Đầu tiên, chúng ta ìm hiểu về các bộ cảm biến. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là “thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích” [1]. Từ đó, ta có thể coi bộ cảm biến như là một mạng hai cửa, cửa vào là trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x. Kích thích x thường ở dạng phi điện (như nhiệt độ, áp suất, …) trong khi đáp ứng y ở dạng điện (điện áp, cường độ dòng điện, …)
Hình 2.2 : Mô hình mạch của bộ cảm biến
Qua đó, mối quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến được cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức toán học (hàm truyền).
Với yêu cầu của bài toán, chúng ta cần phải làm các phép đo liên quan tới nhiệt độ. Theo cảm quan, nhiệt độ là thước đo dùng để chỉ trạng thái nóng hay lạnh của một vật. Còn theo phương diện vật lý, nhiệt độ là kết quả của phép đo động năng trung bình của các phân tử trong một vật chất, hay nói cách khác, nó đặc trưng cho nội năng của vật chất. Trong thực tế, quá trình truyền nhiệt có thể theo ba cách: đối lưu, dẫn nhiệt và
26
bức xạ nhiệt. Dựa trên các hình thức truyền nhiệt trên, có thể thiết kế cảm biến nhiệt
theo dạng tiếp xúc dựa trên quá trình truyền nhiệt hoặc đối lưu, hoặc thiết kế theo dạng đo nhiệt độ từ xa thông qua hình thức bức xạ nhiệt. Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 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 ta cũng rút ra 1 nguyên tắc 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.
Sau đây ta sẽ tìm hiểu 1 số loại cảm biến nhiệt khá thông dụng: Cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. Nguyên lý hoạt động điện dựa trên sự biến đổi điện áp giữa 2 đầu cặp nhiệt điện, nhiệt độ thay đổi cho ra suất điện động thay đổi (mV). Cảm biến này có ưu điểm bền, đo được nhiệt độ cao, tuy nhiên bị nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số, độ nhạy không cao. Dải nhiệt độ đo được có thể dao động từ - 1000C đến 18000C.
Cặp nhiệt điện thường dùng trong các lò nhiệt, các hệ thống làm việc trong môi trường khắt nghiệt, hoặc có thể dùng trong các bộ phận đo nhiệt nhớt máy nén,… Do đó, cặp nhiệt điện này được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật liệu…
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R, S, T, B…) đó là vì mỗi loại cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau, từ đó suất điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác nhau. Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu của mình.
27
Hình 2.3 : Hình ảnh các cảm biến cặp nhiệt điện
Cảm biến nhiệt điện trở (RTD):
Cấu tạo của RTD làm từ dây kim loại: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dạng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Cảm biến RTD có độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế, tuy nhiên dải đo nhỏ hơn cặp nhiệt điện, giá thành cũng cao hơn, dải đo từ – 200 đến 7000C.
Cảm biến RTD thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…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.Cảm biến RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất.
28
Hình 2.4 : Cảm biến RTD
Cảm biến điện trở oxit kim loại (PTC Thermistor & NTC Thermistor):
Các loại cảm biến này có cấu tạo làm từ hổn hợp các oxit kim loại: mangan, nickel, cobalt,… Nguyên lý hoạt động là thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. Cảm biến có ưu điểm bền, chi phí thấp và dễ chế tạo, tuy nhiên dải tuyến tính hẹp. Nó thường được dùng làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử hoặc các ứng dụng trong nhiệt lạnh.
Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.
29 Cảm biến bán dẫn:
Cảm biến này có cấu tạo từ các loại chất bán dẫn. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự phân cực của các chất bán khi nhiệt độ thay đổi. Nó có các ưu điểm về tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản, tuy nhiên không chịu nhiệt độ cao, kém bền. Dải đo của cảm biến này từ -50 0C ~ 150oC. Được ứng dụng để đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: kiểu diod, các kiểu IC LM35, LM335, LM45,…
Hình 2.6 Cảm biến bán dẫn
Nhiệt kế bức xạ hay hỏa kế:
Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học. Nguyên lý đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt. Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo. Nhưng độ chính xác không cao, đắt tiền. Nhiệt kế này được ứng dụng làm các thiết bị đo cho lò nung, có dải đo: -97 ~ 1800 oC. Hỏa kế gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.
30
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, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và 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 bởi thông thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục vụ cho một chuyên ngành riêng.Và dưới dây là các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt và Bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến nhiệt dựa theo các ngành nghề khác nhau:
Bảng 2.1 : Lựa chọn cảm biến trong các ngành nghề
Ngàn Cảm biến thông dụng
Nghiên cứu về nông nghiệp Cảm biến điện tử, cảm biến loại T, cảm biến bán dẫn
Xe hơi Cảm biến đi n tử, PT100, cảm
biếnlưỡng kim loại Gia công vật liệu và các chất hóa học PT100, cặp nhiệt độ
Nhiệ lạnh Thermistor
Sản xuất hàng hóa Cảm biến bán dẫn, cảm biến điện tử, PT100
Công nghiệp cuhung, môi trường khắc nghiệt
PT100, cặp nhiệt điện, cảm biến bán dẫn
Sản xuất hàng hóa Cảm biến bán dẫn, cảm biến điện tử
Việc lựa chọn cũng có thể dựa trên những yêu cầu về các vấn đề sau: - Độ chính xác
- Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng - Giới hạn khoảng nhiệt cần đo - Giá thành
31
- Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường.
Đối với tủ lưu trữ máu và sinh phẩm Dometic, lựa chọn cảm biến cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Đảm bảo độ chính xác trong dải nhiệt độ yêu cầu (từ -500C đến 300C) - Cảm biến dạng dây dài để có thể đặt ở những vị trí cách xa mạch điều khiển - Đầu bọc cảm biến cần phải thẩm thấu nhiệt tốt và chịu được môi trường dung môi (do yêu cầu đặt đầu đo trong dung dịch có tính chất hóa lý tương tự như sinh phẩm)
Theo khảo sát, cảm biến sử dụng trong tủ lưu trữ sinh phẩm Dometic là cảm biến NTC, giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Đây là cảm biến thuộc dạng cảm biến Themistor. Nó khác với cảm biến RTD ở đặc điểm được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn hoặc oxit kim loại. Chính vì thế mà nếu như hàm truyền của cảm biến RTD luôn là một hàm đồng biến thì hàm truyền của NTC là một hàm nghịch biến, giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Ngoài ra, cảm biến NTC có dải nhiệt độ không rộng bằng các cảm biến RTD do giới hạn nhiệt của vật liệu chế tạo, đồng thời độ nhạy của cảm biến sẽ giảm bởi khi độ dốc của đường cong gần tới 0. Một số thông số cần quan tâm của cảm biến này như sau:
Hàm quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ:
(2.1)
R0: điện trở tại nhiệt độ 25 độ C (298K), với cảm biến sử dụng R0 = 10kΩ T0: 298 độ K, tương ứng với 25 độ C
Hằng số B0 được tính bởi công thức:
(2.2)
Với cảm biến sử dụng, B0 = 3934
Hằng số tiêu tán nhiệt C: đặc trưng cho lượng năng lượng cần thiết mà điện trở nhiệt tự tăng 1 độ C không do môi trường bên ngoài, được tính bằng công thức:
32