Cảm biến nhiệt độ- Kỹ thuật cảm biến

Nội dung thực hiện: Khái niệm về đo nhiệt độ Khái niệm về đo nhiệt độ Thang đo nhiệt độ Phép đo nhiệt độ Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn. Nhiệt điện trở kim loại Nhiệt điện trở Pt, Ni, Cu Các mắc dây đo: kỹ thuật nối 2 dây, 3 dây, 4 dây, biến đổi tín hiệu đo. IC đo nhiệt LM 35 AD 22100 DS 18B20 Nhiệt điện trở NTC Cấu tạo Nguyên lý hoạt động. Đặc điểm của cảm biến Ứng dụng cảm biến Nhiệt điện trở PTC Cấu tạo Nguyên lý hoạt động. Đặc điểm của cảm biến Ứng dụng cảm biến Cặp nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện Cấu tạo cặp nhiệt điện Các chú ý khi sử dụng cặp nhiệt điện Các cặp nhiệt điện trong thực tế Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc Đưa 1 số hình ảnh, mạch và video

Trang 1

Chủ đề thuyết trình

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Nhóm 11

Thành viên: 1 Trần Thị Thùy Minh

2 Nguyễn Minh Tân

3 Nguyễn Xuân Trường

Trang 3

1 Khái niệm về đo nhiệt độ

1.1 • Khái niệm về đo nhiệt độ

1.2 • Thang đo nhiệt độ

1.3 • Phép đo nhiệt độ

1.4 • Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Trang 4

1.1 Khái niệm về đo nhiệt độ

- Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng

thái nhiệt của vật chất, ảnh hưởng đến nhiều tính

chất của vật chất

=> Đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong công

nghiệp và nhiều lĩnh vực

- Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong tất cả các lĩnh vực

khoa học tự nhiên, bao gồm vật lý , hóa học,

khoa học Trái Đất, thiên văn học , y học , sinh học ,

sinh thái và địa lý cũng như hầu hết các khía cạnh của

cuộc sống hàng ngày.

Trang 5

1.2 Thang đo nhiệt độ

Trang 6

373,15 K

273,15K

100

• Thang Kelvin: Thang Kelvin đơn vị là K, người ta

gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của 3 trạng

thái nước - nước đá - hơi một trị số bằng 273,15

K.

Trang 7

100 °C

0 °C

100

• Thang Celsius: Trong thang này đơn vị đo nhiệt độ

là °C, một độ Celsius bằng một độ Kelvin Quan hệ

giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác

định bằng biểu thức:

T(°C) = T(°K) - 273,15

Trang 8

212 °F

32 °F

180 °F

• Thang Fahrenheit: Đơn vị nhiệt độ là

Fahrenheit (°F) Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius

và Fahrenheit được cho bởi biểu thức:

Trang 9

1.3 Phép đo nhiệt độ

Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)

Phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí (với

áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âmPhương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của các điện trở vào nhiệt độ

a Các phương pháp đo nhiệt độ

Trang 10

1.3 Phép đo nhiệt độ

b Phương pháp tăng độ chính xác của phép đo

• Nhiệt độ đo được = Nhiệt độ cảm biến = Tc

• Nhiệt độ môi trường = Tx

Þ Cần giảm hiệu số Tx-Tc xuống nhỏ nhất

Trang 11

1.4 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Để đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ:

- Khoan một lỗ nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L.

-> Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong chất 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 10 lần đường kính của nó (L >= 10 r).

+ Khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy

bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt

Trang 12

2 Nhiệt điện trở kim loại

2.1 • Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở kim loại

2.2 • Kỹ thuật nối dây

Trang 13

2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở kim loại

=> Điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng

Đặc tuyến điện trở của các kim loại theo nhiệt độ

Trang 14

a Nhiệt điện trở kim loại platin (Pt)

- Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp

- Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở

độ tinh khiết của vật liệu

- Ở cả hai tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Calendar - Van Dusen

R(t) = Ro (1 + A.t + B.t2 +C[t - 100 °C].t3)

* Ro là trị số điện trở định mức ở 0 °C

* A,B là thông số theo tiêu chuẩn DIN IEC 751

Trang 15

• Tiêu chuẩn IEC751 chỉ định nghĩa hai “đẳng cấp” dung sai A, B Trên thực

tế xuất hiện thêm loại C và D Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác.

xác cao

Trang 16

• Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở có

pha tạp

Þ Khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự

thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với các platin ròng

=> Có sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp hơn trong

công nghiệp

• Trong thực tế người ta thường chế tạo các nhiệt điện trở: Pt-100, Pt-500, Pt-1000

Trang 17

b Nhiệt điện trở Ni

• Được chế tạo theo tiêu chuẩn DIN 43760

• Nhiệt điện trở Ni cho dải đo từ - 60 °C đến 250 °C (vì trên 350 °C Ni có sự thay đổi pha)

