Cảm biến và ứng dụng

77 Hình 3.10 Ứng dụng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy Hình 3.11 Ứng dụng cảm biến lân cận điện dung để phát hiện mức chất lỏng. IV. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: IV.1 Cảm Biến Nhiệt Điện Trở : Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại: - Cảm biến nhiệt điện trở kim loại. - Thermistor. Cảm biến Xy lanh PLC Hồ chứa Van xả Bơm Cảm biến Cảm biến Ốâng nhựa 78 a. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại: a.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại : Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken, Đồng quấn trên một lõi cách điện như hình 4.1. a.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt điện trở kim loại : Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình (4.1): )1.4()1()( 32 0 CTBTATRTR +++= Trong đó T đo bằng o C, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R 0 là điện trở của cảm biến ở 0 o C, A, B, C là các hằng số và được xác đònh bằng cách đo điện trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước. Ở nhiệt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính (4.2) )2.4()1()( 0 TRTR α + = Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại như ở bảng sau: Kim loại Platin Đồng Niken α (/ o C) 3,9.10 -3 4,3.10 -3 5,4.10 -3 Do tính chất của các kim loại dùng chế tạo cảm biến có tính chất lý hoá khác nhau nên tầm đo của các cảm biến sủ dụng các kim loại khác nhau cũng khác nhau. Cảm biến Platin Đồng Niken Tầm đo ( o C) -200 - 1000 < 100 < 300 Do bạch kim có độ bền vật lý cao và không bò oxy hoá nên cảm biến nhiệt điện trở bạch kim là thông dung nhất. Các cảm biến nhiệt điện trở dùng bạch kim thường được chết tạo có điện trở R o là 100; 200; 500; 1000 [Ω]. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại như hình 4.2. Vỏ cảm biến Dây kim loại Sứ cách điện Bột cách điện và đònh hình Hình 4.1 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại trong công nghiệp 79 Hình 4.2 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại. a.3 Mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại : Để chuyển sự thay đổi điện trở của cảm biến theo nhiệt độ thành sự thay đổi điện áp, ta kết nối cảm biến với mạch đo như hình 4.3. VCC Vo R R R Rx + - OP-07 3 2 6 7 1 4 8 R1 R3 R2 R4 Hình 4.3: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở. Gọi Rx = R+∆R là điện trở của cảm biến. Với R là điện trở của cảm biến ở 0 [ o C], chọn R 1 = R 3 , R 2 = R 4 thì điện áp ngõ ra của mạch đo là: )3.4( 2)22 1 2 1 2 1 2 Vcc RR R R R Vcc RR RR R R V o         ∆+ ∆ −=       − ∆+ ∆+ −= b. Thermistor : b.1 Cấu tạo của Thermistor : Thermistor được chế tạo từ các hỗn hợp oxyt 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 dưới dạng bột và được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất đònh. Sau khi trộn với nhau, người ta nén đònh dạng hỗn hợp thành phiến và nung ở nhiệt độ 1000 o C. Trên bề mặt của phiến sau khi nung, người ta hàn các dây nối và phủ lên mặt phiến một lớp kim loại. Hình 4.4: Thermistor b.2 Phương trình chuyển đổi của Thermistor : Khi nhiệt độ của Thermistor thay đổi thì điện trở của nó thay đổi theo phương trình: )4.4()( 0 11 0         − = TT