Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 2 - ThS. Trần Văn Lợi

Chương 2<br /> CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ<br /> Đại lượng vật lý nhiệt độ luôn tồn tại và hiện diện xung quanh ta. Ngày nay việc đo, kiểm<br /> soát và điều khiển nhiệt độ không thể thiếu trong dân dụng và công nghiệp. Nhiệt điện trở là loại<br /> cảm biến được phát hiện do Humphry (năm 1828), ông ta nhận thấy điện trở của một số kim loại<br /> thay đổi theo nhiệt độ và Wiliam Siemens là người đầu tiên sử dụng nhiệt kế điện trở (1871) từ<br /> đó nhiệt điện trở được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ và các đại lượng khác.<br /> Tùy vào tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chảy qua, người ta phân thành nhiệt điện<br /> trở bị đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng.<br /> §<br /> <br /> Nhiệt điện trở không đốt nóng: dòng điện chảy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ của<br /> cảm biến, do đó dạng này thường dùng đo nhiệt độ môi trường.<br /> <br /> §<br /> <br /> Nhiệt điện trở đốt nóng: dòng điện qua cảm biến có giá trị số lớn làm cho nhiệt độ<br /> của bản thân lớn hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh. Sự trao đổi nhiệt giữa điện<br /> trở và môi trường xung quanh do đối lưu, nhiệt dẫn hoặc bức xạ (sự trao đổi nhiệt này<br /> phụ thuộc vào các yếu tố kích thước hình học, trạng thái bề mặt, tính chất vật lý...).<br /> Nhiệt điện trở loại này thường ứng dụng đo các đại lượng vật lý như tốc độ của lưu<br /> chất, nồng độ và mật độ chất khí....<br /> <br /> §<br /> <br /> Ngoài hai cách phân loại trên, cảm biến nhiệt điện trở còn phân loại theo cấu trúc của<br /> vật liệu như nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn.<br /> <br /> Trong quá trình điều khiển các hệ thống tự động có liên quan đến nhiệt năng, chúng ta<br /> thường sử dụng đến các loại cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ thực của đối tượng cần được<br /> kiểm sóat trong hệ thống. Các dạng cảm biến nhiệt thường được sử dụng trong công nghiệp<br /> thuộc một trong các loại sau:<br /> §<br /> <br /> Nhiệt điện trở kim loại (RTD: Resistance-Temperature Detectors) là cảm biến<br /> dạng phát hiện sự thay đổi nhiệt độ trung gian qua sự thay đổi điện trở của kim loại.<br /> <br /> §<br /> <br /> Nhiệt điện trở bán dẫn (Themistor) là loại cảm biến đo lường nhiệt độ thông qua<br /> sự thay đổi điện trở của vật liệu bán dẫn.<br /> <br /> §<br /> <br /> Nhiệt điện trở cặp nhiệt điện (Thermocouple) là loại cảm biến dùng đo lường<br /> nhiệt độ dựa trên các hiệu ứng Peltier, Thomson và Sheebek.<br /> <br /> §<br /> <br /> Một số dạng chuyên dụng khác: đo nhiệt độ từ xa, các IC nhiệt….<br /> <br /> 2.