Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng) - Trường CĐ Cơ điện-Xây dựng và Nông lâm Trung bộ

Chia sẻ: Dangnhuy08 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật cảm biến này nhằm trang bị cho học viên các trường công nhân kỹ thuật và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của một số loại cảm biến...với các kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng) - Trường CĐ Cơ điện-Xây dựng và Nông lâm Trung bộ

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VÀ NÔNG LÂM TRUNG BỘ GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số 77/QĐ-CĐTB-ĐT ngày 19 tháng 01 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện – Xây dựng và Nông lâm Trung bộ Năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI NÓI ĐẦU Trong nền công nghiệp sản xuất hiện đại ngày nay, các loại cảm biến đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển tự động. Việc trang bị cho mình một kiến thức về các lọai cảm biến là nhu cầu cần thiết của các kỹ thuật viên, kỹ sư của ngành điện cũng như những ngành khác. Mô đun kỹ thuật cảm biến là một mô đun chuyên môn của học viên ngành sửa chữa thiết bị điện công nghiệp. Mô đun này nhằm trang bị cho học viên các trường công nhân kỹ thuật và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của một số lọai cảm biến...với các kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống. Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để học tiếp các môn chuyên môn của ngành điện như trang bị điện, PLC... Mô đun này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, các học viên của các ngành khác quan tâm đến lĩnh vực này. Giáo trình được biên soạn theo chương trình khung đào tạo trình độ cao đẳng Nghề Điện công nghiệp, giáo trình được chia làm 10 bài, sau khi kết thúc mô đun này, học viên có khả năng : Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến ; Phân tích nguyên lý của mạch điện cảm biến ; Thực hiện một số ứng dụng của cảm biến trong điều khiển điện công nghiệp. Trong quá trình biên soạn giáo trình, Tác giả đã có gắng tham khảo nhiều tài liệu chuyên ngành, tạp chí chào hàng, thiết bị chuyên dụng trong lĩnh vực cảm biến điện tử và đo lường, … với mong muốn cập nhật kịp thời tiến bộ khoa học trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Tuy nhiên do kinh nghiệm và thời gian có hạn, giáo trình không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong được bạn đọc lượng thứ và đóng góp ý kiến nhận xét để giáo trình ngày càng được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến xin gửi về địa chỉ khoa.dientu@gmail.com. Tác giả : Ks Lê Kim Ngọc 3
MỤC LỤC TT NỘI DUNG TRANG Bài 1: Khái niệm chung về các bộ cảm biến 6 1 Cảm biến là gì?. 6 2 Các yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến. 7 3 Các chỉ tiêu đánh giá một bộ cảm biến. 8 4 Phân loại cảm biến. 11 Bài 2: Cảm biến nhiệt độ 13 1 Đại cương 13 2 Cảm biến nhiệt điện trở 15 3 Cặp nhiệt điện 20 4 Cài đặt bộ khống chế nhiệt thông dụng. 23 Bài 3: Cảm biến quang 24 1 Đại cương 24 2 Các loại cảm biến quang. 29 Bài 4: Cảm biến vị trí và dịch chuyển 35 1 Đại cương. 35 2 Cảm biến kiểu biến trở. 35 3 Cảm biến cảm ứng. 37 4 Cảm biến điện dung. 40 5 Cảm biến tiếp cận. 43 5.1 Cảm biến tiếp cận điện cảm. 43 5.2 Cảm biến tiếp cận điện dung. 46 5.3 Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall. 49 5.4 Cảm biến tiếp cận quang học. 51 Bài 5: Cảm biến áp suất chất lỏng 64 1 Đại cương. 64 2 Đo áp suất bằng biến dạng. 64 3 Chuyển đổi tín hiệu. 65 4 Đo áp suất bằng biến thiên trở kháng. 67 5 Đo áp suất bằng biến thiên điện dung. 67 6 Đo áp suất bằng biến thiên độ từ cảm. 68 7 Đo áp suất bằng biến thiên độ hỗ cảm. 68 8 Đo áp suất bằng phần tử áp điện. 69 9 Cài đặt bộ khống chế áp suất thông dụng. 69 Bài 6: Cảm biến độ ẩm 70 1 Đại cương. 70 2 Các phương pháp đo độ ẩm. 70 3 Khảo sát một số cảm biến đo độ ẩm thông dụng. 71 Bài 7: Cảm biến khói 72 1 Đại cương. 72 2 Cảm biến khói ion hóa. 72 4
