Đề cương bài giảng môn: Kỹ thuật cảm biến và ứng dụng (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)

Chia sẻ: Huyền Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô đun được bố trí dạy sau khi học song các mô đun An toàn lao động, Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số. Có thể học song song với các mô đun điều khiển khí nén thủy lực, điện tử công suất. Đây là mô đun chuyên môn trong chương trình đào tạo cao đẳng nghề điện tử công nghiệp, nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức, kỹ năng chuyên sâu trong lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các hư hỏng của các mạch cảm biến.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề cương bài giảng môn: Kỹ thuật cảm biến và ứng dụng (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)

1 BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông) GVBS: MAI THỊ BÍCH VÂN TPHCM, tháng 03 năm 2018 1
Tên môn học: KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN: * Vị trí: Mô đun được bố trí dạy sau khi học song các mô đun An toàn lao động, Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số. Có thể học song song với các mô đun điều khiển khí nén thủy lực, điện tử công suất,... * Tính chất: - Rèn luyện kỹ năng phân tích mạch, phân biệt các dạng mạch, dạng tín hiệu ngõ ra và phạm vi ứng dụng của các loại cảm biến. - Rèn luyện kỹ năng phán đoán xử lý, sửa chữa được các hư hỏng thường gặp trong các mạch cảm biến. - Rèn luyện lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các dạng mạch điều khiển bằng cảm biến. - Rèn luyện tác phong, thái độ làm việc, các biện pháp an toàn điện và thiết bị khi thực hiện các thao tác lắp ráp cân chỉnh mạch điều khiển bằng cảm biến. Là mô đun chuyên môn trong chương trình đào tạo cao đẳng nghề điện tử công nghiệp, nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức, kỹ năng chuyên sâu trong lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các hư hỏng của các mạch cảm biến. II. MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN: Sau khi học xong môn học này học viên có năng lực * Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm theo các nội dung sau: - Phân tích nguyên lý cấu tao, đặc điểm, ứng dụng của các loại cảm biến thông dụng. - Phân tích được nguyên lý hoạt động của các mạch điều khiển bằng cảm biến. - Các qui tình thực hiện công việc - Phân tích, phán đoán các linh kiện hư hỏng theo tình huống giả định * Về kỹ năng: - Kiểm tra xác định được thông số, hư hỏng của các loại cảm biến. - Thiết kế mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật - Thực hành lắp ráp một số mạch điều khiển theo tiêu chuẩn điện VN - Kiểm tra, thử mạch trong lắp đặt mạch cảm biến. - Lắp ráp, cân chỉnh, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng của các mạch cảm biến công nghiệp đúng yêu cầu kỹ thuật * Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Có khả năng làm việc độc lập, tự thiết kế lắp đặt, sửa chữa được các mạch ứng dụng cảm biến Đánh giá phong cách học tập thể hiện ở: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. III. NỘI DUNG MÔ ĐUN: 2
BÀI MỞ ĐẦU:KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN Mục tiêu của bài: - Phân tích tổng thể về cấu tạo, nguyên lý, phạm vi ứng dụng của một số loại cảm biến thường dùng trong công nghiệp. - Nhận dạng và giải thích đặc tính cơ bản của một số loại cảm biến nói trên. - Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. Nội dung bài: I. KHÁI NIỆM CHUNG: Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, tốc độ quay, nồng độ pH, độ nhờn...vv cần được xử lý cho đo lường, cho mục đích điều khiển truyền động. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, đáp ứng các kích thích. Cảm biến là một bộ chuyển đổi kỹ thuật để chuyển đổi các lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách...vv sang một đại lượng khác để có thể đo, đếm được. Các đại lượng này phần lớn là tín hiệu điện. Thí dụ: Điện áp, dòng điện, điện trở hoặc tần số dao động. Các tên khác của khác của bộ cảm biến: Sensor, bộ cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường, bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi. Từ sen-sor là một từ mượn tiếng la tinh Sensus, trong tiếng Đức và tiếng Anh được gọi là sensor, trong tiếng Việt thường gọi là bộ cảm biến. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận, kích thích và đáp ứng các tín hiệu. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG. Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật. Các bộ cảm biến đặc biệt và rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt. III. PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN. Cảm biến được phân loại theo nhiều tiêu chí. Người ta có thể phân loại cảm biến theo các cách sau: 1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng. Hiện tượng Chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng 3
Nhiệt điện. Quang điện Vật lý Quang từ. Điện từ, Từ điện …vv Hóa học Biến đổi hóa học 4
Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Sinh học Hiệu ứng trên cơ thể sống ..vv 2. Theo dạng kích thích. Kích thích Các đặc tính của kích thích Biên pha, phân cực Phổ Âm thanh Tốc độ truyền sóng …vv Điện tích, dòng điện Điện thế, điện áp Điện Điện trường Điện dẫn, hằng số điện môi …vv Từ trường Từ thông, cường độ từ trường. Từ Độ từ thẩm …vv Vị trí, Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mô men Cơ Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt …vv Quang Phổ 5
Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt độ Thông lượng Nhiệt Tỷ nhiệt …vv Kiểu Năng lượng Bức xạ Cường độ …vv 3. Theo tính năng. ▪ Độ nhạy ▪ Độ chính xác ▪ Độ phân giải ▪ Độ tuyến tính ▪ Công suất tiêu thụ 4. Theo phạm vi sử dụng ▪ Công nghiệp ▪ Nghiên cứu khoa học ▪ Môi trường, khí tượng ▪ Thông tin, viễn thông ▪ Nông nghiệp ▪ Dân dụng ▪ Giao thông vận tải…vv 5. Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế ▪ Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. ▪ Cảm biến thụ động (không có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chúng cần có thêm nguồn năng lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, còn loại tích cực thì không cần. Được đặc trưng bằng các thông số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến. 6
BÀI 1:CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Mục tiêu của bài: - Trình bày cấu tạo, đặc tính của các loại cảm biến theo nội dung đã học - Phân tích được nguyên lý hoạt động của một số mạch điều khiển theo nhiệt độ. - Lắp ráp, cân chỉnh được các mạch hoạt động theo yêu cầu. - Đo đạc, kiểm tra và sửa chữa được các mạch cảm biến nhiệt độ cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật khi bị hư hỏng. Nội dung chính: I. ĐẠI CƯƠNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: 1. Khái niệm cơ bản Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ. Tính chất đó là khi nhiệt độ tác dụng vào vật liệu thay đổi thì độ dẫn điện của vật liệu hay điện trở của chúng thay đổi theo. Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau như các nhiệt điện trở; nhiệt ngẫu; phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ do dao động nhiệt… 2. Các thông số về cảm biến nhiệt độ Cam biến nhiệt độ là cảm biến có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp, dòng điện, điện trở... Thông số cấu tạo : Phụ thuộc vào từng loại cảm biến, cũng như cách chế tạo và phương thức chuyển đổi của từng loại cảm biến đó. Thông số sử dụng bao gồm các yếu tố sau : - Khoảng làm việc : Là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng hoạt động khi chưa vượt qua gới hạn bão hòa. Khoảng làm việc cao hay thấp tùy theo tính chất. Cấu tạo và tính chất lý hóa của từng loại cảm biến quy định. 7
