Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ

Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Chương C M BI N NHI T ð (Temperature Sensors) 6.1 Khái ni%m Trong t t c ñ i lư ng v t lý, nhi t ñ m t ñ i lư ng ñư c quan tâm nhi u nh t nhi t đ đóng vai trị quy$t đ%nh đ$n nhi u tính ch t c'a v t ch t Nhi t đ có th* làm nh hư+ng ñ$n ñ i lư ng ch%u tác d-ng c'a Thí d- áp su t, th* tích c'a ch t khí… B+i v y cơng nghi p đ5i s6ng hàng ngày ph i ño nhi t ñ D-ng c- ño nhi t ñ ñơn gi n nh t nhi t k$ s9 d-ng hi n tư ng giãn n+ nhi t ð* ch$ t o b c m bi$n nhi t ñ ngư5i ta s9 d-ng nhi u nguyên lý c m bi$n khác như: Phương pháp quang d@a s@ phân b6 phA bBc x nhi t dao ñ ng nhi t (hi u Bng Doppler) Phương pháp d@a s@ giãn n+ c'a v t rGn, ch t lHng hoIc ch t khí (vJi áp su t khơng đAi) hoIc d@a t6c đ âm Phương pháp ñi n d@a s@ ph- thu c c'a ñi n tr+ vào nhi t ñ ð* đo đư c tr% s6 xác c'a nhi t đ v n đ khơng đơn gi n Nhi t đ đ i lư ng chK có th* đo gián ti$p s+ tính ch t c'a v t ph- thu c vào nhi t ñ TrưJc ño nhi t ñ ta cLn ñ c p đ$n đIc tính c'a c m bi$n nhi t đ 6.2 Các đ)c tính c+a c,m bi.n nhiêt ñ0 a Thang ño nhi t ñ Vi c xác ñ%nh thang nhi t ñ xu t phát tN ñ%nh lu t nhi t ñ ng hOc Thang ño nhi t ñ t ñ6i ñư c xác đ%nh d@a tính ch t c'a khí lý tư+ng ð%nh lu t Carnot nêu rõ: Hi u su t η c'a m t ñ ng nhi t thu n ngh%ch ho t ñ ng giSa nguUn có nhi t đ θ1 θ2 m t thang ño b t kỳ chK ph- thu c vào θ1 θ2: Trang 179 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ η= θ θ (6.1) D ng c'a hàm F chK ph- thu c vào thang ño nhi t ñ Ngư c l i, vi c l@a chOn hàm F s\ quy$t ñ%nh thang ño nhi t ñ ðIt F(θ) = T s\ xác ñ%nh T nhi t ñ nhi t ñ ng hOc t ñ6i hi u su t c'a ñ ng nhi t thu n ngh%ch s\ ñư c vi$t sau: η= − (6.2) Trong ñó: T1 T2 nhi t ñ nhi t ñ ng hOc t ñ6i c'a hai nguUn b Thang Kelvin Năm 1664 Robert Hook thi$t l p ñi*m khơng đi*m đ ng c'a nưJc c t Thomson (Kelvin) nhà v t lý Anh, năm 1852 xác ñ%nh thang nhi t ñ Thang Kelvin ñơn v% 0K, ngư5i ta gán cho nhi t ñ c'a ñi*m cân bgng c'a tr ng thái nưJc – nưJc ñá – m t tr% s6 bgng 273,15 0K c Thang Celsius Năm 1742 Andreas Celsius nhà v t lý Th-y ði*n ñưa thang nhi t ñ bách phân Trong thang ñơn v% ño nhi t ñ 0C, m t ñ Celsius bgng m t ñ Kelvin Quan h giSa nhi t ñ Celsius nhi t ñ Kelvin ñư c xác ñ%nh bgng bi*u thBc: T(0C) = T(0K) – 273,15 (6.3) d Thang Fahrenheit Năm 1706 Fahrenheit nhà v t lý Hà Lan ñưa thang nhi t đ có đi*m nưJc đá tan 320 sôi + 2120 ðơn v% nhi t ñ Fahrenheit (0F) Quan h giSa nhi t ñ Celsius Fahrenheit ñư c cho theo bi*u thBc: = = { − } (6.4) + (6.5) B ng thông s ñ c trưng c a m t s thang ño nhi t ñ khác nhau: Trang 180 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Kelvin (0K) Celsius (0C) Fahrenheit (0F) Nhi t ñ ði*m t ñ6i m273,15 m459,67 HAn h p nưJc – nưJc