Bài giảng đo lường cảm biến chương 5

I Thang nhiệt độ + Thang Kelvin : đơn vị : oK Trong thang Kelvin, người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thái nước, nước đá : 273,15 oK + Thang Celsius: oC Một độ Celsius bằng 1 độ kelvin Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được thể hiện: T (oC) = T (oK) – 273,15 + Thang Fahrenheit: oF T ( F ) = 95 T ( C ) + 32 o o 5 ( ) ( ( ) ) T C = T F − 32 9 o o Tra ng 1 + Điểm chuẩn nhiệt độ: Nhiệt độ đo được chính là nhiệt độ của cảm biến và được ký hiệu là Tc Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường T x và sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngòai Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường: - Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo - Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngòai Ví dụ: đo nhiệt độ trong lòng chất rắn : khoan 1 lỗ sâu L với bán kính r thì L ≥ 10.r và lỗ khoan phải được lấp đầy bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt Tra ng 2 II Nhiệt điện trở Nhiệt điện trở là thiết bị có điện trở thay đổi tương ứng theo nhiệt độ 1 Nhiệt điện trở kim loại Nguyên lý : sự thay đổi giá trị điện trở tuyến tính dương với nhiệt độ: khi nóng thì giá trị điện trở tăng và khi lạnh thì giá trị điện trở giảm Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: R(T) = Ro[1+AT + BT2 + C(T-100)3] Xem như tuyến tính R = R0 (1 + α.ΔT) R0 : điện trở danh định tại nhiệt độ T0 ΔT : Chênh lệch nhiệt độ so với nhiệt độ chuẩn T0 α : Hệ số dẫn nhiệt Tra ng 3 2 Nhiệt điện trở bán dẫn Là thiết bị có điện trở thay đổi tương ứng với nhiệt độ Có độ ổn định và độ nhạy rất cao Bao gồm 2 lọai + PTC : Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở dương: giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng + NTC : Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm: giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Nhiệt điện trở được chế tạo nhiều hình dáng khác nhau, phần tử nhạy cảm hoặc được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần Tra ng 4 1 Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC : Negative Temperatur Coefficient) Đối với NTC thì điện trở giảm từ 3  5,5% / 1 độ Đường đặc trưng nhiệt độ - điện trở của 1 NTC RNTC tại 20oC = 5,5 kΩ RNTC tại 100oC = 400 Ω Đặc tính của NTC không tuyến tính nên phải tuyến tính hóa Cách đơn giản là mắc điện trở nhiệt NTC song song với một điện trở khác Tra ng 5 Ua = Ua = Uc [ R2 // RNTC ] R1 + [ R2 // RNTC ] Uc Uc = R1 + 1 R1 1 + 1  + 1 R  [ R2 // RNTC ] R  2 NTC  R1 Uc RNTC R2 Ua Để giảm độ phi tuyến thì ta chọn R2 > 10 RNTC Khi đó thì 1/R2 rất nhỏ so với 1/RNTC nên có thể bỏ qua Ua = Uc  1   + 1 R1 R  NTC  Tra ng 6 2 Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở duong (PTC : positive Temperatur Coefficient) Đường đặc tuyến của PTC chia làm 3 vùng: + Vùng nhiệt độ thấp TN Ứng dụng : mạch bảo vệ quá tải Tra ng 7 III Cặp nhiệt ngẫu 1 Hiệu ứng nhiêt điện: + Hiệu ứng Peltier Tại mối nối của 2 dây dẫn A và B khác nhau nhưng có cùng nhiệt độ sẽ hình thành một điện áp chỉ phụ thuộc vào lọai dây dẫn và nhiệt độ Vm − Vn = PAT / B Định luật Volta: Trong một mạch kín đẳng nhiệt, tổng các sức điện động Peltier bằng 0 PAT / B + PBT/ C + PCT / D + PDT / A = 0 Tra ng 