3 Cảm biến khói quang học. 73 Bài 8: Cảm biến siêu âm 74 1 Đại cương. 74 2 Cảm biến siêu âm trong công nghiệp. 75 Bài 9: Cảm biến hồng ngoại 78 1 Đại cương. 78 2 Cảm biến hồng ngoại thụ động 79 3 Cảm biến hồng ngoại chủ động. 79 Bài 10. Các hiệu ứng vật lý thƣờng đƣợc sử dụng ở cảm biến 81 1 Hiệu ứng Joule. 81 2 Hiệu ứng hall. 81 3 Hiệu ứng nhiệt điện. 82 4 Hiệu ứng bức xạ điện tử. 83 5 Hiệu ứng áp điện. 83 6 Hiệu ứng Doppler. 84 7 Hiện tượng từ giảo. 85 8 Siêu âm. 86 Tài liệu tham khảo 88 5
BÀI 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN Mục tiêu của bài: Học xong bài này người học có khả năng: - Trình bày được khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng của cảm biến. - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học. Nội dung của bài học : 1. Cảm biến là gì ?. 1.1. Khái niệm. Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen, .. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là tai mắt của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh, .. Trong các quá trình đo lường – điều khiển thông tin được truyền tải của các điện tử. 1.2. Nguyên lý làm việc của cảm biến. Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa, trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x. x y Bộ cảm biến Kích thích Đáp ứng Quá trình Mô hình mạch của bộ cảm biến (Các biến trạng thái) Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có Cơ cấu Bộ cảm dạng: chấp hành biến y = f(x) (1) Quan hệ (1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp trình Chương ứng – kích thích. 6 Bộ vi xử lý
Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín x hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. y Bộ cảm biến Kích thích Đáp ứng Quá trình (Các biến trạng thái) Cơ cấu Bộ cảm chấp hành biến Chương trình Bộ vi xử lý Hệ thống điều khiển tự động quá trình Trong sơ đồ hình trên quá trình được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của bộ cảm biến được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động quá trình, trong bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. 2. Các yếu tố ảnh hƣởng tới cảm biến. 2.1. Nhiễu. Khi dùng một CB để đo lường, ngoài các đại lượng cần đo tác động vào cảm biến, còn có các yếu tố khác gọi làn nhiễu cũng có thể tác động tới CB, gây ra sai số đo. Nhiễu có thể phân thành 2 dạng là nhiễu nội tại và nhiễu trên mạch truyền dẫn. Nhiễu nội tại sinh ra trong quá trình thiết kế, công nghệ chế tạo không hoàn thiện, tính chất vật liệu chế tạo không đúng với yêu cầu do đó tín hiệu ra của CB không đảm bảo dộ chính xác. Nhiễu trên các mạch truyền dẫn từ CB đến thiết bị đo và thu thập số liệu cũng gây nên sai số. Các dạng nhiễu thường gặp là : - Do nguồn cung cấp không ổn định, không chính xác. - Do từ trường và điện trường ngoài. - Nhiệt độ môi trường, độ ẩm, bức xạ ion, tác nhân hóa học v.v… 2.2. Biện pháp hạn chế nhiễu. Để hạn chế nhiễu trên các mạch truyền dẫn, thường người ta dùng một số phương pháp sau : 7
- Giảm thiễu các nhiễu xâm nhập : Dùng màn chắn từ trường, điện trường, dùng dây bọc kim loại. - Bù trừ nhằm triệt tiêu các ảnh hưởng của nhiễu trong phạm vi có thể. - Xác định một mức cho phép và không để nhiễu vượt quá giới hạn đó. 3. Các chỉ tiêu đánh giá một bộ cảm biến. 3.1. Sai số. Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng: Δx  100 % x Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại : sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. - Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là: Do nguyên lý của cảm biến. + Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. + Do đặc tính của bộ cảm biến. + Do điều kiện và chế độ sử dụng. + Do xử lý kết quả đo. - Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến. Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh 8
điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. 3.2. Độ nhạy. Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có sự liên hệ tuyến tính: s = S.m s Đại lượng S xác định bởi biểu thức S  được gọi là độ nhạy của cảm biến. m Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị m của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng đầu ra và biến thiên m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: * Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. s S m Độ nhạy chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc. * Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian. Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f). Sự biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lượng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể. 3.3. Độ tuyến tính. Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo. Nói cách khác, cảm biến có tính tuyến tính trong một dải đo nào đó nếu trong dải đo đó đại lượng ra tỷ lệ bậc nhất với đại lượng cần đo ở đầu vào. 9
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng fo của dao động không tắt, hệ số tắt dần cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá. 3.4. Thời gian đáp ứng. Thời gian đáp ứng là thời gian kể từ lúc đại lượng cần đo ở đầu vào của cảm biến thay đổi đột ngột cho đến lúc đại lượng ra của cảm biến thay đổi theo và đạt xấp xỉ giá trị đo được tương ứng, thua kém ε%=10%. Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó. Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. 3.5. Giới hạn hay điều kiện sử dụng. Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt ... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này. * Vùng làm việc danh định 10
Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến. * Vùng không gây nên hƣ hỏng Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng. * Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến. 4. Phân loại cảm biến. 4.1. Phân loại theo đại lượng vào – ra. - Cảm biến điện – điện: Các đại lượng vào và ra là thông số điện. - Cảm biến không điện – điện: Đại lượng vào là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng… , đại lượng ra thành các thông số điện. 4.2. Phân loại theo tính chất vật lý. - Cảm biến điện trở. - Cảm biến điện từ. - Cảm biến tĩnh điện. - Cảm biến nhiệt điện. - Cảm biến điện tử - ion. - Cảm biến hóa điện. - Cảm biến y – sinh. 4.3. Phân loại theo phạm vi sử dụng. - Cảm biến công nghiệp. 11
- Cảm biến dân dụng. - Cảm biến quân sự…. 12
BÀI 2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Mục tiêu của bài: Học xong bài này người học có khả năng: - Chuyển đổi được các thang đo nhiệt độ. - Phân biệt được các loại cảm biến nhiệt độ. - Lựa chọn, cài đặt được cảm biến nhiệt độ phù hợp đối tượng đo. - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp. Nội dung của bài học : 1. Đại cƣơng. 1.1. Các thang đo nhiệt độ. Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15oK. 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(oK) - 273,15 Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32oF và điểm nước sôi là 212oF. 13
1.2. Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ đo được. 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 đo được 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 thì độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải: - Tăng cường 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. Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp. 1.3. Truyền nhiệt khi đo. 1.4. Các phương pháp đo nhiệt độ. - Phƣơng pháp nhiệt điện trở: Dựa vào tính chất: Điện trở của vật liệu làm cảm biến thay đổi theo nhiệt độ. Từ đó, khi đo được điện trở có thể suy ra nhiệt độ. - Phương pháp sức điện động nhiệt điện: Dựa vào tính chất: Một dây dẫn đồng chất mà hai đầu có nhiệt độ khác nhau thì giữa hai đầu xuất hiện một sức điện động, trị 14