ñá 273,15 32 Cân bgng nưJc – nưJc ñá – nưJc 273,16 0,01 32,018 NưJc sôi 373,15 100 212 Nhi t ñ ño ñư c Nhi t ñ ño ñư c nh5 m t ñi n tr+ hay m t cIp nhi t, bgng nhi t đ c'a c m bi$n kí hi u TC Nó ph- thu c vào nhi t đ mơi trư5ng kí hi u TX vào s@ trao đAi nhi t đ Nhi m v- c'a ngư5i th@c nghi m làm th$ ñ* gi m hi u s6 TX – TC xu6ng nhH nh t Có hai bi n pháp đ* gi m s@ khác bi t giSa TX TC: Tăng trao ñAi nhi t giSa c m bi$n mơi trư5ng đo Gi m trao ñAi nhi t giSa c m bi$n mơi trư5ng bên ngồi ðo nhi t đ lịng v!t r"n Thơng thư5ng c m bi$n đư c trang b% m t lJp vH bOc bên ngồi ð* đo nhi t ñ c'a m t v t rGn bgng c m bi$n nhi t ñ , tN b mIt c'a v t ngư5i ta khoan m t lq nhH ñư5ng kính bgng r ñ sâu bgng L Lq dùng ñ* ñưa c m bi$n vào sâu ch t rGn ð* tăng đ xác c'a k$t qu ph i ñ m b o hai ñi u ki n: Chi u sâu c'a lq khoan ph i bgng hoIc lJn g p 10 lLn đư5ng kính c'a (L ≥ 10r) Gi m tr+ kháng nhi t giSa v t rGn c m bi$n bgng cách gi m kho ng cách giSa vH c m bi$n thành lq khoan Kho ng cách giSa vH c m bi$n thành lq khoan ph i ñư c l p ñLy bgng m t v t li u dtn nhi t t6t Trang 181 Chương 6:: C m bi n Nhi t Đ 6.3 Nhi%t ñi%n tr2 v4i Platin Nickel ði n tr+ c'a kim m lo i thay ñAi theo nhi t ñ v nhi t đ bình ình thư5ng, t ion chK dao ñ ng nhi t quanh h v% v trí cân bgng c'a chúng, cịn electron lectron có th* chuy*n đ ng t@ kho ng không kh gian giSa ion bên v t th* kim k lo i Hình 6.1 C)u trúc m+ng tinh th, c a kim m lo+i lo Khi nhi t ñ àng cao ca làm cho ion dao ñ ng m nh, nh nên s@ m t tr t t@ ion tăng dtn tn tJi v n t6c chuy*n ñ ng nhi t c'a electron ctron tăng làm tăng kh va ch m giSa ion dương d vJi electron lJn Chính s@ @ va ch c m giSa electron vJi ion dương ngm gm m t tr t t@ m ng tinh th* nguyên yên nhân nh gây ñi n tr+ làm c n tr+ s@ di chuy*n y*n c'a c' ion Hình 6.1 → V y ñi n tr+ kim lo l i s\ tăng lên nhi t ñ tăng 6.3.1 ði%n tr2 kim lo7i thay tha ñ9i theo nhi%t ñ0 S@ chuy*nn ñ ng c'a h t mang n tích theo m t hư ưJng hình thành m t dịng n kim lo l i S@ chuy*n ñ ng có th* m t l@c l hOc hay n trư5ng gây nên n tích có th* âm hay dương d%ch chuy*n chuy* vJi chi u ngư c ð dtn ñi n c'a c kim lo i thuLn tK l ngh%ch vJi nhi hi t ñ hay ñi n tr+ c'a kim lo i có h s6 nhi t đ dương Trong hình 6.22 ta có đIc tuy$n n tr+ c'a cácc kim lo i theo nhi t ñ Như th$ ñi n tr+ kim k lo i có h s6 nhi t ñi n tr+ dươ ương PTC (Positive Trang 182 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Temperature Coefficient): ñi n tr+ kim lo i tăng nhi t đ tăng ð* hi u Bng có th* s9 d-ng ñư c vi c ño nhi t ñ , h s6 nhi t ñ cLn ph i lJn ði u có nghĩa có s@ thay ñAi ñi n tr+ lJn ñ6i vJi nhi t đ Ngồi tính ch t c'a kim lo i khơng đư c thay đAi nhi u sau m t th5i gian dài H s6 nhi t ñ không ph- thu c vào nhi t ñ , áp su t không b% nh hư+ng b+i hóa ch t GiSa