nhiệt độ giới hạn: bảo vệ động cơ, bảo vệ quá nhiệt


4. Thermistors

Ưu điểmĐáp 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

Khuyết điểmPhi tuyến

Khoảng đo hẹp

Điện trở cao Phát nóng chính bản thân

Ít ổn định hơn RTD80Ha Noi University Of Industry17/04/23


KẾT LUẬN

+Nhạy với thang đo nhỏ

+ Độ chính xác cao

+ Ổn định, tin cậy

+Tầm hoạt động giới hạn

+ Quan hệ RT phi tuyến

+ Các thiết bị gia đình

+ Trong xe hơi

+ Trong công nghiệp

+ Viễn thông


4. Thermistors

5. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cấu tạoĐược làm bằng 2 vật liệu dẫn điện khác nhau (thường là hợp kim) được hàn dính 1 đầu, đầu còn lại được đưa đến thiết bị đo

Thermocouple có 2 mối nối: lạnh và nóng

Hoạt độngThermocouple hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Seebeck

Điện áp giữa 2 mối nối được gọi là điện áp Seebeck


http://en.wikipedia.org/wiki/File:Thermocouple_circuit.svg

Hiệu ứng nhiệt điện


84

1. C¸c hiÖu øng nhiÖt ®iÖn a. HiÖu øng Peltier hiÖu ®iÖn thÕ (s®® Peltier):

s®® Peltier phô thuéc: - b¶n chÊt vËt dÉn

- nhiÖt ®é

TB/ANM PVV

b. HiÖu øng Thomson vËt dÉn ®ång nhÊt A

TM TN suÊt ®iÖn ®éng Thomson

s®® Thomson ph.thuéc: - b¶n chÊt cña vËt dÉn - TM, TN

M

N

NMT

TA

TTA dThE


85

c. HiÖu øng Seebeck m¹ch kÝn tõ hai vËt dÉn A B m¹ch sÏ t¹o thµnh mét cÆp nhiÖt ®iÖn

dTheT

TAab

2

1

2TB/Abc Pe

dTheT

TBcd

1

2

1TA/Bda Pe

dT)hh(PPET

TBA

TB/A

TB/A

TTB/A

2

1

1212

SuÊt ®iÖn ®éng Seebeck b»ng tæng c¸c suÊt ®iÖn ®éng thµnh phÇn


Quá trình nhiệt độQuá trình nhiệt độ

Nút giao nóng

– Hai kim loại khác nhau tham gia vào một nút giao nóng

Nút giao lạnh+

-MV

– Các dây được kết nối với một công cụ (vôn kế) mà các biện pháp tiềm năng được tạo ra bởi sự khác biệt nhiệt độ giữa hai đầu.

DT

Đường giao nhau của hai kim loại khác nhau tạo ra một điện áp đầu ra nhỏ tỷ lệ

thuận với nhiệt độ!

Thermocouples?

Năm 1831, Seebeck phát hiện ra rằng một dòng điện hiện tại trong một mạch kín của hai kim loại khác nhau khi một trong những 2 nút giao lộ được đun nóng liên quan.



Điện áp thu được tỷ lệ thuận với sự khác biệt nhiệt độ giữa nút nóng và lạnh! (T2 - T1) =T.

+

-MVHeat

Nút giao nóng nút giao lạnh

oC Millivolts0 0.00010 0.59120 1.19230 1.801

nhiệt điện ápNhiệt độ so với Bảng xếp hạng :

TYPE E THERMOCOUPLE

T

-20

0

20

40

60

80

-500 0 500 1000

Vol

tage

(m

V)

Temperature (oC)

IEC584

Measurement JunctionMeasurement Junction

TT22

Reference JunctionReference Junction

TT11



ICEBATH

T1 = 0°C

Tại sao cần thiết phải có nút giao lạnh bồi?Tham chiếu nối phải đc giữ không đổiTham chiếu nối phải đc giữ không đổi

Measure

Tham chiếu

Iron

Constantan

+

_

VoltMeter

T2 = 100 + 10°C 5.812 mV

»Có 2 phương pháp:• Nơi tham chiếu trong Ice BathIce Bath

Không thực tế!

°C -100 -0 +0 100 MILLIVOLTS

0 -4.632 0.000 0.000 5.268 2 -4.550 -0.995 1.019 5.376

6 -4.876 -0.301 0.303 5.594

10 -5.036 -0.501 0.507 5.812

14 -5.194 -0.699 0.711 6.031

T = 110°CT = 110°C



Measure

ReferenceJunction

Iron

Constantan

+

_

Transmitter

T2 = 110°C

4.186 mV

Đâu là nút giao bù?– Mạch điện

» đi thông qua 1 nhiệt điện trở

Thực tế!

T = 80°CT = 80°C Connection Head

Dây mở rộng

Vi dụ: nhiệt độMôi trường 30°C

°C -100 -0 +0 100 MILLIVOLTS

0 -4.632 0.000 0.000 5.268 10 -5.036 -0.501 0.507 5.812

30 -5.801 -1.481 1.536 6.907

60 -6.821 -2.892 3.115 8.560

80 -7.402 -3.785 4.186 9.667

+1.536 mV

= 5.722 mV» 110°C



Một số hình ảnh




Type Composition Range Good for Not recommended for

Cost Sensitivity

K Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)

−200 °C to 1200 °C Oxidizing or neutral applications Use under 540ºC Low 41 µV/°C

E Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy)

−200 °C to 900 °C Oxidizing or inert applications

Low 68 µV/°C

J Iron / Constantan −40 °C to 750 °C Vacuum, reducing, or inert apps

Oxidizing or humid environments

Low 52 µV/°C

N Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy)

−270 °C to 1300 °C Oxidizing or neutral applications

Low 39 µV/°C

T Copper / Constantan −200 °C to 350 °C Oxidizing, reducing or inert apps

Wet or humid environments

Low 43 µV/°C

R Platinum /Platinum with 13% Rhodium

0 °C to 1600 °C High temperatures Shock or vibrating equipment

High 10µV/°C

S Platinum /Platinum with 10% Rhodium


High 10µV/°C

B Platinum-Rhodium /

Pt-Rh


High 10µV/°C

Các loại cặp nhiệt điện


Type JIron / Constantan

• White, Red• 0 to 760 °C• Đát nhất

Types of Thermocouple

Type K– Chromel / Alumel

» Yellow, Red» 0 to 1150 °C» Tuyến tính nhất

Type T– Copper /

Constantan» Blue, Red» -180 to 371 °C» Cao khả năng

chống ăn mòn từ độ ẩm

+ -

+ -

+ -



Type B– Pt, 6% Rh / Pt, 30% Rh

» 38 to 1800 °C

Type S– Pt, 10% Rh / Pt

» -50 to 1540oC

Type R– Pt, 13% Rh / Pt

» -50 to 1540 °C

– Nhiệt độ cao– Tiêu chuẩn công nghiệp / phòng

thí nghiệm– Sản lượng EMF thấp!– (Không phải rất nhạy cảm)– Đắt!

Other Types



nhiệt độ chi phí

Tại sao phải dung loại khác

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 250 500 750 1000 1250

Type E

Type KType J

Type T

mức tín hiệu Tuyến tính của phạm

vi

Mil

livo

lts

Temperature (C)

Type JType R



Grounded• cải thiện tính dẫn nhiệt• thời gian đáp ứng nhanh nhất• nhạy cảm với tiếng ồn điện

Ungrounded• thời gian đáp ứng hơi chậm• không nhạy cảm với tiếng ồn điện

Single Grounded

Dual Grounded

Single Ungrounded

Cấu hình nút giao nóng



Không cách li• các nút giao ở cùng một nhiệt độ• cả hai nút giao thường sẽ thất bại cùng một lúc

Cách li• nút giao có thể / có thể không có một nhiệt độ như nhau• tăng độ tin cậy cho mỗi giao lộ• thất bại của một giao lộ không ảnh hưởng đến người khác

Cấu hình nút giao nóng

Dual Ungrounded, Un-isolated

Dual Ungrounded,

Isolated




Công thức tínhĐiện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện được cho bởi công thức

V = S * ΔTTrong đó:

• V: Điện áp đo được (V)

• S: Hệ số Seebeck (V/0C)

• ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nối

Do đó, nhiệt độ cần đo được tính theo công thức

T= Ttham chiếu + V/S (°C)



Đặc tính



Các kiểu đầu dò của cặp nhiệt điện:

-Đơn giản nhất

- Nhỏ gọn, đáp ứng nhanh

-Dùng đo nhiệt độ chất khí

-Đầu đo được đặt trong ống kim loại (inox hoặc hợp kim)

- Đo được nhiệt độ cao, nhiều môi trường vật chất

-Đầu đo được làm bằng vật liệu dẻo, dễ uốn

-Dùng đo nhiệt độ bề mặt vật liệu


http://www.omega.com/ppt/pptsc_lg.asp?ref=88000_block&Nav=

CÁC VẤN ĐỀ KHI DÙNG CẶP NHIỆT



Kết nối

Không kết nối!

