Bài giảng điều khiển cảm biến (nghề vận hành thủy điện) trường cao đẳng lào cai

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI BÀI GIẢNG MÔ ĐUN Điều khiển cảm biến NGHỀ VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN (áp dụng cho Trình độ cao đẳng) LƯU HÀNH NỘI BỘ Năm 2019 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 BÀI 1[.]

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI BÀI GIẢNG MÔ ĐUN: Điều khiển cảm biến NGHỀ: VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN (áp dụng cho Trình độ cao đẳng) LƯU HÀNH NỘI BỘ Năm 2019 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm cảm biến 1.2 Phạm vi ứng dụng 1.2.1 Vùng làm việc danh định 1.2.2 Vùng không gây nên hư hỏng 1.2.3 Vùng không phá huỷ 1.2.4 Sai số độ xác 1.1.5 Độ nhanh thời gian hồi đáp 1.1.6 Độ tuyến tính 1.3 Phân loại cảm biến 1.3.1 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích 1.3.2 Phân loại theo dạng kích thích 10 1.3.3 Phân loại theo tính cảm biến 10 1.3.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng 11 1.3.5 Phân loại theo thông số mô hình mạch thay 11 1.3.6 Phân loại theo cảm biến chủ động bị động 11 1.3.7 Phân loại theo nguyên lý hoạt động 11 CÂU HỎI ÔN TẬP 12 Bài 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 13 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 13 2.1 Đại cương cảm biến nhiệt độ 13 2.1.1 Thang đo nhiệt độ 13 2.1.2 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo 14 2.2 Nhiệt điện trở Platin Nikel 14 2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ 14 2.2.2 Nhiệt điện trở Platin 15 2.2.3 Nhiệt điện trở Nikel 15 2.2.4 Cách nối dây đo nhiệt điện trở 15 2.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 17 2.3.1 Nguyên tắc chung 17 2.3.2 Đặc trưng kỹ thuật dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) 18 2.4 IC cảm biến nhiệt độ 19 2.4.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 National Semiconductor 19 2.4.2 Cảm biến nhiệt độ AD 590 Analog Devices 20 2.5 Nhiệt điện trở NTC 21 2.5.1 Cấu tạo 21 2.5.2 Ký hiệu 21 2.5.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt NTC 21 2.5.4 Ứng dụng 21 2.6 Nhiệt điện trở PTC 22 2.6.1 Cấu tạo 22 2.6.2 Ký hiệu 22 2.6.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt PTC 22 2.6.4 Ứng dụng 22 2.7 Ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ 23 2.7.1 Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ LM35 23 2.7.2 Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật nhiệt điện trở NTC, PTC 23 2.7.3 Cài đặt số cảm biến nhiệt độ 23 CÂU HỎI ÔN TẬP 30 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 31 Bài 3: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN 43 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 43 3.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 43 3.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 45 3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 45 3.1.3 Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor) 50 3.1.4 Cấu hình ngõ cảm biến tiệm cận 53 3.1.5 Cách kết nối cảm biến tiệm cận với 54 3.2 Các tập ứng dụng loại cảm tiệm cận 56 3.2.1 Khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận điện cảm 56 3.2.2 Khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận điện dung 56 CÂU HỎI ÔN TẬP 56 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 57 Bài 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY 59 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 59 4.1 Một số phương pháp 59 4.1.1 Đo vận tốc vòng quay phương pháp analog 60 4.1.