- Độ nhạy được định nghĩa : S  dF (2.3) dx Trong đó : dF sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến dx sự thay đổi đại lượng vật lý - Ngưỡng độ nhạy : Là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được - Tính trễ : Còn gọi là quán tính của cảm biến và là nguyên nhân gây ra sai số của phép đo. Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến lớn thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến đều có tính trễ do ảnh hưởng của vỏ bảo vệ. 3. Thang đo nhiệt độ Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng. Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này ngừời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K. Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC và một độ Celsius bằng một độ Kelvin. Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (3.3) Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nứớc đá tan là 32oF và điểm nứớc sôi là 212oF. 4. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải: - Tăng cườnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo. - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài. II. CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 8
Khi điều khiển nhiệt độ, chúng ta phải có thiết bị để đọc nhiệt độ hiện tại của lò về, từ đó mới có thể điều khiển nhiệt độ một cách chính xác. Thiết bị đó là cảm biến. Trong thực tế người ta thường sử dụng những loại cảm biến như : Thermocouple, RTD, thermistor, và các IC bán dẫn. Các loại cảm biến được phân biệt dựa trên nguyên lý làm việc của chúng như sau : - Nhiệt kế dùng chất lỏng dựa trên sự giãn nở của thể tích - Nhiệt kế điện trở dựa trên sự thay đổi của điện trở - Cặp nhiệt dựa trên nguyên lý sức điện động sinh ra ở vị trí tiếp xúc (mối hàn) khi có sự chênh lệch nhiệt độ. - Hỏa kế quang học dựa trên độ chiếu sáng của sợi tim đèn đốt nóng và độ chiếu sáng của vật thể cần đo. Thực tế các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm hai nhóm: - Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm: + Cảm biến giản nở (nhiệt kế giản nở). + Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở). + Cặp nhiệt ngẫu. - Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế. Các cảm biến thông dụng gồm có một số loại sau : - Điện trở kim loại. - Nhiệt điện trở - Cảm biến bán dẫn. 1. Cảm biến nhiệt điện trở a. Đặc điểm chung Một tính chất rất quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt rất cao, khoảng 10 lần lớn hơn so với độ nhạy của điện trở kim loại. Ngoài ra hệ số nhiệt của chúng có giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn Độ ổn định của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào sự chế tạo nó và điều kiện sử dụng. Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh những thăng giáng nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này có thể dẫn đến làm dạn nứt vật liệu. Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, dải nhiệt độ làm việc có thể thay đổi từ một vài độ tuyệt 9
đối đến khoảng 3000C. Có thể mở rộng dải nhiệt độ này nhưng khi có trị số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao. Các nhiệt điện trở thông thường được chế tạo từ các ôxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, có thể từ -273 C đến 300 C. b. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ. - Được sử dụng các kim loại nguyên chất (Pt; Cu; Ni) với hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt Pt làm việc ở nhiệt độ 1900 C đến 6500C Cu làm việc ở nhiệt độ 500C đến 1500C - Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R) chế tạo khoảng từ 10(Ω)đến 100(Ω) - Độ nhạy của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Ġ - Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm được sử dụng rất rộng dãi và được sử dụng nhiều, nhưng nhược điểm của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có quán tính lớn c. Cách nối dây đo: Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, ta có thể đo được U = R.I, để cảm biến không bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏt khoảng 1 mA. Với Pt 100 ở 0C ta có điện thế khoảng 0,1 vôn, điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 4 kỹ thuật nối dây đo: Hình 1.1: Cách nối dây nhiệt điện trở Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu. • Kỹ thuật hai dây: 10
