Đo lường Đại lượng không Điện Đề tài tìm hiểu về các loại cảm biến nhiệt Độ và cảm biến Áp suất

CHƯƠNG I: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘTrong chương này, ta sẽ được cung cấp một cái nhìn tổng quan vềcảm biến nhiệt điện trở và cặp nhiệt điện, từ cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng, cách nối dây, kết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

-🙣🙣🙣 -ĐO LƯỜNG ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT

Giảng viên hướng dẫn: TS Đoàn Diễm Vương

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Hải

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 2

1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ 2

1.1 Khái niệm PT100 2

1.2 Phân loại cảm biến Pt100 3

1.3 Các đặc tính cơ bản của platium 6

1.4 Hệ số Alpha 9

1.5 Bảng tiêu chuẩn Pt100 (385) 12

1.6 Cấu tạo của RTD Pt100 13

1.7 Các mạch đo nhiệt độ của RTD Pt100 15

1.8 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ: 18

1.9 Kết nối Pt100 tới PLC 20

1.10 Ứng dụng của Pt100 21

1.11 Ưu và nhược điểm của Pt100 24

2 CẶP NHIỆT ĐIỆN 25

2.1 Khái niệm cặp nhiệt điện (Thermocouple) 25

2.2 Cấu tạo của cặp nhiệt điện 25

2.3 Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện 30

2.4 Phân loại các cặp nhiệt điện 33

2.5 Thách thức của cặp nhiệt điện 35

2.6 Cách đấu dây cặp nhiệt điện với PLC 40

2.7 Ví dụ kết nối cặp nhiệt điện 44

2.8 Các sơ đồ mạch đo của cặp nhiệt điện 45

2.9 Ứng dụng của cặp nhiệt điện 49

2.10 Ưu, nhược điểm của cặp nhiệt điện 51

Kết luận chương I 52

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN ÁP SUẤT 53

1 Khái niệm áp suất và cảm biến áp suất 53

2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất 54

3.1 Áp suất tương đối 56

3.2 Áp suất tuyệt đối 57

3.3 Áp suất khí quyển 57

4 Ứng dụng cảm biến áp suất công nghiệp 57

4.1 Hệ thống hơi nước 57

4.2 Bộ lọc 58

4.3 Đo mức 59

4.4 Lĩnh vực y tế 60

4.5 Công nghiệp ô tô 60

Kết luận chương II 60

KẾT LUẬN 61

CHƯƠNG I: CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ

1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ

Hình 1-1: Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ 2

Hình 1-2: So sánh sự lý tưởng giữa các vật liệu 3

Hình 1-3: RTD Pt100 2 dây 4

Hình 1-4: RTD Pt100 3 dây 5

Hình 1-5: RTD Pt100 4 dây 5

Hình 1-6: Đặc tính của Platinum 6

Hình 1-7: Đặc tính của Pt100 9

Hình 1-8: Đặc tính trơ của bạch kim 9

Hình 1-9: Sự thay đổi của điện trở khi nhiệt độ thay đổi 10

Hình 1-10: Đồ thị tuyến tính giữa nhiệt độ và điện trở 10

Hình 1-11: Công thức tính hệ số alpha và Rx 11

Hình 1-12: Những giá trị alpha khác nhau thể hiện qua RTD bạch kim 11

Hình 1-13: Cấu tạo RTD Pt100 13

Hình 1-14: Cấu tạo ở đầu đo Pt100 13

Hình 1-15: Thermowell 14

Hình 1-16: Sự truyền dẫn tín hiệu qua các bộ phận 15

Hình 1-17: Sơ đồ mạch cầu wheastone 2 dây 15

Hình 1-18: Sơ đồ mạch cầu wheastone 3 dây 16

Hình 1-19: Sơ đồ mạch chia áp cho RTD 16

Hình 1-20: Mạch cầu không cân bằng 17

Hình 1-21: Mạch cầu cân bằng tự động 18

Hình 1-22: Thiết bị chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên đầu cảm biến nhiệt độ 19

Hình 1-23: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên tủ điện 19

Hình 1-24: Kết nối cảm biến nhiệt điện trở Pt100 tới PLC 20

Hình 1-25: Ứng dụng PLC trong thực phẩm 21

Hình 1-26: Ứng dụng PLC trong thực phẩm 21

Hình 1-27: Ứng dụng PLC trong lò hơi 22

Hình 1-28: Ứng dụng PLC trong ngành năng lượng 22

Hình 1-29: Ứng dụng PLC trong đo lường và nghiên cứu 23

Hình 1-30: Ứng dụng PLC trong ngành điện tử và tự động hóa 23

2 CẶP NHIỆT ĐIỆN Hình 2-1: : Cấu tạo của cặp nhiệt điện 25

Hình 2-2: Mối nối nóng của cặp nhiệt điện 28

Hình 2-5: Các loại đầu dò nhiệt điện 29

Hình 2-6: Mô tả hiệu ứng nhiệt điện 30

Hình 2-7: Mô tả sự di chuyển các elcectron trên 2 thanh kim loại khác nhau 31

Hình 2-8: Sự thay đổi điện áp trên mỗi độ C thay đổi ( Type K Thermocouple) 31

Hình 2-9: Biểu đồ và bảng mô tả điện áp tại nhiệt độ tương ứng 32

Hình 2-10: So sánh sự khác nhau khi dùng kim loại giống nhau và khác nhau 32

Hình 2-11: Phạm vi sử dụng của cặp nhiệt điện loại K 33

Hình 2-12: Phạm vi sử dụng của cặp nhiệt điện loại T 34

Hình 2-13: So sánh phạm vi sử dụng và độ chính xác của các loại cặp nhiệt điện 35

