BAO CAO DE TAI CAM BIEN NHIET DO NHOM1

Cấu tạoCấu tạo bao gồm các phần chính: + Diện trở + Đầu dò nhiệt + Khung làm bằng thép không gỉ được nối với bộ phận định vị, có các đầu nối với các thiết bị đo lường.. Cảm biến nhiệt độ

Đại Học Quốc Gia TPHCM Đại Học Khoa Học - Tự Nhiên.

Khoa Vật Lý - Vật Lý Kỹ Thuật.

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Môn học: Thiết bị đo và càm biến.

Lớp: 15VLUD – Nhóm 1.

Giảng viên: TS Huỳnh Văn Tuấn Sinh viên thực hiên:

- Nguyễn Thị Bảo Hoàng -1513059

(Nhóm trưởng)

- Võ Nguyễn Thùy Trang -1513198

- Nguyễn Thùy Linh -1513029

- Nguyễn Minh Trung -1513209

- Phan Trọng Nghĩa -1513114

- Kiều Dũng -1513033

- Phạm Lưu Anh Nhân -1513124

Năm học: 2017-2018

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

I Sơ lược sự hình thành 2

I.1 Sơ lược 2

I.2 Khái niệm 2

II Cấu tạo 3

III Phân loại 3

IV Tìm hiểu các loại 4

IV.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 4

IV.2 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD) 6

IV.3 Cảm biến nhiệt bán dẫn 8

IV.4 Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) 10

V Tiêu chí sản phẩm 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

I.Sơ lược sự hình thành

1 Sơ lược

Cảm ứng nhiệt đã được hiểu và áp dụng vào sản xuất từ những năm 1920 Trong Thế chiến II, công nghệ phát triển nhanh chóng để đáp ứng yêu cầu cấp thiết cho thời kỳ chiến tranh Gần đây hơn, tập trung vào kỹ thuật sản xuất tinh gọn và nhấn mạnh vào kiểm soát chất lượng dẫn đến sự khám phá của công nghệ cảm ứng, chất lượng công nghệ ngày càng cải thiện Ngày nay, với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp nhiều ưu điểm

→ Vậy điều gì làm cho phương pháp nhiệt này rất độc đáo? Trong phương pháp nhiệt ấm thông thường nhất, một ngọn đuốc hoặc ngọn lửa trần được áp dụng trực tiếp vào phần kim loại Nhưng với cảm ứng nhiệt, nhiệt được thực sự "gây ra" trong một phần bản thân bằng cách lưu thông dòng điện

2 Khái niệm

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật

lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

Cảm biến nhiệt là một loại cảm biến dùng để đo nhiệt độ Người ta có thể gọi cảm biến nhiệt là can nhiệt

 Cảm biến nhiệt nhận sự thay đổi nhiệt độ, cho tín hiệu ngõ ra là sự thay đổi điện áp hoặc điện trở

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác

II Cấu tạo

Cấu tạo bao gồm các phần chính:

+ Diện trở

+ Đầu dò nhiệt

+ Khung làm bằng thép không gỉ được nối với bộ phận định vị, có các đầu nối với các thiết bị đo lường

Cảm biến nhiệt độ được cấu tạo đa dạng khác nhau, chủ yếu là bằng kim loại Platinum có giá trị điện trở 100 Ohm () ở nhiệt độ 0 C0 , điện trở sẽ thay đổi khi thay đổi nhiệt độ Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ có hình dáng khớp với cấu tạo đầu dò nhiệt Thiết bị thuộc loại cảm biến thụ động nên cần phải cấp một nguồn đầu vào ổn định trong quá trình sử dụng

Đầu dò cảm biến nhiệt độ có lõi làm bằng bạch kim được bao bọc bởi vỏ bên ngoài làm từ vật liệu đồng, chất bán dẫn, thép không gỉ hay thủy tinh siêu mỏng…

Cấu tạo chung của cảm biến nhiệt độ có nhiều dạng, nhưng phổ biến nhất trong thương mại và công nghiệp thường được đặt trong khung làm bằng thép không gỉ được nối với bộ phận định vị, có các đầu nối với bộ định vị và các thiết bị đo lường

Hay đơn giản cảm biến nhiệt bao gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính một đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn)

III.Phân loại

Cảm biến nhiệt độ được phân làm 2 loại chính:

- Cảm biến tiếp xúc:

• Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

• Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD)

• Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

• Cảm biến nhiệt bán dẫn.