17 Hình 1.2: Kỹ thuật nối 2 dây Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi 2 dây, bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với điện trởcủa 2 dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện thế cần đo, kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo, nếu khoảng cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài ôm. Ví dụ với dây đồng: Diện tích mặt cắt dây đo = 0,5 mm2. Điện trở suất = 0,0017 (Ω/mm2m-1). Chiều dài = 100m. R = 6,8Ω, với 6,8Ω tương ứng cho nhiệt điện trở Pt 100 một thay đổi nhiệt độ là 170C. Để đảm tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ điện trở của dây đo bằng một mạch điện như sau: Một biến trở bù trừ được nối vào một trong hai dây đo và nhiệt điện rở được thay thế bằng một điện trở 100Ω. Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω. Ta chỉnh biến trở sao có chỉ thị 00C: Biến trở và điện trở của dây đo là 10Ω. d. Các mạch ứng dụng nhiệt trở:. Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin. ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp sự kết hợp lý tưởng với Pt1.000, ta sẽ có dải đo nhiệt độ rộng, nó cũng có thể sử dụng với Pt100. Trong trường hợp có sự cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng mỏng, ADT70 có thể đo từ 500C đến 5000C, còn với nhiệt điện trở Platin tốt, có thể đo đến 1.0000C. Độ chính xác của hệ thống gồm ADT70 và nhiệt điện trở Platin ở thang đo -2000C đến 1.0000C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất của nhiệt điện trở Platin. - Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ. ADT70 có 2 thành phần chính: Nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại, nguồn dòng có thể điều chỉnh bộ phận khuyếch đại. Nguồn dòng được sử dụng để cung cấp cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu. Bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp trên nhiệt điện trở và điện áp trên điện trở tham chiếu, sau đó đưa tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ. (ADT70 còn có 1 opamp, 1 nguồn áp 2,5 vôn). Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của 11
18 nhiệt điện trở, vì vậy điều quan trọng là phải chọn lựa nhiệt điện trở thích hợp với ứng dụng thực tế. Mạch ứng dụng với nhiệt diện trở Ni Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế Mạch điện tiêu biểu với KTY81 hoặc KTY82 Hình 1.3. Mạch đo nhiệt độ sử dụng KYT81-110 Mạch điện điển hình được thiết kế cho cảm biến KYT 81 – 110 hoặc KYT 82 – 110 (nhiệt độ từ 00C đến 1000C). Điện trở R1 và R2, cảm biến và các nhánh điện trở R3, biến trở P1 và R4 tạo thành một mạch cầu. Giá trị R1 và R2 được chọn sao cho giá trị dòng điện qua cảm biến gần bằng 1A và tuyến tính hoá cảm biến trong dải nhiệt độ cần đo. Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính từ 0,2VS đến 0,6 VS (VS = 5 vôn thì Vout thay đổi từ 1 vôn đến 3 vôn). Ta điều chỉnh P1 để Vout = 1 vôn tại 00C, tại 1000C điều chỉnh P2 Vout = 3 vôn, với mạch điện này việc điều chỉnh P2 không ảnh hưởng đến việc chỉnh zero. 2. Nhiệt điện trở NTC * Tính chất và các giá trị của tính chất Thông thường NTC chỉ chịu được tải nhẹ, tính chất của nó đáp ứng theo môi trường nhiệt độ chung quanh. Khi dòng điện lớn chạy qua NTC sẽ làm cho NTC nóng lên và điện trở của nó giảm xuống (nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở NTC giảm và ngược lại) * Ứng dụng. NTC có nhiều ứng dụng, chia làm 2 loại: • Bổ chính và đo lường. 18
