intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Cảm biến và đo lường - Chương 3:CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

334
lượt xem
120
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'cảm biến và đo lường - chương 3:cảm biến nhiệt độ', kỹ thuật - công nghệ, tự động hoá phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Cảm biến và đo lường - Chương 3:CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

  1. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Chương 3 : CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Trong các đ ại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số nhữ ng đại lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết đ ịnh trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong nhữ ng đặc điểm tác động củ a nhiệt độ là làm thay đổi mộ t cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng củ a nó, thí dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổ i pha hay điểm Curi củ a các vật liệu từ tính. Bởi vậ y, trong nghiên cứu khoa họ c, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt đ ộ là điều rất cần thiết. Có nhiều cách đo nhiệt đo: - Phương p háp qu ang d ựa trên sự p hân b ố p hổ bức xạ nhiệt d o d ao đ ộng nhiệt (hiệu ứng Doppler). - Phương p háp cơ dựa trên sự giản nở củ a vật rắn, lỏng ho ặc khí (với áp suất khô ng đổ i), hoặc dựa trên tố c đ ộ âm. - Phương p háp điện dựa trên sự p hụ thuộ c củ a đ iện trở vào nhiệt đ ộ (hiệu ứng S eebeck), ho ặc d ựa trên sự tha y đổ i tần số dao độ ng của thạch anh. I. THANG NHIỆT ĐỘ Thang nhiệt đ ộ tu yệt đố i được xác đ ịnh dự a trên tính chất củ a khí lý tưở ng. 1. Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối Thang Kelvin: đ ơn vị là K. Ngườ i ta gán nhiệt độ củ a điểm cân bằng củ a ba trạng thái nước – nước đ á – hơi mộ t giá trị số b ằng 273,1 5K. 2. Thang Celsius Đơn vị nhiệt đ ộ là (0 C). Qu an hệ giữa nhiệt đ ộ Celsiu s và nhiệt đ ộ Kelvin cho theo biểu thức: T (0 C) = T (K) – 273,15 3. Thang Fahrenheit Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F). Quan hệ giữa nhiệt đ ộ Celsius và Fahrenheit được cho bởi biểu thứ c: 5 T( 0 C)   T( 0 F)  32    9 9 T( 0 F)  T( 0 C)  32 5 Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chính là nhiệt độ của cảm biến, ký hiệu Tc. Tc phụ thuộ c vào nhiệt đ ộ môi trường Tx và sự trao đổ i nhiệt. Điều cần thiết là phải giảm hiệu số Tx – Tc, có 2 biện p háp: Tăng sự trao đ ổi nhiệt giữa cảm biến và môi trườ ng đo. - Giảm sự trao đổ i nhiệt giữa cảm b iến và môi trường b ên ngoài. - Trang III- 1
  2. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Để đo nhiệt độ củ a mộ t vật rắn, từ bề m ặt vật ngườ i ta khoan mộ t lỗ nhỏ vớ i đườn g kính r và độ sâu L để đ ưa cảm biến vào sâu trong vật rắn. Để tăng đ ộ chính xác, phải đ ảm bảo 2 điều kiện: - Chiều sâu lỗ khoan L ≥ 1 0r. - Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm b iến bằng cách giảm kho ảng cách giữa vỏ cảm b iến và t hành lỗ kho an, ho ặc lấp đầ y bằng mộ t vật liệu d ẫn nhiệt tốt. II. CẢ M BIẾN N HIỆT Đ IỆN TRỞ Ưu đ iểm của nhiệt đ iện trở là đơ n giản, độ nhạy cao, ổ n đ ịnh d ài hạn. Các nhiệt điện trở có thể chia thành 3 loại: đ iện trở kim lo ại, đ iện trở b án dẫn và nhiệt đ iện trở. 1. Nhiệt điện t rở kim loại Thường có dạng d â y ho ặc m àng mỏ ng kim lo ại có đ iện trở suất tha y đ ổ i nhiều theo nhiệt độ . Ngườ i ta thường làm đ iện trở b ằng p latin, niken, đ ôi khi cũ ng sử d ụng đồng và vonfram. - Platin đượ c chế tạo với đ ộ tinh k hiết cao nhằ m tăng độ chính xác của đ ặc tín h điện. Platin trơ về hóa họ c và ổ n đ ịnh về tinh thể cho p hép hoạt đ ộng tốt trong dải nhiệt rộ ng t ừ -200C ÷ 1000 C. - Niken có đ ộ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so vớ i p latin. Điện trở niken ở 10 0C gấp 1 ,617 lần ở 0C, đố i với platin chỉ b ằng 1,38 5. Tuy nhiên, niken dễ bị o xy hó a khi nhiệt đ ộ tăng d o đó dải nhiệt b ị giới hạn d ưới 250C. - Đồ ng được dử dụ ng trong một số trườ ng hợp vì sự thay đổ i điện trở theo nhiệt đ ộ có độ tu yến tính cao. Dải làm việc b ị hạn chế dưới 1 80 C. - Vonfram có đ ộ nhạ y nhiệt cao hơn p latin khi ở nhiệt đ ộ dưới 10 0C và có đ ộ tu yến tính cao hơ n, có thể sử d ụ ng ở nhiệt đ ộ cao hơn. Vonfram có thể chế tạo thành các sợi m ảnh. Tuy nhiên ứng suất tro ng vonfram (tạo ra trong quá trình kéo sợi) khó triệt tiêu nên điện trở vo nfram có độ ổ n đ ịnh nhỏ hơn đ iện trở p latin. Để có độ nhạy cao, đ iện trở p hải lớ n. Muố n vậ y p hải: - Giảm tiết d iện d ây, việc này b ị hạn chế vì tiết d iện càng nhỏ dâ y càng dễ d ứt. - Tăng chiều d ài dâ y, việc này cũng b ị giới hạn vì tăng chiều dài làm tăng kích thước củ a điện trở. Do đó các đ iện trở kim loại có giá trị R vào khoảng 100Ω ở 0oC. Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở ở 0 oC là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở có trị số lớ n thường dùng đo ở dải nhiệt đ ộ thấp, ở đó cho p hép đo với đ ộ nhạ y tốt. Để sử d ụng cho mục đ ích cô ng ngh iệp , nhiệt kế p hải có vỏ b ọc tốt chố ng va chạm và rung độ ng. Điện trở được cu ốn và b ao bọ c trong thủ y tinh ho ặc gốm đ ặt trong vỏ bọc b ằng thép. Minh họ a nhiệt kế cô ng nghiệp dùng đ iện trở Pt Trang III- 2
  3. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Để đ o nhiệt độ b ề mặt vật rắn, ngườ i ta sử d ụng nhiệt đ iện trở bề mặt được chế tạo bằng p hươ ng p háp quang khắc bằng các vật liệu Ni, Fe – Ni ho ặc Pt (Pt đ ược sử d ụng khi cần độ chính xác cao). Chiều d ày lớp kim loại cở vài m, kích thước 1 cm2. Khi sử d ụng nhiệt điện trở đ ược dán lên bề mặt cần đo. Các đặc tính chủ yếu củ a nhiệt điện trở bề m ặt: Độ nhạy: 5.10 -3 /oC : Ni và Fe - Ni -4 o 4 .10 / C : Pt -195oC  260oC Dải nhiệt đ ộ hoạt động: : Ni và Fe – Ni o o -260 C  1400 C : Pt Minh họa một nhiệt kế tiếp xúc b ề mặt 2. Nhiệt điện trở silic Silic tinh khiết ho ặc đơ n tinh thể silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi đ ược kích tạp lo ại n ở nhiệt đ ộ nào đ ó hệ số đ iện trở của nó trở thành d ương. Kho ảng nhiệt độ sử d ụng từ -5 0C đ ến 15 0C. Hệ số nhiệt cảm b iến silic kho ảng 0 ,7%/C, nghĩa là đ iện trở thay đổ i 0,7% t heo từng độ C. Sự thay đổi nhiệt tươ ng đối nhỏ nên có thể tu yế n tính hó a đ ặc tu yến tron g vù ng nhiệt đ ộ làm việc bằng cách mắc thêm m ột điện trở p hụ (song song ha y nố i tiếp tù y thu ộc vào mạch đ o). Sự tha y đổ i nhiệt của đ iện trở suất silic p hụ thuộ c vào nồ ng độ chất p ha và nhiệt đ ộ. Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 120 C (d ải nhiệt độ làm việc), đ iện trở su ất t ăng khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt của đ iện trở càng nhỏ khi p ha tạp càng m ạnh. Trường hợp nhiệt độ lớn hơ n 1 20 C, điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt củ a điện trở su ất không p hụ thuộ c vào p ha tạp. 3. Nhiệt điện t rở Nhiệt điện trở có đ ộ nhạ y nhiệt rất cao , gấp hàng chục lần độ nhạy nhiệt điện trở kim lo ại. Nhiệt điện trở có thể chia thành 2 loại: - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dươ ng. - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm. Nhiệt đ iện trở đ ược làm t ừ các hỗ n hợp oxit bán d ẫn, đ a tinh thể như MgO, MgAl2 O4, M n2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Bộ t o xit đ ược trộ n với nhau theo tỉ lệ nhất đ ịnh sau đó đ ược nén đ ịnh d ạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1 00 0C. Các dây nố i được hàn tại hai điểm trên b ề mặt. Nhiệt điện trở có kích thướ c nhỏ cho phép đo nhiệt đ ộ tại từng đ iểm, đ ồng thời nhiệt dung nhỏ nên thời gian đáp ứng ngắ n. Dải nhiệt độ làm việc từ vài độ K đến 300C. Vì độ nhạy cao , nhiệt điện trở được ứng d ụng đ ể p hát hiện b iến thiên nhiệt đ ộ rất nhỏ (kho ảng 10-4  10-3K). Trang III- 3
  4. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Để đ o nhiệt độ thấp, ta sử dụ ng các nhiệt điện trở có đ iện trở thấp ở 25 C (5 0 ÷ 10 0Ω). Để đ o nhiệt độ cao, cần p hải sử d ụng những nhiệt điện trở có đ iện trở cao ở 25C (100 ÷ 500Ω). III. CẢ M BIẾN C Ặ P N H IỆT NG Ẫ U 1. Đặc điểm Cặp nhiệt cấu tạo gồ m 2 loại d ây d ẫn A và B được nố i với nhau b ởi hai mối hàn có nhiệt đ ộ T1 và T2. Suất đ iện đ ộng E p hụ thu ộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ T1, T2. Thông thườ ng mộ t mối hàn được giữ ở nhiệt đ ộ có giá trị không đổ i và b iết trước gọ i là nhiệt độ chu ẩn Tref. Khi đặt mố i hàn thứ hai vào môi trường đo nhiệt độ sẽ đ ạt đế n giá trị Tc chưa b iết. Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên có thể đ o nhiệt độ ở từng đ iểm củ a đố i tượ ng đo và tăng tốc đ ộ đ áp ứng. Cặp nhiệt cu ng cấp suất điện độ ng nên khi đo không có dòng đ iện chạy qua, do đ ó không có hiệu ứ ng đ ốt nóng. Tu y nhiên, p hải b iết trước nhiệt độ chuẩn Tref, sai số Tref chính là sai số của Tc. Suất điện đ ộ ng là hàm khô ng tuyến tính. Mỗ i loại cặp nhiệt có suất đ iện độ ng p hụ thu ộc khác nhau vào nhiệt đ ộ. Mỗ i lo ại cặp nhiệt có có d ải nhiệt độ làm việc khác nhau từ -270 C đến 2 700C, đây là ưu điểm so với nhiệt kế điện trở. Độ nhạy nhiệt phụ thuộ c vào nhiệt độ : dE A / B (V / o C) S(Tc )  dTc Cặp nhiệt Fe/Co nstantan: S(0 C) = 52,9 V/C S(700 C) = 6 3,8 V/C ; Cặp nhiệt Pt – Rh (10%)/Pt: S(0 C) = 6 ,4 V/C S(1400 C) = 11,93 V/C ; 2. Các hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng Peltier: - Ở đ iểm tiếp xúc giữa hai d ây d ẫn A và B khác nhau về bản chất như ng ở cùng mộ t nhiệt độ tồn tại mộ t hiệu đ iện thế tiếp xúc. Hiệu đ iện thế nà y p hụ thu ộc vào bản chất của vật d ẫn và nhiệt độ , gọ i là su ất đ iện độ ng Peltier. Địn h luậ t Vo lta phát biểu: Trong mộ t chuỗ i cách nhiệt đ ược tạo thành từ các vật dẫn khác nhau, tổ ng suất đ iện động Peltier bằng 0 . Trang III- 4
  5. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Vậ y, khi hai vật d ẫn đ ược p hân cách b ởi các vật d ẫn trung gian và toàn hệ đẳng nhiệt thì hiệu đ iện thế giữa hai vật dẫn đầu mút cũ ng chính là hiệu điện thế nếu như chúng tiếp xúc trực t iếp với nhau. Hiệu ứng Thomson: - Trong một vật dẫn đồ ng nhất, giữ a hai điểm M và N có nhiệt đ ộ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động. Su ất điện độ ng này chỉ phụ thu ộc vào bản chất củ a vật d ẫn và nhiệt đ ộ củ a hai điểm M và N. Địn h luật Magnus p hát b iểu: Nếu hai đầu ngo ài củ a một mạch chỉ gồ m mộ t vật d ẫn du y nhất và đồ ng chất được duy trì ở cù ng mộ t nhiệt đ ộ thì su ất hiện độ ng Thom so n bằng không. Hiệu ứng S eebeck: - Một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A và B và hai tiếp điểm củ a chúng chúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2, khi đó mạch tạo thành cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt đ iện tạo nên su ất điện độ ng d o kết quả của hai hiệu ứ ng Peltier và Thomson gọ i là su ất đ iện đ ộng Seeb eck. Nếu chọn nhiệt đ ộ chu ẩn T1 = 0C, khi đ ó su ất điện động chỉ p hụ thuộc vào T2. 3. Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo a. Chế tạo Khi chế tạo cặp nhiệt cần tránh nhữn g cặp nhiệt ký sinh do gấp khúc d ây, nhiễm bẩn hóa họ c, bứ c xạ hạt nhân. Kích thước mố i hàn nhỏ tối đ a tránh hiện tượng có nhiệt đ ộ khác nhau giữa các đ iểm trên mố i nố i tạo ra sức đ iện đ ộng ký sinh. Có 3 kỹ thu ật hàn: Hàn thiết. - Hàn xì, bằng axêtylen. - Hàn bằng tia lửa đ iện. - Dâ y đ ược đặt tro ng sứ cách đ iện trơ về hóa họ c và có đ iện trở lớ n. Vỏ b ọc bảo vệ bên ngo ài làm bằng sứ ho ặc thép, không cho khí lọt q ua, chố n g tăng giảm nhiệt độ độ t ngộ t. b. S ơ đồ đo Điều kiện: từng đôi cù ng nhiệt đ ộ A/M1, B/M1, M1/M2, M2/M3 Trang III- 5
  6. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Suất đ iện đ ộng: c. Sơ đồ vi sai Đo nhiệt độ giữa hai đ iểm đặt hai mố i hàn A/B của cặp nhiệt. Điều kiện các mố i hàn A/M1, M1/M2, M2/M3 đặt ở cùng nhiệt đ ộ. 4. Phương pháp đo Nhiệt đ ộ cần đ o được xác đ ịnh thông q ua suất điện đ ộng Seeb eck đ o được giữ a hai đ ầu cặp nhiệt. Su ất đ iện độ ng được xác đ ịnh chính xác nếu giảm tố i thiểu sự sụt áp trong các thành p hần (cặp nhiệt, dâ y dẫn). Thường áp dụng hai phươ ng pháp đo sau: Dùng milivon kế có đ iện trở suất lớn đ ể giảm sụt áp. - Dùng phương p háp xung đ ối đ ể dòng điện chạ y q ua cặp nhiệt b ằng không. -  Dùng m ilivon kế: Rt: đ iện trở cặp nhiệt Rl: đ iện trở dây nố i Rv: đ iện trở m ilivo n kế Trang III- 6
  7. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Vì không t hể xác đ ịnh đ ược đ iện trở cặp nhiệt và d ây nố i (thay đổi theo nhiệt đ ộ) để giảm sai số người ta chọ n sao cho Rv >> Rt + Rl.  Phương p háp xung đố i Đấu suất đ iện đ ộng cần đo với đ iện áp V đ úng b ằng giá trị suất đ iện độ ng. Giá trị V có thể đo chính xác, là đ iện áp rơi củ a mộ t đ iện trở có d òng đ iện chạ y qu a. Cặp nhiệt nố i tiếp vớ i một điện kế G và đ ấu song song với đ iện trở chu ẩn Re. Điều chỉnh d òng đ iện I sao cho d òng điện chạy q ua điện kế b ằng 0. Ta có: Dòng đ iện I có thể đ ược điều chỉnh b ằng b iến trở Rh. Ho ặc đ iều chỉnh nhờ một pin mẫu . Dải nhiệt đ ộ làm việc củ a cặp nhiệt thường b ị hạn chế. Ở nhiệt đ ô thấp năn g su ất nhiệt đ iện giảm. Ở nhiệt đ ộ cao cặp nhiệt kế có thể b ị nhiễm bẩn hoặc xảy ra hiệ n tượng b ay hơi các chất trong hợp kim, tăng đ ộ giòn cơ học, thậm chí b ị nóng chả y. Do đ ó khi sử dụ ng p hải b iết đ ược nhiệt độ sử d ụng cao nhất của cặp nhiệt. Dây càng nhỏ thì nhiệt độ cực đại càng thấp. Trang III- 7
  8. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường IV. ĐO N HIỆT Đ Ộ BẰ NG D IOD E VÀ TRASISTOR 1. Đặc điểm chung Sử dụ ng linh kiện bán d ẫn là d iode hoặc transistor (nố i B-C) p hân cực thuận với dòng I khô n g đ ổi. Điện áp giữ a hai cực là hàm củ a nhiệt độ. Độ nhạy nhiệt p hụ thuộc vào d òng ngư ợc I0. dV S dT Giá trị khoảng -2,5 m V/C Để tăng độ tu yến tính và lo ại trừ khả năng ảnh hưở ng dòng ngược I0, ta dùng cặp transis tor đấu theo kiểu d iod e đ ối nhau . Độ nhạy nhiệt: d(V1  V2 ) S dT Đặc tính: Độ nhạ y nhiệt lớn hơn cặp nhiệt nhưng nhỏ hơ n so vớ i nhiệt đ iện trở. Đặc b iệt là không cần nhiệt đ ộ chuẩn. Dải nhiệt b ị hạn chế trong kho ảng -50 C 150C, trong dải nhiệt này cảm b iến có độ ổn định cao. 2. Độ nhạy nhiệt Xét mạch dùng cặp transistor. Giả sử dòng I0 củ a hai transistor giố ng nhau, d òng qua các transistor là I1 và I2, điện áp B-E tương ứ ng là V1 và V2. Độ nhạy nhiệt: k = 1 ,381.10 -23 J/K k: hằng số Bo ltzman q = 1 ,602.10 -19 C q: điện tích S = 86,56 ln n (V/K) Độ nhạ y k hông phụ thu ộc vào nhiệt độ, d o đó độ tu yế n tính đư ợc cải thiện đáng kể. Trang III- 8
  9. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường V. LM35D 1. Đặc điểm chung LM35D là mộ t lo ại cảm biến nhiệt độ có đ iện áp ngõ ra p hụ thu ộc vào nhiệt đ ộ. Độ nhạy 10mV/C. Dải nhiệt độ làm việc là 0C đ ến 1 00 C. Phạm vi điện áp sử dụ ng từ 4 V đến 30V. Độ chính xác 1 C. Độ tu yến tính tốt (sai số phi tu yến tối đa 0,5C). Dòng d iện trạng t hái tĩnh nhỏ (80mA). LM35D có vỏ ngoài giố ng như các transistor (kiểu T0 -92). Khi sử d ụng không cần linh kiện ngoài, cũ ng không cần tinh c hỉnh, chỉ cần nố i với một đ ồng hồ 1 V hoặc dùng VOM số có thể d ùng làm m áy đo nhiệt đ ộ. 2. Các mạch ứng dụng a. Mạch điều chỉnh nhiệt độ nước Mạch so sánh có ngõ vào không đảo chiết áp từ RP1. Ngõ vào đảo lấy đ iện áp ngõ ra củ a b ộ cảm biến nhiệt độ LM35D. Khi nhiệt đ ộ nước thấp hơn nhiệt độ xác đ ịnh, ngõ vào không đ ảo có điệp áp cao hơn ngõ vào đảo , điện áp ngõ ra bộ so sánh ở mức cao, đ èn D2 sáng (b iểu hiện đang gia nhiệt). Q1 dẫn, đèn D3 sáng, đ iện trở Rcds nhận ánh sáng chiếu vào, điện trở sụ t xu ống kho ảng 1kΩ, triac dẫn, bộ gia nhiệt được cấp điện, nhiệt đ ộ nước tăng lên. Khi nhiệt đ ộ nước bằng ho ặc cao hơn nhiệt độ xác định, đ iện áp ngõ vào đảo cao hơn ngõ vào không đảo. Điện áp ngõ ra b ộ so sá nh xuố ng mức thấp , đèn D1 sáng (b áo ngưng cấp nhiệt). Q1 ngưn g, đ èn D3 tắt, Rcds có trị số lớn kho ảng 1MΩ, triac ngưng, b ộ gia nhiệt b ị ngắt điện, ngưng gia nhiệt. Trang III- 9
  10. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường b. Mạch đo nhiệt độ trung bình Ba cảm b iến T1, T2, T3 được đ ặt ở b a vị trí khác nhau, Vo cho p hép xác đ ịnh nhiệt độ trung bình. 1 V0   V01  V02  V03  Chọ n R1 = R2 = R3 = 3R5 ; R4 = R6 . 3 c. Mạch đo sai lệch điện áp Hai cảm b iến T1 và T2 đ o nhiệt độ ở hai nơ i. Vo = Vo2 – Vo1 Trang III- 10
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2