chương 2 cảm biến nhiệt độ

Chương II: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Cảm biến nhiệt độ dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành đại lượng vật lý khác chẳng hạn điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ phần tử thiếu hệ thống đô lường điều khiển nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ có khả nhận biết tín hiệu nhiệt độ cách xác, trung thực chuyển đổi thành tín hiệu đo lường điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất… I.CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN: 1.Thông số cấu tạo: đònh nhà sản xuất phụ thuộc vào loại cảm biến 2.Thông số sử dụng: bao gồm yếu tố sau: ♦ Khoảng làm việc : khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả chưa bò bảo hòa Khoảng làm việc cao hay thấp tính chất cấu tạo tính lý hóa loại cảm biến qui đònh ♦ đôä nhạy: đònh nghóa: df s = dx df: thay đổi đại lượng đo cảm biến dx : thay đổi đại lượng vật lý ♦ Ngưỡng độ nhạy: mức thấp mà cảm biến phát ♦ Tính trễ: gọi quán tính cảm biến Tính trễ cảm biến tạo sai số phép đo Tốc độ thay đổi cuả đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ cảm biến Nếu đại lượng đo thay đổi nhanh mà quán tính cảm biến lớn đo xác Mọi cảm biến có tính trễ ảnh hưởng vỏ bảo vệ II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG: 1.Cặp nhiệt điện : Cặp nhiệt điện dụng cụ đo nhiệt độ thường sử dụng rộng rãi công nghiệp.Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa nguyên lý sau: • Hiệu ứng Thomson: qua dây dẩn có dòng điện I hiệu nhiệt dây T1-T2 có hấp thụ hay tỏa nhiệt • Hiệu ứng Pentier: có dòng điện qua mối nối hai dây dẫn vò trí mối nối có hấp thụ hay tỏa nhiệt • Hiệu ứng Seebeck: dây dẫn , có chênh lệch nhiệt độ điểm điểm xuất suất điện động • Đònh luật Macmut: mạch điện kín dây dẫn đồng phân bố nhiệt độ sao, suất điện động tổng cộng mạch không • Nguyên tắc: Nguyên tắc cấu tạo cặp nhiệt điện dựa theo sở thực nghiệm sau: Khi nung nóng dây kim loại hay đoạn dây ,tại tập trung điện tử tự có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung Có nghóa đầu nóng (+)sang đầu nguội(-) (hiệu ứng seebeck) Ở đoạn dây xuất suất điện động Thomson phụ thuộc vào chất dây kim loại Rỏ ràng ta dùng hai dây kim loại đồng chất a ,nối với qua hai điểm T1 T2 mạch xuất hai suất điện động ngược chiều nên tổng suất điện động không Nhưng mạch kín cấu tạo hai dây kim loại khác a b tổng suất điện động xuất mạch suất điện động Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T1,T2 hai đầu mối ghép dây dẫn Ngoài mạch có suất điện động Seebeck ,điều giải thích tập trung khác điện tử tự hai đầu mối ghép Mặt khác ,do xuất tiếp xúc khu vực mối ghép hai dây dẫn không đồng chất lý thuyết thể công thức: Eab(T1,T2)=Eab(T2)-Eab(T1) Trong đó: + Eab(T1,T2) : tổng suất điện động mạch kín hai đầu mối ghép có nhiệt độ T1,T2 +Eab(T1) : suất điện động Thomson xuất mạch mối ghép có nhiệt độ T1 +Eab(T2) : suất điện động Thomson xuất mạch mối ghép có nhiệt độ T2 Công thức sở chế tạo cạêp nhiệt điện Nếu để chuẩn đầu có nhiệt độ T1=0oC suất điện độngở hai đầu cặp nhiệt mối ghép T2=T là: E O = AT + 1 BT + CT 2 A,B,C số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Như suất điện động E0 hàm phi tuyến nhiệt độ Nói cách khác độ nhạy cặp nhiệt thay đổi khoảng đo.Hoặc mặt toán học hàm Eo xem tuyến tính với nhiệt độ B,C≤ A Tóm lại: suất điện động xem tuyến tính với nhiệt độ khoảng làm việc tùy theo cấu tạo loại kim loại để làm cặp nhiệt • Cấu tạo : T1 b a b T2 Eab(T1,T2) BỘ HIỂN THỊ Cặp nhiệt điện chế tạo hai sợi kim loại khác ,và có hai mối nối.Một đầu giữ nhiệt độ chuẩn gọi đầu đầu lại tiếp xúc với đối tượng đo Cặp nhiệt điện có cực dương cực âm,cực dương thường đánh dấu màu đỏ Tùy theo vật liệu chế tạo ,cặp nhiệt