chương 2 giới thiệu về các mạch báo cháy

Chuyển đổi nhiệt điện : Chuyển đổi nhiệt điện là những chuyển đổi dựa trên các quá trình nhiệt như đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt… Thực tế khi đo lường các đại lượng không điện theo

Chương II GIỚI THIỆU VỀ CÁC MẠCH BÁO CHÁY

Cảm biến dựa vào các đặc tính vật lý của vật liệu, các hiện tượng vật lý để chuyển đổi các đại lượng phi điện thành các tín hiệu điện để đơn giản trong quá trình đo lường và tính toán

Mô tả toán học của các cảm biến là một hàm truyền được ký hiệu là H Phương trình mô tả cảm biến được biểu diễn như sau:

Đại lượng ra (điện)=H x đại lượng vào (phi điện)

 Các đặc tính chuẩn của cảm biến:

_ Độ nhạy

_ Độ ổn định _ Nhiễu (có khả năng hoạt động trong mọi trường có tín hiệu gây nhiễu hay nhiễu do chính cảm biến sinh ra trong quá trình hoạt động)

_ Tầm đo _ Độ tuyến tính (cảm biến có độ tuyến tính càng cao càng tốt)

 Hệ thống báo cháy thường gồm 3 loại mạch báo cháy thông dụng:

_ Mạch báo cháy nhiệt

_ Mạch báo cháy khói

_ Mạch báo cháy lửa

Hầu hết các linh kiện điện tử đều có đặc tính nhiệt thay đổi theo nhiệt độ Nhưng để làm cảm biến ta chỉ chọn vật liệu có độ nhạy cao và hàm truyền tốt mà thôi

Đây là loại cảm biến tương đối phức tạp và tinh vi, sử dụng các linh kiện điện tử chuyên dụng Các linh kiện điện tử này có khá nhiều trên thị trường linh, kiện ở Việt Nam hiện nay Nó sử dung nguyên tắc dòng hay áp trên các linh, kiện này sẽ thay đổi khi nhiệt độ tại nơi đặt thiết bị thay đổi Tùy theo loại mà có thể sẽ tăng hay giảm các đại lượng điện theo nhiệt độ Loại cảm biến này rất nhạy nhưng nó sẽ rất gây ra tình trạng báo động nhầm khi có một nguồn nhiệt để gần cảm biến Ví dụ như thân nhiệt con người chẳng hạn

I Chuyển đổi nhiệt điện :

Chuyển đổi nhiệt điện là những chuyển đổi dựa trên các quá trình nhiệt như đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt… Thực tế khi đo lường các đại lượng không điện theo phương pháp điện thường dùng hai hiện tượng, đó ( là hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng thay đổi nhiệt trở của dây dẫn hay chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi

Tương ứng với hai hiện tượng trên, người ta phân thành hai loại: chuyển đổi cặp nhiệt điện và chuyển đổi nhiệt điện trở

1 Chuyển đổi cặp nhiệt điện:

a Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện : chủ yếu dựa trên hai hiện

tượng sau:

Nếu hai dây dẫn khác nhau nối với nhau tại hai điểm 1 và 2, và một trong hai điểm đó ( ví dụ ta lấy tại điểm 1) được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện

một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiệu số các hàm số nhiệt độ

ET = f(t1)- f(t2) Mạch điện như còn gọi là cặp nhiệt điện hay cặp điện ngẫu

Điểm được đốt nóng gọi là đầu công tắc ( điểm 1 ), điểm còn lại gọi là đầu tự do( điểm thứ 2 ) là hằng số f(t2)=const thì:

ET = f(t1) – C Biểu thức trên là cơ sở của phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện Theo phương pháp này, việc đo nhiệt độ t1 sẽ dẫn đến việc đo sức điện động của cặp nhiệt điện khi giữ cố định nhiệt độ đầu tự do của nó

