Bài giảng Cảm biến đo nhiệt độ

Seminar: GVHD: Lê Ngọc Đình SVTH: Nguyễn Minh Trung K0503200 MỤC LỤC: TỔNG QUAN RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS_RTDs THERMALLY SENSITIVE RESISTOR/THERMISTOR THERMOCOUPLE NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI  CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ Nhieät ñoä laø ñaïi löôïng vaät lyù khoâng theå ño tröïc tieáp ñöôïc,nhöng coù theå xaùc ñònh ñöôïc thoâng qua söï thay ñoåi cuûa caùc ñaïi löôïng phuï thuoäc( ñieän trôû,söï giaûn nôû). ÑÔN VÒ ÑO NHIEÄT ÑOÄ : Thang đo Celsius Thang đo Kelvin: Thang đo Fahren: Thang đo nhiệt độ chuẩn : -182,97 °C : cân bằng khí _lỏng - oxygène; 0,00 °C: cân bằng rắn_ lỏng – nước; 0,01 °C: điểm thử của nước; 100,00 °C: cân bằng lỏng_ rắn – nước; 419,58 °C: cân bằng rắn lỏng –kẻm ; 444,67 °C: cân bằng khí_ lỏng – lưu huỳnh; 961,62 °C: cân bằng rắn _lỏng- bạc; 1064,43 °C: cân bằng rắn lỏng- vàng. CÁC PHUƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ : Đo nhiệt độ trực tiếp: Cặp nhiệt điện (Thermocouple). Nhiệt điện trở kim loại/ nhiệt điện trở dương (Resistance Temperature Detectors-RTDs). Nhiệt điện trở bán dẫn/ nhiệt điện trở âm (Thermally Sensitive Resistor/Thermistor) Đo nhiệt độ gián tiếp: Nhiệt kế hồng ngoại RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS_RTDs : Nguyên lý :điện trở vật dẫn thay đổi theo nhiệt độ: l : chiều dài dây dẫn [m] A : tiết diện dây dẫn [m2] Ρ : điện trở suất [Ωm] Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ gần như tuyến tính được biểu diễn theo phương trình: Ta có thể coi như đáp ứng này sẽ là tuyến tính trên một khoảng nhỏ nhiệt độ,.Công thức này có thể được viết lại: a, b, α : hằng số phụ thuộc kim loại RT: điện trở tại nhiệt độ cần đo T [°K] R0: điện trở tại nhiệt độ To[°K] RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS_RTDs : 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]: RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS_RTDs : Quan hệ điện trở_nhiệt độ : Nhiệt độ tăng thì điện trở tăng. Cấu tạo : Vật liệu chế tạo : Mạch điện ứng dụng : Mạch phân áp : Mạch điện ứng dụng : Mạch cầu Wheatsone : Khi cầu cân bằng : Vout = 0 : Mạch điện ứng dụng : Khi R1=R2=R4=Rg: Khi R3=Rg ±dR: THERMALLY SENSITIVE RESISTOR/THERMISTOR : Nguyên lý : Sö thay ñoåi cuûa baùn dẫn theo nhieät ñoä T, do soá luôïng caëp ñieän töû –loå troáng taêng laøm giaûm ñieän trôû : β: hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở RT: điện trở tại nhiệt độ cần đo T [°K] Ro: điện trở tại nhiệt độ To[°K] Đối với nhiệt độ lớn hơn thì ta phải dùng phương trình Steinhart-Hart: THERMALLY SENSITIVE RESISTOR/THERMISTOR : Quan hệ điện trở_nhiệt độ : Nhiệt dộ tăng thì điện trở giảm Cấu tạo : Thermistor là một thuật ngữ thông dụng của thermally sensitive resistor,đầu dò nhiệt của chúng là chất bán dẫn có α âm / dương .Những thiết bị này được cấu tạo bởi vật liệu sứ có tính chất dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ. NTC thermistor thường được làm từ những oxid của mangan,nickel,coban,sắt.Trong quá trình sản xuất thông thường,trước hết,một hỗn hợp hai hay ba loại oxid được gắn kết với nhau nhờ chất gắn kết thích hợp và được đúc theo những hình dạng mong muốn.Với những chất oxid khác nhau,tỷ lệ pha trộn khác nhau thì ta sẽ có sản phẩm khác nhau mang tính chất ta muốn có. Mạch điện ứng dụng : Tuyến tính hóa thermistor: Sử dụng mạch analog: mạch xấp xỉ tuyến tính_piecewise; mạch chuyển đổi điện áp thành tần số; mạch logarit; mạch chuyển đổi nhiệt độ thành tần số…… Sử dụng kỹ thuật số tuyến tính hóa trong miền tần số. Thay đổi mạch của transducer : mạch cầu Wheatstone; gắn trở song song. Thông thường điện trở song song được tính theo công thức : THERMOCOUPLE: Hiệu ứng Peltier: ở chỗ tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng cùng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc .Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ: THERMOCOUPLE: Định luật Volta : trong một chuỗi cách nhiệt được cấu thành từ những vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0. VD : trong một chuỗi gồm bốn vật dẫn A B C D mắc nối tiếp , tổng suất điện động sẽ bằng 0: THERMOCOUPLE:  khi hai vật dẫn A và C được phân cách bởi các vật dẫn trung gian và toàn hệ là đẳng nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và C ở đầu mút cũng chính bằng hiệu điện thế nếu như chúng (A và C) tiếp xúc trực tiếp với nhau. THERMOCOUPLE: Hiệu ứng Thomson: trong một vật dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động . Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ TM, TN của hai điểm M và N. THERMOCOUPLE: Hiệu ứng seebeck: giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A B và hai chuyển tiếp của chúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2, khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson.Suất điện động đó gọi là suất điện động Seebeck. THERMOCOUPLE: Suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và a lần lược bằng: THERMOCOUPLE: Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động thành phần Peltier và Thomson ở trên: Nếu chọn T1 là nhiệt độ so sánh và lấy T1 = 0 °C, khi đó đối với một cặp vật dẫn A B cho trước, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2. THERMOCOUPLE: Nguyên lý :Hai vaät lieäu daãn ñieän khaùc nhau ñöôïc noái nhau taïo thaønh 2 moái noái,khi coù söï cheânh leäch nhieät ñoä giöõa chuùng seõ töï sinh ra söùc ñieän ñoäng. THERMOCOUPLE: Do bôûi söùc ñieän ñoäng chæ phuï thuoäc vaøo söï cheânh leäch nhieät ñoä giöõa hai moái noái, caàn phaûi bieát ñöôïc ít nhaát nhieät ñoâ cuûa 1 trong 2, môùi xaùc ñònh ñöôïc nhieät ñoä moái noái coøn laïi. Nhieät ñoä cuûa moái noái ñaõ bieát goïi laø nhieät ñoä chuẩn.  Độ nhạy nhiệt (hay còn gọi là năng suất nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ Tc được xác định: Đặc trưng cặp nhiệt : Cấu tạo : Bảng dưới đây liệt kê một số loại cặp nhiệt điện thường gặp: Mạch điện ứng dụng : Suất điện động Seebeck đo được giữa hai đầu của cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo.Người ta thường áp dụng hai phương pháp đo suất điện động: Sử dụng milivôn kế có điện trở trong rất lớn để giảm sụt thế trên dây dẫn. Sử dụng phương pháp xung đối để dòng chạy qua cặp nhiệt bằng không. Mạch điện ứng dụng : Caùc caùch boå chính caëp nhieät : Ñeå baûo ñaõm vieäc ño luoân chính xaùc, coù 2 caùch boå chính cho nhieät ñoä moái noái: Boå chính baèng phaàn cứng : Mạch điện ứng dụng : Boå chính baèng phaàn meàm :đo nhieät ñoä khoái ñẳng nhieät baèng caûm bieán nhieät khaùc nhö RTD : Ño ñieän trôû RTD ñeå coù TREF Töø TREF xaùc ñònh aùp VREF Ño VM vaø tröø Vref coù V1 Töø V1 xaùc ñònh T1 NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI : Nhiệt kế hồng ngọai (IRT) cơ bản gồm có 4 thành phần: Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom năng lượng phát ra từ bia (target) Cảm biến có tác dụng chuyển đổi năng lượng sang tín hiệu điện Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngọai với chỉ số bức xạ của vật thể được đo. NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI : Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bên trong thiết bị không bị truyền đến ngõ ra. NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI : Màng nhĩ phát ra năng lương hồng ngọai. Bộ vi xử lý sẽ điều khiển việc điều chỉnh độ nhạy và bù nhiệt, và tiến hành tính toán nhiệt độ bệnh nhân theo phương trình : NHIỆT KẾ HỒNG NGOẠI : Cảm biến môi trường là một nhiệt điện trở có tác dụng điều chỉnh cảm biến đo nhiệt độ (Ta). Cảm biến hồng ngọai là một cảm biến hỏa điện (pyroelectric sensor) theo sau là bộ chuyển đổi dòng sang áp