nhi t đ n tr+ thư5ng khơng có s@ tuy$n tính, đư c diyn t b+i m t bi*u thBc ña c p cao: R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C.t3 +…) ði n tr+ (6.6) SGt ðUng Than 200 400 600 800 Nhi t đ Hình 6.2 Các ñ c tuy/n ñi n tr0 c a kim lo+i theo nhi t ñ R0: ði n tr+ ñư c xác ñ%nh + m t nhi t ñ nh t ñ%nh t2, t3: Các phLn t9 ñư c ý nhi u hay tùy theo yêu cLu xác c'a phép đo A, B, C: Các h s6 tùy theo v t li u kim lo i diyn t s@ liên h giSa nhi t ñ n tr+ m t cách rõ ràng Thơng thư5ng đIc tính c'a nhi t n tr+ đư c th* hi n chK m t h s6 α, thay th$ cho h s6 nhi t đ trung bình thang đo (ví d- tN 00C đ$n 1000C.) Trang 183 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ α = (R100 R0) / 100 R0 (°C61) (6.7) 6.3.2 Nhi%t ñi%n tr2 Platin Platin v t li u cho nhi t ñi n tr+ ñư c dùng r ng rãi cơng nghi p Có tiêu chu|n ñ6i vJi nhi t ñi n tr+ platin, s@ khác giSa chúng ngm + mBc ñ tinh khi$t c'a v t li u HLu h$t qu6c gia s9 d-ng tiêu chu|n qu6c t$ DIN IEC751m1983 (ñư c s9a ñAi lLn thB nh t vào năm 1986, lLn thB vào năm 1995), USA vtn ti$p t-c s9 d-ng tiêu chu|n riêng v c tiêu chu|n ñ u s9 d-ng phương trình Callendar m Van Dusen: R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C[t m 1000C].t3) (6.8) R0 tr% s6 ñi n tr+ ñ%nh mBc + 00C Standard α [ / /°C] R0 [ ] H% sC 200°C < t < 0°C A = 3.90830x10m3 B = m5.77500x10m7 IEC751 (Pt100) 0.00385055 100 C = m4.18301x10m12 0°C < t < 850°C A &B trên, riêng C = 0.0 SAMA RCm4 Nư4c s,n suDt Úc, Áo, BK, Brazil, Bulgaria, Canada, C ng hòa Czech, ðan m ch, Ai C p, PhLn Lan, Pháp, ðBc, Israel, Ý, Nh t, Ba Lan, Rumania, Nam phi, ThA Nhĩ Kì, Nga, Anh, USA A= 3.97869x10m3 0.0039200 98.129 B = m5.86863x10m7 USA C = m4.16696x10m12 R0 c'a nhi t ñi n tr+ Pt 100 100 , c'a Pt 500 500 , c'a Pt 1000 1000 Các lo i Pt 500, Pt 1000 có h s6 nhi t đ lJn hơn, đ nh y lJn hơn: ñi n tr+ thay ñAi m nh theo nhi t đ Ngồi cịn có lo i Pt 10 có đ nh y dùng đ* ño nhi t ñ 6000C Trang 184 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Tiêu chu|n IEC751 chK ñ%nh nghĩa “C p” dung sai A, B Trên th@c t$ xu t hi n thêm lo i C D xem b ng phía dưJi Các tiêu chu|n áp d-ng cho lo i nhi t ñi n tr+ khác CDp dung sai Dung sai (°C) A t =± (0.15 + 0.002.| t |) B t = ± (0.30 + 0.005 | t |) C t =± (0.40 + 0.009 | t |) D t = ± (0.60 + 0.0018 | t |) Theo tiêu chu|n DIN v t li u platin dùng làm nhi t n tr+ có pha t p Do b% t p ch t khác th|m th u q trình s9 d-ng s@ thay đAi tr% s6 n c'a so vJi platin thuLn Nh5 th$ có s@ An đ%nh lâu dài theo th5i gian, thích h p cơng nghi p Trong cơng nghi p nhi t n tr+ platin thư5ng dùng có đư5ng kính 30 m (so sánh vJi đư5ng kính s i tóc kho ng 100 m) 6.3.3 Nhi%t ñi%n tr2 nickel Nhi t ñi n tr+ nickel so vJi platin rŒ ti n có h s6 nhi t ñ lJn gLn g p hai lLn (6,18.10m3 0Cm1) Tuy nhiên d i