Hình 2-14: Chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành nhiệt độ tuyệt đối  36

Hình 2-15: Sai số trong quá trình đo do sự bù nhiệt độ 36

Hình 2-16: Tiện ích bù mối nối lạnh khắc phục sai số 37

Hình 2-17: Sử dụng dây kéo dài để giảm lỗi 37

Hình 2-18: Lỗi tín hiệu do nối dây tín hiệu hoặc sử dụng các khối đầu cuối 38

Hình 2-19: Dây nối dài cặp nhiệt điện phải sử dụng cùng kim loại với cặp nhiệt điện 38

Hình 2-20: Bộ truyền nhiệt độ để chuyển sang tín hiệu chuẩn 39

Hình 2-21: Sử dụng giá đỡ I/O từ xa để thực hiện nhiều phép đo ở vị trí xa 39

Hình 2-22: Kết nối cặp nhiệt điện với PLC 40

Hình 2-23: Siemens 6ES7 531-7PF00-0AB0 có thể kết nối 8 cặp nhiệt điện 40

Hình 2-24: Một số tuỳ chọn bù 41

Hình 2-25: Dây cặp nhiệt điện có lớp cách điện màu đỏ là cực âm 41

Hình 2-26: Ví dụ về 3 cặp nhiệt điện có dây cặp nhiệt điện có lớp cách điện màu đỏ 41

Hình 2-27: Mối nối lạnh nằm ngay tại các điểm đầu cuối của mô-đun42 Hình 2-28: Hai trường hợp đấu dây có thể xảy ra 43

Hình 2-29: Đo nhiệt độ tại một kho lạnh 44

Hình 2-30: Đo nhiệt độ tại nhiều kho lạnh 44

Hình 2-31: Hệ thống ghép nối công nghiệp – Cặp nhiệt điện 45

Hình 2-32: Cầu bù nhiệt độ đầu tự do 46

Hình 2-33: Sơ đồ mạch đo cặp nhiệt điện - điện thế kế 47

Hình 2-34: Sơ đồ đo nhiệt độ cặp nhiệt điện -điện thế kế tự động 48

Hình 2-37: Cặp nhiệt điện thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệp 50

Hình 2-38: Vị trí các cặp nhiệt điện được sử dụng trong xe ô tô 50

Hình 2-39: Máy đo nhiệt độ 51

Hình 2-40: Cặp nhiệt điện được sử dụng để kiểm tra nhiệt độ thực phẩm 51

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 1-1: Đơn vị đo áp suất (Pascal) 53

Hình 1-2: Dụng cụ đo áp suất lốp 54

Hình 2-1: Tín hiệu chuẩn được truyền tới PLC 55

Hình 2-2: Hiệu chuẩn cơ bản “Zero” và “Span” 56

Hình 3-1: Cảm biến đo áp suất tương đối 56

Hình 3-2: Cảm biến đo áp suất tương đối được đóng kín tại thời điểm chế tạo 56

Hình 3-3: Cảm biến đo áp suất tuyệt đối 57

Hình 3-4: Áp suất khí quyển 57

Hình 4-1: Hệ thống hơi nước 58

Hình 4-2: Cảm biến áp suất trong bộ lọc 59

Hình 4-3: Cảm biến áp suất để đo mức 59

Hình 4-4:Máy đo huyết áp 60

Hình 4-5: Cảm biến đo áp suất lốp 60

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng I-1: Bảng tiêu chuẩn Pt100 (385) 12

Bảng II-1: Đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng 53

11 R100C Resistance at 100C Giá trị điện trở ở nhiệt

MỞ ĐẦU

Việc đo lường và kiểm soát nhiệt độ đóng vai trò vô cùng quantrọng, ảnh hưởng trục tiếp đến hiệu suất và chất lượng công việc Từcác quy trình sản xuất công nghiệp nặng đến lĩnh vực sản xuất thựcphẩm và đồ uống, việc giám sát nhiệt độ chính xác là yếu tố không thểthiếu Các hệ thống này hỗ trợ duy trì độ ẩm và phạm vi nhiệt độ thích hợp để lưu trữ vàvận chuyển hàng hóa Các hệ thống này yêu cầu giám sát và kiểm soát theo thời gian thựcnhiều thông số, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và các điều kiện môi trường khác, đểđảm bảo hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả

CHƯƠNG I: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Trong chương này, ta sẽ được cung cấp một cái nhìn tổng quan vềcảm biến nhiệt điện trở và cặp nhiệt điện, từ cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng, cách nối dây, kết nối PLC,ưu nhược điểm, ứng dụng trong cáclĩnh vực Bằng cách hiểu rõ về cảm biến nhiệt độ, chúng ta có thểđánh giá được tầm quan trọng của nó cho việc đo lường và kiểm soátnhiệt độ trong các lĩnh vực công nghiệp

1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ

1.1 Khái niệm PT100

- Cảm biến nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors)hay RTD, là loại cảm biến mà điện trở thay đổi khi nhiệt độ môitrường chúng được đưa vào thay đổi

- Sự thay đổi này của điện trở tỉ lệ với nhiệt độ theo tuyến tính

- Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở RTD cũngtăng và ngược lại Vì thế, nếu đo được điện trở trên cảm biếnRTD, chúng ta có thể xác định được nhiệt độ Điều này hoàn toànphụ thuộc vào những đặc tính vật lí của vật liệu chế tạo ra RTD

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-1: Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ

- RTD có thể được chế tạo từ nhiều kim loại khác nhau như: nickel

và copper, platium…có những đặc tính vật lí khiến nó trở lên rất

lí tưởng để sử dụng làm các cảm biến nhiệt điện trở RTD

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-2: So sánh sự lý tưởng giữa các vật liệu

1.2 Phân loại cảm biến Pt100

Cảm biến Pt100 được phân loại theo nhiều tiêu chí, mỗi loại cónhững đặc điểm và ứng dụng riêng

1.2.1 Theo cấu tạo

- Cảm biến Pt100 dạng dây quấn: Đây là loại phổ biến nhất, vớimột cuộn dây bạch kim được quấn quanh một lõi cách nhiệt.Loại này có cấu trúc đơn giản, dễ sản xuất, giá thành thấp nênđược ứng dụng rộng rãi

- Cảm biến Pt100 dạng màng mỏng: Loại này có độ chính xác caohơn, sử dụng một màng mỏng bạch kim được phủ lên một lớpnền cách điện Màng mỏng bạch kim có diện tích bề mặt lớnhơn, do đó nó có thể phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi nhiệt

độ Loại cảm biến này thường được sử dụng trong các ứng dụngyêu cầu độ chính xác cao, như trong ngành công nghiệp y tế, hóachất

- Cảm biến Pt100 dạng chip: Loại này nhỏ gọn, dễ dàng tích hợpvào các thiết bị điện tử Nó được sử dụng trong các ứng dụngcần kích thước nhỏ, chẳng hạn như thiết bị y tế, thiết bị di động

 Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, thiết kế có thể uốn congđược, thích hợp đo ở những vị trí có diện tích nhỏ.

 Nhược điểm: Chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 200oC

- Cảm biến Pt100 dạng củ hành: Được lắp đặt trong một ống bảo

vệ, không tiếp xúc trực tiếp với môi trường cần đo Loại này được

sử dụng trong các ứng dụng có môi trường khắc nghiệt, chẳnghạn như môi trường ăn mòn, môi trường có áp suất cao

 Ưu điểm: Đo được trong những môi trường nhiệt độ cao vớikhả năng đo liên tục Thiết kế chắc chắn với lớp vỏ ngoài cảmbiến được làm bằng Inox Có chỗ để gắn bộ chuyển đổi tínhiệu từ tín hiệu nhiệt độ sang 4-20mA

 Nhược điểm: Có lẽ nhược điểm duy nhất của thiết bị chính

là thiết kế khá lớn, không thích hợp để đo trong những vị trínhỏ Ngoài ra giá của cảm biến dạng đầu dò cũng cao hơnkhá nhiều so với loại dây

- Cảm biến Pt100 dạng tiếp xúc bề mặt: Được gắn trực tiếp lên bềmặt cần đo nhiệt độ Loại này sử dụng để đo nhiệt độ của các bềmặt phẳng, chẳng hạn như tường, sàn, mái

1.2.3 Phân loại theo số dây của cảm biến

a RTD Pt100 2 dây

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-3: RTD Pt100 2 dây

Thiết kế RTD 2 dây đơn giản, chỉ được sử dụng khi không cần độchính xác cao

 Ưu điểm: Giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng

 Nhược điểm: Độ chính xác thấp hơn so với các loại cảm biếnkhác do ảnh hưởng của điện trở dây dẫn

b RTD Pt100 3 dây

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-4: RTD Pt100 3 dây

Cấu hình RTD 3 dây là thiết kế mạch RTD được sử dụng phổ biếnnhất và có thể thấy trong các ứng dụng giám sát và quy trình côngnghiệp Trong cấu hình này, hai dây liên kết phần tử cảm biến với thiết

bị giám sát ở một bên của phần tử cảm biến và một dây liên kết nó ởphía bên kia

 Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn so với cảm biến 2 dây, có thểđáp ứng hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp hiện nay, cóthể bù trừ nhiệt tốt, được sử dụng phổ biến nhất

 Nhược điểm: Giá thành cao hơn so với cảm biến 2 dây

c RTD Pt100 4 dây

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-5: RTD Pt100 4 dây

RTD 4 dây cung cấp Độ chính xác nhiệt độ cao hơn  so với cấu

tiềm ẩn trong điện trở mạch do sự thay đổi về chiều dài, đường kính vàvật liệu của dây dẫn.

