Caûm bieán nhieät ñoä

Chöông 2 : Caùc thieát bò cô baûn trong heä thoáng töï ñoäng

2.1 Caûm bieán

2.1.4 Caûm bieán nhieät ñoä

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Dụng cụ đo nhiệt đơn giản nhất là nhiệt kế sử dụng hiện tượng giãn nở nhiệt, nhưng để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau như các nhiệt điện trở; nhiệt ngẫu; phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ do dao động nhiệt…

Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ. Tính chất đó là khi nhiệt độ tác dụng vào vật liệu thay đổi thì độ dẫn điện của vật liệu hay điện trở của chúng thay đổi theo.

Vì điện trở của vật liệu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, do vậy được dùng để làm các cảm biến đo nhiệt hoặc di chuyển.

Có ba loại cảm biến sử dụng tính chất này, đó là:

- Điện trở kim loại : được chế tạo chủ yếu bằng kim loại tinh khiết như: Platin, đồng, kẽm, niken, vonfram ...

- Nhiệt điện trở : được chế tạo từ hỗn hợp ôxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.

Hình 2.22 Cảm biến áp điện

a) b) Ban quy en © Tr u ong DH Su pham K y t huat TP. HCM

- Đo nhiệt độ bằng diot và tranzito.

1- Cảm biến điện trở kim loại

Quan hệ giữa điện trở kim loại và nhiệt độ không phải là tuyến tính. Đối với Platin quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ t trong giới hạn từ 0  6600C được biểu diễn bằng biểu thức.

Rt = R0 ( 1+ At + Bt2 ) Trong đó:

R0 : điện trở ở 00C

Đối với Platin tinh khiết thì : A= 3,940.10-3 (1/độ) ; B= -5,8.10 -7(1/độ)

Trong khoảng từ 0 đến -1900C, quan hệ giữa điện trở Platin và nhiệt độ có dạng: Rt = R0 [ 1 + At + Bt2 + C ( t - 100 ) 3 ]

Trong đó:

C = -4.10-12 (1/độ)

Điện trở Platin thường dùng ở giới hạn (-200  + 6500C).

Đối với đồng, quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ có dạng bậc nhất: Rt = Ro [ 1 + o ( t - to) ]

Trong đó: Ro -điện trở ở nhiệt độ thường t0

o - hệ số nhiệt độ đối với khoảng nhiệt độ bắt đầu t0 (o thường là dương )

Điện trở đồng thường dùng ở giới hạn (-50o  +180o C), ở nhiệt độ cao hơn đồng bị oxy hóa.

2- Cảm biến nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp ôxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4., và được nung ở nhiệt độ cao. Khi nung, oxyt liên kết thành khối chắc, hình thành những liên kết hóa học. Đặc tính quan trọng của loại này là có độ nhạy nhiệt rất cao, gấp hàng chục lần độ nhạy của điện trở kim loại.

Hình 2.23 Cấu tạo của cảm biến điện trở kim loại Ban quy en © Tr u ong DH Su pham K y t huat TP. HCM

Trị số điện trở Rt của bán dẫn được đặc trưng bằng quan hệ: R = A.eT BT

Trong đó:

A: hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán dẫn và hình dạng của nhiệt điện trở.

B: hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán dẫn.

T: nhiệt độ của nhiệt điện trở, tính theo nhiệt độ tuyệt đối.

e: cơ số của logarit tự nhiên.

Hệ số nhiệt độ  của nhiệt điện trở bán dẫn là âm, có trị số từ -2,5 đến -4%/độ, lớn hơn hệ số nhiệt độ của kim loại từ 610 lần và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ:

 = - TB2

Vì độ nhạy nhiệt cao nên nhiệt điện trở được dùng để phát hiện những biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (10-4 – 10-3 độK).

3- Đo nhiệt độ bằng điot và tranzito

Linh kiện điện tử nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có

thể sử dụng một số linh kiện như điot hoặc tranzito mắc theo kiểu điot (nối B và C) phân cực thuận có dòng điện không đổi (hình 2-25). Khi đó điện áp giữa hai cực là hàm của nhiệt độ.

Độ nhạy nhiệt của điot hoặc tranzito mắc theo kiểu điot được xác định theo biểu thức:

dT dV S có độ nhạy khoảng –2,5 mV/ 0C.

Hình 2.24 Hình dáng cảm biến nhiệt

Để tăng độ tuyến tính và khả năng thay thế ta thường mắc theo sơ đồ hình 2-25c dùng một cặp tranzito mắc đối nhau với hai dòng I1 và I2 không đổi chạy qua và đo điện áp B-E, bằng cách này ta loại trừ được dòng điện ngược. Trong trường hợp này độ nhạy nhiệt được tính theo biểu thức:

dT V V d S ( 1 2) 

Độ nhạy nhiệt của các linh kiện này lớn hơn nhiều so với cặp nhiệt nhưng nhỏ hơn so với nhiệt điện trở. Dải nhiệt độ nằm trong khoảng T = -500C  1500C, lúc này bộ cảm biến có độ ổn định cao.

Ứng dụng của cảm biến nhiệt là để khống chế tự động nhiệt độ lò nung, lò sấy. Sau đây là ví dụ chuyển đổi sự thay đổi điện trở thành điện áp để ổn định nhiệt độ trong lò.

Trên hình 2-26, có một lò nhiệt được cung cấp nhiệt thông qua quạt thổi hơi nóng vào lò, quạt này thay đổi

tốc độ nhờ DC-MOTOR.

Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ điều chỉnh, vận tốc quạt phải giảm xuống. Khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ điều chỉnh, vận tốc quạt phải tăng lên. Việc tăng giảm vận tốc quạt nhờ hệ thống cảm biến 1, cầu điện 2, rơ le 3 và biến trở 4. Ngoài ra có thể ổn định nhiệt độ chính xác nhờ hệ thống vi xử lý (hình 2-27).

Hình 2.26 Sơ đồ ổn định nhiệt độ lò nung

3 4

Cảm biến nhiệt

Caùc loaïi caûm bieán khaùc

Caùc loaïi ñoäng cô ñieän