ño chK tN m600C đ$n +2500C, 3500C nickel có s@ thay ñAi v pha C m bi$n nickel 100 thư5ng dùng cơng nghi p u hịa nhi t đ phòng R(t) = R0 (1 + A.t +B.t2 +D.t4 +F.t6) A = 5.485x10m3 B = 6.650x10m6 D = 2.805x10m11 (6.9) F = m2.000x10m17 VJi trư5ng h p khơng địi hHi s@ xác cao ta s9 d-ng phương trình sau: R(t) = R0 (1 + α.t) (6.10) α= 0.00672 0Cm1 TN dy dàng chuy*n đAi thành giá tr% nhi t ñ : t = (Rt / R0 m 1) / α = (Rt / R0 m 1) / 0.00672 Trang 185 (6.11) Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Hình 6.3 ðư;ng đ c tính k= thu!t c a c m bi/n ZNI1000 C m bi$n nhi t ñ ZNI1000 hãng ZETEX Semiconductors s n xu t s9 d-ng nhi t ñi n tr+ Ni, ñư c thi$t k$ có giá tr% 1000 t i 00C 6.4 C,m bi.n nhi%t ñ0 v4i vJt li%u bán dKn silic C m bi$n nhi t ñ vJi v t li u silic ngày đóng vai trị quan trOng h th6ng ñi n t9 VJi c m bi$n silic, bên c nh ñIc ñi*m tuy$n tính, s@ xác, phí tAn th p, có th* đư c tích h p IC vJi b ph n khu$ch ñ i yêu cLu x9 lí tín hi u khác H th6ng tr+ nên nhH gOn, mBc ñ phBc t p cao ch y nhanh K• thu t c m bi$n nhi t truy n th6ng cIp nhi t ñi n, nhi t ñi n tr+ có ñIc tuy$n khơng tuy$n tính u cLu s@ u chKnh đ* có th* chuy*n đAi xác tN giá tr% nhi t ñ sang ñ i lư ng ñi n (dịng hay áp) đư c thay th$ dLn b+i c m bi$n silic vJi l i ñi*m s@ nhH gOn c'a m ch n tích h p dy s9 d-ng 6.4.1 Nguyên tLc Hình 6.4 th* hi n c u trúc b n c'a m t c m bi$n kích thưJc c'a c m bi$n 500 x 500 x 200 •m MIt c'a c m bi$n m t lJp SiO2 có m t vùng hình trịn đư c m kim lo i có đư5ng kính kho ng 20•m, tồn b mIt đáy ñư c m kim lo i Trang 186 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Hình 6.4 C)u trúc b n c a m t c m bi/n Hình 6.5 bi*u diyn m ch n tương ñương tư ng trưng thay th$ cho c m bi$n silic (s n xu t theo nguyên tGc ñi n tr+ phân r i (spreading resistance)) S@ sGp x$p dtn đ$n s@ phân b6 dịng qua tinh th* có d ng hình nón, nguUn g6c c'a tên gOi n tr+ phân r i Hình 6.5 M+ch ñi n tương ñương cho c m bi/n silic ði n tr+ c m bi$n nhi t R ñư c xác ñ%nh sau: R = ρ / π d (6.12) R: ði n tr+ c m bi$n nhi t ρ : ði n tr+ su t c'a v t li u silic ( ρ l thu c vào nhi t đ ) d: ðư5ng kính c'a hình trịn vùng m kim lo i mIt Hình 6.6 th* hi n lo i k$t c u thB hai c'a c m bi$n L i ñi*m c'a ki*u k$t c u n tr+ c m bi$n khơng ph- thu c vào chi u dịng n Trái l i ki*u k$t c u thB nh t, dành cho dịng n lJn nhi t đ 1000C, s@ thay ñAi ñi n tr+ c'a c m bi$n nhH Trang 187 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ C m bi$n nhi t silic vJi ngun tGc n tr+ phân r i có h s6 nhi t ñ dương trư5ng h p c m bi$n nhi t vJi v t li u platin hay nickel Hình 6.6 Hình 6.6 K/t c)u gGm hai c m bi/n m"c n i ti/p ngư c cIc tính 6.4.2 ð)c trưng kM thuJt b,n c+a dòng c,m bi.n KTY (hãng Philips s n xu)t) VJi s@ xác An đ%nh lâu dài c'a c m bi$n vJi v t li u