Các loại cảm biến đo nhiệt độ [5] - Các phương phá- 123docz.net

1.4. Các phương pháp đo các thông số trong môi trường nước

1.4.3. Các loại cảm biến đo nhiệt độ [5]

Một số loại cảm biến đo nhiệt độ thông dụng:

1.4.3.1. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Hình 10: Hình ảnh minh họa cho cặp nhiệt điện - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.

- Nguyên lý: Hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck. Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh của cặp nhiệt điện thì ở ngõ ra của cặp nhiệt sẽ xuất hiện sức điện động e phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ và phụ thuộc vào bản chất của vật liệu dùng chế tạo cảm biến [2].

Hình 11: Cấu tạo cặp nhiệt điện

Sức điện động e sinh ra ở 2 đầu cặp nhiệt đƣợc tính bởi công thức:

 1 2 .

eK T T  K T (5)

Trong đó: K đƣợc xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào bản chất kim loại cấu tạo cặp nhiệt, T là độ chênh lệch nhiệt độ.

- Ưu điểm: Bền, đo đƣợc nhiệt độ cao.

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số như nhiệt độ môi trường, độ nhạy không cao.

- Dải đo: -100 C÷1400 Co o

- Ứng dụng: Trong sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật liệu, lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,...

1.4.3.2. Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

Hình 12: Hình ảnh minh họa cho nhiệt điện trở kim loại

- Cấu tạo: Gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, nikel, platinum,…đƣợc quấn tùy theo hình dáng của đầu đo.

- Nguyên lý: 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 [2].

Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức sau:

 2 3

( ) 0 1

R T R ATBT CT (6)

Trong đó: T đo bằng oC, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R0 là điện trở của cảm biến ở 0oC, A, B, C là các hằng số và đƣợc xác định bằng cách đo điện trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước.

Ở nhiệt độ thấp, phương trình trên có dạng sau:

( ) 0(1 )

R T R T (7)

Với  là hệ số nhiệt của điện trở và phụ thuộc vào loại kim loại cấu tạo nên nhiệt điện trở.

- Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế.

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện - Dải đo: -200÷700 Co

- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

1.4.3.3. Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

Hình 13: Hình ảnh minh họa cho điện trở oxit kim loại - Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi [2].

Phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:

2 0

0 0

1 1

( ) T exp

R T R

T  T T 

    

      

 

     (8)

Trong đó: T đo bằng oC, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R0 là điện trở của cảm biến ở 0oC,  là hệ số nhiệt của điện trở.

- Ưu điểm: Bền, giá thành thấp, dễ chế tạo.

- Khuyết điểm: Tính chất phi tuyến, không đo đƣợc ở nhiệt độ cao.

- Dải đo: 50 150 C o

- Ứng dụng: Làm các mạch chức năng bảo vệ nhƣ mạch báo quá nhiệt, mạch bù nhiệt, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử...

1.4.3.4. Cảm biến nhiệt bán dẫn

Hình 14: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn

-Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn, đƣợc chế tạo gồm các tiếp giáp P-N kết hợp với các mạch đo rồi tích hợp thành các vi mạch.

-Nguyên lý: Cảm biến nhiệt bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên tắc hoạt động của tiếp giáp P-N [2].

Hình 15: Tiếp giáp P-N Phương trình của tiếp giáp P-N:

0 1

q VAK

ID I e 

   

 

và

0 0

ln D

I I V KT

q I

  

  

 

(9)

Trong đó: q là điện tích của 1 điện tử, K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ (K), I0 là dòng điện ngƣợc.

Với một tiếp giáp P-N cụ thể I0 là hằng số, khi một dòng điện không đổi ID chạy qua tiếp giáp P-N thì VAK phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của tiếp giáp.

Hình 16: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn Phương trình chuyển đổi của cảm biến sẽ có dạng sau:

0 . [ ] .(273 [o ])

V s T K s t C (10)

- Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.

- Dải đo: -50÷150 Co

- Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, nước, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.

- Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: kiểu diode, các kiểu IC LM35, LM335, LM45, DS18B20,...

1.4.3.5. Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

Hình 17: Hình ảnh minh họa cho nhiệt kế bức xạ - Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.

- Nguyên lý: Dựa trên định luật Stefan-Boltzmann: năng lƣợng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật [2].

ET4 (11)

Trong đó:  là hằng số Stefan-Boltzmann và  5.670373 10 Wm K 8 2 4 , T là nhiệt độ (K).

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo.

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, giá thành cao.

- Ứng dụng: Là thiết bị đo cho các lò nung.

- Dải đo: -97÷1800 Co

- Các loại nhiệt kế bức xạ: Nhiệt kế bức xạ toàn phần, nhiệt kế cường độ sáng, nhiệt kế màu sắc, nhiệt kế quang điện,...

Trong luận văn này, loại cảm biến đƣợc sử dụng để đo nhiệt độ trong môi trường nước là cảm biến nhiệt bán dẫn DS18B20.

1.4.3.6. Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 [6]

DS18B20 là IC cảm biến nhiệt độ, chỉ bao gồm 3 chân, đóng gói dạng TO- 92, 3 chân nhỏ gọn.

Cảm biến DS18B20 trả về giá trị nhiệt độ theo dạng số, có nghĩa là chúng ta không cần phải chuyển đổi ADC nhƣ cảm biến LM35 mà chỉ cần đọc giá trị mà

DS18B20 trả về rồi xuất ra LCD. Để đọc đƣợc giá trị nhiệt độ mà cảm biến trả về, chúng ta dùng vi điều khiển (VĐK: AVR Atmega 16) để giao tiếp với cảm biến theo chuẩn 1-dây (1-wire). Do sử dụng giao tiếp một dây nên chỉ cần có một chân data để truyền thông tin.

Hình 18: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trường nước

Hình 19: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20 Đặc điểm chính của DS18B20 nhƣ sau:[7]

- Lấy nhiệt độ theo giao thức 1 dây (1wire)

- Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải config 9,10,11,12 bit tùy theo mục đích sử dụng. Trong trường hợp không config thì nó tự động default ở chế độ 12 bit. Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750 ms cho mã hóa 12 bit

- Có thể đo nhiệt độ trong khoảng: -55÷125 Co . Với khoảng nhiệt độ là -10 85 C o thì độ chính xác là ±0.5 C,±0.25 C,±0.125 C,±0.0625 Co o o o theo số bít config.

- Có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép. Người dùng có thể lập trình chức năng này cho DS18B20. Bộ nhớ nhiệt độ cảnh báo không bị mất khi mất nguồn vì nó có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân đƣợc khắc bằng tia laze.

- Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, vì vậy ta có thể kiểm tra nhiệt độ với nhiều IC DS18B20 mà chỉ dùng 1 dây dẫn duy nhất để giao tiếp với các IC này.

Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18B20

- Sơ đồ khi sử dụng một cảm biến thể hiện nhƣ hình 20.

Hình 20: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và Vi xử lý

- Sơ đồ khi mắc nhiều cảm biến thể hiện nhƣ hình 21:

Hình 21: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20, Vi xử lý với các thiết bị 1-wire khác.