Thiết kế RTD 4 dây trước đây thường được sử dụng trong cácphòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu  do chi phí cảm biến vàthiết bị đo lường đặc biệt để chấp nhận đầu vào 4 dây cao hơn. 

 Ưu Điểm: Độ chính xác cao hơn so với RTD Pt100 2 dây và 3 dây,

đo được nhiệt độ cao hơn

 Nhược Điểm: Chi phí cho cảm biến và thiết bị đo lường cao hơn

1.3 Các đặc tính cơ bản của platium.

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-6: Đặc tính của Platinum

1.3.2 Đặc tính tuyến tính

Bạch kim có điện trở thay đổi theo nhiệt độ gần như là tuyến tính và

có điện trở chính xác 100ohm ở mức 0 °C và và đây chính là ý nghĩa

của số “100” trong Pt100.

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-7: Đặc tính của Pt100

1.3.3 Bạch kim có đặc tính trơ

- Một số đặc tính khác của bạch kim khiến nó có giá trị cao trongviệc đo nhiệt độ đó là bạch kim khá trơ

- Bạch kim không phản ứng với các hợp chất khác

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-8: Đặc tính trơ của bạch kim

1.4 Hệ số Alpha

- Độ tinh khiết của bạch kim được sử dụng có ảnh hưởng đến sựthay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- RTD Pt100 được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp là loại

có điện trở thay đổi với khoảng 0,385 ôm cho mỗi 1°C tăng lên

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-9: Sự thay đổi của điện trở khi nhiệt độ thay đổi

Chúng ta biết điện trở của cảm biến Pt100 ở nhiệt độ 0°C là 100 ohm,

do đó điện trở mà chúng ta thấy ở 100°C sẽ là 138,5 ohm

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-10: Đồ thị tuyến tính giữa nhiệt độ và điện trở

Hệ số 385 được tính từ phương trình gần đúng của điện trở RTD dựatrên đặc tính vật lý của nó

Phương trình này liên hệ khi điện trở RTD ở nhiệt độ được đo với R ởnhiệt độ bằng 0°C Hệ số Alpha trong phương trình mô tả tốc độ thayđổi dựa theo nhiệt độ

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-11: Công thức tính hệ số alpha và Rx

Trong đó: +) α: Hệ số nhiệt điện trở

+) R 100C : Giá trị điện trở ở nhiệt độ 100°C

+) R0c: Giá trị điện trở ở nhiệt độ 0°C

+) T x: Giá trị nhiệt độ của điện trở cần đo

+) R x: Giá trị điện trở cần đo

Đối với Pt100 RTD, chúng em đã thay thế các giá trị điện trở của Pt100 ở mức 0°C với mức 100°C thì ta thấy Alpha bằng 0,00385

Nếu biết được alpha thì có thể tính toán được điện trở gần đúng màRTD có thể hiện ở các nhiệt độ trong phạm vi của nó

RTD Pt100 thường dùng được gọi là RTD Pt100 (385), có nhữngRTD bạch kim thể hiện những giá trị alpha khác nhau và chúng sẽđược chỉ định bằng các giá trị alpha tương ứng VD: Cảm biến Pt100(391)

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-12: Những giá trị alpha khác nhau thể hiện qua

RTD bạch kim

1.5 Bảng tiêu chuẩn Pt100 (385)

Phương trình tính toán trên mang tính chất gần đúng, do đó để biếtnhiệt độ thực tại bất kỳ điện trở nào được đo, chúng ta sẽ cần thamkhảo bảng điện trở chuẩn của cảm biến Pt100 (385), như bảng đượchiển thị ở dưới:

Bảng CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ-1: Bảng tiêu chuẩn Pt100 (385)

1.6 Cấu tạo của RTD Pt100

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-13: Cấu

(2) dây kết nối tín hiệu với đầu

ra dạng 2 dây, 3 dây, 4 dây

(3) chất cách điện: được làm

bằng gốm giúp cách điện các dây nối từ vỏ bọc bảo vệ

(4) chất làm đầy: chứa bột

alumina được làm khô và đổ đầy vào nhằm bảo vệ cảm biến khi bị rung động

tạo sự ổn định

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-14: Cấu tạo ở đầu đo Pt100

Trong các ứng dụng công nghiệp, RTD thường được đặt bên trong

các ống kim loại bảo vệ gọi là thermowell và được làm đầy bằng chất làm đầy nhằm bảo vệ cảm biến

khi bị rung động Chiều dài của RTD và thiết kế của thermowell là cácthông số thiết kế do kỹ sư thiết bị đo lường và tính toán.