• Quan hệ giữa nhiệt điện trở và môi trường đo:

Trang 18

b Nhiệt điện trở Ni

• Ni-100 có dung sai không lớn

Þ Do đó lúc nào ta cũng có thể thay thế cái khác có cùng cấp dung sai mà máy đo

không cần chuẩn định lại

• Thực tế cảm biến Ni-100 thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng

Trang 19

c Nhiệt điện trở Cu

• Là loại cảm biến nhiệt độ được chế tạo bằng dây đồng

• Dải làm việc của nhiệt điện trở đồng từ 500C ÷ 1800C

• Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ

• Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở

Trang 20

2.2 Kỹ thuật nối dây

- 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

Cách nối dây nhiệt điện trở

Trang 21

a Kỹ thuật nối 2 dây

- Giữa nhiệt điện trở và mach điện tử được nối bởi 2 dây

- Bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở

- Với 2 điện trở của 2 dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện

thế cần đo

Þ Kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo

- Nếu khoảng cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vào Ohm

Trang 22

b Kỹ thuật nối 3 dây

- Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm một điện trở

- Với cách nối dây này ta có 2 mạch đo được hình thành, một trong hai mạch được

dùng làm mạch chuẩn

- Với kỹ thuật 3 dây, sai số của phép đo do điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do

nhiệt độ không còn nữa Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và có cùng

một nhiệt độ Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến

Trang 23

c Kỹ thuật nối 4 dây

- 2 dây được dùng để cho một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở

- 2 dây khác được dùng làm dây đo điện thế trên nhiệt điện trở

- Trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch rất lớn so với điện trở dây đo, điện trở

dây đo đó coi như không đáng kể

=> Đạt kết quả đo tốt nhất

Trang 24

d Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu

• Có thể dùng hai dây đo mà không bị sai số cho phép

đo với bộ biến đổi tín hiệu đo

• Bộ biến đổi tín hiệu đo biến đổi tín hiệu của cảm biến

thành một dòng điện chuẩn, tuyến tính so với nhiệt

độ có cường độ từ 4 mA đến 20 mA

• Dòng điện nuôi cho bộ biến đổi được tải qua hai dây

đo với cường độ khoảng 4 mA

=> Với kĩ thuật này tín hiệu được khuếch đại trước khi

truyền tải do đó không bị nhiễu nhiều

Trang 25

3 IC đo nhiệt

3.1 • LM 35

3.2 • AD 22100

3.3 • DS 18B20

Trang 27

3.1 LM 35

 Các dạng mạch đo nhiệt của LM35

Khi đo nhiệt độ môi trường

Trang 29

Vs Vout Gnd

V1 9V

R3 100Ω

LED1

R5 100Ω

LED2

10kΩ Key=A 9 %

R4 10kΩ

C1 0.33µF

C2 0.1µF

LM7805CT

LINE VREG COMMON VOLTAGE

R6 10kΩ

Q1 2SC1815 Q2

2SC1815

Trang 31

AD 22100 KT/KR cho dải đo từ 0°C đến 100°C.

AD 22100 AT/AR cho dải đo từ - 40°C đến 85°C

Trang 32

3.3 DS 18B20

• Cảm biến nhiệt độ DS18B20 1-Wire

Digital Temperature Sensor IC được sử

dụng để đo nhiệt độ môi trường với

chuẩn giao tiếp 1-Wire (1 chân Data

duy nhất)

=> Rất dễ kết nối và lập trình, cảm biến có

chất lượng tốt, độ bền cao

Trang 33

3.3 DS 18B20

Trang 35

4.1 Cấu tạo

4 Nhiệt điện trở NTC

- NTC là hỗn hợp đa tinh thể của nhiều ôxít gốm

đã được nung chảy nhiệt độ cao (1000

°C-1400 °C) như Fe2O3, Zn-TiOA, MgCr2O4,

TiO2 hay NiO và CO với Li20

- Để có các NTC có những đặc trưng kỹ thuật ổn

định với thời gian dài, nó còn được xử lý với

những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo

Trang 36

• Nhiệt độ tăng -> Điện trở giảm

• Nhiệt độ giảm -> Điện trở tăng

4.2 Nguyên lý hoạt động

 Điện trở nhiệt NTC hay thermistor sẽ cản trở dòng điện của một vật dẫn điện và sau

đó chuyển từ điện năng sang nhiệt năng

 Giả sử quan hệ giữa độ lớn của trở kháng và nhiệt độ tuyến tính với nhau, khi đó ta

có công thức:

ΔR=k.Δt

Trang 37

4.3 Đặc điểm của cảm biến

 Đường đặc tính nhiệt độ - điện trở của NTC mã số A34-2/30:

- R(NTC) ~ 5,5 kΩ ở nhiệt độ môi trường 20 °C

- R(NTC) ~ 400 Ω ở nhiệt độ môi trường 100 °C

Trang 38

 Đặc tính dòng/ áp của NTC:

- NTC cung cấp nhiều thông tin hơn cả đặc tính điện trở

điện trở của NTC

- Đặc tính này cũng dùng được, cả trong trường hợp

dòng qua NTC làm nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ môi

trường

- Đặc tuyến này cũng được gọi là đặc tuyến tính của

NTC, điện áp rơi trên NTC chỉ được ghi nhận khi đạt

được trạng thái cân bằng giữa điện năng cung cấp và

nguồn nhiệt

Trang 39

Ưu điểm • Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và dễ chế tạo• Độ nhạy nhiệt độ của điển trở lớn

Nhược điểm • Dãy tuyến tính của NTC hẹp• Phạm vi khoảng nhiệt độ hẹp, dao động từ 50- 150D

 Ưu nhược điểm của cảm biến

Trang 40

- NTC hoạt động chủ yếu trong vùng tuyến tính

- Trong vùng này điện trở của NTC được xác định bằng nhiệt độ môi trường

=> Phạm vi chủ yếu của NTC trong lĩnh vực này là đo nhiệt độ, kiểm tra, điều khiển

 Làm bộ trễ

- NTC có tính chất trễ, khi dòng điện qua nó lớn đến nỗi điện trở giảm nhiều do quá trình tự tỏa nhiệt Tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm mạnh

=> Tác dụng trễ nhằm triệt dòng đỉnh trong mạch đèn chiếu sáng loại có tim, mạch động

cơ công suất nhỏ, mạch đốt tim các bóng điện tử, mạch có tính dung kháng

Trang 42

4.4 Ứng dụng của cảm biến

Trang 44

5 Nhiệt điện trở PTC

5.1 Cấu tạo

 Chế tạo từ hỗn hợp barium carbonate và một vài oxit kim loại khác

được ép và nung

 Sau khi nung kết các mối nối đã được hình thành trong Thermistors,

sau đó trong quá trình sản xuất các dây nối dẫn ra ngoài được thêm

vào

 Thông thường PTC được phủ bên ngoài một lớp vỏ có cấu tạo như

vecni để chống lại ảnh hưởng của môi trường không khí

Trang 45

a Chế độ tự làm nóng:

− Khi một điện áp được đặt vào một điện trở nhiệt và

có đủ dòng điện chạy qua nó -> nhiệt độ của nó sẽ

tăng lên.

− Nếu điện áp không đổi, dòng điện sẽ ổn định ở một

giá trị nhất định khi điện trở nhiệt đạt trạng thái cân

bằng nhiệt.

− Chế độ hoạt động này thường được sử dụng khi thiết

kế mạch trễ thời gian phụ thuộc nhiệt độ

Trang 46

b Chế độ cảm biến (không công suất):

− Trong chế độ hoạt động này, công suất tiêu thụ của nhiệt điện trở rất nhỏ

nên nó có ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ và do đó điện trở của

nhiệt điện trở ngược lại với chế độ tự đốt nóng.

− Chế độ cảm biến thường được sử dụng khi đo nhiệt độ, bảo vệ quá nhiệt,…

Trang 47

 Đường đặc tính điện trở nhiệt độ của PTC chia làm 3 vùng:

Giống nhiệt điện trở NTC có hệ số nhiệt độ âm

− Sau một vài khoảng nhiệt độ đạt được: nhiệt điện trở biến đổi sang tính chất dương bắt đầu từ điểm TA

− Giá trị của nhiệt điện trở PTC ở điểm TA - điện trở khởi điểm

Trang 48

Đặc tính dòng áp của PTC Đặc tính điện trở - nhiệt

độ của PTC

Trang 49

 Một số thông số đặc trưng của PTC:

− T NOM (T N ): nhiệt độ danh định.

Tại giá trị nhiệt độ:

RN = 2*RA

− α R: hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở PTC

− T upper: nhiệt độ giới hạn vùng làm việc

− R 25: điện trở của PTC khi ở môi trường nhiệt

Một số cảm biến PTC do công ty Thinking Electronic Industrial sản xuất

Trang 50

 Ứng dụng tính chất giá trị điện trở năng:

