CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 4

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

976
lượt xem 328
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

IV. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: IV.1 Cảm Biến Nhiệt Điện Trở: Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại: Cảm biến nhiệt điện trở kim loại.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 4

Caûm bieán Xy lanh Hình 3.10 ÖÙng duïng caûm bieán ñieän dung ñeå phaùt hieän hoäp söõa khoâng ñaày PLC Bôm Caûm bieán Caûm bieán Hoà chöùa OÁâng nhöïa Van xaû Hình 3.11 ÖÙng duïng caûm bieán laân caän ñieän dung ñeå phaùt hieän möùc chaát loûng. IV. CAÛM BIEÁN NHIEÄT ÑOÄ: IV.1 Caûm Bieán Nhieät Ñieän Trôû: Caûm bieán nhieät ñieän trôû laø caûm bieán coù ñieän trôû thay ñoåi theo nhieät ñoä. Caûm bieán nhieät ñieän trôû coù 2 loaïi: Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi. - Thermistor. - 77
a. Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: a.1 Caáu taïo cuûa caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi goàm moät daây daãn baèng kim loaïi nhö: Platin, Niken, Ñoàng quaán treân moät loõi caùch ñieän nhö hình 4.1. Söù caùch ñieän Daây kim loaïi Voû caûm bieán Boät caùch ñieän vaø ñònh hình Hình 4.1 : Caáu taïo cuûa caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi trong coâng nghieäp a.2 Hoaït ñoäng vaø phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: Khi nhieät ñoä cuûa caûm bieán thay ñoåi, ñieän trôû cuûa caûm bieán thay ñoåi theo phöông trình (4.1): R (T ) = R0 (1 + AT + BT 2 + CT 3 ) (4.1) Trong ñoù T ño baèng oC, R(T) laø ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû nhieät ñoä T, R0 laø ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû 0 oC, A, B, C laø caùc haèng soá vaø ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch ño ñieän trôû cuûa caûm bieán taïi caùc nhieät ñoä ñaõ bieát tröôùc. ÔÛ nhieät ñoä thaáp, phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán laø tuyeán tính (4.2) R (T ) = R0 (1 + αT ) (4.2) Vôùi α laø heä soá nhieät cuûa ñieän trôû, tuyø thuoäc vaøo kim loaïi nhö ôû baûng sau: Kim loaïi Platin Ñoàng Niken α (/oC) 3,9.10-3 4,3.10-3 5,4.10-3 Do tính chaát cuûa caùc kim loaïi duøng cheá taïo caûm bieán coù tính chaát lyù hoaù khaùc nhau neân taàm ño cuûa caùc caûm bieán suû duïng caùc kim loaïi khaùc nhau cuõng khaùc nhau. Caûm bieán Platin Ñoàng Niken Taàm ño -200 - 1000 < 100 < 300 (oC) Do baïch kim coù ñoä beàn vaät lyù cao vaø khoâng bò oxy hoaù neân caûm bieán nhieät ñieän trôû baïch kim laø thoâng dung nhaát. Caùc caûm bieán nhieät ñieän trôû duøng baïch kim thöôøng ñöôïc cheát taïo coù ñieän trôû Ro laø 100; 200; 500; 1000 [Ω]. Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi nhö hình 4.2. 78
Hình 4.2 Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi. a.3 Maïch ño söû duïng caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: Ñeå chuyeån söï thay ñoåi ñieän trôû cuûa caûm bieán theo nhieät ñoä thaønh söï thay ñoåi ñieän aùp, ta keát noái caûm bieán vôùi maïch ño nhö hình 4.3. R2 VCC R R 4 8 R1 2 OP-07 - 6 Vo 3 + R3 R Rx R4 7 1 Hình 4.3: Maïch ño duøng caûm bieán nhieät ñieän trôû. Goïi Rx = R+∆R laø ñieän trôû cuûa caûm bieán. Vôùi R laø ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû 0 [oC], choïn R1 = R3, R2 = R4 thì ñieän aùp ngoõ ra cuûa maïch ño laø:  ∆R  Vcc  R + ∆R 1  R2 R   2 R + ∆R)  2 Vo = − − Vcc = − 2  (4.3)   2 R + ∆R 2  R1 R1   b. Thermistor: b.1 Caáu taïo cuûa Thermistor: Thermistor