Chương 10: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Các loại cảm biến nhiệt độ Sensor Electrical Parameter Cặp nhiệt điện (Thermocouples-TC) Voltage Điện trở kim loại (Resistance Temperature Detectors-RTD) Resistance Nhiệt điện trở (Thermistor) Resistance IC Voltage IR Thermal sensor Current Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius, Fahrenheit và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức : T(°C) = T(°K) - 273,15 Thang Fahrenheit : T(°C) =5/9 {T(°F) – 32} T(°F) =9/5 T(°C) + 32 1. Cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouples thermometer-TC) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động 0 T T Hiệu ứng Seebeck: 2 . .V a b T c T= + ∆ + ∆ 0 T T T∆ = − T : nhiệt độ đầu đo, 0 T : nhiệt độ đầu lạnh (tham chiếu) Quan hệ giữa V và T∆ (T) là phi tuyến, phụ thuộc nhiệt độ đầu lạnh. Tuyến tính hóa: .V T α = ∆ α : hệ số nhiệt, đơn vị: 0 /V C µ * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Kim loại B Kim loại A V Đồng Đồng Điện áp ngõ ra phụ thuộc vào nhiệt độ đầu đo và nhiệt độ tham chiếu (thường là nhiệt độ môi trường nơi đặt cảm biến), do đó mạch xử lý phải có phần bù nhiệt thường là IC cảm biến nhiệt. Các loại TC: Đặc tuyến: Ưu điểm • Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất, • Đơn giản, rẻ tiền, • Chịu được rung động, • Tầm đo nhiệt rộng. Khuyết điểm • Phi tuyến, • Kém ổn định nhất, chịu ảnh hưởng nối dây • Kém nhạy nhất.  VD bộ transmitter 2. Cảm biến điện trở kim loại (Resistance Temperature Devices-RTD) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Cấu tạo: platinum, nikel, đồng. Khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng và ngược lại. T> 0 0 C ( ) 2 0 1 . . T R R A T B T= + + T< 0 0 C : ( ) 2 3 0 1 . . ( 100) T R R A T B T C T T= + + + − Công thức tuyến tính: ( ) 0 1 . T R R T α = + T R : điện trở ở nhiệt độ T, 0 R : điện trở ở nhiệt độ 0 0 C . 0 R =100, 200, 500, 1000 Ω Loại nhiệt kế điện trở dùng Platinum có điện trở ở nhiệt độ 0 o C bằng 100 Ohms và được đặt tên là RTD-100 Platinum. Nhiệt kế điện trở này có công thức tính điện trở như sau: Giá trị hằng số thường lấy bằng 0.00385 và được coi là không đổi trong thang nhiệt độ 0-100 độ. * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Thông dụng nhất là Pt. Các loại RTD: Đặc tuyến: Ưu điểm • Ổn định nhất. • Chính xác nhất. • Tuyến tính hơn thermocouple. Khuyết điểm • Đắt tiền. • Cần phải cung cấp nguồn dòng. • Lượng thay đổi ∆R nhỏ (độ nhạy nhỏ), kích thước lớn  Thực tế RTD có 3 loại  Loại 2 dây: sai số lớn nhất Sai số do điện trở dây dẫn 2. L R , ( ) 0 . 2. EX L T V I R R = +  Loại 3 dây (dùng phổ biến) Sai số do điện trở dây dẫn chỉ còn L R , ( ) 0 . EX L T V I R R = + Nếu dùng cầu: Sai số do điện trở dây dẫn sẽ bị loại bỏ nếu 1 3L L R R = (2 dây giống nhau), 3 3 2 1 1 0 3 3 2 1 1 1 1 L T L L T L R R R R R R V V R R R R R R + − + =    + + +  ÷ ÷ +     Loại 4 dây Sai số do điện trở dây dẫn sẽ bị loại bỏ, 0 . EX T V I R = Mạch đo: Để sử dụng RTD làm dụng cụ đo nhiệt độ người ta thường dùng một mạch cầu Wheatstone để kết nối với RTD. Có một số cách kết nối như sau: Kết nối 2 dây: Kết nối 3 dây: Kết nối 4 dây: Mạch khuếch đại: Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo dùng op-amp )1( IN F inout R R VV += Mạch chuyển đổi điện áp sang dòng 3. Cảm biến nhiệt điện trở (Thermistor thermometer) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Thermistor được chế tạo từ hỗn hợp các oxit kim loại Mangan, Nickel, Cobalt … Có 2 loại: • Hệ số nhiệt âm - điện trở giảm theo nhiệt độ (NTC), thông dụng nhất 0 1 1 0 . T T T R R e β   −  ÷   = T R , 0 R : điện trở ở nhiệt độ T và 0 T • Hệ số nhiệt dương - điện trở tăng theo nhiệt độ (PTC) * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Themistor thường dùng đo nhiệt độ trong khoảng 50-150 0 C So sánh đặc tuyến RTD và Thermistor Ưu điểm • Kích thước nhỏ, • Đáp ứng nhanh, • Điện trở lớn nên không bị ảnh hưởng nối dây Khuyết điểm • Phi tuyến. • Giới hạn tầm đo nhiệt. • Không có chuẩn thông số điện trở VD: mạch đo thermistor  Ngoài ra còn có các phương pháp đo nhiệt độ khác như:  Đo nhiệt độ bằng hồng ngoại (Infrared thermometer)  Đo nhiệt độ bằng IC bán dẫn (Semiconductor Junction Thermometers): LM35, AD 590, DS1620, …  Pyroelectric Thermometers  Fiber-Optic Thermometers  Liquid-in-Glass Thermometers  Manometric Thermometers Giới thiệu các bộ điều khiển nhiệt độ . Chương 10: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Các loại cảm biến nhiệt độ Sensor Electrical Parameter Cặp nhiệt điện (Thermocouples-TC) Voltage Điện trở kim loại (Resistance Temperature Detectors-RTD) Resistance Nhiệt. thuộc vào nhiệt độ đầu đo và nhiệt độ tham chiếu (thường là nhiệt độ môi trường nơi đặt cảm biến) , do đó mạch xử lý phải có phần bù nhiệt thường là IC cảm biến nhiệt. Các loại TC: Đặc tuyến: Ưu. giữa nhiệt độ Celsius, Fahrenheit và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức : T(°C) = T(°K) - 273,15 Thang Fahrenheit : T(°C) =5/9 {T(°F) – 32} T(°F) =9/5 T(°C) + 32 1. Cảm biến cặp nhiệt