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 62 4.1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 64 4.2 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 65 4.2.1 Nguyên tắc đo 65 4.2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 hãng Philips Semiconductor 66 4.2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 68 4.2.4 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 69 4.3 Các tập ứng dụng 71 4.3.1 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến đo tốc độ động 71 4.3.2 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến lực 71 4.3.3 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến đo áp suất 71 CÂU HỎI ÔN TẬP 71 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 72 Bài 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC 75 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 75 5.1 Ánh sáng phép đo quang 75 5.1.1 Tính chất ánh sáng 75 5.1.2 Các đơn vị đo quang 76 5.2 Nguồn sáng 77 5.2.1 Đèn sợi đốt 77 5.2.2 Diode phát quang 78 5.2.3 Laser 79 5.3 Điện trở quang cảm biến quang, tranzitor quang 81 5.3.1 Điện trở quang 81 5.3.2 Cảm biến quang 82 5.3.3 Tranzitor quang 86 5.4 Các tập ứng dụng 87 5.4.1 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến thu phát quang 87 5.4.2 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại 87 5.4.3 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến quang trở 87 5.4.4 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến khói 87 CÂU HỎI ƠN TẬP 87 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 88 LỜI NÓI ĐẦU Đề cương Điều khiển cảm biến nhằm trang bị cho người học kiến thức loại cảm biến thông dụng ứng dụng loại cảm biến sản xuất đời sống Các cảm biến đóng vai trị quan trọng lĩnh vực đo lường điều khiển Chúng cảm nhận đáp ứng theo kích thích thường đại lượng không điện, chuyển đổi đại lượng thành đại lượng điện truyền thông tin hệ thống đo lường điều khiển, giúp nhận dạng, đánh giá điều khiển biến trạng đối tượng Trong năm gần khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có mặt hệ thống tự động phức tạp người máy, hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng Đề cương Điều khiển cảm biến biên soạn gồm 04 đó: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC Mỗi đề cập tới nội dung loại cảm biến thông dụng Kiến thức thật hữu ích cho bạn muốn tìm hiểu sử dụng loại cảm biến cách thục ngày đầu bỡ ngỡ làm quen NỘI DUNG CHI TIẾT TẬP BÀI GIẢNG MƠ ĐUN I Mục tiêu mơ đun: - Về kiến thức: + Mô tả cấu tạo, phân tích nguyên lý, ứng dụng loại cảm biến + Vẽ sơ đồ đấu dây loại cảm biến - Về kỹ năng: + Kết nối dây, khảo sát số loại cảm biến như: Cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung; cảm biến từ; cảm biến thu phát quang; cảm biến nhiệt độ + Lựa chọn loại cảm biến phù hợp điều khiển điện công nghiệp đời sống - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Hình thành tư khoa học phát triển lực làm việc cá nhân, theo nhóm + Chủ động lập kế hoạch, dự trù vật tư, thiết bị + Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo tư khoa học công việc + Rèn luyện tính xác tác phong cơng nghiệp II Nội dung mô đun: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm cảm biến - Cảm biến - sensor: Xuất phát từ chữ sense có nghĩa giác quan giác quan thể người Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện thu nhận thơng tin từ bên ngồi Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động tự động hiển thị thông tin đại lượng cảm nhận hay điều khiển q trình định trước có khả thay đổi cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động - Để dễ hiểu so sánh cảm nhận cảm biến qua giác quan người sau: Bảng 1.1 So sánh cảm nhận cảm biến qua giác quan người giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến Thị giác Ánh sáng, hình dạng, kích Cảm biến thu thước, vị trí xa gần, màu sắc biến quang Xúc giác Áp suất, nhiệt độ, đau, Nhiệt trở, cảm biến tiệm tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô cận, cảm biến độ rung động hình, cảm Đo lượng đường máu Ngọt, mặn, chua cay, béo Vị giác Cảm biến sóng siêu âm, mi-cro Thính giác Âm rầm bổng, sóng âm, âm Đo độ cồn, thiết bị cảm nhận lượng khí ga Khứu giác Mùi chất khí, chất lỏng - Cảm