Nhiệt ñộ từ môi trường sẽ ñược cảm biến hấp thu, tại ñây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến ñại lượng nhiệt này thành một ñại lượng ñiện nào ñó. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng ñó là “ nhiệt ñộ môi trường cần ño” và “nhiệt ñộ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể ñiều này là: Các loại cảm biến mà các bạn trông thấy nó ñều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do ñó việc ño có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào ñến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết ñịnh giá cảm biến nhiệt ).
Phương án 1: Cặp nhiệt ñiện (Thermocouples)
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một ñầu. Nguyên lý: Nhiệt ñộ thay ñổi cho ra sức ñiện ñộng thay ñổi ( mV). Ưu ñiểm: Bền, ño nhiệt ñộ cao.
Khuyết ñiểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. ðộ nhạy không cao. Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, ño nhiệt nhớt máy nén,… Tầm ño: -100 D.C <1400 D.C
Hình 4.1 Cấu tạo của Thermocouples
Gồm 2 dây kim loại khác nhau ñược hàn dính 1 ñầu gọi là ñầu nóng ( hay ñầu ño), hai ñầu còn lại gọi là ñầu lạnh ( hay là ñầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa ñầu nóng và ñầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức ñiện ñộng V tại ñầu lạnh. Một vấn ñề ñặt ra là phải ổn ñịnh và ño ñược nhiệt ñộ ở ñầu lạnh, ñiều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt ñộ, mỗi loại cho ra 1 sức ñiện
ñộng khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý ñiều này ñể chọn ñầu dò và bộ ñiều khiển cho thích hợp.
Dây của cặp nhiệt ñiện thì không dài ñể nối ñến bộ ñiều khiển, yếu tố dẫn ñến không chính xác là chổ này, ñể giải quyết ñiều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ ñiều khiển ).
Lưu ý khi sử dụng:
Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nên ñể thông thoáng ( ñừng cho cọng dây này dính vào môi trường ño ). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.
Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là ñiện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu ñể lắp ñặt vào bộ khuếch ñại cho ñúng.
Hình 4.2 cặp nhiệt ñiện
Phương án 2: Nhiệt ñiện trở (RTD – resitance temperature detector)
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một ñầu. Nguyên lý: Nhiệt ñộ thay ñổi cho ra sức ñiện ñộng thay ñổi ( mV). Ưu ñiểm: Bền, ño nhiệt ñộ cao.
Khuyết ñiểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. ðộ nhạy không cao. Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, ño nhiệt nhớt máy nén,… Tầm ño: -100 D.C <1400 D.C
Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: ðồng, Nikel, Platinum,…ñược quấn tùy theo hình dáng của ñầu ño. Khi nhiệt ñộ thay ñổi ñiện trở giữa hai ñầu dây kim loại này sẽ thay ñổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có ñộ tuyến tính trong một khoảng nhiệt ñộ nhất ñịnh. Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, ñược làm từ Platinum. Platinum có ñiện trở suất cao, chống oxy hóa, ñộ nhạy cao, dải nhiệt ño ñược dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. ðiện trở càng cao thì ñộ nhạy nhiệt càng cao.
RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.
Lưu ý khi sử dụng:
Loại RTD 4 dây giảm ñiện trở dây dẫn ñi 1/2, giúp hạn chế sai số.
Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple. Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu ) và có thể ño test bằng VOM ñược.
Vì là biến thiên ñiện trở nên không quan tâm ñến chiều ñấu dây.
Hình 4.4 Cảm biến dạng NTD
Phương án 3: Thermistor
Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… Nguyên lý: Thay ñổi ñiện trở khi nhiệt ñộ thay ñổi.
Ưu ñiểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. Khuyết ñiểm: Dãy tuyến tính hẹp.
Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây ñộng cơ, mạch ñiện tử.
Hình 4.5 Cấu tạo Thermistor
Thermistor ñược cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này ñược hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất ñịnh sau ñó ñược nén chặt và nung ở nhiệt ñộ cao. Và mức ñộ dẫn ñiện của hổn hợp này sẽ thay ñổi khi nhiệt ñộ thay ñổi. Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- ñiện trở tăng theo nhiệt ñộ; Hệ số nhiệt âm NTC – ñiện trở giảm theo nhiệt ñộ. Thường dùng nhất là loại NTC.
Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt ñộ nhất ñịnh 50-150D.C do vậy người ta ít dùng ñể dùng làm cảm biến ño nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục ñích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây ñộng cơ.
Lưu ý khi sử dụng:
Tùy vào nhiệt ñộ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( gọi nôm na là thường ñóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với ñồng hồ VOM.
Nên ép chặt vào bề mặt cần ño. Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.
Vì biến thiên ñiện trở nên không quan tâm chiều ñấu dây.
Phương án 4: Bán dẫn
Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ.
Ưu ñiểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, ñộ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý ñơn giản.
Khuyết ñiểm: Không chịu nhiệt ñộ cao, kém bền.
Thường dùng: ðo nhiệt ñộ không khí, dùng trong các thiết bị ño, bảo vệ các mạch ñiện tử.
Tầm ño: -50 <150 D.C.
Hình 4.7 Cấu tạo của cảm biến bán dẫn
Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến ñược chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức ñộ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt ñộ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn ñã cho ra ñời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu ñiểm: ðộ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt ñộng ổn ñịnh, mạch ñiện xử lý ñơn giản, rẽ tiền,….
Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt ñộ thay
ñổi sẽ cho ra ñiện áp thay ñổi. ðiện áp này ñược phân áp từ một ñiện áp chuẩn có trong mạch.
Hình 4. 8
IC cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến nhiệt dạng Diode
Gần ñây có cho ra ñời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”.
Hình 4.9 IC cảm biến nhiệt DS18B20
Lưu ý khi sử dụng:
Vì ñược chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt ñộ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.
Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào ñó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm ñến tầm ño của loại cảm biến này ñể ñạt ñược sự chính xác.
Loại cảm biến này kém chịu ñựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.
Phương án 4: Nhiện bức xạ
Cấu tạo: Làm từ mạch ñiện tử, quang học.
Nguyên lý: ðo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
Ưu ñiểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường ño.
Khuyết ñiểm: ðộ chính xác không cao, ñắt tiền. Thường dùng: Làm các thiết bị ño cho lò nung.
Tầm ño: -54 <1000 D.F.
Hình 4.10 cảm biến nhiệt bức xạ
Nhiệt kế bức xạ ( hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng ñể ño nhiệt ñộ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc ñược ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó ñặt cảm biến).
Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường ñộ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt ñộng 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 ñịnh. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích ñể cho ra nhiệt ñộ của vật cần ño.
Lưu ý khi sử dụng:
Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm ño khác nhau, tuy nhiên ña số hỏa kế ño ở khoảng nhiệt ñộ cao. Và vì ñặc ñiểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần ño nên mức ñộ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh ( góc ñộ ño, rung tay, ánh sáng môi trường ).
4.3.2. CẢM BIẾN CHUYỂN ðỘNG – PIR 4.3.2.1. Khái niệm