19 • Làm bộ trễ. * Bổ chính và đo lường : Trong đo lường và tác động bù cần tránh hiện tượng tự sinh ra nhiệt do dòng qua NTC lớn. NTC trong lĩnh vực này là đo nhiệt độ, kiểm tra, điều khiển, tuy nhiên NTC cũng được dùng để bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở, nhằm ổn định nhiệt cho các mạch điện tử dùng bán dẫn. * Làm bộ trễ: NTC có tính chất trễ khi dòng điện qua nó lớn đến nỗi điện trở giảm nhiều do quá trình tự toả nhiệt. Tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm mạnh. Nhiệt điện trở NTC tạo tác dụng trễ nhằm triệt dòng đỉnh trong mạch đèn chiếu sáng loại có tim, mạch động cơ có công suất nhỏ, mạch chốt tim bóng điện tử. 3. Nhiệt điện trở PTC * Các đặc tính và giá trị. Nhiệt điện trở PTC thông thường phủ ở bên ngoài một lớp vỏ có cấu tạo như vecni để chống lại ảnh hưởng của môi trường không khí. Dạng cấu tạo và hình thức xác suất cũng tương tự như là nhiệt điện trở thermistors(NTC). Khi dòng điện lớn chạy qua NTC sẽ làm cho NTC nóng lên và điện trở của nó tăng lên (nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở NTC tăng và ngược lại) Dùng PTC để bảo vệ động cơ điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc quá tải .Hoặc dùng PTC để điều khiển mức nhiệt độ và Nhiệt điện trở PTC chỉ dùng cho những ứng dụng cần hệ số nhiệt dương. *. Lĩnh vực ứng dụng. Mỗi loại nhiệt điện trở có ứng dụng khác nhau, sau đây là hai ứng dụng của PTC. - Cho những ứng dụng mà nhiệt độ các PTC được xác định chủ yếu qua nhiệt độ môi trường. Nhiệt điện trở PTC làm việc như là cảm biến nhiệt độ có độ nhạy cao. - Đối với những ứng dụng có sử dụng tính chất gia tăng điện trở của nhiệt điện trở PTC để từ đó biến đổi thành năng lực điện. Có những thí dụ như mạch bảo vệ quá tải, khi bồn chứa nguyên liệu quá đầy người ta cũng có thể dùng mạch này hoặc là để khởi động bóng đèn huỳnh quang, hay là để ổn định tính chất của sợi đốt tim trong các bóng đèn, cũng có thể thấy PTC trong các mạch trễ hay trong các mạch khử từ của bóng hình trong truyền hình, mạch bảo vệ quá tải ...vv. * Mạch ứng dụng với PTC. 19
20 Nhiệt điện trở PTC được mắc trong một cầu đo của mạch so sánh, tại nhiệt độ bình thường RPTC ( RS, điện áp ngõ ra ở mức thấp, khi sự tăng nhiệt độ vượt quá ngưỡng xuất hiện, PTC bị nung nóng nên RPTC ( RS nên điện áp ngõ ra V0 lên mức cao (hình dưới). PTC được dùng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ bằng cách đo trực tiếp, cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn Stato, tín hiệu được sử lý nhờ một thiết bị điều khiển dẫn đến tác động (Hình dưới) Nếu nhiệt độ trong cuộn dây động cơ ở trạng thái bình thường thì cảm biến điện trở giảm xuống đến mức thấp cần thiết Reset, thiết bị tự động reset nếu thiết bị không cài đặt reset bằng tay. 4. RTD Có độ ổn định cao nhất, chính xác, độ tuyến tính cao. Tuy nhiên giá thành cao, cần phải cung cấp nguồn dòng, tự gia tăng nhiệt. Nguyên lí của cảm biến điện trở kim loại - Cảm biến điện trở kim loại RTD (Resitive Temperature Detector) là loại cảm biến mà nhiệt độ tăng thì điện trở tăng. 20
21 - Kim loại dùng để chế taọ cảm biến có thể là platin, niken , đồng hay volfram.Các cảm biến platin có miền đo khá rộng với nhiệt độ từ -200C đến 1000C . Cảm biến điện trở kim loại Cấu tạo của cảm biến điện trở kim loại Daây platin Ống platin Daây noái ñaát Söù caùch ñieän voû Xi maêng Daây platin 6. Thermistor Ngõ ra có giá trị lớn, đáp ứng nhanh nhưng có khuyết điểm phi tuyến, giới hạn tầm đo nhiệt, dễ vỡ, cần phải cung cấp nguồn dòng, tự gia tăng nhiệt. 7. Thermocouple (Cặp nhiệt điện) Có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở một đầu được gọi là đầu nối nóng, hai đầu còn lại gọi là đầu nối lạnh hay đầu nối chuẩn được gắn cố định vào thiết bị đo. Hai đầu này sẽ cho ra một sức điện động phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ của đầu đo và nhiệt độ môi trường. 21
