Đo lường - cảm biến
Cảm biến đo nhiệt độ
Các loại cảm biến thông dụng
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ:
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.
Đo lường – Cảm biến
Các loại cảm biến nhiệt độ
RTD (Resistance Temperature Detector) Thermistor Thermocouples Bán dẫn Hồng ngoại
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: RTD
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.
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: RTD
Ưu điểm
Nhược điểm
• Hoạt động ổn định • Độ chính xác cao • Có khả năng chống bụi,
• Giá thành cao • Thời gian đáp ứng chậm • Độ nhạy thấp khi nhiệt độ
chống ăn mòn cao
thay đổi ít
• Nhạy cảm với rung sốc • Cần hiệu chỉnh nếu sử dụng ngoài tầm nhiệt độ định mức
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: RTD
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: RTD
Đo lường – Cảm biến
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu)
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.
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu) Nhược điểm
Ưu điểm
Độ ổn định kém Ít nhạy cảm với sự thay đổi
nhỏ của nhiệt độ
Đơn giản Khả năng đo nhiệt độ cao Giá thành thấp Đáp ứng nhanh đối với sự
thay đổi nhiệt độ
Dây dẫn nối dài phải dùng cùng loại thermocouple Dây dẫn có thể bị nhiễu nếu không bọc giáp chống nhiễu
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
Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở)
• 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)).
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở)
Nhược điểm
• Tầm đo bị giới hạn • Dễ vỡ • Phải hiệu chỉnh nếu
Ưu điểm • Có độ nhạy cao đối với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ • Ổn định cao • Có thể dùng dây nối
dùng ngoài tầm đô định mức
bằng đồng hoặc nickel
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở)
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ
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
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến hồng ngoại
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến hồng ngoại
Nhược điểm • Giá thành cao • Mạch điện tử giao tiếp phức
tạp
• Chịu ảnh hưởng của bụi,
Ưu điểm • Cảm biến không tiếp xúc • Đáp ứng nhanh hơn hoặc bằng với thermocouples • Không ảnh hưởng bởi quá trình ăn mòn hoặc oxy hóa
khói, bức xạ môi trường,…
• Ổn định
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến nhiệt độ: Bán dẫn
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.
Đo lường – Cảm biến
Thí nghiệm đo nhiệt độ dùng thermocouples, RTD, thermistor
Temperature Thermocouple Thermistor RTD
(degrees Celsius) (mille-Volts) (kilo-ohms) (ohms)
108.00 -0.10 105.60 19
108.40 -0.10 99.80 20
108.70 0.00 94.20 21
109.00 0.00 88.20 22
109.50 0.00 83.80 23
110.00 0.10 79.70 24
110.40 0.10 75.90 25
110.90 0.10 73.30 26
111.30 0.20 70.00 27
111.50 0.20 68.40 28
112.00 0.30 63.40 29
112.90 0.40 60.50 30
113.20 0.50 54.80 32
114.10 0.70 49.20 34
114.80 45.50 36 0.70 Đo lường – Cảm biến
Thí nghiệm đo nhiệt độ dùng thermocouples, RTD, thermistor
RTD
Thermocouple
3.50
135.00
3.00
130.00
)
2.50
)
Ω
125.00
V m
2.00
120.00
( e c n a
1.50
t s
115.00
i
1.00
( e g a t l o V
110.00
s e R
0.50
105.00
0.00
100.00
-0.50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperature (∘C)
Temperature (∘C)
Thermistor
120.00
100.00
)
Ω K
80.00
60.00
i
40.00
( e c n a t s s e R
20.00
0.00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperature (∘C)
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