Vật liệu dùng để chế tạo cặp nhiệt điện ngẫu cần đảm bảo các yêu cầu sau: quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện với nhiệt độ là một hàm đơn trị, tính chất nhiệt điện không thay đổi, độ bền hóa học và cơ học phải cao, dẫn nhiệt tốt, có trị số suất điện động nhiệt lớn

Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn đặc biệt và đặt trong thiết bị bảo vệ nhằm tránh bị ăn mòn hóa học, thiết bị này được chế tạo từ vật liệu bền cơ học, không thấm khí, không bị ăn mòn

Thiết bị trên thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt Đối với cặp nhiệt điện quí , ống bảo vệ chế tạo bằng thạch anh và gốm Để cách điện người ta dùng Amian (3000C ), ống thạch anh ( với 10000C ) hoặc ống sứ đến

1400C

b Những nguyên nhân gây sai số và hiệu chỉnh cho đúng:

Ta biết rằng phương trình biến đổi của cặp nhiệt điện trong trường hợp chung, một cách gần đúng có thể biểu diễn dưới dạng :

ET =A.t+B.t2 +C.t3

ET : là sức điện động nhiệt T: hiệu nhiệt độ giữa đầu công tắc và đầu tự do

A, B, C :các hằng số phụ thuộc vào vật liệu của dây làm cặp nhiệt điện

Và độ nhạy của nó được tính như sau:

ST  A+2Bt +3Ct Độ nhạy không phải là hằng số mà phụ thuộc vào nhiệt độ

Do vậy các cặp nhiệt điện công nghiệp thường cho trước một bảng sức điện động ứng với các nhiệt độ khác nhau trong khoảng 10C với đầu tự do ở

00C

c Chuyển đổi nhiệt điện trở:

Nhiệt điện trở là chuyển đổi có điện trở thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ của nó

Tùy theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi người ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng

Trong nhiệt điện trở không đốt nóng dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm tăng nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ môi trường Nhiệt điện trở loại này dùng để đo nhiệt độ và các đại lượng cơ học như đo sự dịch chuyển

Nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên cao hơn nhiệt độ môi trường , nên có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh Nhiệt điện trở loại này được dùng trong việc đo lưu lượng, lưu tốc của dòng chảy, phân tích các chất hóa học… Nhiệt điện trở được chế tạo bằng dây hoặc chất bán dẫn Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo là có hệ số nhiệt độ lớn, bền hóa học, điện trở suất rất lớn, khó nóng chảy…

Để giảm tổn hao nhiệt dẫn, chiều dài của nhiệt điện trở cần phải lớn hơn đường kính dây gấp nhiều lần

2 Các loại cảm biến nhiệt:

a Thermocouples:

Thermocouples biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp

DC nhỏ Nó gồm có hai dây kim loại khác nhau nối với nhau tại hai đầu mối nối Khi các mối nối được đặt tại các vị trí khác nhau, trong dây dẫn xuất hiện sức điện động Sức điện động này tỉ lệ với chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu mối nối Thermocouples có hệ số nhiệt dương

b Thermistor:

Thermistor là điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nhưng phi tuyến vả có hệ số nhiệt âm Điện trở giảm phi tuyến đối với sự tăng nhiệt độ vì Thermistor là điện trở nên dòng điện qua nó sinh ra nhiệt gây nên sai số rất lớn Do đó phải hạn chế dòng qua nó rất nhỏ

c Điện trở dò nhiệt (RTDs):

Cảm biến loại này dựa vào đặc tính trở phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu Nó có hệ số nhiệt dương nhỏ, nhưng đo rất chính xác

d IC cảm biến nhiệt độ bán dẫn:

IC cảm biến bán dẫn kết hợp với mạch gia công bên trong Nhờ đó IC có thể tạo tín hiệu điện áp ra tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, với độ nhạy nhiệt và độ chính xác cao IC loại này khá phổ biến trên thị trường hiện nay Với IC thông dụng hiện nay là LM335

II Mạch phát hiện khói ( dùng cảm biến quang hay cảm biến ion ):