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-15: Thermowell

RTD Pt100 có thể được chế tạo từ một dây bạch kim duy nhất, tạo ramột cảm biến có hai dây dẫn

Các dây dẫn này có thể được kết nối với một card I/O đặc biệt đượcthiết kế để chấp nhận đầu vào RTD hoặc có thể được kết nối với

một bộ chuyển đổi nhiệt độ được đặt trong đầu củ hành thường làm

bằng các vật liệu cách điện như: nhựa, nhôm hay gốm hoặc được gắnvào tủ điện

Trong cả hai trường hợp, thẻ I/O hoặc bộ chuyển đổi sẽ có chươngtrình cơ sở xác định nhiệt độ được RTD đọc từ điện trở đã đo

Bảng tiêu chuẩn Pt100 (385) mà chúng em đã giới thiệu trước đâyđược lập trình vào bộ chuyển đổi (transmitter) và thẻ đầu vào tương

tự RTD

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-16: Sự truyền dẫn tín hiệu qua các bộ phận

1.7 Các mạch đo nhiệt độ của RTD Pt100

1.7.1 Mạch cầu Wheastone 2 dây

Để xác định điện trở của RTD, người ta sử dụng một mạch cầu đặc

biệt gọi là cầu Wheastone.

Trong sơ đồ này có 4 điện trở Các điện trở A,B và C có giá trị bằngnhau Điện trở thứ tư chính là RTD và điện trở của nó có thể được suy

ra từ điện áp đo được trên 2 chân cầu

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-17: Sơ đồ mạch cầu wheastone 2 dây

Thiết kế RTD 2 dây không chính xác lắm vì bản thân các dây dẫnbạch kim có điện trở do chiều dài của dây và các điểm kết nối, ngoài

ra còn có điện trở từ nhiệt độ được phát hiện tại điểm đó

1.7.2 Mạch cầu Wheastone 3 dây

Để bù cho điện trở bổ sung này, một dây bạch kim thứ 2 được thêm vào cảm biến ở dây dẫn thứ 3

Dây dẫn thứ 3 này được sử dụng để xác định điện trở của chính dây dẫn, và điện trở được trừ đi khỏi tổng điện trở để đưa ra điện trở thực tế chỉ do sự thay đổi nhiệt độ

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-18: Sơ đồ mạch cầu wheastone 3 dây

Các RTD 3 dây này được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành Mặc

dừ đắt hơn RTD 2 dây, nhưng độ ổn định và độ chính xác bổ sung rấtđáng giá

1.7.3 Mạch chia áp

Sơ đồ mạch đo được thể hiện:

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-19: Sơ đồ mạch chia áp cho RTD

Khi đó VT- điện áp ra được xác định bởi công thức

V T =V R S

R S +R T

Với V là điện áp nguồn cung cấp

1.7.4 Mạch cầu không cân bằng

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-20: Mạch cầu không cân bằng

Sơ đồ này có khả năng loại trừ được sai số do điện áp nguồn cungcấp thay đổi

Ba nhánh của mạch cầu R1, R2 và R3 là các điện trở làm bằngmanganin, nhánh thứ tư là điện trở nhiệt RT, bốn nhánh điện trở đượcmắc theo sơ đồ mạch cầu ba dây Trong sơ đồ, điện trở RCu là điện trở

của dây dẫn, Ra1, Ra2 là các điện trở điều chỉnh

Cầu được cung cấp bởi nguồn điện áp 1 chiều V, khi cầu không cânbằng thì điện áp ra của cầu được xác định bằng công thức:

Vab=V R1( RT+RCu 2+Ra 2)−R2( R3++ RCu 1+Ra 1)

( R1+R2)(( R3++ RCu 1+Ra 1+RT+RCu 2+Ra 2)Chọn RCu1=Rcu2=Rcu; Ra1=Ra2=Ra khi đó điện áp ra của cầu sẽ đượcxác định bởi biểu thức

Sơ đồ nguyên lý được mô tả như sau:

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-21: Mạch cầu cân bằng tự động

Phương pháp này có thể đo nhiệt độ tại một điểm hoặc một sốđiểm nhờ cơ cấu chuyển mạch Cấp chính xác có thể đạt đến 0,5

1.8 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ:

Bộ chuyển đổi tín hiệu đưa tín hiệu về “phạm vi tín hiệu” điện được sửdụng rộng rãi trên toàn cầu là 4-20mA, 0-10V, 1-5V… Vì:

 Tín hiệu output của cảm biến nhiệt độ khi truyền đi xa dễ bịnhiễu; dẫn đến việc báo sai nhiệt độ Còn tín hiệu 4-20mA khitruyền đi xa không bị giảm tín hiệu

 Để chuẩn hóa tín hiệu trong nhà máy để tất cả tín hiệu trong nhàmáy đều được thống nhất dễ xử lý

 PLC hoặc biến tần trong nhà máy của ta chỉ nhận được tín hiệu 20mA hoặc 0-10V chứ không nhận trực tiếp tín hiệu từ cảm biếnnhiệt độ