biến: Là thiết bị điện tử dùng để cảm nhận trạng thái, trình vật lý hay hóa học mơi trường cần khảo sát (khơng có tính chất điện) biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thơng tin trạng thái hay q trình Thơng tin xử lý để rút tham số định tính định lượng môi trường, phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh gọi ngắn gọn đo đạc, phục vụ truyền xử lý thơng tin hay điều khiển q trình khác - Các đại lượng cần đo (m) thường tính chất điện nhiệt độ, áp suất,… tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (s) mang tính chất điện điện tích, điện áp, dịng điện,… chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo - Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m): s = f(m) (1.1) m s Bộ cảm biến Hình 1.1 Chuyển đổi cảm biến - Người ta gọi (s) đại lượng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) - Độ nhạy cảm biến: Là đại lượng biểu diễn so sánh độ biến thiên đầu so với độ biến thiên đầu vào S = ds/dm (1.2) Trong đó: ds: Biến thiên đại lượng đầu dm: Biến thiên đại lượng đầu vào - Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tương ứng với điều kiện làm việc định cảm biến - Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S khơng đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau: + Giá trị đại lượng cần đo tần số thay đổi + Thời gian sử dụng + Ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng đo) môi trường xung quanh - Độ nhạy chế độ tĩnh đại lượng đo khơng biến thiên tuần hồn theo thời gian - Độ nhạy chế độ động xác định đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian - Đường cong chuẩn cảm biến: Là đường cong biểu diễn phụ thuộc đại lượng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lượng đo (m) đầu vào 1.2 Phạm vi ứng dụng - Được ứng dụng rộng rãi công nghiệp, nghiên cứu khoa học, mơi trường, khí tượng thủy văn, thông tin viễn thông, nông nghiệp, giao thông, vũ trụ, quân sự, gia dụng, kỹ thật điều khiển, đo lườngv.v - Trong trình sử dụng, ứng dụng cảm biến chịu tác động lực học, tác động nhiệt Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng, ứng dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ giới hạn, sai số… 1.2.1 Vùng làm việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến Giới hạn vùng giá trị ngưỡng mà đại lượng đo, đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo đại lượng ảnh hưởng thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi đặc trưng làm việc danh định cảm biến 1.2.2 Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng vùng mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng làm việc danh định, cịn nằm phạm vi khơng gây nên hư hỏng Các đặc trưng cảm biến bị thay đổi, thay đổi mang tính thuận nghịch Tức trở vùng làm việc danh định, đặc trưng… cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng 1.2.3 Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy vùng mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng không gây nên hư hỏng cịn nằm phạm vi khơng bị phá hủy Các đặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính khơng thuận nghịch Tức trở vùng làm việc danh định, đặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng Trong trường hợp cảm biến sử dụng được, phải tiến hành chuẩn lại cảm biến 1.2.4 Sai số độ xác a Sai số - Là giá trị sai lệch giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo (1.3) Trong đó: x: Giá trị thực x: Sai lệch giá trị đo giá trị thực b Sai số hệ thống - Là sai số khơng phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo - Các nguyên nhân gây sai số hệ thống là: + Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lượng chuẩn không + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng + Do xử lý kết đo c Sai số ngẫu nhiên - Là sai số xuất có độ lớn chiều khơng xác định Ta dự đốn số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên dự đốn độ lớn dấu - Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lượng ảnh hưởng không tính đến chuẩn cảm biến 1.1.5 Độ nhanh thời gian hồi đáp - Độ nhanh đặc trưng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lượng đầu đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lượng sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh - Độ nhanh khoảng thời gian từ đại lượng đo thay đổi đột ngột đến biến thiên đại lượng đầu khác giá trị cuối lượng giới hạn  tính % - Thời gian hồi đáp tương ứng với % xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau có biến thiên đại lượng đo để lấy giá trị đầu với độ xác định trước 1.1.6 Độ tuyến tính - Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định, dải đo đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo - Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hố 1.3 Phân loại cảm biến - Trên thực tế có nhiều loại cảm biến khác phân loại cảm biến theo đặc trưng sau đây: 1.3.1 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Bảng 1.2 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng kích thích - Quang điện Hiện tượng vật lý - Điện từ - Từ điện - Nhiệt từ - Biến đổi hoá học Hiện tượng hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hố Hiện tượng sinh học - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng thể sống 1.3.2 Phân loại theo dạng kích thích Bảng 1.3 Phân loại theo dạng kích thích Hiện tượng Các đặc tính kích thích - Biên pha, phân cực Âm - Phổ - Tốc độ truyền sóng - Điện tích, dịng điện - Điện thế, điện áp Điện - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) Từ - Từ thông, cường độ từ trường - Độ từ thẩm - Biên, pha, phân cực, phổ 1.3.3 loại tính biến Quang - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số xạ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc Cơ - Ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt - Nhiệt độ Nhiệt - Thông lượng - Nhiệt dung - Kiểu Bức xạ - Năng lượng - Cường độ Bảng 1.4 Phân loại theo tính cảm biến Hiện tượng Các đặc tính kích thích - Độ nhạy - Khả tải 10 Phân theo cảm - Độ xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Điều kiện mơi trường - Cơng suất tiêu thụ - Kích thước, trọng lượng - Dải tần - Độ trễ 1.3.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thơng tin, viễn thơng - Nơng nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân 1.3.5 Phân loại theo thông số mơ hình mạch thay - Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dịng - Cảm biến thụ động đặc trưng thông số R, L, C tuyến tính phi tuyến 1.3.6 Phân loại theo cảm biến chủ động bị động - Cảm biến chủ động: không sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình cảm biến áp điện làm vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích bề mặt - Cảm biến bị động có sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình photodiode có ánh sáng chiếu vào có thay đổi điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n phân cực ngược 1.3.7 Phân loại theo nguyên lý hoạt động - Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển chạy góc quay biến trở, thay đổi điện trở co giãn vật dẫn - Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biến dịng xốy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,… - Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,… 11 Và số cảm biến bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion độ pH, cảm biến nhiệt độ,… CÂU HỎI ƠN TẬP Câu hỏi 1: Trình bày khái niệm cảm biến ? Câu hỏi 2: Trình bày phạm vi ứng dụng cảm biến? Câu hỏi 3: Trình bày phân loại cảm biến ? 