Bài giảng Đo lường - Cảm biến - Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ

Đo lường - cảm biến Cảm biến đo nhiệt độ Các loại cảm biến thông dụng Đo lường – Cảm biến Cảm biến nhiệt độ: Đo lường – Cảm biến 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 và chống ăn mòn tốt. RTD (Resistance Temperature Detector) Thermistor Thermocouples Bán dẫn Hồng ngoại Các loại cảm biến nhiệt độ Đo lường – Cảm biến  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. Cảm biến nhiệt độ: RTD Đo lường – Cảm biến • Hoạt động ổn định • Độ chính xác cao • Có khả năng chống bụi, chống ăn mòn cao • Giá thành cao • Thời gian đáp ứng chậm • 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 Ưu điểm Nhược điểm Cảm biến nhiệt độ: RTD Đo lường – Cảm biến Đo lường – Cảm biến Cảm biến nhiệt độ: RTD Đo lường – Cảm biến Cảm biến nhiệt độ: RTD Đo lường – Cảm biến  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. Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu) Đo lường – Cảm biến  Đơn giản  Khả năng đo nhiệt độ cao  Giá thành thấp  Đáp ứng nhanh đối với sự thay đổi nhiệt độ  Độ ổn định kém  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 Ưu điểm Nhược điểm Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu) Đo lường – Cảm biến Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu)  là hằng số Seebeck Volt kế sẽ đọc giá trị Gọi J2 là mối nối có nhiệt độ chuẩn, hai mối nối J1 và J2 đều là mối nối Cu-C, T có đơn vị 0C Nếu cho mối nối J2 ở nhiệt độ 00C Đo lường – Cảm biến Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu) Constantan: hợp kim của đồng và nickel Đo lường – Cảm biến Ví dụ Đo lường – Cảm biến • 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. • Có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (hệ số nhiệt âm, negative temperature coefficient (NTC)). Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở) Đo lường – Cảm biến • Có độ nhạy cao đối với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ • Ổn định cao • Có thể dùng dây nối bằng đồng hoặc nickel • Tầm đo bị giới hạn • Dễ vỡ • Phải hiệu chỉnh nếu dùng ngoài tầm đô định mức Ưu điểm Nhược điểm Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở) Đo lường – Cảm biến Đo lường – Cảm biến Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở) R – điện trở tại nhiệt độ T(K) R0 – điện trở tại nhiệt độ môi trường T0(K) B – hằng số beta của nhiệt điện trở Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến hồng ngoại Đo lường – Cảm biến • Cảm biến không tiếp xúc • Đáp ứng nhanh hơn hoặc bằng với thermocouples • Không ảnh hưởng bởi quá trình ăn mòn hoặc oxy hóa • Ổn định • Giá thành cao • Mạch điện tử giao tiếp phức tạp • Chịu ảnh hưởng của bụi, khói, bức xạ môi trường, Ưu điểm Nhược điểm Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến hồng ngoại Đo lường – Cảm biến 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. Cảm biến nhiệt độ: Bán dẫn Đo lường – Cảm biến Thí nghiệm đo nhiệt độ dùng thermocouples, RTD, thermistor Temperature Thermocouple RTD Thermistor (degrees Celsius) (mille-Volts) (ohms) (kilo-ohms) 19 -0.10 108.00 105.60 20 -0.10 108.40 99.80 21 0.00 108.70 94.20 22 0.00 109.00 88.20 23 0.00 109.50 83.80 24 0.10 110.00 79.70 25 0.10 110.40 75.90 26 0.10 110.90 73.30 27 0.20 111.30 70.00 28 0.20 111.50 68.40 29 0.30 112.00 63.40 30 0.40 112.90 60.50 32 0.50 113.20 54.80 34 0.70 114.10 49.20 36 0.70 114.80 45.50 Đo lường – Cảm biến Thermocouple -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature (∘C) V o lt a g e ( m V ) Thermistor 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature (∘C) R e s is ta n c e ( K Ω ) RTD 100.00 105.00 110.00 115.00 120.00 125.00 130.00 135.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature (∘C) R e s is ta n c e ( Ω ) Thí nghiệm đo nhiệt độ dùng thermocouples, RTD, thermistor Đo lường – Cảm biến Vòng kín điều khiển nhiệt độ Đo lường – Cảm biến Bài tập 1. Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng LM35 và giải thuật để đọc nhiệt độ bằng vi điều khiển 2. Như câu 1, dùng RTD 3. Như câu 1, dùng Thermistor (R0 = 1000 Ohm, B = 3068) 4. Như câu 1, dùng Thermocouples (loại J) Đo lường – Cảm biến