silic KTY s9 d-ng cơng ngh n tr+ phân r i m t s9 thay th$ t6t cho lo i c m bi$n nhi t ñ truy n th6ng C m bi$n KTY có ưu đi*m sau SI Nn ñOnh: Gi thi$t c m bi$n làm vi c + nhi t đ có giá tr% bgng m t nSa giá tr% nhi t đ ho t đơng c@c ñ i, sau th5i gian làm vi c nh t 450000 h (kho ng 51 năm), hoIc sau 1000 h (1,14 năm) ho t ñ ng liên t-c vJi dịng đ%nh mBc t i giá tr% nhi t ñ ho t ñ ng c@c ñ i c m bi$n silic s\ cho k$t qu ño vJi sai s6 b ng B ng Sai s6 c'a c m bi$n silic (do th5i gian s9 d-ng) TYPE Sai s6 tiêu bi*u (K) Sai s6 lJn nh t (K) 0.20 0.50 0.20 0.80 0.15 0.40 KTY81m1 KTY82m1 KTY81m2 KTY82m2 KTY83 SP dQng cơng ngh silic: Do c m bi$n đư c s n xu t d@a n n t ng công ngh silic nên gián ti$p s\ hư+ng đư c l i ích tN nhSng ti$n b lĩnh v@c cơng ngh này, đUng th5i u gián ti$p mang l i nhSng nh hư+ng ích c@c cho cơng ngh “đóng gói”, nơi mà ln có khuynh hưJng thu nhH SI tuy/n tính: Trang 188 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ ðUng có đ tuy$n tính cao, nhiên ho t ñ ng hóa hOc cao nên chK ho t ñ ng tLm < 180°C Hình 6.32 ð c tuy/n c a lo+i kim lo+i thay ñNi ñi n tr0 theo nhi t đ RTD có d+ng: RTD dây qu(n RTD b) m t Cu n dây Platin làm cho R có giá tr% lJn nên cho phép chúng vJi ñ nh y tương ñ6i t6t G6m, mica ñIt vH bOc ñ* ch6ng rung ñ ng va ch m m nh C)u t+o c a RTD bn m t: RTD b mIt thư5ng dùng ñ* ño nhi t ñ b mIt c'a v t rGn Hình 6.33 C)u t+o RDT lo+i bn m t Quan h giPa ñi n tr0 nhi t ñ RTD R = R0 (1 + γ 1.T + γ T + + γ N T N ) Trong đó: R0 n tr+ c'a RTD + 0°C Trang 205 (6.31) Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Các γ h s6 nhi t ñi n tr+, hay ñ nh y + nhi t ñ T H s6 nhi t ñi n tr+ ñIc trưng cho kim lo i, ph- thu c vào kim lo i nhi t ñ Trong tLm đo nhi t đ c'a kim lo i, R thay đAi tuy$n tính vJi nhi t đ nên: R = γ 1.(T − T0 ) R0 (6.32) Khi nhi t đ ngồi tLm đo quan h R nhi t đ khơng tuy$n tính Có th* bi*u diyn theo quan h b c hai: R = γ 1.(T − T0 ) + γ 2.(T − T0 ) R0 (6.33) M+ch ño RDT: Trư5ng h p R tuy$n tính vJi nhi t đ Dây RTD Dây Dây R1 ChKnh offset + Vi _ R2 ði n tr+ n6i ti$p NguUn áp Hình 6.34 ðo RDT trư;ng h p R tuy/n tính v\i nhi t đ Trư5ng h p R khơng tuy$n tính vJi nhi t ñ Dây Dây Rshunt DVM RTD Dây Dây Vi NguUn dịng Hình 6.35 ðo RDT trư;ng h p R khơng tuy/n tính v\i nhi t ñ Trang 206 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ S9 d-ng thêm Rshunt=3.RTD, làm tăng tính tuy$n tính (nhưng khơng hồn tồn) M ch RTD có Rshunt ho t đ ng tLm m196°C 260°C png dQng RDT Dùng ñ* ño nhi t ñ ñư5ng 6ng, kho chBa, ño nhi t ñ khơng khí Dùng ngành cơng nghi p th@c ph|m, dư c ph|m… cLn đ xác v nhi t đ cao, đ an tồn (RTD khơng gây h i vJi mơi trư5ng) c Nhi t n tr bán d+n Thermistor Nguyên t"c: Gi6ng RTD ñư c c u t o tN lo i oxit c'a nikel, mangan, cobal… Tính ch)t: Có đ nh y nhi t âm r t