- Cảm biến không tiếp xúc: (do bức xạ nhiệt)

• Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

• Ngoài ra còn loại đo nhiệt không tiếp xúc, hồng ngoại, lazer

IV Tìm hiểu các loại

1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Hình 1.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple).

Hình 1.2 Cấu tạo của cặp nhiệt điện.

- Cấu tạo:

Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn)

- Nguyên lý:

• Một dòng điện được tạo ra khi nhiệt độ ở một đầu khác với nhiệt độ ở đầu còn lại Hiện tượng này được biết đến như là hiệu ứng Seebeck

 Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm nhiệt độ và thành phần của 2 kim loại

• Điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tinh với nhiệt độ:

AB

   (1.1)

 : hệ số Seeback – hằng số tỉ lệ

- Lưu ý:

Khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những điểm sau đây:

• Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt

• Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây

• Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt

• Không để các đầu dây nối của cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo

• Đầu nối đúng chiều âm, dương cho cặp nhiệt điện.

- Dải đo: -100 ~ 1400o

C

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R, S, T…) đó là vì mỗi loại cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác nhau

- Ưu điểm: bền, đo nhiệt độ cao.

- Khuyết điểm:

• Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số

• Độ nhạy không cao

- Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật liệu… Thường

dùng: lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

2 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD)

Hình 2.1: Cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD).

Hình 2.2: Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD).

- Cấu tạo: dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng

của đầu đo Có 2 loại: loại dây quấn và loại màng mỏng

- Nguyên lí hoạt động:

• RTD (nhiệt điện trở) hoạt động dựa trên nguyên tắc điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên – hiện tượng đó gọi là nhiệt điện trở suất

• Khi nhiệt độ môi trường tăng hoặc giảm, điện trở RAB (điện trở của RTD) sẽ tăng hoặc giảm theo nhiệt độ môi trường

 Do đó, đo nhiệt độ có thể được suy ra bằng cách đo điện trở của cảm biến RTD

• Mối liên hệ giữa điện trở và nhiệt độ được xác định bởi công thức:

0(1 )

T

R R T (2.1)

T: nhiệt độ RTD (0K ).

T

R : điện trở RTD ( ) tại T

0

R : điện trở RTD ( ) tại T0

 : hệ số nhiệt điện trở, tùy thuộc vào kim loại.

• Phương trinh Callendar – Van Dusen:

3

0 0 [ (0,01 1).(0,01t) (0,01t 1)(0,01t) ]

t

R R R t  t    (2.2)

t: nhiệt độ (0C )

t

R: giá trị điện trở () ở nhiệt độ t

0

R : hằng số cảm biến (Điện trở ở nhiệt độ t00C)

 : hằng số cảm biến

 : hằng số cảm biến

 : hằng số cảm biến (=0 khi t>00C;  =0,11 khi t<00C)

- Dải đo: -200 – 7000C

Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum

có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao…

- Ưu điểm:

• Độ chính xác cao

• Ổn định được với nhiệt độ cao

• Chiều dài dây không hạn chế

• Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so vớicặp nhiệt điện Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này (hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu) và có thể đo test bằng VOM được

 Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây

• RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn

đi 1/2, giúp hạn chế sai số  kết quả đo chính xác

- Nhược điểm:

• Đáp ứng chậm hơn cặp nhiệt điện

• Giá thành cao

• Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện

- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công

vật liệu, hóa chất…

3 Cảm biến nhiệt bán dẫn:

Hình 3.1 Các cảm biến nhiệt bán dẫn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn (ví dụ như IC LM35, LM335, LM45, diode,

transistor)