12 Bài 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 2.1 Đại cương cảm biến nhiệt độ - Nhiệt độ số đại lượng, có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật chất Đo nhiệt độ đóng vai trị quan trọng sản xuất cơng nghiệp nhiều lĩnh vực khác Bởi nghiên cứu khoa học, công nghiệp đời sống, việc đo nhiệt độ cần thiết Tuy nhiên việc xác định xác nhiệt độ vấn đề không đơn giản Đa số đại lượng vật lý xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với đại lượng chất - Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp dựa vào phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ - Cảm biến nhiệt độ thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi nhiệt độ đại lượng cần đo - Hiện thị trường có nhiều loại cảm biến nhiệt độ, chúng có đặc điểm khác tùy vào ứng dụng thực tế, dùng hệ thống HV hệ thống điều khiển môi trường AC, trang bị y tế, cảm biến xử lý thực phẩm, xử lý hóa chất, hệ thống điều khiển tơ, đo nhiệt độ bồn đun nước, đun dầu, đo nhiệt độ lò nung, lò sấy, đo nhiệt độ loại máy móc… 2.1.1 Thang đo nhiệt độ a Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852) - Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ K - Trong thang đo người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái: nước - nước đá - giá trị có trị số bằng: 273,15 K b Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742) - Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ oC - Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (2.1) c Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706) - Đơn vị nhiệt độ oF Trong thang đo này, nhiệt độ điểm nước đá tan 32oF điểm nước sôi 212 oF - Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit nhiệt Celssius: °C = 5/9 (F – 32) (2.2) °F = 9/5 (C + 32) (2.3) Bảng 2.1 Bảng cho giá trị tương ứng số nhiệt độ quan trọng theo thang đo khác Nhiệt độ Kelvin Celsius ( C) o (K) 13 Fahrenheit o ( F) Điểm tuyệt đối - 273,15 -459,67 Hỗn hợp nước đá 273,15 32 Cân nước - nước đá - 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212 2.1.2 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo - Giả sử mơi trường đo có nhiệt độ thực Tx, đo ta nhận nhiệt độ Tc nhiệt độ phần tử cảm nhận cảm biến - Nhiệt độ Tx gọi nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi nhiệt độ đo - Điều kiện để đo nhiệt độ phải có cân nhiệt mơi trường đo cảm biến Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không đạt tới nhiệt độ mơi trường Tx, tồn chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc định Độ xác phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx – Tc, hiệu số nhỏ, độ xác phép đo cao Muốn đo cần phải: + Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến môi trường cần đo.Giảm trao đổi nhiệt cảm biến môi trường bên ngồi + Để tăng cường trao đổi nhiệt mơi trường có nhiệt độ cần đo 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 ngồi tiếp điểm, dẫn từ phần tử cảm nhận mạch đo bên ngồi phải có hệ số dẫn nhiệt thấp 2.2 Nhiệt điện trở Platin Nikel 2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ - Nhiệt điện trở điện trở có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi điện trở thay đổi - Với kim loại, chuyển động hạt mang điện theo hướng thành dòng điện kim loại Sự chuyển động lực học hay điện trường gây nên điện tích âm hay dương chuyển động theo chiều ngược - Dưới tác dụng nhiệt độ làm cho chuyển động thay đổi giá trị điện trở thay đổi Có thể nhiệt độ tăng điện trở tăng nhiệt độ tăng điện trở giảm - Khi chế tạo nhiệt điện trở người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn khung chịu nhiệt đặt vào hộp có vỏ đặc biệt đưa đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R) Trong thực tế nhà sản xuất chế tạo nhiệt điện trở có giá trị khoảng từ 10() đến 100() - Nhiệt điện trở thường chế tạo từ vật liệu có khả chịu nhiệt như: Đồng, Nikel, Platin 14 - Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn sử dụng rộng rãi nhiều Xong nhược điểm điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ kích thước lớn, cồng kềnh, có qn tính nhiệt lớn 2.2.2 Nhiệt điện trở Platin - Platin vật liệu cho nhiệt điện trở dùng rộng rãi cơng nghiệp + Có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99,999%) tăng độ xác tính chất điện + Có tính trơ mặt hố học tính ổn định cấu trúc tinh thể cao đảm bảo tính ổn định cao đặc tính dẫn điện q trình sử dụng + Hệ số nhiệt điện trở 0C 3,9.10-3/0C + Điện trở 1000C lớn gấp 1,385 lần so với 0C + Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -200 0C ÷ 1000 0C - Có tiêu chuẩn nhiệt điện trở platin, khác chúng nằm mức độ tinh khiết vật liệu Hầu hết quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần vào năm 1986, lần vào 1995) Riêng USA tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng 2.2.3 Nhiệt điện trở Nikel + Có độ nhạy nhiệt cao 4,7.10-3/0C + Điện trở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với 0C + Dễ bị oxy hoá nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định + Dải nhiệt độ làm việc thấp 2500C - Nhiệt điện trở Nikel so sánh với Platin rẻ tiền có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp lần (6,18.10-3 0C-1) Tuy nhiên dải đo từ -600C đến +2500C, 350 0C hệ số nhiệt điện trở Nikel không ổn định Cảm biến nhiệt Nikel thường dùng công nghiệp điều hồ nhiệt độ phịng 2.2.4 Cách nối dây đo nhiệt điện trở - Hiện nhà sản xuất sản xuất nhiệt điện trở dây, dây, dây nên ta có kỹ thuật nối dây đo - Tiêu chuẩn IEC 751– 1983 yêu cầu dây nối đến đầu nhiệt điện trở phải có màu giống (đỏ trắng) dây nối đến đầu phải khác màu a Kỹ thuật hai dây: - Đây loại cấu hình dây đơn giản độ xác thấp Điện trở dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ xác Dây nối dài ảnh hưởng lớn 15 Hình 2.1 Kỹ thuật dây - Giữa nhiệt điện trở mạch đo nối hai dây Bất dây dẫn điện có điện trở, điện trở nối nối tiếp với nhiệt điện trở Với hai điện trở hai dây đo, mạch điện trở nhận điện cao điện cần đo Kết ta có thị nhiệt kế cao nhiệt độ cần đo Nếu khoảng cách xa, điện trở dây đo lên đến vài Ohm gây sai số cho phép đo - Để tránh sai số phép đo điện trở dây đo gây ra, người ta bù trừ điện trở dây đo cách Dùng biến trở bù nối vào hai dây đo chỉnh biến trở cho có thị 00C bù lại điện trở dây đo gây sai số b Kỹ thuật dây: Hình 2.2 Kỹ thuật dây - Có sợi dây nối từ RTD thay dây L1 L3 dẫn dịng đo, L2 có vai trị dây chiết áp Lý tưởng điện trở dây L1 L3 khơng có Trở kháng R3 với trở kháng phần tử cảm biến Rt - Với cách nối dây ta có hai mạch đo hình thành, hai mạch dùng làm mạch chuẩn Với kỹ thuật dây, sai số cho phép đo điện trở dây đo thay đổi nhiệt độ khơng cịn Tuy nhiên dây đo cần có trị số kỹ thuật có nhiệt độ Kỹ thuật dây phổ biến c Kỹ thuật dây 16 Hình 2.3 Kỹ thuật dây - Loại khắc phục lỗi trở kháng điểm nối gây Dòng điện từ nguồn dòng đến L1 đến dây L4; Dây L2 L3 đo áp rơi RTD Với nguồn dịng cố định phép đo xác Loại cấu hình có giá thành cao so với cấu hình hay dây Tuy nhiên địi hỏi xác cao nên lựa chọn loại cấu hình (trong phịng thí nghiệm, dùng cơng nghiệp) - Với kỹ thuật dây người ta đạt kết đo tốt Hai dây dùng dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở Hai dây khác dùng làm dây đo điện nhiệt điện trở Trường hợp tổng trở ngõ vào mạch đo lớn so với điện trở dây đo, điện trở dây đo coi khơng đáng kể Điện đo không bị ảnh hưởng điện trở dây đo thay đổi nhiệt 2.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 2.3.1 Nguyên tắc chung - Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic ngày đóng vai trị quan trọng hệ thống điện tử Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, xác, phí tổn thấp, tích hợp IC với phận khuếch đại yêu cầu xử lí tín hiệu khác - Hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức độ phức tạp cao chạy nhanh Kỹ thuật cảm biến nhiệt truyền thống cặp nhiệt, nhiệt điện trở có đặc tuyến khơng tuyến tính yêu cầu điều chỉnh để chuyển đổi xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện (dòng áp) thay dần cảm biến Silic với lợi điểm nhỏ gọn mạch điện tích hợp dễ sử dụng - Silic tinh khiết đơn tinh thể Silic có hệ số điện trở âm, nhiên kích tạp chất loại N nhiệt độ hệ số điện trở trở thành dương Khoảng nhiệt độ sử dụng từ - 50oC đến 150 oC Sự thay đổi nhiệt điện trở suất Silic phụ thuộc vào nồng độ chất pha nhiệt độ + Nếu nhiệt độ nhỏ 120 oC (dải nhiệt độ làm việc) điện trở suất tăng nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt điện trở nhỏ nồng độ pha tạp nhiều + Nếu nhiệt độ lớn 120 oC (dải nhiệt độ làm việc) điện trở suất giảm nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt điện trở suất không phụ thuộc vào nồng độ pha tạp 17 2.3.2 Đặc trưng kỹ thuật dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) - Với xác ổn định lâu dài cảm biến với vật liệu silic KTY, sử dụng công nghệ điện trở phân rải Đây thay tốt cho loại cảm biến nhiệt độ truyền thống - Giả thiết cảm biến làm việc nhiệt độ có giá trị nửa giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại Sau thời gian làm việc 450000h (khoảng 51 năm), sau 1000h (1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại, cảm biến silic cho kết đo với sai số bảng sau: Bảng 2.2 Sai số cảm biến silic (do thời gian sử dụng) TYPE Sai số tiêu biểu Sai số lớn (K) (K) KTY81-1 KTY82-1 0.20 0.50 KTY81-2 KTY82-2 0.20 0.80 KTY83 0.15 0.40 - Do cảm biến sản xuất dựa tảng công nghệ silic nên gián tiếp hưởng lợi ích từ tiến lãnh vực công nghệ này, đồng thời điều gián tiếp mang lại ảnh hưởng ích cực cho cơng nghệ “đóng gói”, nơi mà ln có khuynh hướng thu nhỏ - Nhiệt độ hoạt động cảm biến silic thông thường bị giới hạn 1500C KTY 84 với vỏ bọc SOD68 công nghệ nối đặc biệt dây dẫn chip hoạt động đến nhiệt độ 300 0C Bảng 2.3 Một số sản phẩm tiêu biểu Tên sản Thang (°C) phẩm đo Dạng IC KTY81-1 −55 tới 150 SOD70 KTY81-2 −55 tới 150 SOD70 KTY82-1 −55 tới 150 SOT23 KTY82-2 −55 tới 150 SOT23 KTY83-1 −55 tới 175 SOD68 (DO34) KTY84-1 −40 tới 300 SOD68 (DO34) 18 2.4 IC cảm biến nhiệt độ - Nhiều công ty giới chế tạo IC bán dẫn để đo hiệu chỉnh nhiệt độ IC cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dạng điện áp tín hiệu dịng điện - Dựa vào đặc tính nhạy cảm bán dẫn với nhiệt độ, tạo điện áp dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối 0C, 0F, 0K hay tùy loại Đo tín hiệu điện ta biết nhiệt độ cần đo Tầm đo nhiệt độ giới hạn từ -550C đến 1500C, độ xác từ 10C đến 20C tùy theo loại 2.4.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 National Semiconductor a Cảm biến nhiệt LM35 - LM35 loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường sử dụng để đo nhiệt độ (theo °C) Nó với thể đo nhiệt độ xác so với điện trở nhiệt (thermistor) tầm giá Cảm biến tạo điện áp có đầu cao cặp nhiệt điện ko cần điện áp đầu khuếch đại LM35 có điện áp đầu tỷ lệ thuận có nhiệt độ Celsius Hệ số tỷ lệ 01V / °C - LM35 có độ chuẩn xác 0,4 °C nhiệt độ phòng bình thường 0,8 ° C khoảng ° C đến + 100 ° C Một đặc tính quan trọng cảm biến thu 60 microamps từ nguồn cung ứng có khả tự sưởi ấm thấp - Điện áp hoạt động: Vc= 4V tới 30V - Điện áp ngõ tuyến tính: 10mV/0C - Thang đo: -550C đến 1500C với LM 35/35A; -40 0C đến 1100C với LM 35C/35CA; 00C đến 1000C với LM 35D - Sự tự nung nóng nhỏ: 0,08 0C (trong mơi trường khơng khí) - Mức độ khơng tuyến tính  1/40C - LM35 dùng để đo nhiệt độ môi trường đặc biệt, kiểm tra nhiệt độ pin Cung cấp thông tin nhiệt độ linh kiện điện tử khác - Hình dạng Hình 2.4 Hình dạng thực tế LM35 b Cảm biến nhiệt LM 34 - LM34 loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường sử dụng để đo nhiệt độ (theo ° F) - LM34 có cấu trúc tương tự LM 35 19 ... cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,… - Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,… 11 Và số cảm biến bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm. .. BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC BÀI... phẩm Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng Đề cương Điều khiển cảm biến biên soạn gồm 04 đó: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI