ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
_
KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ………o0o………
BÀI BÁO CÁO MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN Đề tài: Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ và ứng dụng
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Đinh Trần Hiệp :
SINH VIÊN THỰC HIỆN
Nguyễn Tuấn Anh - 20021083
Trang 21
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời buổi công nghệ phát triển như vũ bão, ngày càng có nhiều sản phẩm ra đời với những tính năng đa dạng, phong phú, và đặc biệt là rất thông minh Khoa học phát triển làm cho những ngành khác cũng phát triển theo, điển hình đó là ngành điện tử, thông tin, viễn thông, cơ khí chế tạo, Các ngành này kết hợp lại với nhau là tiền đề của sự phát triển các loại máy móc thông minh Một hệ thống máy móc thông minh được cấu thành từ rất nhiều bộ phận, các bộ vi xử lý được lập trình phức tạp, các cơ cấu chấp hành, các cơ cấu xử lý cũng rất phức tạp, Có một bộ phận vô cùng quan trọng để tạo lên sự thông minh đó không kể đến đó là các loại cảm biến
Cảm biến được định nghĩa như những thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dụng, trở kháng v.v ) Nó là thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị đo hay trong các hệ thống điều khiển tự động Có thể nói rằng nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều trường hợp thực tế, cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động
Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người Nhờ những thành tựu mới của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng các cảm biến Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng chống ô nhiễm môi trường Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử v.v Ngoài ra, nhờ có các cảm biến, các robot ngày nay được phát triển để nhận biết được các hành động phức tạp ví dụ như tay máy nắm lấy cái cốc thủy tinh sao cho không vỡ, hay là hệ thống tự động đóng mở cửa khi có người ra vào ở các siêu thị, Có rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và sử dụng theo các mục đích khác nhau trong đời sống như cảm biến cảm nhận về nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, lực, dòng chảy, Tùy theo mỗi loại công việc mà mỗi loại cảm biến có cách chế tạo khác nhau
Một số bộ cảm biến có cấu trúc tương đối đơn giản nhưng xu hướng chung ngày nay là triệt để khai thác các thành tựu của vật lý học hiện đại, của công nghệ mới trong điện tử và tin học, của lý thuyết điều khiển hiện đại, nhằm tạo nên các bộ cảm biến thông minh và linh hoạt Đó là các bộ cảm biến đa chức năng, có thể lập trình, cho phép đo với độ nhạy và độ chính xác cao, có thể tự động thay đổi thang đo, tự động bù các ảnh hưởng của nhiễu, đo từ xa, tự động xử lý kết quả đo
Trang 32 Các bộ cảm biến ngày nay được xem như một phần tử, được sản xuất hàng loạt và có mặt rộng rãi trên thị trường, bao gồm một chuyển đối đo lường sơ cấp đặt trong vỏ bảo vệ, có hình dáng và kích thước phù hợp với đối tượng
Một loại cảm biến mà chúng ta bắt gặp rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày và ứng dụng của nó cũng vô cùng rộng rãi, đó là cảm biến nhiệt độ Dễ dàng bắt gặp những loại cảm biến này ở trong cuộc sống như là những máy đo nhiệt độ hiển thị điện tử, các lò điện trở có điều khiển, hay chiếc đồng hồ lịch vạn niên, Cảm biến nhiệt độ có ứng dụng vô cùng rộng rãi và phổ biến Chính vì vậy, nhóm 2 chúng tôi quyết định thực hiện đề tài về loại cảm biến này, đó là tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ và ứng dụng trong đo nhiệt độ đơn giản
Trang 43.3.Đo nhiệt độ bằng diode và transistor 9
4.1.1 Thang đo nhiệt độ động lực học tuyệt đối 10
Trang 55 Độ chính xác của cảm biến bị ảnh hưởng bởi độ cách nhiệt của vật đo (
Trang 65
I Tóm tắt
Để hiểu tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ đặc biệt là nhiệt điện trở, chúng tôi tiến hành lần lượt tìm hiểu các nội dung sau:
● Cảm biến nhiệt độ là gì?
● Tại sao lại chọn cảm biến nhiệt độ?
● Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ? Phương pháp đo nhiệt độ bằng điện trở?