Khởi động bóng đèn huỳnh quang Mạch bảo vệ quá tải

Trang 52

Trang 53

6 Cặp nhiệt điện

6.1 • Hiệu ứng nhiệt điện

6.2 • Cấu tạo cặp nhiệt điện

6.3 • Các chú ý khi sử dụng cặp nhiệt điện

6.4 • Các cặp nhiệt điện trong thực tế

Trang 54

6.1 Hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng Peltier Thomson Hiệu ứng Hiệu ứng Sheebek

Trang 55

a Hiệu ứng Peltier

Þ Hai dây dẫn A và B khác nhau, tiếp xúc với nhau và có cùng một nhiệt

độ sẽ tạo nên một hiệu điện thế tiếp xúc

Þ Hiệu điện thế phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ

U A/B = V M – V N

Trang 56

b Hiệu ứng Thomson

Þ Trong một vật dẫn đồng nhất A Nếu ở hai điểm M và N có nhiệt độ khác

nhau sẽ sinh ra một suất điện động

Þ Suất điện động này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ tại hai điểm:

Trang 57

c Hiệu ứng Sheebek (hiệu ứng nhiệt điện)

• Nếu có một mạch kín tạo thành từ hai kim loại A, B và hai đầu

chuyển tiếp có nhiệt độ khác nhau T1 và T2

• Chúng tạo thành một cặp nhiệt điện và có suất điện động do kết

quả của hai hiệu ứng Peltier và Thomson và gọi là suất điện

động Sheebek

• Khi một đầu tiếp xúc giữ nhiệt độ ổn định (ví dụ T2 = C) và đầu kia (T1) đặt ở

môi trường có nhiệt độ thay đổi Khi đó, suất điện động trong vòng dây dẫn

sẽ làhàm số của nhiệt độ T1

Trang 58

6.2 Cấu tạo cặp nhiệt điện

Một cặp nhiệt điện sẽ có 5 bộ phận chính:

1- Measuring junction: bao gồm 2 thanh kim loại có cấu tạo

vật liệu khác nhau được hàn 1 đầu với nhau

2-Thermocouple wires: phần dây kết nối để nối giữa phần

đo nhiệt độ và bộ điều khiển

3- Ceramic insulators: đây là phần sứ cách nhiệt

4- Protective sheath: đây là phần vỏ bảo vệ bên ngoài của

cặp nhiệt điện

5- Connection head: phần này sẽ chứa dây kết nối của cặp

nhiệt điện

Trang 59

6.2 Cấu tạo cặp nhiệt điện

Trang 60

Nguyên lý hoạt động

• 2 dây của cặp nhiệt điện sẽ được hàn vào nhau tại 1 điểm là điểm nóng (hot

junction) -> là nơi dùng để đo nhiệt độ

• Phần tiếp theo chính là điểm lạnh (cold junction) -> là nơi mà nhiệt độ đã được biết trước

• Khi đưa điểm nóng vào nơi cần đo nhiệt

độ, thấy rằng khi nhiệt độ tại đây tăng lên thì điện áp tại điểm lạnh cũng sẽ tăng

không tuyến tính

• Khi đo được điện áp tại điểm lạnh, ta sẽ tính ra được nhiệt độ tại điểm nóng

Trang 61

Nguyên lý hoạt động

Trang 62

6.3 Các chú ý khi sử dụng cặp nhiệt điện

- Sự thay đổi tính chất của cặp nhiệt điện theo thời gian:

Ở nhiệt độ cao các nguyên tố ngoài như N, S, O2 khuếch tán vào cặp nhiệt điện -> làm thay đổi tính chất của cặp nhiệt điện -> điện áp nhiệt cũng bị trượt theo

-> làm mất tính chính xác của cặp nhiệt

- Nguyên nhân gây ra sai số trong phép đo với cặp nhiệt:

 Do đầu vỏ của cặp nhiệt bị nối vào điện 220

 Ảnh hưởng của tự cảm từ các đường dây hay các cuộn dây có cường độ lớn

 Do cặp nhiệt bị ẩm ướt

 Do cặp nhiệt đặt gần đường dây cao thế nếu không được chống nhiễu

Trang 63

6.3 Các chú ý khi sử dụng cặp nhiệt điện

- Nối dài dây nối cặp nhiệt tới thiết bị đo:

 Khi nối dây từ cặp nhiệt lên thiết bị đo, tại các điểm nối sẽ tạo thành các

cặp nhiệt sinh ra điện áp ký sinh gây ra nhiều sai số

 Để hạn chế sai số do việc nối dây -> dây nối từ cặp nhiệt tới thiết bị đo

phải có tính chất nhiệt điện giống với kim loại làm cặp nhiệt và nhiệt độ tại các điểm nối phải hoàn toàn giống nhau

- Thời gian hồi đáp: Các ống sứ bảo vệ cặp nhiệt điện, các ống cách điện là

những vật liệu dẫn nhiệt tồi là nguyên nhân làm tăng thời gian hồi đáp của cặp

nhiệt

Tiêu đề	Cảm biến nhiệt độ
Tác giả	Trần Thị Thùy Minh, Nguyễn Minh Tân, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Tri Tùng
Trường học	Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật cảm biến
Thể loại	Chủ đề thuyết trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	41,61 MB