LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................................................... 2 1.Các khái niệm ....................................................................................................................................... 3 1.1. Khái niệm cảm biến .................................................................................................................. 3 1.2. Khái niệm nhiệt độ ................................................................................................................. 3 1.3. Đơn vị đo nhiệt độ (thang đo nhiệt độ) .................................................................................. 3 1.3.1. Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối (K) ................................................................. 3 1.3.2. Thang Celsius ( o C) .......................................................................................................... 3 1.3.3. Thang Fahrenheit ( o F) .................................................................................................... 3 1.4. Cảm biến nhiệt độ .................................................................................................................. 4 2. CÁC CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ ................................................................................................ 5 2.1. CẢM BIẾN TIẾP XÚC .......................................................................................................... 5 2.1.1. Cặp nhiệt điện và nhiệt điện trở ..................................................................................... 5 2.1.1.1. Cặp nhiệt điện (nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu) ............................................................... 5 2.1.1.2. Nhiệt điện trở (Resistance Thermometer) .............................................................. 8 2.1.2. Thermistor (nhiệt điện trở) .......................................................................................... 10 2.1.3. Phần tử bán dẫn ........................................................................................................... 13 2.1.4. Nhiệt kế dãn nở ............................................................................................................. 15 2.1.4.1. Nhiệt kế dãn nỡ chất rắn ...................................................................................... 15 2.1.4.2. Nhiệt kế dãn nỡ chất lỏng ..................................................................................... 16 2.1.5. Nhiệt kế kiểu áp kế ....................................................................................................... 18 2.2. CẢM BIẾN KHÔNG TIẾP XÚC ........................................................................................ 19 2.2.1. Hỏa kế quang học ......................................................................................................... 19 2.2.2. Hỏa kế bức xạ ............................................................................................................... 20 2.2.3. Hỏa kế máu sắc ............................................................................................................. 21 3. TỔNG KẾT ....................................................................................................................................... 22 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................................... 2
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ GVHD: Th.s Nguyễn Thị Minh Trinh Sinh viên thực hiện: Thân Trung Tiến 21103607 Dƣơng Văn Khải Tuấn 21103960 Nguyễn Văn Khánh 21101593 Lê Thành Đạt 21100728 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1.Các khái niệm 1.1 Khái niệm cảm biến 1.2 Khái niệm nhiệt độ 1.3 Đơn vị đo nhiệt độ (thang đo nhiệt độ) 1.3.1 Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối (K) 1.3.2 Thang Celsius (oC) 1.3.3 Thang Fahrenheit (oF) 1.4 Cảm biến nhiệt độ CÁC CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 2.1 CẢM BIẾN TIẾP XÚC 2.1.1 Cặp nhiệt điện nhiệt điện trở 2.1.1.1 Cặp nhiệt điện (nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu) 2.1.1.2 Nhiệt điện trở (Resistance Thermometer) 2.1.2 Thermistor (nhiệt điện trở) 10 2.1.3 Phần tử bán dẫn 13 2.1.4 Nhiệt kế dãn nở 15 2.1.4.1 Nhiệt kế dãn nỡ chất rắn 15 2.1.4.2 Nhiệt kế dãn nỡ chất lỏng 16 2.1.5 2.2 Nhiệt kế kiểu áp kế 18 CẢM BIẾN KHÔNG TIẾP XÚC 19 2.2.1 Hỏa kế quang học 19 2.2.2 Hỏa kế xạ 20 2.2.3 Hỏa kế máu sắc 21 TỔNG KẾT 22 Tài liệu tham khảo 23 Page LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kỹ thuật bắt nguồn từ đo lường Sự phát triển khoa học, kỹ thuật liên quan chặt chẽ với khơng ngừng hồn thiện củ kỹ thuật đo lường Khơng có đo lường khơng thể có khoa học học ứng dụng nào, thí nghiệm nào… Kỹ thuật đo lường nhiệt có liên quan đến nhiều ngành kinh tế quốc dân, tham số trình nhiệt tham số quan trọng nhiều trình sản xuất cơng nghiệp, nơng nghiệp… Đo lường nhiệt q trình đo thơng số trạng thái mơi chất q trình xảy thiết bị nhiệt Ví dụ đo nhiệt độ, đo áp suất, đo lưu lượng,…Nôi dung báo cáo xoay quanh vấn đề đo nhiệt độ Nhiệt độ tham số vật lý quan trọng, thường hay gặp kỹ thuật, công nghiệp, nông nghiệp, nông nghiệp đời sống sinh hoạt ngày, thông số thiếu ngành Kỹ thuật Nhiệt Lạnh Vì việc đo lường, xác định nhiệt độ việc vô quan trọng Thiết bị nhiệt ngày phát triển với tham số cao, dung lượng lớn, cần phải có dụng cụ phương pháp đo lường thích hợp Mặt khác muốn tự động hóa q trình sản xuất trước hết phải đảm bảo tốt khâu đo lường nhiệt Do việc nắm rõ q trình sản xuất thiết bị nhiệt thành thạo việc lựa chọn, sử dụng loại dụng cụ với phương pháp đo khác nhau, xác định sai số đo lường, nhận biết nguyên nhân gây sai số biết cách khử nguyên nhân gây sai số đo cẩn thiết Page 1.Các khái niệm 1.1 Khái niệm cảm biến Cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận thay đổi từ mơi trường bên ngồi biến đổi thành tín hiệu điện để điều khiển thiết bị khác Cảm biến ba thành phần hệ thống điều khiển Khái niệm nhiệt độ - Nhiệt độ số đại lượng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật chất Bởi nhiên cứu khoa học, công nghiệp đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ cần thiết Tuy nhiên việc xác định xác nhiệt độ vấn đề không đơn giản Đa số đại lượng vật lý điều xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với đại lượng chất Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp dựa vào phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ - Nhiệt độ tính chất vật lý vật chất hiểu đơn giản thang đo độ "nóng" "lạnh" Vật chất có nhiệt độ cao nóng hơn! 1.3 Đơn vị đo nhiệt độ (thang đo nhiệt độ) 1.3.1 Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối (K) - Thang nhiệt độ tuyệt đối xác định dựa tính chất khí lý tưởng - Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): đơn vị đo nhiệt độ K - Người ta gán nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước – nước đá – giá trị số 273,15 K 1.3.2 Thang Celsius (oC) - Thang Celsius (Anderas Celsius – 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ oC độ Celsius độ Kelvin - Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin: T (oC) = T (K) – 273,15 1.3.3 Thang Fahrenheit (oF) - Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ oF - Nhiệt độ nước đá tan 32oF nhiệt độ nước sôi 212oF - Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit Celsius: 1.2 T (o C ) T (o F ) 32 T (o F ) T (o C ) 32 Page 1.4 Cảm biến nhiệt độ - Nhiệt độ đo (nhờ điện trở cặp nhiệt) nhiệt độ cảm biến, ký hiệu Tc Tc phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx trao đổi nhiệt - Nhiệt độ từ môi trường cảm biến hấp thu,tại tùy theo cấu cảm biến biến đại lượng nhiệt thành đại lượng đại diện - Cảm biến đóng vai trò quan trọng hệ thống đo lường điều khiển đại Nó định việc điều khiển tự động hay tự động hóa trình hay khơng Nó định độ xác chất lượng hệ thống - Các cảm biến thường dùng HVAC: Cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, đo nồng độ hóa chất nước, CO2, khói, … Trong