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘ<br /> Nhiệt độ là đại lượng đo cơ bản cùng với chiều dài, thời gian và khối lượng. Đơn vị đo nhiệt độ là<br /> Celsius (0C), Kelvin (0K) và Fahrenheit (0F). Mối liên hệ giữa các thang đo nhiệt độ thể hiện hình 2.1<br /> BOILING POINT<br /> <br /> 373<br /> <br /> 100°<br /> <br /> 672<br /> <br /> 212°<br /> <br /> 273<br /> <br /> 0°<br /> <br /> 492<br /> <br /> 32°<br /> <br /> 0<br /> <br /> -273°<br /> <br /> OF WATER<br /> <br /> ICE POINT<br /> <br /> ABSOLUTE ZERO<br /> <br /> kELVIN CELSIUS<br /> <br /> 0<br /> <br /> -460°<br /> <br /> RANKINE FAHRENHEIT<br /> <br /> Hình 2.1<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 10<br /> <br /> Công thức chuyển đổi thang đo nhiệt độ:<br /> °C = 5/9 (°F - 32 )<br /> °F = 9/5 (°C) + 32<br /> 0<br /> <br /> K = 273 +°C<br /> <br /> 0<br /> <br /> R = 460 + °F<br /> <br /> 2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI:<br /> Nhiệt điện trở kim loại thường gọi là RTD (Resistance Temperature Detector) cấu tạo<br /> bằng dây kim loại hoặc màng mỏng (hình 2.2) như platinum, nickel, đồng, vonfram,... dựa trên<br /> nguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ. Để giảm tổn hao do nhiệt dẫn, chiều dài<br /> của dây cần lớn hơn đường kính dây gấp nhiều lần (hơn 200 lần) thông thường đường kính dây<br /> thay đổi từ 0,02÷0,06mm.<br /> Platinum<br /> resistance changes<br /> with temperature<br /> Thin-film sensing element<br /> <br /> Wire-wound sensing element<br /> <br /> Rosemount’s<br /> Series 78, 88<br /> <br /> Two common types of RTD elements<br /> <br /> Rosemount’s<br /> Series 68, 58<br /> Series 65<br /> <br /> Hình 2.2<br /> <br /> Chiều dài l dây từ 5÷1000mm, điện trở dây từ vài chục ôm đến hàng nghìn ôm. Vật liệu<br /> cần chế tạo có hệ số nhiệt độ (a) lớn, bền hóa học với tác dụng của môi trường. Điện trở suất<br /> (ρ) lớn và chịu nhiệt độ cao.<br /> Để có độ nhạy cao, điện trở phải lớn. Muốn vậy phải:<br /> §<br /> <br /> Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế vì tiết diện càng nhỏ dây càng dễ dứt.<br /> <br /> §<br /> <br /> Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị giới hạn vì tăng chiều dài làm tăng kích thước<br /> của điện trở.<br /> <br /> Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống va chạm và rung<br /> động, điện trở được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm đặt trong vỏ bọc bằng thép (hình 2.3).<br /> Kích thước và hình dạng lớp vỏ kim loại dưới dạng thanh hình trụ: đường kính của các thanh kim lọai<br /> này tuân theo tiêu chuẩn định trước: 3, 4, 5, 6, 8, 10 và 15 mm; và bề dài thỏa tiêu chuẩn: 250, 300,<br /> 500, 750 và 1000 mm. Với RTD dùng điện trở dây quấn, dữ liệu ghi nhận chính xác hơn do lớp kim<br /> loại bao bọc che chở bên ngoài và dây quấn rất ít thay đổi độ dài trong qua trình họat động. Điện trở<br /> màng là điện trở tạo nên do lớp kim loại<br /> được in lụa hay sơn phủ trong chân<br /> không lên tấm bảng bằng ceramic hoặc<br /> thủy tinh. Điện trở màng có tính chính<br /> xác kém hơn điện trở dây quấn, nhưng<br /> có lợi điểm nhỏ gọn và giá thành thấp<br /> hơn.<br /> Thường các RTD có giá trị<br /> điện trở là 100Ω ở 00C. Trên thực tế<br /> các sản phẩm thương mại có điện trở ở<br /> 00C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Hình 2.3<br /> Trang 11<br /> <br /> có trị số lớn thường dùng đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó cho phép đo với độ nhạy tốt.