● Tiến hành mô phỏng, thiết kế thực nghiệm ● So sánh kết quả đo với giá trị chuẩn, kiểm tra sai số
● Dựa vào kết quả đo, rút ra kết luận về ưu điểm, nhược điểm, công năng của cảm biến,…
II Mở đầu 1 Khái niệm
Để đo nhiệt độ, người ta thường sử dụng các cảm biến nhiệt độ Trong cảm biến nhiệt độ có nhiều loại cảm biến khác nhau như thermistor, cặp nhiệt điện, nhiệt kế bức xạ, … Mỗi loại có một nguyên lý làm việc khác nhau nhưng đều tuân theo một thang đo nhiệt độ nhất định
Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượng được quan tâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là lần thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó, thí dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổi pha hay điểm Curi của các vật liệu từ tính Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết
Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của một nhiệt độ là vấn đề không đơn giản Thực vậy, phần lớn các đại lượng vật lý đều có thể xác định một cách định lượng nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất được coi là đại lượng so sánh Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng mở rộng bởi vì chúng có thể được xác định bằng bởi số hoặc ước số của đại lương chuẩn (đại lượng so sánh) Ngược lại, nhiệt độ là đại lượng gia tăng việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lý rõ ràng Bởi vậy nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang đo nhiệt đó là điều cần làm trước khi có thể nói đến việc đo nhiệt độ
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau đây:
● Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động
Trang 76 nhiệt (hiệu ứng Doppler)
● Phương pháp cơ dựa trên sự quân nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm
● Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck, hoặc đi trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh
2 Lý do chọn cảm biến
Trong các hệ thống công nghiệp, tất cả máy móc thiết bị chỉ hoạt động tốt ở những điều kiện môi trường tốt Vì vậy, tại các phân xưởng, nhà máy, xí nghiệp sẽ lắp đặt rất nhiều điều hòa nhiệt độ nhằm đảm bảo nhiệt độ luôn ở mức vừa phải, không gây ảnh hưởng đến việc hoạt động của các thiết bị trong quá trình làm việc lâu dài Ngoài ra, một trong những yếu tố quan trọng gây nên hiện tượng cháy nổ là hiện tượng quá nhiệt hoặc vì một lý do nào đó mà làm cho nhiệt độ tăng lên gây ra hỏa hoạn nguy hiểm Chính vì thế, cần phải làm ra các hệ thống báo động để có thể cảnh báo sớm khi có nguy cơ cháy nổ
Trong các hệ thống nông nghiệp hiện nay, trên những trang trại làm việc trong nhà thì việc theo dõi nhiệt độ sẽ đảm bảo cho cây trồng sẽ phát triển ở những điều kiện tốt nhất Đặc biệt đối với những giống cây đem lại lợi nhuận cao như là lan, các giống cây cảnh,…
Tóm lại, có thể nói nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến đời sống, sản xuất, sự phát của sinh vật trên Trái Đất Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến hầu hết tất cả các thông số liên quan đến dự báo thời tiết như: Về tốc độ bay hơi của nước, độ ẩm tương đối, tốc độ gió, hướng gió và những hiện tượng kết tủa khác của thời tiết chẳng hạn như mưa, mưa đá, tuyết Chính vì vậy, việc tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ nhằm kiểm soát nhiệt độ là vô cùng cần thiết
3 Các loại cảm biến nhiệt độ
Xét về cấu tạo chung thì cảm biến nhiệt có nhiều dạng, tuy nhiên, loại cảm biến được ưa chuộng nhất trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp thường được đặt trong không làm bằng thép không giữ được nối với một bộ phận định vị , có các đầu nối với bộ phận định vị, có các đầu nối với các thiết bị đo lường Một số loại cảm biến đang được sử dụng khá thông dụng trên thị trường có thể kể đến như:
● Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện (Thermocouple)
● Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở (resistance temperature detector) ● Đo nhiệt độ bằng diode và transistor
3.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiện tượng điện nếu hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau nối với nhau tại hai điểm tạo thành một vòng dây kín
Trang 87 và hai điểm đó có nhiệt độ khác nhau thì sẽ xuất hiện một sức điện động và do đó hình thành nên dòng điện trong vòng dây Sức điện động đó được gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiểu số của các hàm sao nhiệt độ của hai điểm nổi Mạch điện như vậy gọi là cặp nhiệt điện hay cặp nhiệt ngẫu
Việc dùng vật liệu để chế tạo cặp nhiệt ngẫu cần đảm bảo các yêu cầu sau: ● Quan hệ giữa nhiệt độ và sức điện động nhiệt điện là một hàm đơn trị ● Tính chất nhiệt không thay đổi
● Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao ● Dẫn nhiệt tốt
● Có trị số sức điện động nhiệt điện lớn.
Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn và đặt trong thiết bị bảo vệ tránh bị ăn mòn hóa học, thiết bị này được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền cơ học, không thấm khí
Các loại thiết bị này thường là các ông được chế tạo bằng thép đặc biệt Đối với cặp nhiệt điện quý, ống chế tạo được bảo vệ bằng thạch anh và gốm Để cách điện người ta có thể dùng amiang (300 độ C), ống thạch anh (1000 độ C) hoặc ống sự (1400 độ C)
Cặp nhiệt điện có ứng dụng chủ yếu dùng để đo nhiệt độ, ngoài ra còn được dùng để đo các đại lượng không điện và điện khác như đo dòng điện cao tần, đo hướng chuyển đổi và lưu lượng của các dòng chảy, do di chuyển, đo áp suất (độ chân không)
Hình 1: Cấu tạo cặp nhiệt điện TC
Trang 98
3.2 Đo nhiệt độ bằng điện trở
Đo nhiệt độ bằng điện trở có 3 loại phổ biến điện trở kim loại, nhiệt điện trở và điện trở silic
3.2.1 Điện trở kim loại
Điện trở kim loại thường được làm bằng Pt, Ni; đôi khi còn dùng Cu, W để chế tạo điện trở Platin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) Điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính chất điện của vật liệu Ngoài ra tỉnh trở về hóa học và sự ổn định trong cấu trúc tinh thể của platin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này Các điện trở làm bằng platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng với T = 200°C + 1000C nếu như vỏ - bảo vệ của nó cho phép
Nickel có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin Điện trở của nickel ở 100 °C lớn gấp 1,617 lần so với giá trị ở 0 °C Đối với platin sự chênh lệch của điện trở ở hai nhiệt độ này chỉ bằng 1,385 Tuy vậy nickel là chất có hoạt tính hóa học cao, nó dễ bị oxy hóa khi nhiệt độ làm việc tăng Điều này làm giảm tính ổn định của nó và hạn chế dải nhiệt độ làm việc của điện trở Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt độ thấp hơn 250°C
Đồng được sử dụng trong một số trường hợp bởi vì sự thay đổi nhiệt của các điện trở chế tạo bằng đồng có độ tuyến tính cao Tuy vậy, do hoạt tính hóa học của đóng quá lớn nên các điện trở loại này chỉ được sử dụng ở nhiệt độ T < 180 °C Ngoài ra, do điện rở suất của đồng nhỏ nên muốn có điện trở trị số cao phải tăng chiều dài t của dây làm tăng kích thước của điện trở
Wolfram có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn Từ wo fram có thể l chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trị số cao, hoặc là tối thiểu hóa kích thước của các điện trở Tuy nhiên ứng suất (tạo ra trong quá trình kéo sợi) trong wolfram rất khó có thể bị triệt tiêu hoàn toàn bằng phương pháp ủ nhiệt Vì thế các điện trở wo fram có độ ổn định nhỏ hơn so với các điện trở chế tạo từ platin.l
3.2.2 Nhiệt điện trở
Một tính chất quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt cao, khoảng 10 lần lớn hơn so với điện trở kim loại
Độ nhạy nhiệt cao của nhiệt điện trở cho phép ứng dụng chúng để phát hiện những biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (0.0001, 0.001K) Các nhiệt điện trở có thể được sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ một vài độ K đến 300 °C Để đo nhiệt độ ngoài phạm vi của dải này, cần phải chọn vật liệu đặc biệt, thí dụ cacbua silic, và có biện pháp bảo vệ hữu hiệu chống lại sự phá hủy hóa học
Để đo nhiệt độ thấp, người ta sử dụng các nhiệt điện trở có giá trị nhỏ ở 25 °C (thí dụ 50 hoặc 100Ω), trong khi đó, để đo nhiệt độ cao cần phải sử dụng những nhiệt
Trang 109 điện trở có điện trở cao ở nhiệt độ phòng 25 °C (từ 100 đến 500Ω) Việc lựa chọn giá trị chính xác của điện trở phụ thuộc vào thiết bị đo Ngoài ra các vấn đề khác của điện trở này sẽ được nói chi tiết hơn ơ phần III)
3.3 Đo nhiệt độ bằng diode và transistor
Có thể đo nhiệt độ bằng cách sử dụng linh kiện nhạy cảm là đợt hoặc tranzito mắc theo kiểu diode (nối B với C) phân cực thuận với I không đổi Điện áp giữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt độ