8 + Hiệu ứng Thomson Giữa 2 điểm M, N có nhiệt độ khác nhau của một thanh dẫn đồng chất sẽ hình thành một sức điện động chỉ phụ thuộc vật liệu và nhiệt độ E TAMTN = TM T1 T2 T1 T3 E=0 ∫ hAdT 1 TN hA là hệ số Thomson của một vật liệu Định luật Magnus: nếu hai đầu của một mạch điện làm bằng một dây dẫn đồng nhất và có cùng nhiệt độ thì sức điện động Thomson bằng 0 Tra ng 9 + Hiệu ứng Seebeck 2 Vật liệu A và B với nhiệt độ khác nhau ở 2 đầu mối nối  hình thành cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện tạo ra một sức điện động gọi là sức điện động Seebeck T E TA2/TB1 = PAT2/ B − PAT1/ B + 2 ∫ ( hA − hB )dT T1 ∆eAB = α.∆T α : Là hệ số Seebeck Tra ng 10 2 1 : moái haøn laøm vieäc 2, 3 : moái haøn trung hoøa khi t1 khoâng ñoåi Nhiệt độ tại 2 mối hàn phải bằng nhau và dây dẫn nối thêm ra phải đồng chất để không phát sinh suất điện động ký sinh tại 2, 3 Tra ng 11 I= R AB E AB (t1, t 0 ) E (t , t ) = AB 1 0 + RFD + RC + Rdc + Rf + R Rng + RM Rng = R AB + RFD + RC + Rdc U ab = I.RM = E AB (t , t 0 ) 1 + Rng / RM RM = Rf + R p Sai số phép đo sẽ nhỏ khi Rng/RM nhỏ Tra ng 12 Một số cặp nhiệt điện thông dụng Vật liệu Lọai Phạm vi đo Độ nhạy Chrom-Alu K -200 – 1000oC 41μV/oC CHromE -200 – 1000oC 68μV/oC Constantan PlatinumR, S >1500oC 68μV/oC Rhodium Tra ng 13 IV Đo nhiệt độ dùng Diode, Transistor Nguồn dòng I cung cấp cho Diode hoặc Transistor Điện áp ra không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào dòng điện cung cấp Độ nhạy : S = dV/dT có giá trị khỏang -2,5mV/oC Phạm vi đo : -500C – 1500C Tra ng 14 Vd = V1 = KT I 1 ln q I0 V2 = KT I 2 ln q I0 I KT KT Log 1 = Logn q I2 q Tra ng 15 V Vi mạch cảm biến tích hợp (IC) 1 Nguyên Lý chung + Nhận tín hiệu nhiệt độ và chuyển thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện + Có thể đo độ C, độ K hoặc độ F tùy lọai + Giới hạn đo từ khỏang -55oC đến 150oC với độ chính xác 1 hoặc 2oC + Tác dụng của nhiệt độ là tăng tỷ lệ ion và lỗ trống tự do trong chất bán dẫn  tăng điện áp hoặc dòng điện thuận của tiếp xúc pn Tra ng 16 2 IC cảm biến LM34 (đo độ F) / LM35 (Đo độ C) + LM34 có ngõ ra 10mV/oF và làm việc tuyến tính trong khỏang -50oF – 300oF Tra ng 17 Ứng dụng : + Nhiệt kế vi sai: Tra ng 18 2 IC cảm biến AD592 Là cảm biến nhiệt cung cấp dòng điện ra tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối Do công nghệ chế tạo phát triển nên AD592 đo rất chính xác + Sử dụng nguồn cung cấp đơn cho phép đo độ chính xác 0,5oC + Khỏang đo nhiệt độ: -25 – 105oC + Không bị nhiễu điện áp Tra ng 19 Chỉnh biến trở R=100Ω sao cho ngõ ra Vout = 1mV/oK Ứng dụng: đo nhiệt độ trung bình và đo nhiệt độ nhỏ nhất Trang 20 Tra ng 21 ... 16 IC cảm biến LM34 (đo độ F) / LM 35 (Đo độ C) + LM34 có ngõ 10mV/oF làm việc tuyến tính khỏang -50 oF – 300oF Tra ng 17 Ứng dụng : + Nhiệt kế vi sai: Tra ng 18 IC cảm biến AD592 Là cảm biến nhiệt... AD592 đo xác + Sử dụng nguồn cung cấp đơn cho phép đo độ xác 0,5oC + Khỏang đo nhiệt độ: - 25 – 105oC + Không bị nhiễu điện áp Tra ng 19 Chỉnh biến trở R=100Ω cho ngõ Vout = 1mV/oK Ứng dụng: đo. .. có giá trị khỏang -2,5mV/oC Phạm vi đo : -50 0C – 150 0C Tra ng 14 Vd = V1 = KT I ln q I0 V2 = KT I ln q I0 I KT KT Log = Logn q I2 q Tra ng 15 V Vi mạch cảm biến tích hợp (IC) Nguyên Lý chung +