cao, kho ng 10 lLn so vJi ñi n tr+ kim lo i ð An ñ%nh c'a nhi t ñi n tr+ ph- thu c vào vi c ch$ t o ñi u ki n s9 d-ng TLm ho t ñ ng c'a thermistor có th* tN vài đ t ñ6i ñ$n kho ng 300°C Thermistor ñư c ch$ t o tN nhSng v t li u bán dtn, s@ thay ñAi ñi n tr+ c'a v t li u tK l vJi nhi t ñ gi i ño Khi nhi t ñ tăng ñi n tr+ gi m, v y Thermistor có h s6 nhi t âm MIc dù v y có m t s6 Thermistor có h s6 nhi t dương Thích h p dùng Bng d-ng có gi i nhi t ñ nhH Quan h giga ñi n tr0 nhi t ñ : R = R0 e 1 ( B ( − )) T T0 (6.34) R0 ñi n tr+ + nhi t ñ 25°C Giá tr% B ngm kho ng 300om500oK Khi đ nh y nhi t: α =− B T2 (6.35) Trang 207 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Quan h giSa ñi n tr+ nhi t ñ c'a thermistor khơng tuy$n tính Hình 6.36 ð c tuy/n c a RDT M+ch ño c a thermistor: Vi R2 R3 Vo RT RTD R1 Hình 6.37 M+ch đo RDT Thermistor ñư c n6i vào m ch cLu H hình v\ Khi cLu cân bgng: E0 RT R3 = EI ( RT + RT + R2 ).( R3 + R4 ) (6.36) Thông thư5ng ngư5i ta chOn R2=R3, Rt=R4 Khi đó: E0 RT / RT = EI + RT / RT + RT / R2 + RT / R2 + R2 / RT Trang 208 (6.37) Chương 6: C m bi n Nhi t Đ H+n ch/ c a phương pháp đo trIc ti/p: Ngồi m t s6 ưu ñi*m ñã ñư c nêu trên, phương pháp ño tr@c ti$p m t s6 h n ch$ sau: Khơng th* đo nhi t đ di n tích lJn Khơng đo đư c nhSng v t ñang chuy*n ñ ng ChK dùng tLm tN m190oC ñ$n 1063oC Có th* nh hư+ng ñ$n c u trúc h th6ng cLn đo nhi t đ c m bi$n có th* tích lJn … 6.6.2 ðo gián ti.p (cách ly) a Các trư-ng h.p c/n ño cách ly Xác ñ%nh nhi t ñ c'a m t v t ñang di chuy*n Xác ñ%nh nhi t ñ c'a m t v t r t nóng khơng th* đo đư c bgng d-ng cthơng thư5ng Xác đ%nh nhi t đ c'a m t v t ngm khu v@c nguy hi*m lò ph n Bng h t nhân, lò nung, lị luy n kim… Xác đ%nh nhi t đ c'a m t khu v@c có di n tích r ng Xác đ%nh nhi t đ mà khơng gây nh hư+ng ñ$n ñ6i tư ng cLn ño Xác ñ%nh nhi t đ mà khơng làm thay đAi c u trúc c'a v t cLn ño b Nguyên lý ño nhi t ñ cách ly Các v t th* + nhi t ñ lJn 0oK phát m t bBc x ñi n tN b mIt tK l vJi nhi t ñ c'a v t Ta ño nhi t ñ c'a v t d@a bBc x ñi n tN v t phát Liên h giSa cư5ng ñ bưJc sóng bBc x vJi nhi t ñ WA = 2πc h λ5 (e hc / kλT − 1) (6.38) − W:cư5ng ñ quang phA bBc x c'a v t ñen Trang 209 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ − λ : bưJc sóng bBc x − h : hgng s6 Planck − c : v n t6 ánh sáng − k : hgng s6 Boltmann PhA phát x c'a v t ñen theo bưJc sóng Hình 6.38 PhN phát x+ c a v!t ñen theo bư\c sóng c Các cách ño nhi t ñ cách ly S9 d-ng phương pháp quang (optical pyrometer) S9 d-ng phương pháp bBc x ñi n t9 (photon detector) d ðo nhi t ñ cach ly dùng phương pháp quang (optical pyrometer) Dùng ñ* ño nhi t ñ kho ng tN 973 m 4273oK Pyrometer ho t ñ ng d@a nguyên tGc so sánh ñ sáng c'a dây tóc bóng đèn vJi đ sáng c'a v t cLn đo ð sáng c'a bóng đèn đư c chu|n hóa vJi m t nguUn