Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là nhiệt độ môi trường cần đo và nhiệt độ cảm nhận của cảm biến. Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay rẻ cũng do nguyên nhân này quyết định). Đồng thời một nguyên tắc được đưa ra khi sử dụng cảm biến nhiệt đó là: phải luôn đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa môi trường cần đo với phần tử cảm biến. Xét về cấu tạo chung thì Cảm biến nhiệt có nhiều dạng. Tuy nhiên, chiếc cảm biến được ưa chuộng nhất trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp thường được đặt trong khung làm bằng thép không gỉ, được nối với một bộ phận định vị, có các đầu nối cảm biến với các thiết bị đo lường. Trong các trường hợp khác, đặc biệt là trong các ứng dụng thực tiễn như trong cặp nhiệt độ, người ta lại hay sử dụng loại cảm biến không có khung. Lợi thế của những chiếc cảm biến này là cho kết quả nhanh với kích thước nhỏ gọn và chi phí sản xuất thấp. Về nguyên lý làm việc, đa số các cảm biến nhiệt sẽ hấp thụ nhiệt độ của môi trường, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà các bạn trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt ). Vì vậy, một nguyên tắc đặt ra là: Tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cần đo.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT - BÁO CÁO MÔN HỌC: CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Đề tài: Cảm biến nhiệt ứng dụng Hà Nội, 2018 MỤC LỤC Lời mở đầu Chương I: Cơ sở lý thuyết Sơ lược vấn đề liên quan Tổng quan cảm biến nhiệt Chương II: Một số loại cảm biến nhiệt Cặp nhiệt điện Nhiệt điện trở 13 Điện trở oxit kim loại 19 Cảm biến nhiệt bán dẫn 21 Nhiệt kế xạ 24 Chương III: Kết luận 28 LỜI MỞ ĐẦU Tự động hóa ngày khơng cịn xa lạ nhiều người, tham gia vào hầu hết trình sản xuất, từ giai đoạn bắt đầu kết thúc Và để cấu thành hệ thống tự động hồn chỉnh cần có tham gia nhiều thiết bị, phận khác Một số cảm biến- phận thiếu hệ thống tự động hóa Cảm biến thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận, … đại lượng vật lý không điện thành tín hiệu điện Sau phận xử lí trung tâm thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp để xử lí Trong báo cáo này, chúng em tìm hiểu nguyên lý hoạt động, cấu tạo ứng dụng số loại cảm biến thông dụng CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sơ lược vấn đề liên quan a Các thang đo nhiệt độ Thang Kelvin (Thomson Kelvin – 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ °K Trong thang đo này, người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước – nước đá – giá trị số 273,15°K Thang Celsius (Andreas Celsius 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ °C, thang đo mở rộng từ thang đo Kelvin cách dịch chuyển nhiệt độ Biểu thức xác định nhiệt độ Celsius qua nhiệt độ Kelvin: T(°C) = T(°K) – 273,15 Thang Fahrenheit (Fahrenheit – 1706): Đơn vị nhiệt độ °F Là thang đo mở rộng từ thang đo Celsius, thang đo nhiệt độ điểm nước đá tan 32 °F điểm nước sôi 212 °F Biểu thức xác định quan hệ nhiệt độ Fahrenheit nhiệt Celsius: T(°F) = [ T(°C) + 32] Bảng 1: Thang đo nhiệt độ chuẩn b Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực T x, đo ta nhận nhiệt độ Tc nhiệt độ phần tử cảm nhận cảm biến Nhiệt độ T x gọi nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi nhiệt độ đo Điều kiện để đo nhiệt độ phải có cân nhiệt môi trường đo cảm biến Nhưng nhiều nguyên nhân nhiệt độ cảm biến không đạt tới nhiệt độ môi trường T x, tồn chênh lệch nhiệt độ Tx – Tc định Độ xác phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx – Tc hiệu số bé độ xác phép đo cao Muốn đo cần phải ý: + Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến môi trường đo + Giảm