1 Mạch phát hiện khói dùng phương pháp quang ( cảm biến quang):

Loại này được sử dụng linh kiện thu phát quang Người ta sử dụng linh kiện phát quang ( LED hồng ngoại ) chiếu một tia sáng qua vùng cần bảo vệ và một linh kiện thu quang ( Photodiode, Phototransistor, quang trở…) Khi có khói bay lên vùng cần bảo vệ sẽ che chắn hay làm yếu đi cường độ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu Khi cường độ ánh sáng thay đổi đến một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ nhận dạng được và phát ra tín hiệu báo động

a Điện trở quang:

Điện trở quang là một linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp PN Vật liệu để chế tạo điện trở quang là Cds (Cadmiun Sulfid) , CdSe (Cadmiun Selenid ), ZnS ( Zine Sulfid ) hoặc các tinh thể khác

Khi bị chiếu ánh sáng, độ dẫn điện ( điện dẫn suất ) của vật liệu bán dẫn gia tăng do các hạt mang điện tích được gia tăng ra thêm

=e(nn + pp )

n và p : là mật độ electron và lỗ trống

n , p : là độ di động của electron và lổ trống

Với phương trình trên đô dẫn điện có thể gia tăng nhờ hai cách:

_ Gia tăng mật độ các hạt mang điện tích

_ Gia tăng độ di động hiệu dụng

 Các đặc tính quan trọng của một điện trở quang : Điện trở quang

có ba đặc tính quan trọng:

 Độ dẫn suất ( phot ):

Là hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng :

phot (u); =const

 Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ:

Đó chính là sự thay đổi dẫn suất phot hàm số của  khi mật độ năng lượng không thay đổi :

u= const

 Vận tốc làm việc:

Vận tốc làm việc là thời gian hồi đáp ( Reponse times) của một quang trở khi có sự thay đổi từ sáng sang tối hay từ tối sang sáng (rise ) Thời gian lên được xác định là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65 % trị số cuối cùng khi được chiếu sáng từ 0 lux sang 10 lux

Thời gian trễ được xác định là khoảng thời gian cần thiết để một quang trở thay đổi còn 35% giá trị của nó (so với lúc được chiếu sáng – khoảng 10 lux trong 1 s) khi không còn được chiếu sáng

Với cường độ ánh sáng mạnh, quang trở làm việc nhanh hơn Quang trở có khuynh hướng làm việc chậm đi khi trời lạnh Quang trở làm việc chậm hơn nếu được cất giữ trong bóng tối và làm việc nhanh hơn nếu được cất giữ ngoài ánh sáng

Srel()=

phot ()

phot max

 Các đặc tính quan trọng khác của điện trở quang:

 Tiếng ồn –NEP

 Hệ số nhiệt độ của quang trở

 Điện trở tối ( Dark Reasistance )

 Đặc tính độ dốc

 Điện thế hoạt động

 Công suất tiêu tán cao nhất

 Độ nhạy R[VW-1)

 Điện trở quang với sự gia tăng độ di động n,p

 Điện trở quang với vật liệu không pha tạp chất

2 Mạch phát hiện khói dùng nguyên lý ion (cảm biến ion):

Dưới tác dụng của các tia phóng xạ và tia Rơnghen, chất khí (khói ) sẽ bị ion hoá Nếu bình ion hoá được đặt một điện áp thì các điện tử và ion sẽ chuyển động có hướng và khi đó sẽ tạo thành dòng điện ion Khi có dòng điện sẽ kích hoạt tín hiệu báo động

Dòng ion phụ thuộc vào điện áp đặt lên bình, tính chất của tác nhân ion, môi trường ion hóa, vật liệu của thành bình và các vật thể khác nằm trên đường

đi của các tác nhân ion hóa Các tác nhân ion hóa là các tia phóng xạ như tia , tia , tia , tia Ronghen

Chuyển đổi ion hóa có thể nhiều loại khác nhau, song bất kỳ loại nào cũng cần có nguồn phóng xạ và thiết bị thu các suất phẩm của quá trình ion hóa để tạo thành dòng điện Thiết bị đó gọi là bộ thu bức xạ