điện phân thành loại sau: E(mV) E: Chromel/constantan J: Sắt/constantan T: Đồng/constantan K: Chromel/Alumel R: Platin-Rodi(13%)/Platin S: Platin-Rodi(10%)/Platin B: Platin-Rodi(30%)/Platin-Rodi(6%) E 70 J 60 K 50 40 30 R T 20 B 10 T K J E S 200 600 1000 1400 1800 T (0C) • Vật liệu cấu tạo Về nguyên tắc ,khi đốt nóng mối hàn hai kim loại phát sinh suất điện động nhiệt Nhưng tất kim loại hợp kim dùng làm cặp nhiệt được.Vật liệu làm cặp nhiệt điện đòi hỏi số yêu cầu sau: + độ tinh khiết cao + tính chống ăn mòn tốt + độ nóng chảy cao nhiệt môi trường cần đo + số tính chủ yếu dẫn điện ,dẫn nhiệt tốt + tính lặp lại khoảng thời gian dài Ngoài độ xác cặp nhiệt điện phụ thuộc vào độ xác chế tạo lý tính môi trường đo • Cách sử dụng: Để cặp nhiệt độ làm việc tốt lâu bền ,khi sử dụng cần lưu ý: + Cặp nhiệt điện cần có vỏ bảo vệ để chống tác động xâm thực môi trường yêu cầu vỏ bọc cách điện không cách nhiệt + Phải đặt cặp nhiệt nơi thích hợp thường nhiệt không phân bố + Vò trí lắp đặt phải tránh chổ có từ trường ,điện trường mạnh +Để cặp nhiệt thẳng đứng đề phòng ống bảo vệ bò biến dạng nhiệt cao +Nên lắp đặt dây bù vào ống sắt nối đất để tránh nhiễu 2.Nhiệt kế điện trở: Nguyên lý làm việc nhiệt kế dựa vào thay đổi điện trở theo nhiệt độ vật liệu dẫn điện 2.1.Nhiệt điện trở kim loại: • Cấu tạo: Vật liệu cấu tạo điện trở kim loại đòi hỏi yêu cầu sau: + Hệ số nhiệt lớn + Điện trở suất lớn + Tính ổn đònh lý hóa tốt + Tính khiết • Độ nhạy: Độ nhạy S nhiệt điện trở kim loại có dạng sau: ∆R S= = αRo ∆Tỷ suất α : hệ số nhiệt điện trở Ro: điện trở 0oC • Hệ số nhiệt điện trở: Hệ số nhiệt điện trở kim loại tính sau: 1dR α ≈ RdT Hệ số nhiệt α phụ thuộc vào tính đồng kim loại 2.2.Nhiệt điện trở bán dẫn: Thay đổi nhiệt độ chế tạo chất bán dẫn thường gọi Thermistor Thành phần thermistor bột oxyt kim loại Máy nghiền bi,Fe,Ni…,hoặc hổn hợp tinh chế MgAl2O4 ,Zn2TiO4 … • Phân loại: Nhiệt điện trở bán dẫn chia thàn hai loại :  Nhiệt điện trở Pct :là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương ,nghóa nhiệt độ tăng R giảm  Nhiệt điện trở Nct: thành phần bột kim loại như: MnAl 2O4 Zn2TiO4 Độ tin cậy nhiệt điện trở bán dẫn phụ thuộc vào độ tinh khiết vật liệ chế tạo Nct thường có hình dạng như:dạng hạt ,dạng dóa ,dạng khoen • Hệ số thu nhiệt độ: Thermistor bò đốt nóng khi nhiệt độ môi trường xung quanh tăng từ nhiệt độ T0 đến T ,như nhiệt điện trở tiêu thụ công suất theo công thức sau: W= C(T-T0) C : hệ số thu nhiệt điện trở :là lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ Thermistor lên oC so với nhiệt độ xung quanh,có đơn vò wm/oC • Cách sử dụng: Khi sử dụng nhiệt kế không nên dùng nhiệt điện trở nhiệt độ cao hay qúa thấp làm cấu tinh thể kim loại thay đổi ,cũng không nên để nơi ẩm tạo điều kiện cho điện trở rỉ không kiểm soát Không nên đặt điện trở kim loại nơi có chấn động rung hay va đập • Các ưu điểm: có độ xác cao,có thể kết nối với máy tính… 3.IC cảm biến nhiệt độ: Đây mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi thành điện ,cho phép đo dạng biến áp hay dòng Một số loại IC cảm biến thông dụng:LX5700, LX135, LM235, LM335, AD590, LM134,… ... Eab(T1,T2)=Eab(T2)-Eab(T1) Trong đó: + Eab(T1,T2) : tổng suất điện động mạch kín hai đầu mối ghép có nhiệt độ T1,T2 +Eab(T1) : suất điện động Thomson xuất mạch mối ghép có nhiệt độ T1 +Eab(T2) :... tính trễ cảm biến Nếu đại lượng đo thay đổi nhanh mà quán tính cảm biến lớn đo xác Mọi cảm biến có tính trễ ảnh hưởng vỏ bảo vệ II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG: 1.Cặp nhiệt điện : Cặp nhiệt điện... đổi đại lượng đo cảm biến dx : thay đổi đại lượng vật lý ♦ Ngưỡng độ nhạy: mức thấp mà cảm biến phát ♦ Tính trễ: gọi quán tính cảm biến Tính trễ cảm biến tạo sai số phép đo Tốc độ thay đổi cuả