Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 1 Chương 3 : CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Trong 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 làm 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. Có nhiều cách đo nhiệt đo: - Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler). - Phương pháp cơ dựa trên sự giản nở của vật rắn, 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 dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh. I. THANG NHIỆT ĐỘ Thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định dựa trên tính chất của khí lý tưởng. 1. Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối Thang Kelvin: đơn vị là K. Người ta gán nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273,15K. 2. Thang Celsius Đơn vị nhiệt độ là ( 0 C). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin cho theo biểu thức: T ( 0 C) = T (K) – 273,15 3. Thang Fahrenheit Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit ( 0 F). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và Fahrenheit được cho bởi biểu thức: 0 0 0 0 5 T( C) T( F) 32 9 9 T( F) T( C) 32 5 Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chí nh là nhiệt độ của cảm biến, ký hiệu T c . T c phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường T x và sự trao đổi nhiệt. Điều cần thiết là phải giảm hiệu số T x – T c , có 2 biện pháp: - Tăng sự trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo. - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 2 Để đo nhiệt độ của một vật rắn, từ bề mặt vật người ta khoan một lỗ nhỏ với đường kính r và độ sâu L để đưa cảm biến vào sâu trong vật rắn. Để tăng độ chính xác, phải đảm bảo 2 điều kiện: - Chiều sâu lỗ khoan 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, hoặc lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt. II. CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ Ưu điểm của nhiệt điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn. Các nhiệt điện trở có thể chia thành 3 loại: điện trở kim loại, điện trở bán dẫn và nhiệt điện trở. 1. Nhiệt điện trở kim loại Thường có dạng dây hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi nhiều theo nhiệt độ. Người ta thường làm điện trở bằng platin, niken, đôi khi cũng sử dụng đồng và vonfram. - Platin được chế tạo với độ tinh khiết cao nhằm tăng độ chính xác của đặc tính điện. Platin trơ về hóa học và ổn định về tinh thể cho phép hoạt động tốt trong dải nhiệt rộng từ -200 C ÷ 1000 C. - Niken có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin. Điện trở niken ở 100 C gấp 1,617 lần ở 0 C, đối với platin chỉ bằng 1,385. Tuy nhiên, niken dễ bị oxy hóa khi nhiệt độ tăng do đó dải nhiệt bị giới hạn dưới 250 C. - Đồng được dử dụng trong một số trường hợp vì sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có độ tuyến tính cao. Dải làm việc bị hạn chế dưới 180 C. - V onfram có độ nhạy nhiệt cao hơn platin khi ở nhiệt độ dưới 100 C và có độ tuyến tính cao hơn, có thể sử dụng ở nhiệt độ cao hơn. Vonfram có thể chế tạo thành các sợi mảnh. Tuy nhiên ứng suất trong vonfram (tạo ra trong quá trình kéo sợi) khó triệt tiêu nên điện trở vonfram có độ ổn định nhỏ hơn điện trở platin. Để có độ nhạy cao, điện trở phải lớn. Muốn vậy phải: - Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế vì tiết diện càng nhỏ dây càng dễ dứt. - Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị giới hạn vì tăng chiều dài làm tăng kích thước của điện trở. Do đó các điện trở kim loại có giá trị R vào khoảng 100Ω ở 0 o C. Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở ở 0 o C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở có trị số lớn thường dùng đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó cho phép đo với độ nhạy tốt. Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống va chạm và rung động. Điện trở được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm đặt trong vỏ bọc bằng thép. Minh họa nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở Pt Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 3 Để đo nhiệt độ bề mặt vật rắn, người ta sử dụng nhiệt điện trở bề mặt được chế tạo bằng phương pháp quang khắc bằng các vật liệu Ni, Fe – Ni hoặc Pt (Pt được sử dụng khi cần độ chính xác cao). Chiều dày lớp kim loại cở vài m, kích thước 1cm 2 . Khi sử dụng nhiệt điện trở được dán lên bề mặt cần đo. Các đặc tính chủ yếu của nhiệt điện trở bề mặt: Độ nhạy: 5.10 -3 / o C : Ni và Fe - Ni 4.10 -4 / o C : Pt Dải nhiệt độ hoạt động: -195 o C 260 o C : Ni và Fe – Ni -260 o C 1400 o C : Pt Minh họa một nhiệt kế tiếp xúc bề mặt 2. Nhiệt điện trở silic Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n ở nhiệt độ nào đó hệ số điện trở của nó trở thành dương. Khoảng nhiệt độ sử dụng từ -50 C đến 150 C. Hệ số nhiệt cảm biến silic khoảng 0,7%/ C, nghĩa là điện trở thay đổi 0,7% theo từng độ C. Sự thay đổi nhiệt tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hóa đặc tuyến trong vùng nhiệt độ làm việc bằng cách mắc thêm một điện trở phụ (song song hay nối tiếp tùy thuộc vào mạch đo). Sự thay đổi nhiệt của điện trở suất silic phụ thuộc vào nồng độ chất pha và nhiệt độ. Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 120 C (dải nhiệt độ làm việc), điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt của điện trở càng nhỏ khi pha tạp càng mạnh. Trường hợp nhiệt độ lớn hơn 120 C, điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt của điện trở suất không phụ thuộc vào pha tạp. 3. Nhiệt điện trở Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao, gấp hàng chục lần độ nhạy nhiệt điện trở kim loại. Nhiệt điện trở có thể chia thành 2 loại: - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương. - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm. Nhiệt điện trở được làm từ các hỗn hợp oxit bán dẫn, đa tinh thể như MgO, MgAl 2 O 4 , Mn 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Co 2 O 3 , NiO, ZnTiO 4 . Bột oxit được trộn với nhau theo tỉ lệ nhất định sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000 C. Các dây nối được hàn tại hai điểm trên bề mặt. Nhiệt điện trở có kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từng điểm, đồng thời nhiệt dung nhỏ nên thời gian đáp ứng ngắn. Dải nhiệt độ làm việc từ vài độ K đến 300 C. Vì độ nhạy cao, nhiệt điện trở được ứng dụng để phát hiện biến thiên nhiệt độ rất nhỏ (khoảng 10 -4 10 -3 K). Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 4 Để đo nhiệt độ thấp, ta sử dụng các nhiệt điện trở có điện trở thấp ở 25 C (50 ÷ 100 Ω ). Để đo nhiệt độ cao, cần phải sử dụng những nhiệt điện trở có điện trở cao ở 25 C (100 ÷ 500 Ω ). III. CẢM BIẾN CẶP NHIỆT NGẪU 1. Đặc điểm Cặp nhiệt cấu tạo gồm 2 loại dây dẫn A và B được nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T 1 và T 2 . Suất điện động E phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ T 1 , T 2 . Thông thường một mối hàn được giữ ở nhiệt độ có giá trị không đổi và biết trước gọi là nhiệt độ chuẩn T ref . Khi đặt mối hàn thứ hai vào môi trường đo nhiệt độ sẽ đạt đến giá trị T c chưa biết. Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng đo và tăng tốc độ đáp ứng. Cặp nhiệt cung cấp suất điện động nên khi đo không có dòng điện chạy qua, do đó không có hiệu ứng đốt nóng. Tuy nhiên, phải biết trước nhiệt độ chuẩn T ref , sai số T ref chính là sai số của T c . Suất điện động là hàm không tuyến tính. Mỗi loại cặp nhiệt có suất điện động phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ. Mỗi loại cặp nhiệt có có dải nhiệt độ làm việc khác nhau từ -270 C đến 2700 C, đây là ưu điểm so với nhiệt kế điện trở. Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ: o A/B c c dE S(T ) ( V / C) dT Cặp nhiệt Fe/Constantan: S(0 C) = 52,9 V/ C ; S(700 C) = 63,8 V/ C Cặp nhiệt Pt – Rh (10%)/Pt: S(0 C) = 6,4 V/ C ; S(1400 C) = 11,93 V/ C 2. Các hiệu ứng nhiệt điện - Hiệu ứng Peltier : Ở điểm tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng ở cùng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc. Hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ, gọi là suất điện động Peltier. Định luật Volta phát biểu: Trong một chuỗi cách nhiệt được tạo thành từ các vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 5 Vậy, khi hai vật dẫn được phân cách bởi các vật dẫn trung gian và toàn hệ đẳng nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn đầu mút cũng chính là hiệu điện thế nếu như chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau. - Hiệu ứng Thomson: Trong một vật dẫn đồng nhất, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động. Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ của hai điểm M và N. Định luật Magnus phát biểu: Nếu hai đầu ngoài của một mạch chỉ gồm một vật dẫn duy nhất và đồng chất được duy trì ở cùng một nhiệt độ thì suất hiện động Thomson bằng không. - Hiệu ứng Seebeck: Một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A và B và hai tiếp điểm của chúng chúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2, khi đó mạch tạo thành cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện tạo nên suất điện động do kết quả của hai hiệu ứng Peltier và Thomson gọi là suất điện động Seebeck. Nếu chọn nhiệt độ chuẩn T 1 = 0 C, khi đó suất điện động chỉ phụ thuộc vào T 2 . 3. Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo a. Chế tạo Khi chế tạo cặp nhiệt cần tránh những cặp nhiệt ký sinh do gấp khúc dây, nhiễm bẩn hóa học, bức xạ hạt nhân. Kích thước mối hàn nhỏ tối đa tránh hiện tượng có nhiệt độ khác nhau giữa các điểm trên mối nối tạo ra sức điện động ký sinh. Có 3 kỹ thuật hàn: - Hàn thiết. - Hàn xì, bằng axêtylen. - Hàn bằng tia lửa điện. Dây được đặt trong sứ cách điện trơ về hóa học và có điện trở lớn. Vỏ bọc bảo vệ bên ngoài làm bằng sứ hoặc thép, không cho khí lọt qua, chống tăng giảm nhiệt độ đột ngột. b. Sơ đồ đo Điều kiện: từng đôi cùng nhiệt độ A/M 1 , B/M 1 , M 1 /M 2 , M 2 /M 3 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 6 Suất điện động: c. Sơ đồ vi sai Đo nhiệt độ giữa hai điểm đặt hai mối hàn A/B của cặp nhiệt. Điều kiện các mối hàn A/M 1 , M 1 /M 2 , M 2 /M 3 đặt ở cùng nhiệt độ. 4. Phương pháp đo Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua suất điện động Seebeck đo được giữa hai đầu cặp nhiệt. Suất điện động được xác định chính xác nếu giảm tối thiểu sự sụt áp trong các thành phần (cặp nhiệt, dây dẫn). Thường áp dụng hai phương pháp đo sau: - Dùng milivon kế có điện trở suất lớn để giảm sụt áp. - Dùng phương pháp xung đối để dòng điện chạy qua cặp nhiệt bằng không. Dùng milivon kế: R t : điện trở cặp nhiệt R l : điện trở dây nối R v : điện trở milivon kế Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 7 Vì không thể xác định được điện trở cặp nhiệt và dây nối (thay đổi theo nhiệt độ) để giảm sai số người ta chọn sao cho R v >> R t + R l . Phương pháp xung đối Đấu suất điện động cần đo với điện áp V đúng bằng giá trị suất điện động. Giá trị V có thể đo chính xác, là điện áp rơi của một điện trở có dòng điện chạy qua. Cặp nhiệt nối tiếp với một điện kế G và đấu song song với điện trở chuẩn R e . Điều chỉnh dòng điện I sao cho dòng điện chạy qua điện kế bằng 0. Ta có: Dòng điện I có thể được điều chỉnh bằng biến trở Rh. Hoặc điều chỉnh nhờ một pin mẫu. Dải nhiệt độ làm việc của cặp nhiệt thường bị hạn chế. Ở nhiệt đô thấp năng suất nhiệt điện giảm. Ở nhiệt độ cao cặp nhiệt kế có thể bị nhiễm bẩn hoặc xảy ra hiện tượng bay hơi các chất trong hợp kim, tăng độ giòn cơ học, thậm chí bị nóng chảy. Do đó khi sử dụng phải biết được nhiệt độ sử dụng cao nhất của cặp nhiệt. Dây càng nhỏ thì nhiệt độ cực đại càng thấp. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 8 IV. ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG DIODE VÀ TRASISTOR 1. Đặc điểm chung Đặc tính: Độ nhạy nhiệt lớn hơn cặp nhiệt nhưng nhỏ hơn so với nhiệt điện trở. Đặc biệt là không cần nhiệt độ chuẩn. Dải nhiệt bị hạn chế trong khoảng -50 C 150 C, trong dải nhiệt này cảm biến có độ ổn định cao. 2. Độ nhạy nhiệt Xét mạch dùng cặp transistor. Giả sử dòng I 0 của hai transistor giống nhau, dòng qua các transistor là I 1 và I 2 , điện áp B-E tương ứng là V 1 và V 2 . Độ nhạy nhiệt: k: hằng số Boltzman k = 1,381.10 -23 J/K q: điện tích q = 1,602.10 -19 C S = 86,56 ln n ( V/K) Độ nhạy không phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó độ tuyến tính được cải thiện đáng kể. Sử dụng linh kiện bán dẫn là diode hoặc transistor ( nối B-C) phân cực thuận với dòng I không đổi. Điện áp giữa hai cực là hàm của nhiệt độ. Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào dòng ngược I 0 . dV S dT Giá trị khoảng -2,5 mV/ C Để tăng độ tuyến tính và loại trừ khả năng ảnh hưởng dòng ngược I 0 , ta dùng cặp transistor đấu theo kiểu diode đối nhau. Độ nhạy nhiệt: 1 2 d(V V ) S dT Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 9 V. LM35D 1. Đặc điểm chung LM35D là một loại cảm biến nhiệt độ có điện áp ngõ ra phụ thuộc vào nhiệt độ. Độ nhạy 10mV/ C. Dải nhiệt độ làm việc là 0 C đến 100 C. Phạm vi điện áp sử dụng từ 4V đến 30V. Độ chính xác 1 C. Độ tuyến tính tốt (sai số phi tuyến tối đa 0,5 C). Dòng diện trạng thái tĩnh nhỏ (80mA). LM35D có vỏ ngoài giống như các transistor (kiểu T0-92). Khi sử dụng không cần linh kiện ngoài, cũng không cần tinh chỉnh, chỉ cần nối với một đồng hồ 1V hoặc dùng VOM số có thể dùng làm máy đo nhiệt độ. 2. Các mạch ứng dụng a. Mạch điều chỉnh nhiệt độ nước Mạch so sánh có ngõ vào không đảo chiết áp từ RP1. Ngõ vào đảo lấy điện áp ngõ ra của bộ cảm biến nhiệt độ LM35D. Khi nhiệt độ nước thấp hơn nhiệt độ xác định, ngõ vào không đảo có điệp áp cao hơn ngõ vào đảo, điện áp ngõ ra bộ so sánh ở mức cao, đèn D2 sáng (biểu hiện đang gia nhiệt). Q1 dẫn, đèn D3 sáng, điện trở R cds nhận ánh sáng chiếu vào, điện trở sụt xuống khoảng 1k Ω , triac dẫn, bộ gia nhiệt được cấp điện, nhiệt độ nước tăng lên. Khi nhiệt độ nước bằng hoặc cao hơn nhiệt độ xác định, điện áp ngõ vào đảo cao hơn ngõ vào không đảo. Điện áp ngõ ra bộ so sánh xuống mức thấp, đèn D1 sáng (báo ngưng cấp nhiệt). Q1 ngưng, đèn D3 tắt, R cds có trị số lớn khoảng 1M Ω , triac ngưng, bộ gia nhiệt bị ngắt điện, ngưng gia nhiệt. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 10 b. Mạch đo nhiệt độ trung bình Ba cảm biến T1, T2, T3 được đặt ở ba vị trí khác nhau, V o cho phép xác định nhiệt độ trung bình. Chọn R1 = R2 = R3 = 3R5 ; R4 = R6. 0 01 02 03 1 V V V V 3 c. Mạch đo sai lệch điện áp Hai cảm biến T1 và T2 đo nhiệt độ ở hai nơi. V o = V o2 – V o1 . môn Cảm biến và đo lường Trang III- 1 Chương 3 : CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Trong 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. hiện biến thiên nhiệt độ rất nhỏ (khoảng 10 -4 10 -3 K). Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 4 Để đo nhiệt độ thấp, ta sử dụng các nhiệt điện . được nhiệt độ sử dụng cao nhất của cặp nhiệt. Dây càng nhỏ thì nhiệt độ cực đại càng thấp. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang III- 8 IV. ĐO NHIỆT