đen t đ6i phát x + m t nhi t ñ bi$t trưJc Trang 210 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Hình 6.39 ðo nhi t đ cách ly bZng phương pháp quang Khi cư5ng ñ sáng c'a n n dây tóc bgng ta có phương trình: ε ℓ C / λr T −1 = ℓ C / λr T f −1 (6.39) − λ bưJc sóng c'a ánh sáng đH kho ng 0.63Ôm l h s6 phỏt x c'a v t − Tf nhi t đ c'a dây tóc bóng đèn − T nhi t c'a v t − Khi T < 4273oK ta có: ℓ C2 / λT 〉〉1 T = λr (ln ε ) / C2 + / T f (6.40) e ðo nhi t ñ cach ly dùng phương pháp b5c x" n t7 (photon detector) Có r t nhi u Bng d-ng địi hHi ph i xác đ%nh nhi t đ khơng ti$p xúc như: đo lư5ng nhi t đ tịa nhà, h th6ng 6ng dtn, khu v@c có di n tích r ng, hoIc nhSng lị luy n kim… Thi$t b% ño nhi t ñ s9 d-ng Photon Detector gi i pháp cho v n ñ Photon Detector m t lo i sensor mà ñáp Bng c'a n áp tK l vJi m t đ dịng photon t p trung b mIt c m bi$n Trang 211 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Hình 6.41 Hình d+ng c m bi/n ño nhi t ñ b[c x+ ñi n tq Ngun lý ho+t đ ng: Hình 6.42 C m bi/n đo nhi t đ d+ng cách ly Cơng th[c: D2 E0 = kt εg (T ) 4f (6.41) kt : ñ nh y c'a h th6ng (bao gUm h s6 truy n, ñ l i ñi n áp đ nh y c'a c m bi$n) Do có nhi u Bng d-ng thương m i công nghi p s9 d-ng photon detector nên tLm đo c'a r t ña d ng VJi m t máy ño nhi t ñ quang b n có th* s9 d-ng ñ* ño nhi t ñ kho ng 253 ñ$n 1873oK Trang 212 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ ð nh y c'a scanner + 30oC 0.1o H th6ng ño lư5ng nhi t ñ bgng hUng ngo i Các v t th* + nhi t ñ lJn 0oK phát m t bBc x ñi n tN b mIt tK l vJi nhi t đ c'a v t Hình 6.43 H th ng ño lư;ng nhi t ñ bZng hGng ngo+i Hình 6.44 Sơ đG kh i h th ng đo lư;ng nhi t đ bZng hGng ngo+i Hình 6.45 B ñinu khi,n nhi t ccm tay dùng ánh sáng hGng ngo+i Ba bưJc đ* đo nhi t đ c'a v t: BưJc 1: Chuy*n tín hi u hUng ngo i phát x tN v t nh n ñư c tín hi u n BưJc 2: Bù nhi t đ n n c'a mơi trư5ng cLn đo Trang 213 Chương 6:: C m bi n Nhi t Đ BưJc 3: Tuy$n tính hóa k$t qu nh n ñư c xu t thông th tin v nhi t ñ cLn ño 6.7 M7ch ño 6.7.1 Gi4i thi%u IC (LM135/235/3 /235/335) h n ch$ v tLm ño tN m55oC ñ$nn +1500C, ñLu (áp) tuy$n tínhh vJi nhi n t đ “dy” s9 d-ng Khi mu6n có tLm đo lJn hoIc mu6n có ñ nh y cao h ph i s9 d-ng sensor khác n Thermocouple, RTD hoIc Thermistor mistor VJi sensor làà RTD, RT Thermistor đ i lư ng thay ñAi tươn ương Bng vơi nhi t ñ ñi n tr+, òn vJi v Thermocouple n áp, r t nhH (•V) S@ thay đAi khơngg tuy$n tính vJi nhi t đ Có thêm ác m ch gia cơng tín hi u ñ* bi$n ñAi thành ành ñi ñ n áp, khu$ch ñ i ñ$n tLm mong ng mu6n mu 6.7.2 ðo dùng m7ch cXu c Wheatstone Hì 6.46 M+ch ño dùng ccu Wheatstone Hình Vd: vJi RTD + 00C, R = 100ă 10 , TC = 0.385ă/0C Vout = V R+ R R+2 R ⇒ V =V R 4R + R (6.42) ∆R > ði n áp thay ñAi r t nhH V = I (R + R ) ⇒ V =I* R Trang 214 (6.43) Chương 