Ta có 2 loại bộ chuyển đổi với 2 hình dạng và vị trí lắp đặt khác nhaunhư sau:

1.8.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên đầu củ hành:

Ở phần trên của cảm biến nhiệt độ loại đầu củ hành; có thiết kế chỗ

để lắp đặt bộ chuyển đổi tín hiệu Khi sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệunhiệt độ này, ta sẽ gắn trực tiếp bộ chuyển đổi vào phần này

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-22: Thiết bị chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên

đầu cảm biến nhiệt độ

Ưu điểm của bộ này là tín hiệu nhiệt độ được chuyển đổi trực tiếp trênđầu cảm biến Việc này sẽ giúp tín hiệu luôn hoạt động ổn định, ít bịnhiễu khi truyền đi

1.8.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn tủ điện:

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-23: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên tủ

điện

Loại thiết bị này thường được dùng cho cảm biến nhiệt độ loại dây

là nhiều nhất Với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt trên tủ điện; nên đôi khi loại này cũng được dùng cho cảm biến nhiệt độ loại đầu

củ hành

1.9 Kết nối Pt100 tới PLC

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-24: Kết nối cảm biến nhiệt điện trở Pt100 tới PLC

Để kết nối cảm biến nhiệt độ Pt100 với PLC (Programmable LogicController), ta cần thực hiện các bước cơ bản là:

1) Chọn đúng mô-đun đầu vào trên PLC

Pt100 không thể kết nối trực tiếp với các đầu vào analog tiêu chuẩncủa PLC, trừ khi PLC có hỗ trợ cho cảm biến RTD Vì vậy cần sử dụng

bộ chuyển đổi (transmitter) từ Pt100 sang tín hiệu điện áp phù hợp2) Lựa chọn và kết nối dây

Pt100 có nhiều cấu hình dây: 2 dây, 3 dây, và 4 dây Loại phổ biến nhấttrong công nghiệp là 3 dây, vì nó có thể bù trừ cho điện trở dây dẫn,tăng độ chính xác trong đo lường Ví dụ trong cấu hình 3 dây, 2 dây đỏcủa cảm biến sẽ chia sẻ cùng một terminal, còn dây trắng sẽ nối vàoterminal riêng

3) Cấu hình PLC

Sau khi kết nối, ta cần cấu hình đầu vào analog trên PLC để đọc tínhiệu từ Pt100 Điều này bao gồm việc chỉ định kênh đầu vào và thiếtlập tỷ lệ

4) Hiệu chỉnh và kiểm tra

Sau khi kết nối và cấu hình, hãy thực hiện kiểm tra hệ thống bằngcách thay đổi nhiệt độ và theo dõi kết quả trên PLC Nếu cần thiết,hiệu chỉnh lại hệ thống để đảm bảo độ chính xác cao nhất

1.10.2 Ứng dụng PT100 đo nhiệt độ lò sấy gỗ

Có rất nhiều cách để sấy gỗ như sấy chân không, sấy cao tần, sấyngưng tụ ẩm, … Các phương pháp này đều dựa trên nguyên lý nhiệt

độ Để chất lượng gỗ được tốt nhất thì trong quá trình sấy gỗ phảiluôn đảm bào được nhiệt độ

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-26: Ứng dụng PLC trong thực phẩm

1.10.3 Ứng dụng đo nhiệt độ lò hơi

Pt100 được sử dụng để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ trong lò hơi,giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy và duy trì nhiệt độ an toàn

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-27: Ứng dụng PLC trong lò hơi

1.10.4 Ngành năng lượng

sát nhiệt độ của nước, dầu, khí đốt trong quá trình vận hành các tua-bin, giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn vận hành

năng lượng mặt trời để đo và điều chỉnh nhiệt độ của các tấm pin hoặc các thiết bị lưu trữ nhiệt

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-28: Ứng dụng PLC trong ngành năng lượng

1.10.5.Thiết bị đo lường và nghiên cứu khoa học

Trong các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu, Pt100 được

sử dụng trong các thiết bị đo lường nhiệt độ có độ chính xác cao, đểphục vụ nghiên cứu và kiểm định chất lượng

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-29 : Ứng dụng PLC trong đo lường và nghiên cứu

1.10.6 Ngành điện tử và tự động hóa

Pt100 được tích hợp vào hệ thống điều khiển tự động trong các dâychuyền sản xuất để giám sát và duy trì nhiệt độ chính xác hoặccảnh báo, tự động tắt máy nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng an toàn.Ngoài ra trong nghiên cứu pt100 còn giúp các nhà khoa học theodõi các biến đổi nhiệt độ nhỏ và tự động thu thập dữ liệu

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ-30: Ứng dụng PLC trong ngành điện tử và tự động

hóa

 Ngoài ra Pt100 còn được áp dụng cho hóa Chất, luyện Kim,điện, cơ khí, vật liệu xây dựng, công nghiệp, trong nghànhcông nghiệp nhựa, sắt thép, xi măng….