eRTR β Phiến bán dẫn Dây nối Màng kim loại 80 R(T) và R 0 là điện trở ở nhiệt độ T và T 0 , T được đo theo thang o K. β là hằng số có giá trò từ 3000 đến 5000 tuỳ thuộc vào cách chế tạo. Thermistor hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 150 o C. Tuy nhiên do tính phi tuyến của nó nên người ta không dùng để đo nhiệt độ mà thường dùng trong các mạch cảnh báo quá nhiệt độ hay mạch bù nhiệt. VCC VCC Tín hiệu cảnh báo Q1 Rx R1 R2 + - LM339 7 6 1 3 12 R3 13 2 Hình 4.5: Mạch cảnh báo nhiệt độ dùng thermistor c. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn : c.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ bán dẫn : Cảm biến nhiệt độ bán dẫn được chế tạo gồm các tiếp giáp P-N, kết hợp với mạch đo rồi tích hợp thành các vi mạch. Bảng sau giới thiệu một số vi mạch đo nhiệt độ thông dụng của hãng National Semiconductor. Tên vi mạch Tầm đo Độ chính xác Độ nhạy LM 34 -50 -> 300 o F ± 3 o F 10 mV/ o F LM 35A -55 -> 150 o C ± 1 o C 10 mV/ o C LM 45B -20 -> 150 o C ± 2 o C 10 mV/ o C LM 135A -55 -> 150 o C ± 1,3 o C 10 mV/ o K LM 335A -40 -> 150 o C ± 2 o C 10 mV/ o K Hình 4.6: Hình dạng, sơ đồ chân của vi mạch LM 335 81 c.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ bán dẫn: Cảm biến bán dẫn hoạt động trên nguyên tắc của tiếp giáp P-N. Hình 4.7 Tiếp giáp P-N. Phương trình chuyển đổi của tiếp giáp P –N )5.4(1 . 0         −= KT Vq D AK eII Trong đó: q là điện tích của 1 điện tử, K là hằng số Brizman, T là nhiệt độ tuyệt đối o K, I o là dòng điện ngược. Phương trình (4.5) có thể viết lại: )6.4(ln 0 0         + = I II q KT V D AK Với một tiếp giáp cụ thể thì I 0 là hằng số. Nếu ta cho một dòng điện không đổi I D chảy qua tiếp giáp P-N thì V AK phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của tiếp giáp. Phương trình chuyển đổi của cảm biến: )7.4(])[273.(][. CtsKTsV oo o +== c.3 Mạch đo dùng cảm biến nhiệt độ bán dẫn : Vcc Vcc Vo 1 3 2 + - 3 2 6 7 1 4 8 13 2 LM 335 2,73 V Hình 4.9: Mạch đo nhiệt độ dùng vi mạch bán dẫn. d. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) : d.1 Cấu tạo của Thermocouple : Thermocouple gồm 2 kim loại khác nhau được hàn chung với nhau ở một đầu gọi là đầu nóng, hai đầu còn lại không hàn chung gọi là đầu lạnh hay đầu chuẩn. NP V AK V AK I D Hình 4.8: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch V AK Mạch đo V o 82 Hình 4.11 Một số dạng thermocouple trong công nghiệp Tuỳ vào vật liệu dùng để chế tạo thermocouple, thermocouple có các loại như sau: Loại cặp nhiệt điện Vật liệu Dải đo ( o C) Độ chính xác Sức điện động (mV) B Platin 30% - Rhodium (+) Platin 6% - Rhodium (-) 0 – 1700 ± 0,5 % 0 – 12,426 T Đồng - Constantan -270 – 370 ± 2 % -6,258 – 19,027 J Sắt – Constantan -210 – 800 ± 3 % -8,095 – 45,498 K Crom – Alumel -270 – 1250 ± 3 % -5,354 – 50,633 E Crom – Constantan -276 – 870 ± 3 % -9,835 – 66,473 S Platin – Rhodium 10% -50 – 1500 ± 2,5 % -0,236 – 15,576 R Platin – Rhodium 13% -50 – 1500 ± 1,4 % 0,226 – 17,445 d.2 Nguyên lý hoạt động của Thermocouple: Nguyên lý hoạt động của thermocouple dựa trên hiệu ứng Seebeck. Theo hiệu ứng Seebeck, khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh của cặp nhiệt thì ở ngõ ra Vỏ cảm biến Kim loại A Kim loại B Hình 4.10 : Cấu tạo của Thermocouple Đầu nóng T 1 Đ ầu lạnh T 2 83 của thermocouple sẽ xuất hiện sức điện động e phụ thuộc vào chêng lệch nhiệt độ và phụ thuộc vào bàn chất của vật liệu dùng chế tạo cảm biến. Xét một cặp nhiệt được chế tạo từ 2 kim loại A và B: Theo hiệu ứng Seebeck thì sức điện động e sinh ra trên cặp nhiệt: )8.4()()( 2121////// 221221 TTKTTKPPPeePPPe BA T BM T AM T BABA T BM T AM T BA −−−+++=−+++= Trong đó: 221 /// ,, T AM T BM T BA PPP là sức điện động Peltier, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của tiếp xúc giữa 2 kim loại và bản chất của 2 kim loại. e A , e B là sức điện động Thomson, K A , K B là hệ số sức điện động nhiệt điện. (4.8) được viết lại: )9.4()()( 2121/// 221 TTKTTKPPPe BA T BM T MA T BA −−−++−= )10.4()()()()( 2121//2121// 2121 TTKTTKPPTTKTTKPPe BA T BA T BABA T AB T BA −−−+−=−−−++==> hay: )11.4()())(()()()( 2121212121 TTKTTPKKTTKTTKTTPe BABA −=−−−=−−−+−= Với K = K A – K B – P, P là hệ số phụ thuộc vào bản chất kim loại. Ta có sức điện động sinh ra ở 2 đầu cặp nhiệt: )12.4()( 21 TKTTKe ∆ = − = Trong đó hệ số K có thể xác đònh bằng thực nghiệm bằng cách đo sức điện động của cảm biến ở nhiệt độ đã biết, dựa vào phương trình (4.12) ta xác đònh được K Đặc tuyến vào ra của thermocouple như hình 4.12 Hình 4.12 Quan hệ vào ra của thermocouple Từ (4.12) ta thấy: Sức điện động nhiệt điện sinh ra trên Thermocouple phụ thuộc vào hiệu số của nhiệt độ đầu nóng T 1 và nhiệt độ đầu lạnh T 2 vì vậy khi đo nhiệt độ dùng thermocouple, ta phải giữ nhiệt độ đầu lạnh không đổi. Tuy nhiên nhiệt độ đầu lạnh T 2 T 2 T 1 A B e M M Dây nối 0 200 600 1000 1400 T [ o C ] E [ mV 10 20 30 40 50 60 70 80 E J K 84 thường chính là nhiệt độ môi trường nên việc giữ cố đònh rất khó vì vậy người ta thường dùng biện pháp loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đầu lạnh bằng chách bù nhiệt. Hình 4.12: Sơ đồ bù nhiệt độ đầu lạnh cho thermocouple. d.3 Mạch đo dùng Thermocouple : Trong mạch trên : )13.4( 211 KTKTV − = )14.4(.10.)73,2)273(10( 2 2 1 2 2 2 1 2 2 T R R T R R V −− =−+= () )15.4(1011 2 2 1 2 21 7 8 21 7 8         +−         +=+         += − T R R KTKT R R VV R R V o Chỉnh tỷ số 1 2 R R sao cho 2 2 1 2 10 KT R R = − khi đó: )16.4(1 1 1 2 KT R R V o         += Mạch đo Mạch bù KT 2 V o = KT 1 – KT 2 + KT 2 = KT 1 T 1 Hình 4.13: Mạch đo nhiệt độ dùng Thermocouple bù nhiệt dùng LM 335 Vcc Vcc Vo + - U2 3 2 6 7 1 4 8 1 3 2 13 2 + - 3 2 6 7 1 4 8 + - U3 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 2,73[V] R1 R3 R2 R4 R5 R6 R7 R8 R9 Mạch bù nhiệt dùng LM 335 V 1 V 2 . Hình 3.10 Ứng dụng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy Hình 3.11 Ứng dụng cảm biến lân cận điện dung để phát hiện mức chất lỏng. IV. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: IV.1 Cảm Biến Nhiệt. Nhiệt Điện Trở : Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại: - Cảm biến nhiệt điện trở kim loại. - Thermistor. Cảm biến Xy lanh. lanh PLC Hồ chứa Van xả Bơm Cảm biến Cảm biến Ốâng nhựa 78 a. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại: a.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại : Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm