Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương III: Cảm biến đo nhiệt độ

III. Cảm biến đo nhiệt độTổng quanCặp nhiệt điện (Thermocouple)Nhiệt điện trở (RTD)ThemistorIC đo nhiệt độNhiệt kế hồng ngoại*1Tổng quanCảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo nhiệt độ của đối tượng.Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở.Để lựa chọn cảm biến cho một ứng dụng cụ thể thì cần xem xét: độ chính xác, khoảng đo, thời gian đáp ứng và môi trường làm việc.Cảm biến nhiệt độ được phân thành 2 loại:Cảm biến loại tiếp xúcCảm biến loại không tiếp xúc (đo bức xạ nhiệt)*2Tổng quanCảm biến loại tiếp xúc:Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Nhiệt điện trởRTDThermistorIC đo nhiệt độCảm biến loại không tiếp xúcNhiệt kế hồng ngoạiĐo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại được phát ra từ vật liệu*31. Tổng quan*42. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Cấu tạoĐược làm bằng 2 vật liệu dẫn điện khác nhau (thường là hợp kim) được hàn dính 1 đầu, đầu còn lại được đưa đến thiết bị đoThermocouple có 2 mối nối: lạnh và nóngHoạt độngThermocouple hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng SeebeckĐiện áp giữa 2 mối nối được gọi là điện áp Seebeck*52. Cặp nhiệt điệnMột số hình ảnh*62. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)TypeComposition RangeGood for Not recommended forCost SensitivityKChromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)−200 °C to 1200 °COxidizing or neutral applications Use under 540ºC Low 41 µV/°CEChromel / Constantan (Cu-Ni alloy)−200 °C to 900 °COxidizing or inert applications Low 68 µV/°CJIron / Constantan−40 °C to 750 °CVacuum, reducing, or inert apps Oxidizing or humid environmentsLow 52 µV/°CNNicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy)−270 °C to 1300 °COxidizing or neutral applicationsLow 39 µV/°CTCopper / Constantan−200 °C to 350 °COxidizing, reducing or inert apps Wet or humid environmentsLow43 µV/°CRPlatinum /Platinum with 13% Rhodium0 °C to 1600 °CHigh temperatures Shock or vibrating equipmentHigh10µV/°CSPlatinum /Platinum with 10% Rhodium0 °C to 1600 °CHigh temperatures Shock or vibrating equipmentHigh10µV/°CBPlatinum-Rhodium /Pt-Rh50 °C to 1800 °CHigh temperatures Shock or vibrating equipmentHigh10µV/°CCác loại cặp nhiệt điện*72. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Công thức tínhĐiện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện được cho bởi công thức	V = S * ΔTTrong đó:V: Điện áp đo được (V)S: Hệ số Seebeck (V/0C)ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nốiDo đó, nhiệt độ cần đo được tính theo công thức	T= Ttham chiếu + V/S (°C)*82. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Đặc tính*92. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Đặc tính*102. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Các kiểu đầu dò của cặp nhiệt điện:Đơn giản nhất Nhỏ gọn, đáp ứng nhanhDùng đo nhiệt độ chất khíĐầu đo được đặt trong ống kim loại (inox hoặc hợp kim) Đo được nhiệt độ cao, nhiều môi trường vật chấtĐầu đo được làm bằng vật liệu dẻo, dễ uốnDùng đo nhiệt độ bề mặt vật liệu*112. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Thuận lợiCấu tạo đơn giản, chịu được va đậpKhoảng đo nhiệt độ rộngRẻ tiềnĐáp ứng nhanhĐa dạngKhó khănPhi tuyếnÍt ổn địnhĐiện áp thấpCần điểm tham chiếu*122. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Ứng dụngDùng đo nhiệt độ trong các lò luyện gang, thépĐo nhiệt độ khí thải*133. Nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors) Cấu tạo:Dây kim loại làm từ Đồng, Nikel, Platinum,được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Có 2 loại cơ bản: loại dây quấn và loại màn mỏngThông dụng nhất của RTD là loại Pt 100Thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây*143. Nhiệt điện trở (RTD)Nguyên lý:Khi nhiệt độ tăng, điện trở hai đầu dây kim loại tăngĐồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ*153. Nhiệt điện trở (RTD)Cách đấu dây cho RTD 2 dây 3 dây- Giảm sai số đo- Các dây phải có cùng chiều dài và vật liệu- Dây nối có thể dài đến 600m*163. Nhiệt điện trở (RTD)Cách đấu dây cho RTD 4 dây- Độ chính xác và độ tin cậy tốt nhất- Không có sai số hệ thống- Bù hoàn toàn ảnh hưởng của sai số*173. Nhiệt điện trở (RTD)Ứng dụng RTDMáy lạnh, máy điều hòaChế biến thực phẩmBếp, lò nướng Ngành dệt Gia công vật liệuVi điện tử Đo nhiệt độ khí, gas, chất lỏng *183. Nhiệt điện trở (RTD)Ưu điểm của RTDTuyến tính trên khoảng rộng Chính xác caoỔn định với nhiệt độ caoNhược điểm của RTDĐáp ứng chậm hơn cặp nhiệt điện Đắc tiền hơn cặp nhiệt điện Ảnh hưởng bởi sốc và rung Yêu cầu 3 dây hoặc 4 dây*194. Thermistors (Thermally sensitive resistor)Cấu tạo:Được làm bằng các ôxít kim loại: Niken, Mangan, côban,  được phủ bởi nhựa hoặc thủy tinhPhân loại:Hệ số nhiệt âm - NTC ( Negative Temperature Coefficient)Hệ số nhiệt dương - PTC (Positive Temperature Coefficient)Ký hiệu:*204. ThermistorsNTC ThermistorPTC Thermistor*214. ThermistorsĐặc tínhNTC ThermistorPTC Thermistor*224. ThermistorsƯu điểmĐáp ứng nhanhĐiện trở thay đổi nhiều Điện trở caoLoại bỏ vấn đề điện trở dây dẫnGiá thành thấp hơn RTDChịu được rung và sốcKhuyết điểmPhi tuyếnKhoảng đo hẹpĐiện trở cao  Phát nóng chính bản thânÍt ổn định hơn RTD*234. ThermistorsỨng dụngNTCDùng để đo nhiệt độ, điều khiển nhiệt độ, bù nhiệt độ: Các đồ điện trong nhà: tủ lạnh, máy giặt, nồi cơm điện, máy sấy tốc, Trong điện tử công nghiệp: các bộ ổn định nhiệt độ, các bộ bù nhiệt độ, Trong viễn thông: dùng để đo và bù nhiệt độ cho điện thoại di độngCảm biến mức chất lỏngDựa vào sự khác nhau của hằng số tiêu tán nhiệt độ trong nước và không khí hoặc hơi, *244. ThermistorsĐo nhiệt độĐiều khiểnĐo mức chất lỏng*254. ThermistorsBù nhiệt độ*264. ThermistorsỨng dụngPTCPTC công suấtLàm cầu chì: bảo vệ ngắn mạch/quá tảiLàm công tắc: khởi động động cơ, khử từ, thời gian trễBộ gia nhiệtChỉ thị mứcCảm biếnNhiệt độ: bảo vệ quá nhiệt, đo và điều khiểnNhiệt độ giới hạn: bảo vệ động cơ, bảo vệ quá nhiệt *275. IC đo nhiệt độNgõ ra điện ápNgõ ra dòng điệnNgõ ra so sánhMột số IC khác*285.1 Ngõ ra ápLM35/LM45Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ (10 mV/ oC)Khoảng đo và độ chính xácLM35: Từ -55 oC đến +150 oC, ±1 oCLM45: Từ -20 oC đến +100 oC, ±3 oCDùng điện trở kéo xuống ở chân ngõ ra để đo được nhiệt độ dưới 0 oC*295.1 Ngõ ra ápLM35/LM45Đo nhiệt độ dưới 0 oC*305.1 Ngõ ra ápMột số IC khácLM20:Điện áp ra tỉ lệ nghịch với nhiệt độ oC (-11.7mV/oC)LM135, LM235, LM335: Đo nhiệt độ tuyệt đối (K) với hệ số dương (+10mV/K)LM34:Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oF (10mV/oF)*315.1 Ngõ ra ápMột số IC khácLM50:Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oC (+10mV/oC) + 500mVĐo được nhiệt độ âm không cần điện trở kéo xuốngLM60:Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oC (+6.25mV/oC) + 424mVNguồn cung cấp có thể +2.7 V*325.2 Ngõ ra dòng (LM134, LM234, LM334)Dòng điện ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đốiĐộ nhạy được điều chỉnh bằng điện trở ngoàiChỉ cần cấp nguồn 1.2 V là IC hoạt động được *335.3 Ngõ ra so sánhLM 26/LM271 ngõ ra tương tự1 ngõ ra so sánh*345.3 Ngõ ra so sánhLM 561 ngõ ra tương tự2 ngõ ra so sánh*355.4 Một số IC khácLM73/LM74/LM95071/ LM 86/LM89/LM90/ *365. IC đo nhiệt độƯu điểmTuyến tính caoNgõ ra thay đổi lớnRẻ tiềnKhuyết điểmĐo dưới 250 0CĐáp ứng chậmYêu cầu nguồn cung cấpTự phát nóng*376. Nhiệt kế hồng ngoạiCấu tạo:Hoạt động:Mọi vật thể đều phát ra năng lượng hồng ngoại khi ở nhiệt độ trên điểm không tuyệt đối (0 K).Giữa năng lượng hồng ngoại và nhiệt độ của vật thể có sự tương quan với nhau.Nhiệt kế hồng ngoại đo năng lượng hồng ngoại phát ra từ vật thể và chuyển thành tín hiệu điện đo được.*386. Nhiệt kế hồng ngoại*396. Nhiệt kế hồng ngoạiCác thông số cần quan tâmKhoảng đoKích thước vật đoKhoảng cách đoĐối tượng di chuyển hay cố định*406. Nhiệt kế hồng ngoạiƯu điểm:Đo nhiệt độ ở những nơi khó dùng cảm biến tiếp xúcKhông bị hao mòn, ma sát  làm việc được lâu hơnNhược điểm:Bị ảnh hưởng bởi các bức xạ hồng ngoại khác*416. Nhiệt kế hồng ngoạiỨng dụng:*42*43