LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Cảm biến nhiệt độ
1.3 IC cảm biến nhiệt độ
Cảm biến tiệm cận
2.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm
2.2 Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến quang
5.2 Cảm biến quang loại thu phát độc lập
5.3 Cảm biến quang loại phản xạ gương
5.4 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
5.5 Một số ứng dụng của cảm biến quang điện
2 Chương 2: Nội dung công việc thực hành 258 3 254 1
1 Các tiêu chí thực hiện công việc 3 3
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Mã chương: MH41-01 Giới thiệu:
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học nhờ vào độ nhạy cao của chúng Trong lĩnh vực tự động hóa, cả cảm biến thông thường và cảm biến đặc biệt được sử dụng để theo dõi và điều khiển quá trình làm việc của máy móc Với sự đa dạng và phong phú về loại hình và nhà sản xuất, cảm biến giúp con người nhận biết và tối ưu hóa các quy trình tự động trong công nghiệp.
- Ôn tập những kiến thức cơ bản về cảm biến mà sinh viên đã được học tại trường
- Giới thiệu thêm về các loại cảm biến phổ biến hiện nay
- Hệ thống được những kiến về cảm biến đã được học để áp dụng vào thực tiễn
- Có khả năng định hướng, chọn lựa phương pháp tiếp cận thích nghi với các nội dung học tập
Platin là vật liệu phổ biến cho nhiệt điện trở trong ngành công nghiệp, với hai tiêu chuẩn chính dựa trên độ tinh khiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia áp dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 cho nhiệt điện trở platin.
Tiêu chuẩn 1983, được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986 và lần thứ hai vào năm 1995, vẫn được Hoa Kỳ áp dụng với các tiêu chuẩn riêng Cả hai tiêu chuẩn này đều dựa trên phương trình Callendar – VanDusen.
R0 là trị số điện trở định mức ở 0 0 C
Theo tiêu chuẩn DIN, vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp, giúp giảm thiểu sự thay đổi trị số điện khi bị các tạp chất thẩm thấu trong quá trình sử dụng Nhờ vào tính ổn định lâu dài, Platin tạp phù hợp hơn cho các ứng dụng công nghiệp Trong ngành công nghiệp, nhiệt điện trở Platin thường có đường kính khoảng 30, nhỏ hơn so với đường kính sợi tóc khoảng 100.
* Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin:
IC ADT70 do hãng Analog Devices sản xuất, kết hợp hoàn hảo với cảm biến Pt100 và Pt1.000, mang lại dải đo nhiệt độ rộng ADT70 có khả năng đo từ 50 °C đến 500 °C với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng mỏng, và lên đến 1.000 °C với nhiệt điện trở Platin chất lượng cao Độ chính xác của hệ thống ADT70 kết hợp với cảm biến Platin trong khoảng nhiệt độ từ -200 °C đến 1.000 °C phụ thuộc vào chất lượng của cảm biến Platin.
Các thông số thiết bị ADT70:
- Điện áp hoạt động: 5 vôn hoặc ±5 vôn
- Nhiệt độ hoạt động: Từ – 40 0 C đến 125 0 C (dạng 20 – lead DIP, SO packages)
- Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ
ADT70 bao gồm hai thành phần chính: nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại Nguồn dòng cung cấp năng lượng cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, trong khi bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp giữa nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu để tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ Ngoài ra, ADT70 còn tích hợp một opamp và nguồn áp 2,5 volt Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của nhiệt điện trở, do đó việc lựa chọn nhiệt điện trở phù hợp với ứng dụng thực tế là rất quan trọng.
Hình 1.1 Sơ đồ khối ADT70
Nhiệt điện trở niken là lựa chọn kinh tế hơn so với platin, với hệ số nhiệt độ lớn gần gấp đôi Tuy nhiên, dải đo của nó chỉ từ -60°C đến +250°C.
350 0 C niken có sự thay đổi về pha, cảm biến niken 100 thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng.
Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao, ta sử dụng phương trình sau:
Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ:
T = (Rt/R0 – 1) / a = (Rt/R0 – 1)/0,00672 Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị 1.000(tại 0 0 C).
- Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni:
Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế
Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, cho phép đo điện thế U = R.I với dòng điện không đổi Để cảm biến không bị nóng, dòng điện cần duy trì ở mức khoảng 1 mA Đối với Pt 100 ở 0°C, điện thế khoảng 0,1 vôn cần được truyền đến máy đo qua dây đo Có ba kỹ thuật nối dây đo để thực hiện việc này.
Hình 1.2 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.
Hình 1.3 Kỹ thuật nối 2 dây
Khi kết nối nhiệt điện trở và mạch điện tử qua hai dây dẫn, điện trở của dây dẫn sẽ nối tiếp với điện trở của dây đo, dẫn đến việc mạch điện trở nhận một điện thế cao hơn so với điện thế cần đo Kết quả là chỉ thị nhiệt kế sẽ cao hơn nhiệt độ thực tế, đặc biệt khi khoảng cách giữa các thiết bị quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài ôm Để giảm thiểu sai số đo do điện trở dây gây ra, người ta sử dụng một mạch điện bù trừ, trong đó một biến trở được kết nối vào một trong hai dây đo và nhiệt điện trở được thay thế bằng điện trở 100Ω Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω, và biến trở được điều chỉnh để đạt chỉ thị 0°C, với điện trở của dây đo cũng là 10Ω.
Hình 1.4 Kỹ thuật nối 3 dây
Khi nối thêm một điện trở vào dây đo nhiệt điện, hai mạch đo được hình thành, trong đó một mạch được sử dụng làm mạch chuẩn Kỹ thuật 3 dây giúp loại bỏ sai số do điện trở dây đo và sự thay đổi của nó theo nhiệt độ Tuy nhiên, để đạt được độ chính xác cao, cả ba dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và cùng một nhiệt độ Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến trong các ứng dụng đo lường.
Hình 1.5 Kỹ thuật nối 4 dây
Kỹ thuật 4 dây cho phép đạt kết quả đo chính xác nhất, trong đó hai dây được sử dụng để truyền dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, còn hai dây còn lại dùng để đo điện thế trên nhiệt điện trở Khi tổng trở ngõ vào của mạch đo lớn hơn nhiều so với điện trở dây đo, điện trở dây đo trở nên không đáng kể, giúp đảm bảo rằng điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt.
* Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel:
- Nhiệt điện trở với vỏ gốm: Sợi Platin được giữ chặt trong ống gốm sứ với bột ốit nhôm, dải đo từ – 200 0 C đến 800 0 C.
Nhiệt điện trở với vỏ thuỷ tinh có độ bền cơ học và độ nhạy cao, cho phép đo nhiệt độ trong khoảng từ -200 °C đến 400 °C Loại thiết bị này rất phù hợp để sử dụng trong các môi trường hóa chất có độ ăn mòn cao.
Cảm biến nhiệt điện được thiết kế với vỏ nhựa polyamid, bao gồm hai lớp nhựa và dây platin có đường kính khoảng 30 mm, được dán kín Với cấu trúc mảng, thiết bị này chuyên dụng để đo nhiệt độ bề mặt của các ống hoặc cuộn dây biến thế, với dải đo từ -80°C đến 230°C.
Nhiệt điện trở màng mỏng là một loại cảm biến có cấu trúc bao gồm một lớp màng mỏng bằng platin được đặt trên nền ceramic hoặc thuỷ tinh Kỹ thuật này sử dụng tia laser để chuẩn hoá giá trị điện trở của nhiệt điện trở, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao trong quá trình đo lường.