Tất cả các phần mở rộng dây dẫn cặp nhiệt điện phải được với cùng một loại dây!

1 kết nối nóng được tạo ra không tốt.

Không thể sử dụng dây đồng để mở rộng! T / C dây là tốn kém hơn để chạy và khó khăn hơn

nhiều để cài đặt!



Lựa chọn cặp nhiệt điện




Thuận lợiCấu tạo đơn giản, chịu được va đập

Khoảng đo nhiệt độ rộng

Rẻ tiền

Đáp ứng nhanh

Đa dạng

Khó khănPhi tuyến

Ít ổn định

Điện áp thấp

Cần điểm tham chiếu



Ứng dụngDùng đo nhiệt độ trong các lò luyện gang, thép

Đo nhiệt độ khí thải


6. Nhiệt kế hồng ngoại

Cấu tạo:

Hoạt động:Mọi vật thể đều phát ra năng lượng hồng ngoại khi ở nhiệt độ trên điểm không tuyệt đối (0 K).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.



Các thông số cần quan tâmKhoảng đo

Kích thước vật đo

Khoảng cách đo

Đối tượng di chuyển hay cố định



Ưu điểm:Đo nhiệt độ ở những nơi khó dùng cảm biến tiếp xúc

Không bị hao mòn, ma sát làm việc được lâu hơn

Nhược điểm:Bị ảnh hưởng bởi các bức xạ hồng ngoại khác



Ứng dụng:


Phát sóng điện từ

Truyền nhiệt (năng lượng) dưới dạng sóng điện từ

phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất vật


Hấp thụ hoàn toàn năng lượng của mọi bức xạ ở các bước sóng khác nhau

Năng suất phát xạ lớn hơn vật đen không hoàn toàn ở cùng nhiệt độ và bước sóng


Đối với vật đen tuyệt đối nhiệt độ đo được là nhiệt độ thực

Đối với vật không đen nhiệt độ đo được là nhiệt độ chói


Cảm Biến Quang Học

Đo nhiệt độ không tiếp xúc

Dựa vào sự bức xạ của vật


Hỏa kế bức xạ toàn phần

Hỏa kế quang học


mạch điện từ và quang học

Đo năng lượng bức xạ

Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc

Độ chính xác không cao, đắt tiền


- 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.


E: Năng lượng bức xạ toàn phần

σ :hằng số stefan ~ 5.6687*10-8

T:Nhiệt độ tuyệt đối của vật đen

AL

G

B

k


. Hoả kế bức xạ toàn phần

Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật.E = σT 4Trong đó: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối (K).Thông thường có hai loại: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ, hoả kế bức xạ có kính phản xạ.


1 2 4

5 5

4 3

a)

1

b)

Hình 3.21 Hoả kế bức xạ toàn phầna) Lõi có ống kính hội tụ b) Lõi có kính phản xạ

1) Nguồn bức xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ4) Bộ phận thu năng lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp


Trong sơ đồ hình (3.21a): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính hội tụ (2) đập tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5).

Trong sơ đồ hình (3.21b): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5).

Bộ phận thu năng lượng có thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu:

+ Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ 100 - 150oC.+ Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây.+ Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đo.


Trên hình 3.22 trình bày cấu tạo của một bộ thu là tổ hợp của cặp nhiệt.

Các cặp nhiệt (1) thường dùng

cặp crômen/côben mắc nối tiếp với nhau.

• Các vệt đen (2) phủ bằng

bột platin.


Hoả kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp (~ 10%), hoả kế dùng thấu kính hội tụ có thể tổn thất tới 30 – 40%. Tuy nhiên loại thứ nhất có nhược điểm là khi môi trường nhiều bụi , gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó tăng sai số.


Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt quá 27oC, trong

điều kiện:

+ Vật đo phải có độ đen xấp xỉ bằng 1.

+ Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn

1/16.

+ Nhiệt độ môi trường 20 ± 2oC.


Hoả kế quang điện

Hoả kế quang điện chế tạo dựa trên định luật Plăng


Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang học là so sánh cường độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng. Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau.


Từ hình 3.24 ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị, do đó ngừi ta thường cố định bước sóng ở 0.65μm.


Khi đó, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sáng đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo.

Sai số khi đó:

Sai số do độ đen của vật đo ε < 1. Khi đó Tđo xác định bởi công thức:


Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ΔT

Giá trị của ΔT cho theo đồ thị.

Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ. Khi môi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng .


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 ).


Vật đo có độ đen ~ 1

tỉ lệ D/L > 1/16

Nhiệt độ môi trường 20C


Tdo=Tdoc + ΔT


chương 4 cảm biến đo nhiệt độ

Documents