- Nguyên lý:

• Sự phân cực của các chất bán dẫn khi bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

• Ta có điện thế nhiệt: T

kT V

q



(3.1)

• Dòng điện chuyển tiếp:

+ Phân cực thuận: T

V mV S

I I e (3.2)

+ Phân cực nghịch: T

V mV

I I e  I (3.3) Trong đó: I là dòng điện chuyển tiếp

S

I : dòng ngược bão hòa

V: điện áp phân cực

m: hệ số hiệu chỉnh, (1 m 2)

- Dải đo: -50 ~ 150oC

- Ưu điểm:

• Rẻ tiền

• Dễ chế tạo

• Độ chinh xác cao

• Chống nhiễu tốt

• Hoạt động ổn định

• Mạch xử lý đơn giản

-Nhược điểm:

• Không chịu được nhiệt độ cao

• Kém bền

- Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.

4 Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

Hình 4.1 Nhiệt kế bức xạ.

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.

• Nhiệt lượng tỏa ra từ nguồn nhiệt thông qua các ống kính quang học nó được thu thập

• Tập trung vào đầu dò với sự giúp đỡ của gương và sự sắp đặt dựa vào thị kính

• Với đầu dò có thể là điện trở nhiệt hoặc một ống quang điện

• Như vậy, nhiệt năng đã được biến đổi tương ứng thành tín hiệu điện tương ứng bởi đầu dò và được gửi đến các thiết bị đầu ta hiển thị nhiệt độ

• Năng lượng bức xạ toàn phần xác định bằng định luật năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật: (4.1)

 : hằng số

T: nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối

4

E   T

- Ưu điểm:

• Dùng trong môi trường khắc nghiệt, thiết bị này có thể được dùng để đo nhiệt độ rất cao mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt ( kim loại nóng chảy)

• Tốc độ đáp ứng nhanh, có thể đo các đối tượng chuyển động

• Không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách từ hỏa kế đến đối tượng đo

• Không bị bào mòn, ma sát

 Thiết bị này được sử dụng ở những nơi mà cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc vật

lý được như cặp nhiệt điện, RTD và điện trở nhiệt bởi vì nhiệt độ cao của nguồn phát

- Nhược điểm:

• Không tuyến tính, độ nhạy kém

• Tính sẵn có của vật liệu quang học làm giới hạn các bước sóng có thể đo được

• Cấu tạo đơn giản nhưng giá thành , chi phí lắp đặt cao

• Cần bảo dưỡng thường xuyên để giữ cho ống kính sạch sẽ vì vất kì sự bám bẩn, bụi sẽ làm giảm bức xạ

• Sự phát xạ của vật liệu đối tượng ảnh hưởng đến phép đo

• Nếu có bất kì một nguồn nhiệt nào khác đối tượng đo sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo

- Ứng dụng: Làm các thiết bị đo cho lò nung, thiết bị chống trộm.

- Dải đo: -97 ~ 1800 o

C

Hỏa kế gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc

V Tiêu chí sản phẩm:

Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau,

và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:

- Độ chính xác

- Thoảng nhiệt

- Tốc độ phản ứng.

- Môi trường (hóa học, vật lý, hay điện)

- Giá thành

Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng Cách an toàn và hay được sử dụng nhất

là lựa chọn theo ngành nghề Do thông thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục

vụ cho một chuyên ngành riêng

Dưới đây là các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt dựa theo các ngành nghề khác nhau:

- Độ chính xác

- Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng

- Giới hạn khoảng nhiệt cần đo

- Giá thanh

- Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay không

- Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Wikipedia: https://vi.wikipedia.org/wiki/C%E1%BA%A3m_bi%E1%BA%BFn

https://bientan.wordpress.com/2012/03/14/tong-quan-ve-cac-loai-cam-bien-nhiet-do/

http://pcbvietnam.com/215/

Và một số tài liệu từ giáo trình môn học của Ts Huỳnh Văn Tuấn

*Hết*