Độ nhạy nhiệt của diode hoặc của transistor mắc theo kiểu diode xác định bởi biểu thức:
S= dV/dT
Giá trị của độ nhạy nhiệt cỡ 2,5 mV/C Ngoài ra, cũng giống như đối với điện - áp V, độ nhạy nhiệt có thể phụ thuộc vào dòng ngược I0 Dòng này có thể thay đổi rất khác nhau đối với các linh kiện khác nhau, do vậy nên chọn ác linh kiện có các đặc c trưng tương tự (đối với một giá trị dòng cho trước phải có cùng điện áp V và dòng I0 cũng như nhau)
Độ nhạy nhiệt này lớn hơn nhiều so với trường hợp dùng cặp nhiệt nhưng nhỏ hơn so với trường hợp nhiệt điện trở Điều đặc biệt là ở đây không cần nhiệt độ chuẩn
Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế do sự thay đổi tính chất điện của cảm biến ở các nhiệt độ giới hạn và nằm trong khoảng T = 50°C đến 150°C Trong- khoảng nhiệt độ này cảm biến có độ ổn định cao
4 Các vấn đề liên quan 4.1 Thang đo nhiệt độ
Các tính chất vật lý của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng Từ sự thay đổi nhiệt của một đặc trưng vật lý của vật liệu cho trước người ta luôn luôn có thể xác định một thang nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ và đặc biệt là nhận biết sự cân bằng của hai nhiệt độ Tuy vậy, thang nhiệt độ như thế là hoàn toàn tùy tiện bởi vì nó liên quan đến một tính chất đặc biệt của một vật thể đặc biệt, nó không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ mới ý nghĩa vật lý riêng Chỉ có xuất phát từ các định luật nhiệt động học mới có thể xác định tháng nhiệt độ có đặc trưng tổng quát cho mọi trường hợp
Các thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự như nhau và dựa trên các tính chất của chất khí lý tưởng Định luật Carnot nếu rõ, hiệu suất N của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn (với nhiệt độ θ1, và θ2, tương ứng), trong một thang đo bất kì, chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2:
N = F(θ1)/F(θ2)
Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ Đặt F(θ) = T chúng ta sẽ xác định T như là
Trang 1110 nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:
N = 1 – (T1/T2)
Trong đó T1, T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn Như đã biết chất khí lý tưởng xác định bởi:
● Nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí
● Phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ θ p.v = G(θ)
Có thể chứng minh được rằng: G(θ) = R.T
Trong đó R là hằng số chất khí lý tưởng Giá trị R của một phần tử gam của chất khí chỉ phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ Để có thể gắn một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ Muốn vậy chỉ cần gán một giá trị số cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện là hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại
4.1.1 Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối
Thang Kelvin: đơn vị là K Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước nước đá hơi một giá trị số bằng 273,15 - - độ K
Từ thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối (thang Kelvin) người ta đã xác định các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit (bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ)
4.1.2 Thang Celsius
Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là (độ C) Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bởi biểu thức:
Trong bảng dưới đây ghi các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng ở các thang đo khác nhau:
Trang 124.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo 4.2.1 Nhiệt độ đo được
Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hoặc một cấp nhiệt) chính bằng nhiệt độ của cảm biến và ký hiệu là Tc Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và phụ thuộc vào sự trao đổi nhiệt trong nó Nhiệm vụ của người làm thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số Tx Tc xuống nhỏ nhất Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt - giữa Tx và Tc
● Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo ● Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài
4.2.2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn
Thông thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngoài Để đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoản một lỗ nhỏ với đường kính bảng r và độ sâu bằng L Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong vật rắn Để tăng độ chính xác của kết quả, phải đảm bảo hai điều kiện:
● Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp mười lần đường kính của nó (L>10r)
● Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan Khoảng trống giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt
III Thông tin về cảm biến
1 Đặc điểm chung
Cảm biến nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAL2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO 4
Để chế tạo nhiệt điện trở, các bột oxit được trộn với nhau theo một tỷ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000 độ C Các dây nối kim loại được hàn tại 2 điểm trên bề mặt bản dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại Các nhiệt điện trở được chế tạo với hình dạng khác nhau (đĩa, hình trụ, vòng, …) và phần tử nhạy cảm có thể được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần Các vật liệu thường sử dụng có điện trở suất cao cho phép chế tạo những điện trở có giá trị thích hợp với một lượng vật chất nhỏ và với kích thước tối thiểu (cỡ mm) Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ đáp ứng lớn
Có thể chia nhiệt điện trở thành 2 loại chính:
Trang 1312 ● NTC (điện trở nhiệt hệ số âm): giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Thường
do sự gia tăng các electron dẫn điện Nguyên nhân là do chúng bị va đập bởi sự kích động nhiệt từ vùng hóa trị NTC thường được dùng làm cảm biến nhiệt độ hoặc mắc nối tiếp với mạch làm bộ giới hạn dòng khởi động
● PTC (điện trở nhiệt hệ số dương): giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng Thường do sự dao động của mạng tinh thể nhiệt để tăng lên, đặc biệt là các tạp chất Các điện trở nhiệt PTC thường được lắp nối tiếp với một mạch điện và được sử dụng để bảo vệ, chống lại các điều kiện quá dòng
2 Nguyên lý hoạt động
Điện trở nhiệt hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ Nhiệt điện trở nói chung có tác dụng cản trở dòng điện chạy qua vật dẫn điện và sau đó chuyển đổi năng lượng thành nhiệt năng Nếu vật là vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, ngược lại vật dẫn điện kém thì điện trở sẽ lớn Đặc biệt nếu vật đó là vật cách điện thì lực cản sẽ vô cùng lớn
Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng: R(T) = R0.F.(T-T0)
Trong đó: R 0là điện trở ở nhiệt độ T0
F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F=1 khi T=T0 Tại đây, nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn nên:
Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối Β là hệ số thực nghiệm
3 Ứng dụng cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt được dùng để bảo vệ, ngắt nhiệt Chúng được sử dụng nhiều trong các bảng mạch điện tử Trong thực tế, các bảng mạch này có thể là cảm biến nhiệt của nồi cơm, máy điều hòa nhiệt độ hay cảm biến của tủ lạnh
Đồng thời, điện trở nhiệt còn được dùng để làm cảm biến nhiệt trong các máy móc thiết bị Đồng thời kiểm soát nhiệt độ và kiểm tra thiết bị gia đình Trong đó, nổi bật như việc sử dụng nhiệt điện trở nhiệt trong bếp cảm ứng, lò điện, bể khử trùng, lò vi sóng, lò nướng, ấm đun bằng điện,…
Ngoài ra, điện trở nhiệt còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực như:
Trang 1413 ● Đo lường nhiệt độ và bù nhiệt các thiết bị tự động hóa văn phòng Ví dụ như
máy in, máy photocopy