trao đổi nhiệt cảm biến mơi trường bên ngồi Thực nghiệm: khảo sát trường hợp đo cảm biến tiếp xúc, lượng nhiệt truyền từ môi trường vào cảm biến xác định theo công thức: dQ = αA(Tx-Tc)dt Với: α- hệ số dẫn nhiệt A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt T - thời gian trao đổi nhiệt Khi đó, lượng nhiệt cảm biến hấp thụ tính cơng thức: dQ = mCdTc Với: m - khối lượng cảm biến C - nhiệt dung cảm biến Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt cảm biến mơi trường ngồi giá đỡ, ta có: A(Tx – Tc )dt = mCTc Để tăng cường trao đổi nhiệt mơi trường có nhiệt độ cần đo cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ngồi tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận mạch đo bên ngồi phải có hệ số dẫn nhiệt thấp Hình 1: Trao đổi nhiệt cảm biến Tổng quan cảm biến nhiệt Đối với loại cảm biến nhiệt có hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác nhiệt độ mơi trường cần đo nhiệt độ cảm nhận cảm biến Điều nghĩa việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo cảm biến nhiệt tổn thất cảm biến đo xác Điều phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay rẻ nguyên nhân định) Đồng thời nguyên tắc đưa sử dụng cảm biến nhiệt là: phải đảm bảo trao đổi nhiệt môi trường cần đo với phần tử cảm biến Xét cấu tạo chung Cảm biến nhiệt có nhiều dạng Tuy nhiên, cảm biến ưa chuộng ứng dụng thương mại công nghiệp thường đặt khung làm thép không gỉ, nối với phận định vị, có đầu nối cảm biến với thiết bị đo lường Trong trường hợp khác, đặc biệt ứng dụng thực tiễn cặp nhiệt độ, người ta lại hay sử dụng loại cảm biến khơng có khung Lợi cảm biến cho kết nhanh với kích thước nhỏ gọn chi phí sản xuất thấp Về nguyên lý làm việc, đa số cảm biến nhiệt hấp thụ nhiệt độ môi trường, tùy theo cấu cảm biến biến đại lượng nhiệt thành đại lượng điện Như yếu tố quan trọng “ nhiệt độ mơi trường cần đo” “nhiệt độ cảm nhận cảm biến” Cụ thể điều là: Các loại cảm biến mà bạn trơng thấy vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên vỏ ( bán dẫn, lưỡng kim….) việc đo có xác hay khơng tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất ( yếu tố định giá cảm biến nhiệt ) Vì vậy, nguyên tắc đặt là: Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến môi trường cần đo CHƯƠNG II: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ) a Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc cặp nhiệt điện dựa tượng điện: hai dây dẫn có chất hóa học khác nối với hai điểm tạo thành vịng dây kín hai điểm có nhiệt độ khác xuất sức điện động hình thành nên dịng điện vịng dây Sức điện động gọi sức điện động nhiệt điện, hiệu số hàm số nhiệt độ hai điểm nối Mạch điện gọi cặp nhiệt điện hay cặp nhiệt ngẫu Hình 2: Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện đơn giản Điểm đốt nóng gọi đầu cơng tác, điểm cịn lại gọi đầu tự Nếu giữ nhiệt độ điểm tự số ET = f(t1) – f(t2) = f(t1) – C = f.(t1) Đây biểu thức sở cho phép đo nhiệt độ phương pháp cặp nhiệt điện Theo phương pháp này, để đo nhiệt độ (t1) dẫn tới việc đo sức điện động cặp nhiệt điện giữ cô định nhiệt độ đầu tự Hình 3: Cấu tạo chung cặp nhiệt điện Gồm dây kim loại khác hàn dính đầu gọi đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu lại gọi đầu lạnh ( đầu chuẩn ) Khi có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng đầu lạnh phát sinh sức điện động V đầu lạnh Một vấn đề đặt phải ổn định đo nhiệt độ đầu lạnh, điều tùy thuộc lớn vào chất liệu Dây cặp nhiệt điện khơng dài để nối đến điều khiển, yếu tố dẫn đến khơng xác chổ này, để giải điều phải bù trừ cho ( offset điều khiển ) Việc dùng vật liệu để chế tạo cặp nhiệt ngẫu cần đảm bảo yêu cầu sau: + Quan hệ nhiệt độ sức điện động