Bộ thu bức xạ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng bức xạ hạt nhân thành điện năng Bộ thu bức xạ dựa vào hiện tượng ion hóa các tia phóng xạ đi qua nó hoặc dựa vào hiện tượng ion hóa chất khí khi cho tia phóng xạ đi qua nó hoặc dựa vào hiện tượng phát quang của một số chất dưới tác dụng của năng lượng bức xạ hạt nhân

Có ba loại bình thu bức xạ:

 Bình ion hóa

 Máy đếm phóng điện trong chất khí

 Máy đếm nhấp nháy

Trong hình đặc tính Volt Ampere của bình ion hóa và cấu tạo của một bình ion hóa bằng tia  Dòng quang điện thường rất nhỏ( 10-3 _10-7 )A Điện áp đặt lên điện cực cao áp ( vỏ bình) cỡ hàng nghìn Volt, dòng điện ion lấy qua cực lưới được khuếch đại bằng các bộ khuếch đại đo lường

Để tránh dòng điện rò, cách điện giữa các cực lưới và vỏ (cực cao áp) phải đạt tới (108 – 1013 ) M, vì thế điện cực lưới được bọc bởi cực bảo vệ nối đất với mạch đo lường để thu dòng điện rò từ cực cao áp

Người ta sử dụng một lượng nhỏ chất phóng xạ để ion hóa không khí trong hộp cảm biến Không khí bị ion hóa sẽ dẫn điện và tạo thành một dòng điện chạy giữa hai điện cực đã được nạp điện Khi các phần tử khói lọt vào trong vùng cảm nhận được ion hóa sẽ làm tăng điện trở trong vùng cảm nhận và làm giảm luồng điện giữa hai điện cực Khi luồng điện giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ phát điện và phát tín hiệu báo động

Nói chung thì loại cảm biến phát hiện khói kiểu ion hóa nhạy hơn và hiệu quả hơn loại dùng các linh kiện quang điện tử, nhưng linh kiện và vật liệu rất khó kiếm Loại phát hiện khói dùng quang dù ít nhạy hơn nhưng linh kiện rất dễ tìm và lắp đặt tương đối dễ dàng Tuy nhiên cả hai loại này có thể báo động nhằm do bụi hay khói lan vào Cho nên khi thiết kế cần phải xem xét và qui định nồng độ khói nhất định để thiết bị hoạt động chính xác

III Mạch phát hiện cháy :

Dưới tác động của các dòng ánh sáng với bước sóng thích hợp chiếu vào Catot, điện tử đi từ Catot bị bắn ra, tạo thành dòng điện Chuyển đổi quang điện được phân chia thành ba loại:

1 Tế bào quang điện:

Là phần tử quang điện sử dụng hiệu ứng quang điện ngoài Đó là một đèn chân không hay có khí mà Catot của nó sẽ phát ra các điện tử dưới tác dụng của dòng ánh sáng

2 Quang điện trở:

Là loại chuyển đổi quang điện dựa vào hiệu ứng quang điện Điện trở của một vài chất bán dẫn thay đổi dưới tác dụng của dòng ánh sáng Các chất có hiệu ứng quang điện trong mạch đó là muối Sunfil Cadmi,…

3 Photo diode:

Là chuyển đổi quang điện, dưới tác dụng của ánh sáng, lớp khóa của một số mặt ghép các chất bán dẫn sẽ trở thành nguồn dòng điện

Với hiệu ứng quang điện, ta có thể phát sinh một điện áp ở lớp chuyển tiếp pn, khi lớp chuyển tiếp này được chiếu sáng Tùy theo chức năng và cấu trúc, có thể phân Photodiode thành nhiều loại:

 Diode quang pn

 Diode quang pin.

 Diode quang loại Schockley

 Diode quang với các hiệu ứng khác

Photodiode được dùng với mạch khuếch đại có tổng trở cao:

 Rất tuyến tính

 Ít nhiễu

 Dãi tần rộng

 Nhẹ và có sức bền cơ học

 Tuổi thọ cao

IV Đo nhiệt độ bằng thạch anh:

Một ứng dụng cổ điển của thạch anh là thực hiện bộ dao động có độ vững lớn, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Với tinh thể thạch anh có phương tinh thể xác định trước nó đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng tần số dao động Ngược lại, khi dùng làm cảm biến đo nhiệt độ, thạch anh có phương tinh thể làm sao cho tần số dao động gần như tuyến tính với nhiệt độ tinh thể của thạch anh Cảm biến này rất chính xác và nhạy, mặt khác việc xác định nhiệt độ dẫn đến việc đếm tần số có hai điều lợi:

_ Việc đo rất chính xác

_ Việc chuyển đổi ra dạng số rất dễ dàng với thông tin liên quan đến tần số

1 Cộng hưởng cơ của thạch anh:

Trong tinh thể thạch anh được cắt theo dạng tiết diện vuông, tam giác hoặc tròn, các đặc tính phụ thuộc vào dạng hình học, và kích thước của chúng cũng như phương tinh thể Thạch anh là một chất áp điện Trong trường hợp mặt phẳng thu điện tích thẳng góc với trục điện sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu trên mặt phẳng Đó là hiệu ứng áp điện trực tiếp

_ Một sự thay đổi bề dày của bản thạch anh, nén lại hoặc bè ra tùy thuộc theo dấu của điện áp khi đưa vào các bề mặt, đó là hiệu ứng áp điện ngược

_ Một bản thạch anh có thể xảy ra các dao động cơ liên quan đến các loại biến dạng khác nhau: sự kéo dài ra, uốn cong, cắt Tần số dao động được xác định bởi dạng thức hình học, kích thước và phương của tinh thể và có thể diễn tả bởi công thức sau:



c l n

f 

c: Độ lớn đàn hồi, phụ thuộc vào phương tinh thể.

: Trọng lượng riêng của thạch anh

l: Kích thước của bản thạch anh theo phương truyền động

n: Số nguyên ; 1<n <5

Khi áp vào hai mặt của bản thạch anh 1 điện áp xoay chiều tần số bằng với tần số dao động có thể, hiệu ứng áp điện ngược xảy ra kéo theo sự dao động của bản thạch anh Như thế có thể xây dựng một hiện tượng dao động cơ điện với sự biến đổi tuần hoàn năng lượng cơ ra năng lượng điện và ngược lại, và năng lượng mất mát rất bé Hệ số phẩm chất Q đặc trưng cho hiện tượng cộng hưởng có được:



2



Đối với bản thạch anh, Q có giá trị rất cao, thường từ 104 đến 105 Phương của dao động thạch anh so với trục của tinh thể xác định lực cắt Thí dụ:

_ Lực cắt X gọi là mẫu Curie: 2 bản cực thẳng góc với trục X một điện áp xoay chiều được áp vào 2 mặt đối diện, bản dao động có thể dao động theo chiều dài và 2 tần số cộng hưởng quan trọng là:

f1 e

2860

2860



ø ; f tính bằng KHz

e và l : Bề dày và bề rộng của bản tính bằng mm

_ Lực cắt At, hai mặt bản cực quay chung quanh trục X và tạo thành một góc gần bằng 350 so với trục Z, bản dao động có thể dao động theo lực cắt bề dày và tần số dao động có trị giá:

e n

f  1675 ; f:KHz n: số nguyên ≤ 5 _ Với những lực cắt khác được sử dụng : Tần số dao động cơ luôn luôn tỉ lệ nghịch vơi1 trong những kích thước của chúng

Các điện cực cho phép đặt một điện áp vào bản dao động, nó được cấu tạo bởi thanh kim loại đặt tiếp xúc với bản dao động

Chung quanh tần số cộng hưởng cơ, về phương diện điện bản thân thạch anh có thể được biểu thị bằng một lưỡng cực cấu tạo bởi hai nhánh song song

Năng lượng cơ hoặc điện cực đại Năng lượng tiêu tán tuần hoàn