1.11 Ưu và nhược điểm của Pt100

1.11.1 Ưu điểm của Pt100

- Độ chính xác cao: Pt100 có khả năng đo nhiệt độ rất chính xác

với độ sai số nhỏ,

- Ổn định và đáng tin cậy: Do sử dụng vật liệu bạch kim

(Platinum), Pt100 có tính ổn định cao và ít bị ảnh hưởng bởi tácđộng của thời gian, giúp duy trì độ chính xác trong thời gian dài

- Phạm vi đo rộng: Pt100 có khả năng đo trong một dải nhiệt độ

rất rộng, thường từ -200°C đến +850°C, phù hợp cho nhiều ứngdụng công nghiệp

- Khả năng tương thích tốt với hệ thống điều khiển: Pt100 dễ dàng

tích hợp vào các hệ thống điều khiển tự động hoặc thiết bị đolường, nhờ sự phổ biến của các bộ chuyển đổi tín hiệu dành choloại cảm biến này

- Tính tuyến tính cao: Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của

Pt100 khá tuyến tính, giúp dễ dàng trong việc hiệu chỉnh và tínhtoán nhiệt độ chính xác

1.11.2 Nhược điểm của Pt100

- Chi phí cao: Pt100 sử dụng bạch kim, một kim loại quý, nên giá

thành cao hơn so với nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhưthermocouple hay nhiệt điện trở (NTC, PTC)

- Độ nhạy cảm với nhiễu điện từ: Cảm biến Pt100 có thể bị ảnh

hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI) nếu không được che chắn hoặclắp đặt đúng cách, đặc biệt trong các môi trường công nghiệp cónhiều thiết bị gây nhiễu

- Khả năng bị ảnh hưởng bởi dây dẫn: Pt100 là một cảm biến điện

trở nên sự thay đổi điện trở của dây dẫn có thể ảnh hưởng đếnkết quả đo Điều này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụngcác cảm biến 3 hoặc 4 dây, nhưng vẫn là một yếu tố cần lưu ý

- Độ bền cơ học thấp: Pt100 có cấu trúc khá nhạy cảm với các tác

động cơ học mạnh, dễ bị hỏng nếu không được bảo vệ tốt, nhất

là khi làm việc trong các môi trường rung động hoặc có va đập

2 CẶP NHIỆT ĐIỆN

2.1 Khái niệm cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cặp nhiệt điện về cơ bản là một cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck.Hiệu ứng này mô tả hiện tượng điện áp được tạo ra khi hai kim loại khác nhau được nốivới nhau tại một điểm và điểm nối này được duy trì ở nhiệt độ khác với nhiệt độ môitrường

Nói một cách dễ hiểu hơn, khi hai dây dẫn làm từ hai kim loại khác nhau được nối vớinhau ở hai đầu tạo thành một mạch kín Nếu ta làm nóng một đầu nối và giữ đầu nối cònlại ở nhiệt độ thấp hơn, một dòng điện sẽ chạy trong mạch Cặp nhiệt điện chính là ứngdụng của hiện tượng vật lý thú vị này để đo nhiệt độ

2.2 Cấu tạo của cặp nhiệt điện

Hình CẶP NHIỆT ĐIỆN-31: : Cấu tạo của

cặp nhiệt điện

 Measuring junction (Mối nốinóng): Bao gồm 2 thanh kimloại khác nhau được hàn 1 đầudây với nhau – đây chính là bộphận quan trọng nhất của cặpnhiệt điện

 Thermocouple wires (Dây cặpnhiệt điện): Là phần dây kết nốigiữa nhiệt độ với bộ điều khiểnthiết bị

 Ceramic insulators (Gốm cáchđiện): Được làm từ chất liệu sứ

có khả năng cách điện, cónhiệm vụ giữa dây cặp nhiệtngẫu cách điện dọc theo chiềudài của đầu dò

 Protective sheath (Vỏ bảo vệ):Phần vỏ bên ngoài có chứcnăng bảo vệ, được làm từ chấtliệu inox (chịu được <1200 độ

C) hoặc sứ (chịu nhiệt >1200

Chứa dây kết nối và bộ chuyểnđổi của cặp nhiệt điện

2.2.1 Mối nối nóng cặp nhiệt điện (Measuring junction)

 Cặp nhiệt điện được tạo thành từ hai dây kim loại không giốngnhau

 Trong mọi trường hợp, các dây kim loại chỉ được kết nối với nhau

ở một nơi, thường là đầu của cặp nhiệt điện

 Nhiều nhà sản xuất gọi mối nối đó bằng nhiều tên khác nhau.Mối nối nóng, Mối nối đo lường, Điểm cảm biến hoặc Mối nốicảm biến Tất cả các thuật ngữ đó đều ám chỉ nơi các kim loạikhác nhau được nối lại để đo nhiệt độ

Hình CẶP NHIỆT ĐIỆN-32: Mối nối nóng của cặp nhiệt điện

2.2.2 Kết nối đầu ra cặp nhiệt điện

Các dây ở đầu đối diện với mối nối cảm biến sau đó được để lại để kết nối với một số loại dụng cụ đo lường như bộ truyền nhiệt độ , thiết bị hiển thị điện tử đơn giản hoặc thậm chí trực tiếp với thẻ đầuvào cặp nhiệt điện PLC

Hình CẶP NHIỆT ĐIỆN-33: Kết nối đầu ra của cặp nhiệt điện

2.2.3 Mối nối lạnh cặp nhiệt điện

Các đầu nối dây trên dụng cụ đo thường được gọi là Điểm lạnh (Cold Junction).