ñöôïc cheá taïo töø caùc hoãn hôïp oxyt baùn daãn ña tinh theå nhö: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 döôùi daïng boät vaø ñöôïc troän vôùi nhau theo moät tyû leä nhaát ñònh. Sau khi troän vôùi nhau, ngöôøi ta neùn ñònh daïng hoãn hôïp thaønh phieán vaø nung ôû nhieät ñoä 1000 oC. Treân beà maët cuûa phieán sau khi nung, ngöôøi ta haøn caùc daây noái vaø phuû leân maët phieán moät lôùp kim loaïi. Maøng kim loaïi Phieán baùn daãn Daây noái Hình 4.4: Thermistor b.2 Phöông trình chuyeån ñoåi cuûa Thermistor: Khi nhieät ñoä cuûa Thermistor thay ñoåi thì ñieän trôû cuûa noù thay ñoåi theo phöông trình: 1 1  β −     T T0 R (T ) = R0 e  ( 4 .4 ) 79
R(T) vaø R0 laø ñieän trôû ôû nhieät ñoä T vaø T0, T ñöôïc ño theo thang oK. β laø haèng soá coù giaù trò töø 3000 ñeán 5000 tuyø thuoäc vaøo caùch cheá taïo. Thermistor hoaït ñoäng trong khoaûng nhieät ñoä töø 50 ñeán 150 oC. Tuy nhieân do tính phi tuyeán cuûa noù neân ngöôøi ta khoâng duøng ñeå ño nhieät ñoä maø thöôøng duøng trong caùc maïch caûnh baùo quaù nhieät ñoä hay maïch buø nhieät. VCC R1 R2 Q1 12 R3 6 - LM339 1 7 Tín hieäu caûnh baùo + Rx VCC 3 1 2 3 Hình 4.5: Maïch caûnh baùo nhieät ñoä duøng thermistor c. Caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: c.1 Caáu taïo cuûa caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: Caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn ñöôïc cheá taïo goàm caùc tieáp giaùp P-N, keát hôïp vôùi maïch ño roài tích hôïp thaønh caùc vi maïch. Baûng sau giôùi thieäu moät soá vi maïch ño nhieät ñoä thoâng duïng cuûa haõng National Semiconductor. Teân vi maïch Taàm ño Ñoä chính xaùc Ñoä nhaïy o o 10 mV/oF LM 34 -50 -> 300 F ±3 F -55 -> 150 oC ± 1 oC 10 mV/oC LM 35A -20 -> 150 oC ± 2 oC 10 mV/oC LM 45B -55 -> 150 oC ± 1,3 oC 10 mV/oK LM 135A -40 -> 150 oC ± 2 oC 10 mV/oK LM 335A Hình 4.6: Hình daïng, sô ñoà chaân cuûa vi maïch LM 335 80
c.2 Hoaït ñoäng vaø phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: Caûm bieán baùn daãn hoaït ñoäng treân nguyeân taéc cuûa tieáp giaùp P-N. P N VAK VAK Hình 4.7 Tieáp giaùp P-N. Phöông trình chuyeån ñoåi cuûa tieáp giaùp P –N  q.V AK  I D = I 0  e KT − 1 (4.5)     Trong ñoù: q laø ñieän tích cuûa 1 ñieän töû, K laø haèng soá Brizman, T laø nhieät ñoä tuyeät ñoái o K, Io laø doøng ñieän ngöôïc. Phöông trình (4.5) coù theå vieát laïi: KT  I D + I 0  ln  V AK = ( 4 .6 ) q  I0    Vôùi moät tieáp giaùp cuï theå thì I0 laø haèng soá. Neáu ta cho moät doøng ñieän khoâng ñoåi ID chaûy qua tieáp giaùp P-N thì VAK phuï thuoäc tuyeán tính vaøo nhieät ñoä cuûa tieáp giaùp. Vo Maïch ño ID VAK Hình 4.8: Maïch nguyeân lyù cuûa caûm bieán vi maïch Phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán: Vo = s.T [ o K ] = s.(273 + t[ o C ]) (4.7) c.3 Maïch ño duøng caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: Vcc 3 4 8 2 - 6 LM 335 2 3 Vo + Vcc 7 1 1 1 2,73 V 2 3 Hình 4.9: Maïch ño nhieät ñoä duøng vi maïch baùn daãn. d. Caëp nhieät ñieän (Thermocouple): d.1 Caáu taïo cuûa Thermocouple: Thermocouple goàm 2 kim loaïi khaùc nhau ñöôïc haøn chung vôùi nhau ôû moät ñaàu goïi laø ñaàu noùng, hai ñaàu coøn laïi khoâng haøn chung goïi laø ñaàu laïnh hay ñaàu chuaån. 81