số sức điện động này phụ thuộc vào bản chất dây dẫn và nhiệt độ chênh lệch. Từ đó, khi đo được sức điện động có thể suy ra nhiệt độ. - Phương pháp quang: Dựa vào tính chất: Một vật khi phát nóng sẽ phát sáng, quang phổ liên tục mà nó phát ra phụ thuộc vào nhiệt độ vật thể; đo được quang phổ này sẽ đo được nhiệt độ vật thể. - Phƣơng pháp cơ: Dựa vào tính chất: Một dây dẫn đồng chất khi phát nóng sẽ giản nở với chiều dài giản nở phụ thuộc vào nhiệt độ; đo được chiều dài giản nở này sẽ đo được nhiệt độ vật thể. 2. Cảm biến nhiệt điện trở. 2.1. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại. Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo từ dây kim loại hoặc màng mỏng như: Platin (Pt), Niken (Ni), đồng (Cu), Vonfram (W). Các nhiệt điện trở kim loại thường được gọi chung là cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector: Đầu phát hiện nhiệt độ bằng điện trở). * Nhiệt điện trở Platin. Platinum là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Các tính chất của loại nhiệt điện trở này được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC751. Theo tiêu chuẩn này dải đo nhiệt độ của nhiệt điện trở Platinum từ -200oC đến 850oC. Cho dải đo đầu tiên từ -200 đến 0oC ta có đa thức cấp ba: R(t) = Ro(1 + At + Bt2 + C[t-100 oC].t3) Cho dải đo từ 0 đến 850oC ta có đa thức cấp hai: R(t) = Ro(1+At + Bt2) Các hệ số có giá trị như sau: A = 3,90802.10-3 oC-1 B = -5,802,10-7 oC-2 C = -4,2735. 10-12 oC-3 R0 là trị số điện trở định mức ở 0oC. 15
R0 của nhiệt điện trở Platinum ở 0oC là 100Ω ta có loại Pt-100, ở 0oC là 500Ω có loại Pt-500, ở 0oC là 1000Ω ta có loại Pt-1000. Các loại Pt-500, Pt-1000 có hệ số nhiệt độ lớn, do đó độ nhạy lớn, điện trở thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ. Loại Pt-100 có độ nhạy kém hơn dùng để đo nhiệt độ trên 600oC. Sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ: 0,4Ω/Kelvin với Pt-100. 2,0Ω/Kelvin với Pt-300. 4,0Ω/Kelvin với Pt-1000. Ngoài ra tiêu chuẩn DIN, IEC751 còn xác định một trị số đặc trưng nữa, đó là hệ số nhiệt độ trung bình giữa 0oC và 100oC. Đó là tỉ lệ giữa sự thay đổi điện trở giữa 0oC và 100oC với điện trở định mức R0. R100  Ro   3,850.103 0 C 1 Ro dt Với Platinum nguyên chất có α = 3,925.10-3 oC-1 Trị số quá nhiệt của nhiệt điện trở Platinum theo DIN có sự khác biệt với trị số này. Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platinum dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp chất, Do đó khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng, sự thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với Platinum nguyên chất. Nhờ thế nó tự ổn định lâu đài theo thời gian, thích hợp trong công nghiệp. Đặc tuyến Pt-100 Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platinum thường dùng có đường kính khoảng 30m (so sánh với đường kính một sợi tóc khoảng 100m). Ngày nay trong công nghiệp, cảm biến nhiệt độ Paltinum loại màng mỏng trên nền ô xít nhôm thay thế loại Platinum dây quấn bên trong ống thủy tinh. Ta có loại vỏ bọc bằng gốm và thủy tinh, loại AMD và loại vỏ bọc bằng nhựa (T092 và SOT223) với miếng kim 16
loại tạo sự dẫn nhiệt tốt. Với loại SMD các đế hàn (nơi nối chân cảm biến) bằng thiếc hoạt động đến nhiệt độ 150oC, loại đế hàn bằng vàng hoạt động đến 550oC và bằng Platinum đến 1000oC. * Nhiệt điện trở Nicken. Nhiệt điện trở Nickel (Ni) so với Paltinum rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp hai lần (6,18.10-3 oC-1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60oC đến +250oC. Vì trên 250oC Nickel có sự thay đổi về pha. Đặc trưng kỹ thuật của nhiệt điện trở Nickel được xác định theo tiêu chuẩn DIN 43760. R(t) = Ro(1 + At + Bt2 + Ct4 + Dt6) Ta có các hệ số: A = 0,5485.10-2 oC-1 B = 0,665.10-2 oC-2 C = 2,805.10-4 oC-4 D = 2,111.10-12 oC-6 Trị số đặc trưng ở 0oC là 100Ω, được viết tắt Ni100. Sai số của điện trở Nickel được xác định như sau: t = ±(0,4 + 0,007t) từ 0oC đến 250oC t = ±(0,4 + 0,028t) từ -60oC đến 0oC Đặc tuyến của cảm biến Ni -100 Với sự xác định chính xác sai số như trên Ni có một lợi điểm: bất cứ lúc nào đầu đo đều có thể được thay thế cái khác có cùng cấp dung sai, máy đo không cần phải chuẩn định lại. Cảm biến loại Ni100 thường dùng trong công nghiệp, điều hòa nhiệt độ. 2.2. Cảm biến nhiệt điện trở oxit kim loại. Các oxít kim loại thường sử dụng chế tạo cảm biến là: MgO, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4, MgAl2O4, ..... 17