Trong khi Hot Junction đề cập đến đầu của cặp nhiệt điện sẽ tiếp xúc với nguồn nhiệt cần quan tâm thì Cold junction đề cập đến các

kết nối dây cặp nhiệt điện nằm ngay tại dụng cụ đo, thường khôngtiếp xúc với cùng năng lượng nhiệt

Hình CẶP NHIỆT ĐIỆN-34: Vị trí mối nối lạnh trên cặp nhiệt điện

2.2.4 Dây dẫn cặp nhiệt điện

Khi tiếp xúc với nhiệt, các electron từ một trong các dây sẽ muốn dichuyển xung quanh với một tốc độ nhất định Các electron từ dây cònlại sẽ muốn di chuyển xung quanh với một tốc độ khác

– Dây dẫn có nhiều electron di chuyển hơn sẽ tích điện âm nhiều hơn ở

mối nối lạnh… và do đó sẽ được gọi là dây dẫn âm .

– Dây dẫn có các electron chậm hơn sẽ không tích tụ được nhiều điện

tích nên được gọi là dây dẫn dương .

Sự chênh lệch điện tích giữa dây dẫn dương và âm có thể được đo và

sử dụng để tính toán nhiệt tại điểm nóng

2.2.5 Vỏ bảo vệ

Trong những trường hợp cần bảo vệ nhiều hơn một chút, dây điện sẽđược bọc trong một đầu dò, thực chất là một loại vỏ bảo vệ và vật liệucách điện giúp bảo vệ dây điện

Đầu dò nhiệt điện có kiểu không nối đất , có nối đất và Nối hở, kiểuđầu dò nhiệt điện ta chọn cũng sẽ dựa trên ứng dụng của ta

Hình CẶP NHIỆT ĐIỆN-35: Các loại đầu dò nhiệt điện

1) Cặp nhiệt điện tiếp giáp lộ thiên là khi các dây cảm biến được nốivới nhau ở phía ngoài đầu của vỏ đầu dò

Cặp nhiệt điện tiếp xúc có thời gian phản ứng nhanh nhất với sự thayđổi nhiệt độ, nhưng vì tiếp xúc cảm biến bị lộ nên dễ bị vỡ hơn Cácđầu dò này thường được sử dụng để đo khí

Đối với chất ăn mòn và chất lỏng, cặp nhiệt điện có nối đất hoặc khôngnối đất hoạt động tốt nhất

2) Đầu dò nối đất là khi điểm nối cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đầucủa vỏ bọc

Điều này làm cho quá trình truyền nhiệt ở cuối vỏ bọc nhanh hơn, cảithiện thời gian phản hồi của cặp nhiệt điện, nhưng cũng làm cho dâycảm biến dễ bị nhiễu điện hơn như vòng đất Điều này có thể làm giảm

độ chính xác của đầu dò nối đất

3) Đầu dò không nối đất là khi mối nối cảm biến được nối ngay bêntrong đầu dò Điều này nghĩa là có một lớp vật liệu cách điện nhỏ giữamối nối cảm biến và đầu dò

Nó cách ly dây cảm biến khỏi nhiễu điện, nhưng quá trình truyềnnhiệt chậm hơn do vật liệu cách điện Vì vậy, đầu dò không nối đất có

xu hướng chính xác hơn, nhưng phản ứng chậm hơn

2.3 Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện

2.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện

Tất cả các cặp nhiệt điện đều hoạt động theo cùng một cách Chúngtạo ra một điện áp nhỏ khi tiếp xúc với nhiệt

Hình CẶP NHIỆT ĐIỆN-36: Mô tả hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện còn được với cái tên là hiệu ứng Seebeck Đây là sự chuyển đổi nhiệt năng trực tiếp sang điện năng và

Peltier-ngược lại biến nhiệt năng thành điện năng thông qua một kết nối giữahai vật dẫn điện Hay có thể hiểu một cách đơn giản là một hiệu điệnthế sẽ sản sinh giữa hai bên kết nối nếu như có sự chênh lệch về nhiệt

độ giữa hai bên và ngược lại Nếu như có sự chênh lệch giữa hai bên

về điện năng sẽ làm sản sinh ra nhiệt năng ở giữa chúng

2.3.2 Điện áp cặp nhiệt điện

Càng truyền nhiều nhiệt vào dây kim loại thì các electron càng muốn

di chuyển xung quanh và di chuyển ra xa nhiệt

Với hai loại dây kim loại khác nhau, sự chênh lệch điện áp sẽ tăng vàgiảm theo sự thay đổi nhiệt độ tại điểm cảm biến