nhiệt điện hàm đơn trị + Tính chất nhiệt khơng thay đổi + Độ bền hóa học học với nhiệt độ phải cao + Dẫn nhiệt tốt + Có trị số sức điện động nhiệt điện lớn Bảng 2: Một số cặp nhiệt điện thông thường Cặp nhiệt điện nối với phương pháp hàn đặt thiết bị bảo vệ tránh bị ăn mịn hóa học, thiết bị chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền học, không thấm khí Các loại thiết bị thường ống chế tạo thép đặc biệt Đối với cặp nhiệt điện quý, ống chế tạo bảo vệ thạch anh gốm Để cách điện người ta dùng amiang (300°C), ống thạch anh (1000°C) ống sứ (1400°C) b Nguyên nhân gây sai số cách hiệu chỉnh Một cách gần đúng, phương trình biến đổi cặp nhiệt điện trường hợp chung viết dạng: ET = At + Bt2 + Ct3 Trong đó: ET: sức điện động nhiệt điện t: hiệu nhiệt độ đầu công tác đầu tự A,B,C: số phụ thuộc vào vật liệu dây làm cặp nhiệt điện Độ nhạy chuyển đổi: ST dET/ dt = A + 2Bt + 3Ct2 Phương trình xác định độ nhạy cấu phụ thuộc vào nhiệt độ, số Do cặp nhiệt điện công nghiệp thường cho trước bảng sức điện động ứng với chuyển đổi nhiệt độ khác khoảng 1°C với nhiệt độ đầu tự 0°C * Sai số nhiệt độ đầu tự thay đổi 10 - Vùng hệ số nhiệt tăng chậm (TA, TN) - Vùng làm việc > TN b Điện trở kim loại với Platin Nickel (Điện trở nhiệt kim loại RTD) Cấu tạo đầu dò nhiệt RTD RTD sản xuất từ vật liệu có nhiệt điện trở dương, quấn tùy theo hình dáng đầu đo, phổ biến Đồng, Nikel, hợp kim Sắt – Nikel, Vonfram, Platin, Tuy nhiên, bạch kim xem xác nhất, ổn định đo nhiệt độ lên đến 1200 °F Phạm vi nhiệt độ làm việc cao Nikel, Đồng, hợp kim Sắt – Nikel Ngoài thay đổi trở kháng theo nhiệt độ tuyến tính Bảng 3: Vật liệu chế tạo RTD Các vật liệu đồng, nikel, hợp kim sắt/nikel dùng để làm RTD, hầu hết chúng có giá thành thấp sử dụng ứng dụng khơng địi hỏi u cầu cao Đặc tính Platin Nikel: - Platin : + Có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99,999%) tăng độ xác tính chất điện + Có tính trơ mặt hố học tính ổn định cấu trúc tinh thể cao đảm bảo tính ổn định cao đặc tính dẫn điện trình sử dụng + Hệ số nhiệt điện trở °C 3,9.10-3/°C 14 + Điện trở 100°C lớn gấp 1,385 lần so với °C + Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -200°C ÷ 1000°C - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, 4,7.10-3/°C + Điện trở 100°C lớn gấp 1,617 lần so với °C + Dễ bị oxy hoá nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định + Dải nhiệt độ làm việc thấp 250°C Phân loại đầu dò nhiệt RTD Loại dây nối (Wire wound Element): Đây loại thiết kế đơn giản nhất, sợi dây cảm biến (được chế tạo bạch kim) quấn xung quanh lõi trục Lõi có dạng trịn phẳng, quan trọng phải cách điện Người ta cách điện cách đặt lõi dây quấn ống sứ kiếng Dây cảm biến nối sợi dây lớn Hình : RTD loại dây nối Loại màng mỏng (Thin film element) Người ta phủ lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10 -7 mm đến 10-7 mm) lên đế sứ Ưu điểm loại giá thành thấp khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh dễ dàng đặt vào vỏ nhỏ Nhưng 15 nhược điểm khơng làm việc ổn định loại dây nối (Wire wound Element) Hình 7: RTD loại màng mỏng Cách nối dây đo Loại dây: Đây loại cấu hình dây đơn giản độ xác thấp Điện trở dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ xác Dây nối dài ảnh hưởng lớn Sơ đồ mạch cầu dây minh họa sơ đồ sau: Hình 8: RTD cấu hình dây Trong sơ đồ mạch loại dây, dòng điện qua phần tử cảm biến Khi nhiệt độ cảm biến tăng, điện trở gia tăng Kết điện áp tăng (V=I.R) Trở kháng thực làm cho điện áp tăng tổng trở phần tử cảm biến trở kháng dây nối Vì để sử dụng loại dây nối cần phải ngắn Loại dây: 16 Có sợi dây nối từ RTD thay dây L1 L3 dẫn dịng đo, L2 có vai trị dây chiết áp Lý tưởng điện trở dây