<br /> <br /> 2.2.1 Nhiệt điện trở Đồng:<br /> Là loại cảm biến nhiệt độ được chế tạo bằng dây đồng. Dải làm việc của nhiệt điện trở đồng từ<br /> 500C ÷ 1800C. Phương trình biểu diễn quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ:<br /> Rt = R0 (1 + at )<br /> <br /> (2.1)<br /> <br /> Trong đó: α- hệ số nhiệt độ. α=3,9.10-3 1/0C trong khoảng nhiệt độ từ 00C ÷ 1000C; t- nhiệt độ;<br /> R0- điện trở tại 00C<br /> <br /> Hình 2.4<br /> 2.2.2 Nhiệt điện trở Niken:<br /> Là loại cảm biến nhiệt độ có dải làm việc cao hơn đồng từ 1950C ÷ 2600C.<br /> Niken có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin. Điện trở niken ở 1000C gấp 1,617 lần<br /> ở 00C, đối với platin chỉ bằng 1,385. Tuy nhiên, niken dễ bị oxy hóa khi nhiệt độ tăng do đó<br /> dải nhiệt bị giới hạn dưới 2500C.<br /> Ưu điểm của niken là điện trở suất cao (gấp 5 lần đồng). Trong khoảng nhiệt độ từ 00C ÷<br /> 1000C có αNi=4,7.10-3 1/0C.<br /> Do có hệ số nhiệt độ lớn cho phép chế tạo được cảm biến có kích thước nhỏ.<br /> 2.2.3 Nhiệt điện trở Platin:<br /> Platin được chế tạo với độ tinh khiết cao nhằm tăng độ chính xác của đặc tính điện. Platin trơ<br /> về hóa học và ổn định về tinh thể cho phép hoạt động tốt trong dải nhiệt rộng từ: -2000C ÷<br /> 10000C. Phương trình đặc trưng cho quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là:<br /> Rt = R0 (1 + at + bt 2 + c (t - 100)3 )<br /> <br /> (2.2)<br /> <br /> Rt = R0 (1 + at + b t 2 )<br /> <br /> (2.3)<br /> <br /> Công thức (2.2) dùng trong cho t0<br /> Trong thực tế người ta thường sử dụng nhiệt điện trở Platin được chế tạo dưới dạng chuẩn<br /> Pt100 để làm cảm biến đo nhiệt độ từ 00C ÷ 1000C. Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ có đặc<br /> tuyến gần như tuyến tính:<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 12<br /> <br /> Rt = R0 (1 + at )<br /> <br /> (2.4)<br /> <br /> Với α≈ 4,3.10-3 1/0C<br /> Các cấp sai số cho phép của RTD được trình bày trong bảng 2.1 sau đây:<br /> BẢNG 2.1: SAI SỐ CHO PHÉP CỦA RTD PLATINUM THEO CÁC CẤP A, B, C, D:<br /> CẤP SAI SỐ<br /> <br /> BIỂU THỨC XÁC ĐỊNH SAI SỐ<br /> <br /> A<br /> <br /> ± (0,15 + 0,002. t )<br /> <br /> B<br /> <br /> ± (0,30 + 0,005 . t )<br /> <br /> § |t| là giá trị tuyệt đối của nhiệt<br /> độ tại giá trị đo được.<br /> <br /> C<br /> <br /> ± (0,40 + 0,009. t )<br /> <br /> § Giá trị của sai số và nhiệt độ t<br /> tính theo độ 0C.<br /> <br /> D<br /> <br /> ± (0,60 + 0,0018. t )<br /> <br /> GHI CHÚ<br /> <br /> Ngoại trừ các thông số vừa nêu trên, theo tiêu chuẩn IEC751 RTD còn có các đặc tính khác như:<br /> điện trở cách điện, khả năng chịu đựng đối với môi trường, hiệu ứng nhiệt điện, chấn động... Một<br /> vài đặc tính được trình bày như sau:<br /> Hiệu ứng nhiệt điện: RTD thường được tạo thành từ hai kim lọai: phần tử cảm biến làm<br /> bằng Platinum và các đầu ra làm bằng đồng (cấu tạo này có tác động tương tự như<br /> thermocouple). Với độ chênh lệch nhiệt độ đặt trên phần tử, điện áp sinh ra do hiệu ứng nhiệt<br /> điện có giá trị bằng 7mV/ oC. Hiệu ứng này thực sự chỉ cần đến với các phép đo lường chính xác<br /> cao tại các dòng điện kích thích có giá trị rất thấp.<br /> Dòng điện đo lường: Giá trị dòng điện đo lường trong phạm vi từ: 1, 2 và 5 mA; tuy<br /> nhiên giá trị 5mA không cho phép xãy ra trên RTD cấp A<br /> Các đầu dây ra trên RTD: có thể thuộc 1<br /> trong 3 dạng sau: 2 , 3 hay 4 đầu dây. Theo<br /> tiêu chuẩn IEC751 tại mỗi đầu của RTD cho<br /> phép ra 2 dây, các dây này phải có code màu<br /> giống nhau. Code màu thường dùng cho các<br /> đầu ra RTD là : đỏ và trắng, xem hình 2.5.<br /> Ký hiệu ghi trên cảm biến: Theo tiêu chuẩn<br /> IEC751 trên RTD cho phép ghi: giá trị định<br /> mức Ro; cấp sai số, cấu hình của các đầu dây ra, dãy nhiệt độ làm việc cho phép.<br /> Hình 2.5<br /> <br /> Ví dụ trên cảm biến ghi: Pt 100 /A /3 /-100 /+200 . Ý nghĩa của các ký hiệu được hiểu như sau:<br /> Pt : RTD là loại Platinum<br /> 100: Điện trở định mức của RTD ở 0oC là Ro = 100 W.<br /> A: Cấp sai số là cấp A.<br /> 3: RTD có 3 đầu ra dây.<br /> -100/+200: Dãy nhiệt độ làm việc: từ -100oC đến 200oC.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 13<br /> <br /> Bảng 2.2 : Bảng tóm tắt đặc tính của một số RTD của các nhà sản xuất sau:<br /> MẢ SỐ<br /> CẢM<br /> BIẾN<br /> <br /> NHÀ<br /> <br /> THÔNG SỐ<br /> <br /> SẢN-XUẤT<br /> <br /> NGÕ RA<br /> <br /> TD4A<br /> HONEYWELL<br /> <br /> TO92<br /> <br /> (1854W tại 0 C)<br /> <br /> (-40 C ¸150 C)<br /> <br /> hay trong<br /> ống<br /> <br /> 1KW đến 2KW tại<br /> 25oC<br /> <br /> TD5A<br /> <br /> ± 6oC ¸ ± 12oC<br /> <br /> SOD-70<br /> <br /> o<br /> <br /> KTY81<br /> KTY82<br /> KTY83<br /> <br /> KIỂU VỎ<br /> <br /> ± 2,5oC<br /> <br /> 8W/ oC<br /> <br /> DÃY SAI SỐ<br /> <br /> o<br /> <br /> o<br /> <br /> SOT-23<br /> <br /> PHILIPS<br /> (+ 0,8% / C)<br /> <br /> (-55oC ¸ 150oC có<br /> thể đến 300oC)<br /> <br /> 1KW đến 2KW<br /> <br /> KTY84<br /> <br /> SOD-68<br /> SOD-80<br /> <br /> KTY85<br /> <br /> KYY11<br /> <br /> SIEMENS<br /> <br /> Điện trở màng kim<br /> lọai trên silicon<br /> <br /> Điện trở silicon dạng<br /> khối (bulb). Dòng kích<br /> thích duy trì trong<br /> phạm vi lớn hơn<br /> 0,1mA và nhỏ hơn<br /> 1mA<br /> <br /> ± 1oC và ± 3,5oC<br /> <br /> o<br /> <br /> KYY10<br /> <br /> YÊU CẦU<br /> <br /> tại 25oC<br /> <br /> TO92<br /> <br /> KYY13<br /> <br /> (+ 0,8% / oC)<br /> <br /> (-55oC ¸150oC)<br /> <br /> 32208243<br /> <br /> Như Pt100 và<br /> Pt1000<br /> <br /> ±1oC<br /> <br /> 1206SMD<br /> <br /> (-50oC ¸ 130oC)<br /> <br /> SOT223<br /> <br /> Điện trở silicon dạng<br /> khối (bulb).<br /> <br /> 32209115<br /> HERAEUS<br /> HA421<br /> HA2421<br /> <br /> Pt200 tại 25oC<br /> <br /> ± 4,5oC ¸ ± 15oC<br /> (-70 C ¸1000 C)<br /> o<br /> <br /> o<br /> <br /> Thanh<br /> <br /> RTD có phủ mặt<br /> Áp dụng trong công<br /> nghiệp auto<br /> <br /> Trong ứng dụng người ta thường sử dụng nguồn dòng 1mA để cung cấp cho RTD:<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 14<br /> <br />