22 Theo hiệu ứng Seebeck, khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng hay đầu lạnh thì phát sinh suất điện động giữa 2 đầu lạnh, hai đầu lạnh đặt cùng nhiệt độ To. V = a + b. T + c. T2 (2.4) T = T-To (2.5) Trong đó : T là nhiệt độ đo, To là nhiệt độ đầu lạnh và qua công thức trên ta thấy quan hệ giữa V và T là phi tuyến . Nhưng khi sử dụng tầm đo hẹp có thể tuyến tính hóa đặc tính cặp nhiệt điện theo biểu thức: V = k. T, trong đó k là hệ số nhiệt, đơn vị µV/oC. Nếu dây cặp nhiệt không được dài và ta phải sử dụng dây đồng để nối đến dụng cụ đo thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số giữa nhiệt độ đo T và nhiệt độ chỗ nối To, nhiệt độ To thường là không ổn định III. CẢM BIẾN VI MẠCH BÁN DẪN 1. Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ: Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối C, F, hay K tùy loại. Đo tín hiệu điện, ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. Tầm đo nhiệt độ giới hạn từ –55oC đến 150oC, độ chính xác từ 1oC đến 2oC tùy loại. Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p-n (trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo nhiệt độ. 2. IC AD590, AD595 Cảm biến IC AD590, AD595. Cảm biến này tạo ra một dòng điện thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng đo nhiệt độ trong trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa. 22
23 Cảm biến AD 590 (Analog Devices) được thiết kế làm cảm biến nhiệt có tổng trở ngõ ra khá lớn (10 M(), vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất, khiến cho dòng mA ra tương ứng với chuẩn nhiệt độ K. Điện áp làm việc càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng tự gia nhiệt, khi cấp điện áp thay đổi, dòng điện thay đổi rất ít. 3. Cảm biến nhiệt bán dẫn LM335/34: Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều sử dụng có phần phức tạp, chẳng hạn cặp nhiệt độ ngẫu có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, thermistor thì không tuyến tính, thêm vào đó ngõ ra của các loại cảm biến này không tuyến tính tương ứng bất kỳ thang chia nhiệt độ nào. Các khối cảm biến tích hợp được chế tạo khắc phục được những đặc điểm đó, nhưng ngõ ra của chúng quan hệ với thang đo Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit. IV. MỘT SỐ MẠCH ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: 1. Cảm biến điều khiển nhiệt độ lò nung: 2. Đo nhiệt với cảm biến nhiệt bán dẫn LM335: Sơ đồ đo cảm biến nhiệt bán dẫn gồm trở tải cấp dòng cho cảm biến, bộ khuếch đại tín hiệu ra từ cảm biến IC1a, bộ khuếch đại lối ra IC1b, và một cảm biến LM335. LM 335 là cảm biến nhiệt độ được dùng để tạo dòng chuẩn điều chỉnh được , nó có đặc điểm là cho điện áp ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ_10mV/oK nên được chọn chuyển đổi nhiệt thành điện áp trong mạch này. Sơ đồ mạch như sau: 23
24 + Sơ đồ nguyên lý: + Nguyên lý hoạt động: Khi có tín hiệu kích thích tác động vào cảm biến tùy vào nhiệt độ cao hay thấp mà điện áp đặt lên cảm biến sẽ thay đổi và điến áp này được đưa tới tầng khuếch đại vi sai(mạch trừ)mạch này cho phép chỉnh nhiệt về 0oC cho tương ứng với nhiệt độ thật khi đo nhiệt của đá đang tan(0V),và tín hiệu ngõ ra tần này sẽ tiếp tục đưa qua tần khuếch đại đảo để nâng cao biên độ áp ,áp ngõ ra của tầng này là 10V tương ứng với 100oC 3. Mạch ứng dụng LM35 với thiết bị khuyếch đại âm thanh Trong mạch ứng dụng này, nhiệt độ IC khuyếch đại âm thanh (IC1) là đại lượng được quan tâm. LM35 và IC1 có sự gắn kết về nhiệt, tín hiệu ngõ ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn (thông số này được chọn bằng R1 và R2 và điện áp tham chiếu). Hệ thống được thiết kế để quạt hoạt động khi nhiệt độ vượt quá khoảng giá trị 800C và tắt khi nhiệt độ xuống dưới 600C. 4. Mạch đo nhiệt độ bằng LM 35. 5. Hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng vi xử lý 24
25 V. CÁC BÀI THỰC HÀNH ỨNG DỤNG CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ. 1. Lắp ráp các mạch khảo sát cảm biến nhiệt độ Platin Pt100, Pt100 và AD595, PTC, NTC, RTD. 2. Thiết kế các mạch điều khiển ổn định nhiệt độ sử dụng cảm biến LM 35 25
26 26