L1 L3 khơng có Trở kháng R3 với trở kháng phần tử cảm biến Rt Hình 9: RTD cấu hình dây Loại dây: Loại khắc phục lỗi trở kháng điểm nối gây Dòng điện từ nguồn dòng đến L1 đến dây L4; Dây L2 L3 đo áp rơi RTD Với nguồn dịng cố định phép đo xác Loại cấu hình có giá thành cao so với cấu hình hay dây, nhiên địi hỏi xác cao nên lựa chọn loại cấu hình ( phịng thí nghiệm, dùng cơng nghiệp) Hình 10: RTD cấu hình dây Ứng dụng Sử dụng phổ biến RTD cấu hình dây RTD có nhiều ứng dụng, đo nhiệt độ chất lỏng, bề mặt vật, dịng khí RTD loại thiết bị thụ động, sử dụng cần có nguồn cung cấp 17 Trong công nghiệp, RTD thường sử dụng kết hợp với hiển thị nhiệt độ (Controller) hãng Autonics, Honeywell,… ; chuyển đổi (transmitter) nối trực tiếp vào module AI (của Siemens chẳng hạn) Nếu sử dụng hiển thị hay module khơng cần có nguồn cung cấp riêng thiết bị cung cấp nguồn cho RTD Hình 11: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở Kết luận chung: Nhiệt điện trở - Cấu tạo RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum, …được quấn tùy theo hình dáng đầu đo - Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở hai đầu dây kim loại thay đổi, tùy chất liệu kim loại có độ tuyến tính khoảng nhiệt độ định - Ưu điểm: độ xác cao Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế - Khuyết điểm: Dải đo bé Cặp nhiệt điện, giá thành cao Cặp nhiệt điện - Dải đo: -200~700°C - Ứng dụng: Trong ngành công nghiệp chung, cơng nghiệp mơi trường hay gia cơng vật liệu, hóa chất… Lưu ý sử dụng: – Loại RTD dây giảm điện trở dây dẫn 1/2, giúp hạn chế sai số 18 – Cách sử dụng RTD dễ chịu so với Thermocouple Chúng ta nối thêm dây cho loại cảm biến ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu ) đo test VOM – Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây Điện trở oxit kim loại ( Thermistor) Thermistor thuật ngữ thông dụng thermally sensitive resistor Đầu dò nhiệt chúng chất bán dẫn có α âm / dương Những thiết bị cấu tạo vật liệu sứ có tính chất dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ Thermistor thường chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể Mangan, Nikel, Coban, Sắt dạng bột trộn với theo tỷ lệ định, sau trộn hỗn hợp nén định dạng thành phiến nung nhiệt độ 1000°C Trên bề mặt phiến sau nung, có hàn dây nối phủ kim loại Với chất oxid khác nhau, tỷ lệ pha trộn khác ta có sản phẩm khác mang tính chất ta muốn có Hình 12: Sơ đồ cấu tạo Thermistor Nguyên lý hoạt động thermistor dựa thay đổi bán dẫn theo nhiệt độ T, số lượng cặp điện tử - lỗ trống tăng làm giảm điện trở RT = Ro.e^[β] Trong công thức: β số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở, R T: điện trở nhiệt độ cần đo T (°K), Ro: điện trở nhiệt độ To ( °K) α = 1/RT dR/dT ; α = -β/T2 Đối với nhiệt độ lớn phải dùng phương trình Steinhart – Hart: 1/T = A + B.lnRT + C.ln3RT 19 Do tính phi tuyến nên thermistor khơng dùng để đo nhiệt độ mà thường dùng mạch cảnh báo nhiệt độ hay mạch bù nhiệt Hình 13: Mạch cảnh báo nhiệt dùng Thermistor Kết luận chung: Điện trở oxit kim loại - Cấu tạo: Làm từ hổn hợp oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… - Nguyên lý: Thay đổi điện trở nhiệt độ thay đổi - Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp - Dải đo: 50°C - Ứng dụng: Làm chức bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử Lưu ý sử dụng: – Tùy vào nhiệt độ môi trường mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC NTC (gọi nơm na thường đóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM – Nên ép chặt vào bề mặt cần đo – Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ – Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây Cảm biến nhiệt bán dẫn 20 a