1.3 IC cảm biến nhiệt độ
Nhiều công ty sản xuất IC bán dẫn chuyên dụng cho việc đo và hiệu chỉnh nhiệt độ, trong đó IC cảm biến nhiệt độ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Các bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối ở các đơn vị C, F, K, tùy thuộc vào loại cảm biến Để đo tín hiệu điện, cần xác định nhiệt độ cần đo, với tầm đo giới hạn từ -55°C đến 150°C và độ chính xác từ 1% đến 2% tùy theo từng loại cảm biến.
NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HÀNH
Nội dung thực hành
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Mã chương: MH41-01 Giới thiệu:
Các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học nhờ độ nhạy cao Trong tự động hóa, người ta sử dụng cả cảm biến thông thường và cảm biến đặc biệt Với sự đa dạng và phong phú của các loại cảm biến từ nhiều hãng sản xuất, con người có thể nhận biết và theo dõi các quá trình làm việc tự động của máy móc trong ngành công nghiệp.
- Ôn tập những kiến thức cơ bản về cảm biến mà sinh viên đã được học tại trường
- Giới thiệu thêm về các loại cảm biến phổ biến hiện nay
- Hệ thống được những kiến về cảm biến đã được học để áp dụng vào thực tiễn
- Có khả năng định hướng, chọn lựa phương pháp tiếp cận thích nghi với các nội dung học tập
Platin là vật liệu phổ biến cho nhiệt điện trở trong công nghiệp, với hai tiêu chuẩn chính dựa trên độ tinh khiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia áp dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 cho nhiệt điện trở platin.
Tiêu chuẩn năm 1983, đã được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986 và lần thứ hai vào năm 1995, cho thấy rằng Hoa Kỳ vẫn tiếp tục áp dụng tiêu chuẩn riêng Cả hai tiêu chuẩn này đều sử dụng phương trình Callendar – VanDusen để tính toán.
R0 là trị số điện trở định mức ở 0 0 C
Theo tiêu chuẩn DIN, vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp, giúp giảm thiểu sự thay đổi trị số điện khi có tạp chất thẩm thấu trong quá trình sử dụng Điều này mang lại sự ổn định lâu dài theo thời gian, khiến nó trở thành lựa chọn phù hợp hơn trong ngành công nghiệp Thường thì, nhiệt điện trở Platin trong công nghiệp có đường kính khoảng 30, so với đường kính sợi tóc khoảng 100.
* Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin:
ADT70 là IC của Analog Devices, cung cấp dải đo nhiệt độ rộng khi kết hợp với cảm biến Pt100 và Pt1.000 Với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng mỏng, ADT70 có khả năng đo từ -50°C đến 500°C, trong khi với nhiệt điện trở Platin chất lượng cao, dải đo có thể lên đến 1.000°C Độ chính xác của hệ thống ADT70 kết hợp với nhiệt điện trở Platin trong khoảng -200°C đến 1.000°C phụ thuộc nhiều vào chất lượng của cảm biến Platin.
Các thông số thiết bị ADT70:
- Điện áp hoạt động: 5 vôn hoặc ±5 vôn
- Nhiệt độ hoạt động: Từ – 40 0 C đến 125 0 C (dạng 20 – lead DIP, SO packages)
- Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ
ADT70 bao gồm hai thành phần chính: nguồn dòng điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại Nguồn dòng cung cấp năng lượng cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, trong khi bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp giữa hai loại điện trở này, từ đó tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ Ngoài ra, ADT70 còn tích hợp một opamp và nguồn áp 2,5 vôn Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của nhiệt điện trở, vì vậy việc lựa chọn nhiệt điện trở phù hợp với ứng dụng thực tế là rất quan trọng.
Hình 1.1 Sơ đồ khối ADT70
Nhiệt điện trở niken là một lựa chọn tiết kiệm hơn so với platin, với hệ số nhiệt độ lớn gần gấp đôi Tuy nhiên, dải đo của nó chỉ giới hạn từ -60°C đến +250°C.
350 0 C niken có sự thay đổi về pha, cảm biến niken 100 thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng.
Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao, ta sử dụng phương trình sau:
Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ:
T = (Rt/R0 – 1) / a = (Rt/R0 – 1)/0,00672 Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị 1.000(tại 0 0 C).
- Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni:
Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế
Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, và với dòng điện không đổi khoảng 1 mA, ta có thể đo được điện áp U = R.I mà không làm nóng cảm biến Ở nhiệt độ 0 độ C, Pt 100 cho điện thế khoảng 0,1 vôn, điện thế này cần được truyền đến máy đo qua dây đo Có ba kỹ thuật nối dây đo để thực hiện việc này.
Hình 1.2 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.
Hình 1.3 Kỹ thuật nối 2 dây
Khi kết nối nhiệt điện trở với mạch điện tử qua hai dây dẫn, điện trở của dây dẫn sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo Nếu điện trở dây đo quá lớn, chỉ thị nhiệt kế sẽ cao hơn nhiệt độ thực tế cần đo Để giảm thiểu sai số do điện trở dây đo, ta sử dụng một mạch điện bù trừ, trong đó một biến trở được nối vào một trong hai dây đo, và nhiệt điện trở được thay thế bằng một điện trở 100Ω Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω, và ta điều chỉnh biến trở sao cho chỉ thị đạt 0°C, với biến trở và điện trở dây đo đều là 10Ω.
Hình 1.4 Kỹ thuật nối 3 dây
Khi nối thêm một điện trở vào dây đo nhiệt điện, ta tạo ra hai mạch đo, trong đó một mạch được sử dụng làm mạch chuẩn Với kỹ thuật 3 dây, sai số trong phép đo do điện trở của dây và biến đổi nhiệt độ được loại bỏ Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác, ba dây đo cần phải có cùng trị số kỹ thuật và cùng một nhiệt độ Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến trong các ứng dụng đo lường.
Hình 1.5 Kỹ thuật nối 4 dây
Kỹ thuật 4 dây cho phép đạt kết quả đo chính xác nhất, trong đó hai dây được sử dụng để truyền dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, trong khi hai dây còn lại đo điện thế trên nhiệt điện trở Khi tổng trở ngõ vào của mạch đo lớn hơn nhiều so với điện trở dây đo, điện trở dây đo có thể coi là không đáng kể, giúp đảm bảo rằng điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi nhiệt độ của nó.
* Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel:
- Nhiệt điện trở với vỏ gốm: Sợi Platin được giữ chặt trong ống gốm sứ với bột ốit nhôm, dải đo từ – 200 0 C đến 800 0 C.
Nhiệt điện trở với vỏ thuỷ tinh có độ bền cơ học và độ nhạy cao, phù hợp cho dải đo từ -200 °C đến 400 °C Loại thiết bị này thường được sử dụng trong các môi trường hóa chất có tính ăn mòn cao.
Nhiệt điện trở với vỏ nhựa được cấu tạo từ hai lớp nhựa polyamid, bên trong có dây platin có đường kính khoảng 30 mm được dán kín Cảm biến này sử dụng cấu trúc mảng để đo nhiệt độ bề mặt của các ống hoặc cuộn dây biến thế, với dải đo từ -80°C đến 230°C.
Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng mỏng sử dụng một lớp màng mỏng bằng platin được đặt trên nền ceramic hoặc thủy tinh Để chuẩn hóa giá trị điện trở, tia laser được áp dụng trong quá trình sản xuất.
1.3 IC cảm biến nhiệt độ
Nhiều công ty sản xuất IC bán dẫn chuyên đo và hiệu chỉnh nhiệt độ thông qua các mạch tích hợp cảm biến Các cảm biến này chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện, dựa trên tính nhạy cảm cao của bán dẫn với nhiệt độ Chúng tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (C, F, K) tùy thuộc vào loại cảm biến Để đo tín hiệu điện, cần xác định nhiệt độ cần đo, với phạm vi đo từ -55°C đến 150°C và độ chính xác từ 1% đến 2%, tùy theo từng loại cảm biến.