Ñaàu noùng T1 Kim loaïi A Ñaàu laïnh T2 Kim loaïi B Voû caûm bieán Hình 4.10 : Caáu taïo cuûa Thermocouple Hình 4.11 Moät soá daïng thermocouple trong coâng nghieäp Tuyø vaøo vaät lieäu duøng ñeå cheá taïo thermocouple, thermocouple coù caùc loaïi nhö sau: Daûi ño (oC) Loaïi caëp Vaät lieäu Ñoä chính Söùc ñieän ñoäng nhieät ñieän xaùc (mV) B Platin 30% - Rhodium (+) 0 – 1700 ± 0,5 % 0 – 12,426 Platin 6% - Rhodium (-) T Ñoàng - Constantan -270 – 370 ±2% -6,258 – 19,027 J Saét – Constantan -210 – 800 ±3% -8,095 – 45,498 K Crom – Alumel -270 – 1250 ±3% -5,354 – 50,633 E Crom – Constantan -276 – 870 ±3% -9,835 – 66,473 S Platin – Rhodium 10% -50 – 1500 ± 2,5 % -0,236 – 15,576 R Platin – Rhodium 13% -50 – 1500 ± 1,4 % 0,226 – 17,445 d.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa Thermocouple: Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa thermocouple döïa treân hieäu öùng Seebeck. Theo hieäu öùng Seebeck, khi coù cheânh leäch nhieät ñoä giöõa ñaàu noùng vaø ñaàu laïnh cuûa caëp nhieät thì ôû ngoõ ra 82
cuûa thermocouple seõ xuaát hieän söùc ñieän ñoäng e phuï thuoäc vaøo cheâng leäch nhieät ñoä vaø phuï thuoäc vaøo baøn chaát cuûa vaät lieäu duøng cheá taïo caûm bieán. Xeùt moät caëp nhieät ñöôïc cheá taïo töø 2 kim loaïi A vaø B: Daây noái M A e T1 T2 B M Theo hieäu öùng Seebeck thì söùc ñieän ñoäng e sinh ra treân caëp nhieät: e = PA 1/ B + PM2/ A + PM2/ B + e A − e B = PA 1/ B + PM2/ A + PM2/ B + K A (T1 − T2 ) − K B (T1 − T2 ) T T T T T T (4.8) Trong ñoù: PA / B , PM / B , PM / A laø söùc ñieän ñoäng Peltier, chæ phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä cuûa T T T 1 2 2 tieáp xuùc giöõa 2 kim loaïi vaø baûn chaát cuûa 2 kim loaïi. eA, eB laø söùc ñieän ñoäng Thomson, KA, KB laø heä soá söùc ñieän ñoäng nhieät ñieän. (4.8) ñöôïc vieát laïi: e = PA 1/ B − PA 2/ M + PM2/ B + K A (T1 − T2 ) − K B (T1 − T2 ) T T T (4.9) => e = PA 1/ B + PBT2/ A + K A (T1 − T2 ) − K B (T1 − T2 ) = PA 1/ B − PA 2/ B + K A (T1 − T2 ) − K B (T1 − T2 ) T T T (4.10) hay: e = P (T1 − T2 ) + K A (T1 − T2 ) − K B (T1 − T2 ) = ( K A − K B − P)(T1 − T2 ) = K (T1 − T2 ) (4.11) Vôùi K = KA – KB – P, P laø heä soá phuï thuoäc vaøo baûn chaát kim loaïi. Ta coù söùc ñieän ñoäng sinh ra ôû 2 ñaàu caëp nhieät: e = K (T1 − T2 ) = K∆T (4.12) Trong ñoù heä soá K coù theå xaùc ñònh baèng thöïc nghieäm baèng caùch ño söùc ñieän ñoäng cuûa caûm bieán ôû nhieät ñoä ñaõ bieát, döïa vaøo phöông trình (4.12) ta xaùc ñònh ñöôïc K Ñaëc tuyeán vaøo ra cuûa thermocouple nhö hình 4.12 E[mV E 80 J 70 K 60 50 40 30 20 10 0 T[oC] 1000 1400 600 200 Hình 4.12 Quan heä vaøo ra cuûa thermocouple Töø (4.12) ta thaáy: Söùc ñieän ñoäng nhieät ñieän sinh ra treân Thermocouple phuï thuoäc vaøo hieäu soá cuûa nhieät ñoä ñaàu noùng T1 vaø nhieät ñoä ñaàu laïnh T2 vì vaäy khi ño nhieät ñoä duøng thermocouple, ta phaûi giöõ nhieät ñoä ñaàu laïnh khoâng ñoåi. Tuy nhieân nhieät ñoä ñaàu laïnh T2 83
thöôøng chính laø nhieät ñoä moâi tröôøng neân vieäc giöõ coá ñònh raát khoù vì vaäy ngöôøi ta thöôøng duøng bieän phaùp loaïi boû söï aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñaàu laïnh baèng chaùch buø nhieät. Vo = KT1 – KT2 + KT2 = KT1 Maïch ño Maïch buø KT2 Hình 4.12: Sô ñoà buø nhieät ñoä ñaàu laïnh cho thermocouple. d.3 Maïch ño duøng Thermocouple: Vcc 1 R2 2 2,73[V] Vcc 4 8 R1 U2 7 1 R5 2 3 - R9 6 3 + 3 6 + V2 3 2 Vo - R3 R4 R6 7 1 2 4 8 R7 R8 Maïch buø nhieät duøng LM 335 1 U3 7 1 3 V1 + T1 6 2 - OP-07 4 8 Hình 4.13: Maïch ño nhieät ñoä duøng Thermocouple buø nhieät duøng LM 335 Trong maïch treân : V1 = KT1 − KT2 (4.13) R2 R (10 − 2 (273 + T2 ) − 2,73) = 2 .10 − 2.T2 V2 = (4.14) R1 R1  R  R   R Vo = 1 + 8 (V1 + V2 ) = 1 + 8  KT1 − KT2 + 2 10 − 2 T2  (4.15)  R    R R1 7    7  R2 R Chænh tyû soá sao cho 2 10 − 2 = KT2 khi ñoù: R1 R1  R Vo = 1 + 2  KT1 (4.16)  R1    84