Cảm biến nhiệt bán dẫn với vật liệu Silic Cảm biến nhiệt bán dẫn chế tạo từ loại bán dẫn thường Silic tinh khiết đơn tinh thể Nó có nguyên lý hoạt động phân cực chất bán dẫn bị ảnh hưởng nhiệt độ Silic tinh khiết đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm Sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ Si phụ thuộc vào nồng độ pha tạp (dẫn tới số diện tích tự do) vào nhiệt độ Do vậy, phân hai miền nhiệt độ sau: 120°C, hệ số nhiệt độ điện trở suất dương nghĩa điện trở suất tăng theo nhiệt độ Do độ tuyến tính hạn chế mà dải nhiệt độ ứng dụng điện trở Si là: -50 đến 120°C Trên khoảng 120°C, hệ số nhiệt điện trở Si âm độ tuyến tính Trong vùng nhiệt độ 120°C hệ số nhiệt điện trở khơng phụ thuộc vào mức độ pha tạp Cảm biến nhiệt bán dẫn có ưu điểm dễ chế tạo, rẻ tiền, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt có mạch xử lý đơn giản Tuy vậy, nhược điểm khơng chịu nhiệt độ cao bền Cảm biến nhiệt bán dẫn ứng dụng nhiều việc đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo dùng bảo vệ mạch điện tử b IC cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt bán dẫn loại cảm biến chế tạo từ chất bán dẫn Có loại diode, transistor, vi mạch tích hợp (IC) Nguyên lý chúng dựa mức độ phân cực lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ mơi trường Ngày với phát triển ngành công nghệ bán dẫn cho đời nhiều loại cảm biến nhiệt với tích hợp nhiều ưu điểm: Độ xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,… Một số cảm biến nhiệt độ dùng phổ biến kể đến IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý chúng nhiệt độ thay đổi cho điện áp thay đổi Điện áp phân áp từ điện áp chuẩn có mạch 21 Hình 14: IC cảm biến nhiệt LM 35 IC DS18B20 loại IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ chuẩn truyền thông I2C mở xu hướng giới cảm biến Hình 15: IC cảm biến nhiệt DS18B20 c Lưu ý sử dụng Vì chế tạo từ thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ làm hỏng cảm biến Cảm biến bán dẫn loại tuyến tính giới hạn đó, ngồi dải cảm biến tác dụng Do cần phải quan tâm đến tầm đo loại cảm biến để đạt xác Loại cảm biến chịu đựng môi trường khắc nghiệt: độ ẩm cao, hóa chất có tính ăn mịn, rung sốc va chạm mạnh 22 Hình 16: Mạch đo nhiệt độ dùng vi mạch bán dẫn Kết luận chung: Cảm biến nhiệt bán dẫn - Cấu tạo: Làm từ loại chất bán dẫn - Nguyên lý: Sự phân cực chất bán dẫn bị ảnh hưởng nhiệt độ - Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, bền - Dải đo: -50 ~ 150°C - Ứng dụng: Đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử Lưu ý sử dụng: – Vì chế tạo từ thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ làm hỏng cảm biến – Cảm biến bán dẫn loại tuyến tính giới hạn đó, ngồi dải cảm biến tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo loại cảm biến để đạt xác – Loại cảm biến chịu đựng môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mịn, rung sốc va chạm mạnh 23 Nhiệt kế xạ ( hay gọi hỏa kế) a Hỏa kế xạ toàn phần Nguyên lý dựa quy luật: Năng lượng xạ toàn phần vật đen tuyệt đối tỷ lệ với lũy thừa bậc nhiệt độ tuyệt đối vật E = ϭT4 Trong công thức: σ số, T nhiệt độ tuyệt đối vật đen tuyệt đối (°K) Thơng thường có hai loại: hỏa kế xạ có ống kính hội tụ, hỏa kế xạ có kính phản xạ Hình a) hỏa kế xạ có ống kính hội tụ, ánh sáng từ nguồn xạ qua thấu kính hội tụ đập tới phận thu lượng tia xạ 4, phận nối với dụng cụ đo thứ cấp Hình b) hỏa kế xạ có kính phản xạ: ánh sáng từ nguồn xạ đập tới gương phản xạ hội tụ tới phận thu lượng tia xạ 4, phận nối với dụng cụ đo thứ cấp Bộ phận thu lượng vi nhiệt kế điện trở tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thỏa mãn yêu cầu sau: + Có thể làm việc bình