chuong 3 cam bien do nhiet do

Wednesday, April 12, 2023 1

III. Cảm biến đo nhiệt độIII. Cảm biến đo nhiệt độ

1. Tổng quan

2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

3. Nhiệt điện trở (RTD)

4. Themistor

5. IC đo nhiệt độ

6. Nhiệt kế hồng ngoại


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



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


2. Cặp nhiệt điện

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



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=



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


3. 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



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

Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ



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



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


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


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 RTD


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

Đo nhiệt độ Điều khiển

Đo mức chất lỏng


4. Thermistors

Bù nhiệt độ


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



Ngõ ra điện áp

Ngõ ra dòng điện

Ngõ ra so sánh

Một số IC khác


5.1 Ngõ ra áp

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


5.1 Ngõ ra áp

LM35/LM45Đo nhiệt độ dưới 0 oC


5.1 Ngõ ra áp

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)


5.1 Ngõ ra áp

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


5.2 Ngõ ra dòng (LM134, LM234, LM334)

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


5.3 Ngõ ra so sánh

LM 26/LM271 ngõ ra tương tự

1 ngõ ra so sánh


5.3 Ngõ ra so sánh

LM 561 ngõ ra tương tự

2 ngõ ra so sánh


5.4 Một số IC khác

LM73/LM74/LM95071/ …

LM 86/LM89/LM90/ …



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



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:

chuong 3 cam bien do nhiet do

Education