● Đo lường và kiểm tra nhiệt độ của ngành công nghiệp, y tế, môi trường, dự báo thời tiết, thiết bị chế biến thực phẩm,vv
● Bảo vệ nhiệt độ của pin và bộ sạc
● Bù nhiệt vòng lặp trong các thiết bị, mạch tích hợp và cặp nhiệt điện ● Nó cũng được dùng trong phần mạch để bảo vệ quá nhiệt trong các bộ cấp
nguồn điện
IV Thiết kế thực nghiệm
Sử dụng nhiệt điện trở DHT11để đo nhiệt độ nước
Hình 2: Hình ảnh cảm biến DHT11
Trang 1514
1 Đặc điểm điện trở DHT11
Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DHT11 có tính năng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm phức tạp với đầu ra tín hiệu kỹ thuật số đã hiệu chỉnh Bằng cách sử dụng thu nhận tín hiệu kỹ thuật số độc quyền kỹ thuật và công nghệ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, nó đảm bảo độ tin cậy cao và ổn định lâu dài tuyệt vời Cảm biến này bao gồm một phép đo độ ẩm kiểu điện trở linh kiện và một thành phần đo nhiệt độ NTC, và kết nối với vi điều khiển 8 bit hiệu suất cao, cung cấp chất lượng tuyệt vời, phản hồi nhanh, chống -nhiễu khả năng và hiệu quả chi phí
Hình 3: Hiệu chuẩn của cảm biến nhiệt độ DHT11 so với
nhiệt kế điện trở bạch kim Pt100
Mỗi phần tử DHT11 được hiệu chuẩn nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm, cực kỳ chính xác hiệu chuẩn độ ẩm Hệ số hiệu chuẩn được lưu trữ dưới dạng chương trình trong bộ nhớ OTP, được sử dụng bởi quy trình phát hiện tín hiệu bên trong của cảm biến Giao diện nối tiếp một dây giúp tích hợp hệ thống nhanh chóng và dễ dàng Kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp và lên đến 20 truyền tín hiệu đồng hồ đo làm cho nó trở thành sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm cả những những yêu cầu khắt khe nhất Thành phần là gói pin hàng đơn 4 chân Nó là thuận tiện để kết nối và các gói đặc biệt có thể được cung cấp theo yêu cầu của người dùng
Trang 1615
2 Datasheet DHT11 Overview:
Detailed Specifications:
Trang 1716
Sơ đồ kết nối vi xử lý (Hình 4)
Hình 4: Sơ đồ kết nối vi xử lý
Nguyên lý hoạt động:
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước: o Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại
o Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được.
Nguồn và Pin
Nguồn cung cấp của DHT11 là 3 5,5V DC Khi nguồn được cung cấp cho cảm -biến, không gửi bất kỳ hướng dẫn cho cảm biến trong vòng một giây để vượt qua trạng thái không ổn định Một tụ điện có giá trị 100nF có thể được thêm vào giữa VDD và GND để lọc nguồn
Đặc điểm điện từ
VDD = 5V, T = 25 ℃ (trừ khi có quy định khác)
Trang 1817 Lưu ý: Khoảng thời gian lấy mẫu cách nhau không được ít hơn 1 giây
Quy trình giao tiếp: Giao diện nối tiếp (Hai chiều một dây) :
Định dạng dữ liệu một bus được sử dụng để giao tiếp và đồng bộ hóa giữa MCU và cảm biến DHT11 Một quá trình giao tiếp là khoảng 4ms Dữ liệu bao gồm phần thập phân và phần tích phân Truyền dữ liệu hoàn chỉnh là 40bit và cảm biến sẽ gửi bit dữ liệu cao hơn trước Định dạng dữ liệu: Dữ liệu RH tích phân 8 bit + Dữ liệu RH thập phân 8 bit + Dữ liệu T tích phân 8 bit + Dữ liệu T thập phân 8 bit + Tổng kiểm tra 8 bit Nếu truyền dữ liệu đúng, tổng kiểm tra phải là 8 bit cuối cùng của "Dữ liệu RH tích phân 8 bit + Dữ liệu RH thập phân 8 bit + Dữ liệu T tích phân 8 bit + Dữ liệu T thập phân 8 bit"
Quy trình giao tiếp tổng thể :
Khi MCU gửi tín hiệu khởi động, DHT11 sẽ chuyển từ chế độ tiêu thụ điện
năng thấp sang chế độ chạy, chờ MCU hoàn thành tín hiệu khởi động Sau khi hoàn tất, DHT11 sẽ gửi tín hiệu phản hồi dữ liệu 40 bit bao gồm thông tin nhiệt độ và độ ẩm tương đối tới MCU Người dùng có thể chọn thu thập (đọc) một số dữ liệu Nếu không có tín hiệu khởi động từ MCU, DHT11 sẽ không cung cấp tín hiệu phản hồi cho MCU Sau khi dữ liệu được thu thập, DHT11 sẽ chuyển sang chế độ tiêu thụ năng lượng thấp cho đến khi nhận được tín hiệu khởi động lại từ MCU