6: C m bi n Nhi t Đ ði n áp thay đAi khơng tuy$n tính vJi ∆R Áp lJn I lJn I không th* lJn GiJi h n công su t To nhi t phLn t9 đo Có m t phương pháp tôt s9 d-ng cLu Wheatstone s9 d-ng nguUn dịng/áp Có lo+i ccu Wheatstone nguGn áp thơng dQng VB VB R R+ R R R Vo R R+ R R R+ R/2 Sai s6 TT: 0,5%/% R Rm R R+ R Vo R+ R VB VB R Vo VB Vo: VB Vo R R R+ R/2 0,5%/% Rm R R+ R Rm R R VB R R+ R R VB R Hình 6.47 Các d+ng ccu Wheatstone nguGn áp CLu Wheatstone vJi phLn t9 thay đAi Áp khơng tuy$n tính (có th* gi i quy$t bgng phLn m m hoIc kĩ thu t m ch) ð nh y 0.5%/% CLu Wheatstone vJi phLn t9 thay đAi (d ng 1) Khơng tuy$n tính (0.5%/%) ð nh y tăng g p đơi so vJi trư5ng h p ñLu CLu Wheatstone vJi phLn t9 thay ñAi (d ng 2) Trang 215 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Tuy$n tính ð nh y tăng g p đơi so vJi trư5ng h p ñLu CLu thư5ng dùng cho c m bi$n áp su t hoIc lưu lư ng CLu Wheatstone vJi phLn t9 thay đAi Tuy$n tính ð nh y tăng g p so vJi trư5ng h p ñLu CLu d ng thư5ng dùng vJi Loadcell B n d+ng ccu Wheatstone v\i nguGn dòng IB IB R R+ R R R Vo R Vo: Sai s6 TT: R R+ R IB R+ R/4 0,25%/% Vo R R IB Rm R R+ R Vo R+ R IBR IB Vo R R+ R Rm R IB R R Rm R R+ R IB R Hình 6.48 Các d+ng ccu Wheatstone nguGn dịng Ưu ñi*m: ði n tr+ dây, ti$p xúc không gây sai l ch k$t qu Có th* dùng dây dtn đơn gi n, r\ 6.7.3 Tuy.n tính hóa – khu.ch ñ7i tín hi%u sau cXu Tín hi u ñưa cịn nhH (vài ch-c – vài trăm mV), cLn ph i ñư c khu$ch ñ i trưJc ñưa vào b ADC hoIc x9 lý ti$p Khu/ch ñ+i ñơn gi n có th, dùng b OpAmp Trang 216 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ VB RF R R R R+ R +VS VS Hình 6.49 M+ch khu/ch ñ+i ñơn gi n dùng Opamp M ch cho đ xác khơng cao ð khu$ch ñ i ph- thu c vào ñi n tr+ cLu, RF TAng tr+ không cân bgng + ngõ vào Áp khơng tuy$n tính chK đơn thuLn b khu$ch ñ i VB R +VS R VREF=VB RG R REF VOUT R+ R mVS VOUT= VB R R+ R/2 GAIN Hình 6.50 M+ch khu/ch đ+i tuy/n tính có chtnh đ l i M ch cho đ xác cao Ưu đi*m: ð xác lJn ñ khu$ch ñ i chK ph- thu c vào Rg TAng tr+ vào lJn nên khơng nh hư+ng đ$n cLu ño ñi n tr+ cLu ño không nh hư+ng ñ$n m ch s@ cân bgng c'a b khu$ch ñ i Khuy$t đi*m: Áp khơng tuy$n tính, khGc ph-c bgng software Trang 217 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ M ch vNa khu$ch ñ i, vNa tuy$n tính hố Vout so vJi ∆R VB R +VS R VOUT +VS mVS R+ R R VOUT= VB R R mVS 1+ R1 R2 Hình 6.51 M+ch khu/ch đ+i tuy/n tính dùng Opamp ð c tuy/n c a lo+i c m bi/n Hình 6.52 ð c tuy/n c a lo+i c m bi/n 6.7.4 Nguyên lý x^ lý tín hi%u t_ RTD Thermistor Dùng m+ch Opamp Hình 6.53 M+ch xP lý tín hi u Thermistor dùng opamp Trang 218 Chương 6:: C m bi n Nhi t Đ Dùng m+ch ccuu cân câ bZng Hình 6.54 54 M+ch xP lý tín hi u RTD dùng ccu cânn bZng bZ Dùng IC vi xP lý Hình 6.5 6.54 M+ch xP lý tín hi u Thermistor dùngg IC Trang 219