Nhiệt điện trở oxít kim loại được ép từ các bột oxit dưới dạng hình đĩa, hình trụ hay hình xuyến. Chúng có kích thước nhỏ và được bọc một lớp bảo vệ. Nhiệt điện trở oxít kim loại có hệ số nhiệt âm, có độ nhạy lớn hơn khoảng 10 lần so nhiệt điện trở kim loại. Ứng dụng: - Đo nhiệt độ ở vùng không gian nhỏ nhờ kích thước cảm biến nhỏ (cỡ 1mm). - Phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ (tới phần nghìn độ). 2.3. Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn.(Thermistor) Chất bán dẫn sử dụng ở đây thường là Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể. Sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của Si phụ thuộc vào nồng độ chất pha tạp. 2.3.1. Nhiệt trở bán dẫn có hệ số nhiệt âm (Th- - NTC). NTC- viết tắt từ Negative Temperature Coefficient. Theo tiêu chuẩn DIN 44070 và IEC Publ 539 đó là những điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm: Trị số điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt độ có trị số từ 36% 1oK lớn gấp 10 lần so với nhiệt điện trở kim loại Nickel hay Platinum. Như thế NTC dẫn điện trong tình trạng được nung nóng tốt hơn so với trong trường hợp để nguội. Điện trở của NTC giảm mạnh khi nhiệt độ gia tăng. Từ 0oC đến 150oC điện trở NTC giảm đi hơn 100 lần. NTC là 1 hỗn hợp đa tinh thể của nhiều oxit đã được nung chảy ở nhiệt độ cao (1000oC 1400oC) như Fe2O3, Zn2TiO4, MgCr2O4, TiO2 hay NiO và CO với LiO2. Công tắc hình thành với kẽm bạc được nung nóng. Để NTC có nhứng đặc trưng kỹ thuật ổn định với thời gian dài, nó được làm lão hóa với những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo. Thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50oC 150oC do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, ta thường gọi là Tẹt-mít. Ở các Block lạnh nào thường cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ. Nhiệt điện trở NTC được dùng để đo, hiệu chỉnh và bù trừ nhiệt độ. Các loại NTC dùng trong việc này hoạt động từ -55oC gần +125oC, công suất định mức cao nhất từ 150mW đến 450mW. NTC còn được dùng để hạn chế đỉnh cường độ dòng điện khi đóng điện. Các loại NTC dùng trong trường hợp này có công suất định mức khoảng 2W và chịu đựng được dòng điện đến 5A. 2.3.2. Nhiệt trở bán dẫn có hệ số nhiệt dương (Th+ - PTC). 18
PTC (Positive Temperature Coefficient) là loại nhiệt điện trở xác định theo tiêu chuẩn DIN 44080 có hệ số nhiệt độ dương. Trong một khoảng nhiệt độ nhất định PTC có hệ số nhiệt độ rất cao. Đó là do sự ảnh hường chung của tính chất bán dẫn và sắt điện trong gốm, than. Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp Bariumcarbonat, oxit Stronium và Oxit -Titan được ép và nung từ 1000oC đến 1400oC. Ở khoảng trên 110oC điện trở của PTC gia tăng một cách đột ngột. Đặc tuyến của PTC Các loại PTC bằng gốm bảo vệ động cơ điện, biến thế và các mạch điện tử. Không như với PTC loại nhựa, PTC loại gốm trở lại trị số điện trở ban đầu sau nhiều lần nguội lại. PTC phản ứng nhanh với các dòng điện quá lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên và do vậy điện trở của PTC gia tăng, bằng cách này nó hạn chế cường độ dòng điện có thể làm hư hỏng các thiết bị mạch điện. * PTC được ứng dụng như linh kiện để bảo vệ mô tơ điện rất hữu hiệu. Người ta nối tiếp PTC với động cơ. Trường hợp thông thường, PTC có điện trở thấp. Khi có sự cố, dòng điện gia tăng, nhiệt độ PTC tăng nhanh, điện trở PTC cũng tăng nhanh làm giảm dòng điện. PTC 19
được dùng để ổn định nhiệt độ thạch anh, đi ốt, IC, LCD, dụng cụ y khoa, một số bộ phận trong xe hơi, dụng cụ trong nhà... với nguyên tắc: * Người ta còn dùng PTC để làm chậm lại việc ngắt dòng điện. Sau 1 thời gian ts khi có điện áp, PTC với 1 điện trở hạn dòng gia tăng trị số điện trở đến 100 lần và do đó dòng điện cùng giảm đi 100 lần. ứng dụng làm mạch trễ cho việc làm giảm độ từ hóa trong kỹ thuật truyền hình,.... *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 stator (cho động cơ hạ áp), tín hiệu được xử lí nhờ một thiết bị điều khiển dẫn đến tác động CB. 3. Cặp nhiệt điện (Thermo – Couple). 3.1. Cấu tạo,nguyên lý làm việc. Cặp nhiệt điện là loại cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện: Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn dính sẽ xuất hiện sức điện động ở hai đầu thay đổi theo nhiệt độ mối hàn. 20