thường khoảng nhiệt độ từ 100 – 150°C + Phải có qn tính nhiệt đủ nhỏ ổn định sau – giây + Kích thước đủ nhỏ để tập trung lượng xạ vào Hỏa kế dùng gương phản xạ tổn thất lượng thấp (~10%), hỏa kế dùng thấu kính hội tụ tổn thất tới 30 – 40% Tuy nhiên loại thứ có nhược điểm 24 mơi trường nhiều bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm sai số tăng Khi đo nhiệt độ hỏa kế xạ sai số thường không vượt 27°C điều kiện: + Vật đo phải có độ đen xấp xỉ + Tỉ lệ đường kính vật xạ khoảng cách đo (D/L) không nhỏ 1/16 + Nhiệt độ môi trường 20±2°C Trong thực tế độ đen vật đo ε < 1, Tđo = Tdoc Thơng thường xác định theo cơng thức: Tđo = Tdoc + ΔT; ΔT lượng hiệu chỉnh phụ thuộc T đọc độ đen vật đo Hình 17: Hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen b Hỏa kế quang điện Hỏa kế quang điện chế tạo dựa định luật Plăng Nguyên tắc đo nhiệt độ hỏa kế quang học so sánh cường độ sáng vật cần đo độ sáng đèn mẫu bước sóng định theo hướng Khi độ sáng chúng nhiệt độ chúng 25 Hình 18: Sơ đồ hỏa kế quang học Nguồn ni; Vật kính; Kính lọc; 4&6 Thành ngăn; Bóng đèn mẫu;7 Kính lọc ánh sáng đỏ; Thị kính Khi đo, hướng hỏa kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật xạ cần đo nhiệt độ qua vật kính 2, kính lọc 3, vách ngăn 4, 6; kính lọc tới thị kính mắt Bật cơng tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu 5, điều chỉnh biến trở R b để độ sáng dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng vật cần đo Sai số độ đen vật đo ε < Khi Tdo xác định công thức: 1/Tđo = /C2 ln(1/) Công thức hiệu chỉnh: Tdo = Tdoc + ΔT Giá trị ΔT cho theo đồ thị Ngoài sai số phép đo ảnh hưởng khoảng cách đo, nhiên sai số thường nhỏ Khi mơi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết đo bị ảnh hưởng Kết luận chung: Nhiệt kế xạ - Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học - Nguyên lý: Đo tính chất xạ lượng môi trường mang nhiệt - Ưu điểm: Dùng môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với mơi trường đo - Khuyết điểm: Độ xác không cao, đắt tiền - Ứng dụng: Làm thiết bị đo cho lò nung 26 - Dải đo: -97 ~ 1800 °C Lưu ý sử dụng: – Tùy theo thông số nhà sản xuất mà hỏa kế có tầm đo khác nhau, nhiên đa số hỏa kế đo khoảng nhiệt độ cao Và đặc điểm khơng tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ xác hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng môi trường xung quanh (góc độ đo, rung tay, ánh sáng mơi trường ) 27 CHƯƠNG III: KẾT LUẬN Như ta thấy có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, mơi trường (hóa học, vật lý, hay điện) giá thành Việc lựa chọn cảm biến khơng dễ dàng, cách an tồn hay sử dụng lựa chọn theo ngành nghề thông thường, loại cảm biến thiết kế để phục vụ cho chuyên ngành riêng.Và dây yêu cầu đặt lựa chọn loại cảm biến nhiệt: - Độ xác - Sự linh hoạt, lắp ráp dễ dàng - Giới hạn khoảng nhiệt cần đo - Giá thành - Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay khơng - Sự tương thích với mơi trường ảnh hưởng (nếu có) tác nhân bên ngồi mơi trường 28 ... chịu nhiệt độ cao bền Cảm biến nhiệt bán dẫn ứng dụng nhiều việc đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo dùng bảo vệ mạch điện tử b IC cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt bán dẫn loại cảm biến chế... đa số cảm biến nhiệt hấp thụ nhiệt độ môi trường, tùy theo cấu cảm biến biến đại lượng nhiệt thành đại lượng điện Như yếu tố quan trọng “ nhiệt độ mơi trường cần đo” ? ?nhiệt độ cảm nhận cảm biến? ??... với loại cảm biến nhiệt có hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác nhiệt độ mơi trường cần đo nhiệt độ cảm nhận cảm biến Điều nghĩa việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo cảm biến nhiệt tổn