nội dung báo cáo, ta quan tâm đến cảm biến nhiệt độ Page CÁC CẢM BIẾN O NHIT Có nhiều loại cm bin đo nhiệt độ, tên gọi loại khác thường gäi chung lμ nhiƯt kÕ Trong dơng ®o nhiƯt ®é ta thêng dïng c¸c kh¸i niƯm sau : NhiƯt kÕ lμ dơng (®ång hå) ®o nhiƯt ®é b»ng cách cho số tín hiệu l hm số biết nhiệt độ Bộ phận nhạy cảm cđa nhiƯt kÕ lμ bé phËn cđa nhiƯt kÕ dïng để biến nhiệt thnh dạng lượng khác ®Ĩ nhËn ®ỵc tÝn hiƯu (tin tøc) vỊ nhiƯt ®é Nếu phận nhạy cảm tiếp xúc trực tiếp với môi trường cần đo gọi l nhiệt kế đo trực tiếp v ngược lại Theo thói quen người ta thường dùng khái niệm nhiệt kế để dụng cụ đo nhiệt độ 600oC, dụng cụ đo nhiệt độ 600oC gọi l hỏa kế Các loại cảm biến nhiệt độ chia làm hai nhóm: - - Cảm biến tiếp xúc: Cảm biến trực tiếp tiếp xúc với môi trường đo + Cảm biến cặp nhiệt điện nhiệt điện trở + Thermistor + Phần tử bán dẫn + Nhiệt kế dãn nở + Nhiệt kế kiểu áp kế Cảm biến không tiếp xúc: Cảm biến không tiếp xúc trực tiếp với môi trường mà qua khâu trung gian + Hỏa kế quang học + Hỏa kế xạ + Hỏa kế màu sắc 2.1 CẢM BIẾN TIẾP XÚC 2.1.1 Cặp nhiệt điện nhiệt điện trở 2.1.1.1 Cặp nhiệt điện (nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu) Phương pháp đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu phương pháp phổ biến thuận lợi Page Cấu tạo nguyên lý hoạt độ ng nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu: gồm hai dây hàn với điểm luồn vào ống để đo nhiệt độ cao Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế làm thép khơng rỉ Để cách điện hai dây, hai dây lồng vào ố ng sứ nhỏ Nếu vỏ làm kim loại hai dây đặt vào ống sứ - Đầu cặp nhiệt ngẫu nối vào hộp đầu nối Mạch đo nhiết kế nhiệt ngẫu miliVônmét điện kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ ÷ 100mV - Nếu đo sức điện động nhiệt điện miliVônmét gây sai số nhiệt độ mạch đo thay đổ i Dòng điện chạy qua thị lúc : Trong đó: E - Sứ c điện động; Rd - điện trở đường dây; RT - đ iện trở cặp nhiệt ngẫu; Rdc- đ iện trở miliVônmét Page - Điện áp rơi miliVônmét là: Thường Rd + RT hiệu chỉnh khoảng Ω, điện trở miliVơnmét lớ n nhiều lần (40÷50 l ần), sai số chủ yếu điện trở miliVônmét Rdc thay đổi - Đo sức điện động điện kế loại trừ sai số dòng điện tiêu thụ khơng ta tiến hành phép đo Khắc phục sai số nhiệt độ đầu tự thay đổi: cách dùng mạch bù sai số nhiệt độ Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu chiều điểm A-B, Rt - nhi ệt điện trở tạo thành nhánh cầu Điện trở Rt mắc vị trí với đầu tự cặp nhiệt ngẫu có nhiệt độ t0 Cầu đượ c tính tốn cho nhiệt độ t0 = 00C điện áp đường chéo cầu ∆U = Khi nhiệt độ đầu tự thay đổi đến t'0 ≠ t0 điện áp cầu ∆U ≠ bù vào sức điện động nhiệt độ thay đổi Page Với phương pháp bù sai số giảm xuống đến 0,04% 100C Nhược điểm phương pháp phải dùng nguồn ph ụ sai số nguồn phụ gây Ưu điểm: + Bền + Đo nhiệt độ cao + Dễ sử dụng Nhược điểm: + Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số + Độ nhạy không cao Ứng dụng: + Lò nhiệt + Mơi trường khắc nghiệt + Đo nhiệt nhớt máy nén + Tầm đo: -100DC < 1400DC 2.1.1.2 Nhiệt điện trở (Resistance Thermometer) - Cấu tạo: Nhiệt kế nhiệt điện trở tạo thành từ dây platin, đồng, niken, bán dẫn quấn lõi cách điện đặt vỏ kim loại có đầu nối ngồi Page - Nhiệt kế nhiệt điện trở dùng mạch đo để đo điện trở thông thường dùng mạch cầu không cân bằng, thị lôgômmét từ điện cầu tự động cân bằng, nhánh nhiệt điện trở Phân loại: điện trở kim loại, điện trở bán dẫn nhiệt điện trở Nguyên lý: điện trở vật dẫn thay đổi theo nhiệt độ Trong đó: l : chiều dài dây dẫn [m] A : tiết diện dây dẫn [m2] Ρ : điện trở suất [Ω.m] Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ gần tuyến tính biểu diễn theo phương trình: Ta coi đáp ứng tuyến tính khoảng nhỏ nhiệt độ Cơng thức viết lại : δ : hệ số tiêu tán công suất [mW/ °C] PD : công suất tiêu tán [mW] R R 1 a T T0 b T T0 - Độ nhạy [Ω/ °C]: Page 2.1.2 Nhiệt độ tăng điện trở tăng Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy khơng cao Thường dùng: Lò nhiệt, mơi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… Tầm đo: -100 D.C