Kỹ thuật cảm biến Cảm biến nhiệt độ

Khái niệm về đo nhiệt độ

Nhiệt điện trở PTC

Nhiệt điện trở kim loại

Cặp nhiệt điện

IC đo nhiệt

Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc

Nhiệt điện trở NTC

Mạch ứng dụng


Nhiệt độ là đại
lượng vật lý
đặc trưng cho
trạng thái nhiệt
của vật chất

Ảnh hưởng rất
lớn đến nhiều
tính chất của
vật chất đo
nhiệt độ

Đóng vai trị

quan trọng
trong cơng
nghiệp và
nhiều lĩnh vực.


Thang đo

Kelvin (K)

Thành lập
Năm 1664, Robert Hook thiết lập điểm
không là điểm động của nước cất.
Năm 1852, Thomson (Kelvin) xác định
thang nhiệt độ.

Điểm nước
đá tan

Điểm nước
sôi

Quan hệ với thang khác

0K

100 K

-

Celsius (°C)

Do Andreas Celsius thành lập (năm
1742)

0 °C

100 °C

T(°C) = T(K) - 273.15

Fahrenheit (°F)

Do Fahrenheit thành lập (năm 1706)

32 °F

212 °F

T(°F) = 1.8*T(°C) + 32


Phương pháp đo

Đo tiếp xúc
- Cảm biến tiếp xúc với môi trường đo.

Đặc điểm

Đo không tiếp xúc

- Cảm biến không tiếp xúc với môi trường đo.

- Phép đo dựa trên giản nở của vật liệu, biến đổi trạng thái của - Phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt của môi trường đo vào
vật liệu, thay đổi điện trở, và hiệu ứng nhiệt điện.
nhiệt độ.
- Đo chính xác trong các trường hợp đo tiếp xúc.

- Không cần tiếp xúc trực tiếp với mơi trường đo.

- Thích hợp cho đo nhiệt độ trong lịng vật rắn.

- Thích hợp cho đo nhiệt độ trong các môi trường không thể tiếp xúc
trực tiếp.

- Độ tin cậy cao vì dựa trên hiện tượng vật lý của vật liệu.

- Độ chính xác và độ lặp lại tùy thuộc vào chất lượng cảm biến và quá
trình hiệu chuẩn.

Ưu điểm

- Độ ổn định và độ lặp lại tốt trong quá trình đo.
- Cần đảm bảo tiếp xúc tốt giữa cảm biến và môi trường đo.

- Có thể gặp sai số do ảnh hưởng của các yếu tố khác như bức xạ nhiệt
từ môi trường xung quanh.

- Khơng thích hợp cho các mơi trường đo khơng thể tiếp xúc
trực tiếp như chất lỏng hay khí.

- Cần cân nhắc và hiệu chỉnh sai số do ảnh hưởng của các yếu tố vật lý
khác như bức xạ từ môi trường xung quanh.

Nhược điểm


 Để đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ:
 Khoan một lỗ nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L.
 Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong chất rắn.
 Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện:
 Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần
đường kính của nó (L >= 10 r).
 Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm
khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. Khoảng cách
giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một
vật dẫn nhiệt tốt.


Nhiệt điện trở kim loại là một phương pháp đo nhiệt độ dựa
trên hiệu ứng nhiệt điện của các kim loại như Pt (platin), Ni
(nickel) và C (copper).
o Nhiệt điện trở Pt (platin): Pt là một kim loại có hiệu ứng
nhiệt điện ổn định và được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng đo nhiệt độ chính xác.
Sử dụng phương trình Callendar- Van Dusen :

𝑹(𝒕) = 𝑹𝟎 (𝟏 + 𝑨. 𝒕 + 𝑩. 𝒕𝟐 + 𝑪. 𝐭 − 𝟏𝟎𝟎℃. 𝒕𝟑 )

Trong thực tế người ta thường chế tạo các nhiệt điện trở: PT 100, PT 500, PT 1000

PT100 RTD thường được cấu tạo bằng cách quấn một dây
bạch kim mỏng xung quanh một lõi không dẫn điện giúp hỗ trợ
dây mỏng.
Toàn bộ cụm được bọc trong một vỏ bọc để bảo vệ cảm biến và
tạo độ ổn định cho cảm biến.


Loại nhiệt điện trở

Đặc điểm

Ưu điểm

Nhược điểm

 Hiệu ứng nhiệt điện ổn định.

 Độ chính xác cao và ổn định trong
q trình đo.

 Thích hợp cho các ứng dụng đo nhiệt độ chính xác và
độ tin cậy cao.

 Độ lặp lại tốt, cho phép đo nhiệt độ  Cần thời gian để ổn định nhiệt độ
được lặp đi lặp lại mà khơng có sai số
sau khi bị nung nóng hoặc làm
lớn.
lạnh.

 Độ phản ứng nhanh và độ ổn định tương đối.

 Chi phí thấp hơn so với Pt.

 Độ chính xác và độ lặp lại không
cao bằng Pt.

 Sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp với
yêu cầu đo nhiệt độ khơng q chính xác.

 Dễ dàng sử dụng và tích hợp vào hệ
thống đo nhiệt độ.

 Độ ổn định có thể bị ảnh hưởng
bởi tác động của mơi trường hoặc
q trình nung nóng và làm lạnh.

 Chi phí thấp và dễ dàng tạo thành cảm biến.

 Độ ổn định kém hơn so với Pt và
Ni, có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố
 Đáp ứng nhanh với thay đổi nhiệt độ.
mơi trường và q trình nung nóng
và làm lạnh.

 Được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ khơng
u cầu độ chính xác cao.

 Phổ biến trong các ứng dụng công
nghiệp với yêu cầu đo nhiệt độ đơn

giản.

Pt (platin)

Ni (nickel)

C (copper)

 Địi hỏi chi phí cao hơn so với các
loại nhiệt điện trở khác.

 Độ chính xác thấp so với Pt và Ni.


 Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng hai dây dẫn điện để kết nối cảm biến và hệ thống đo.
 Điện trở của dây đo sẽ gây ra mất mát điện áp và có thể gây sai số trong kết quả đo.
 Phương pháp này thường được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản yêu cầu độ chính xác khơng cao
𝑅

𝐿
𝑅

𝑉
+
-

𝐿
𝑅

𝑅

•Kỹ thuật này sử dụng ba dây dẫn điện để kết nối cảm biến và hệ thống đo.
•Một dây được sử dụng để đo điện áp từ cảm biến, hai dây còn lại được sử dụng để đo điện trở của dây đo.
•Phương pháp này giúp giảm mất mát điện áp và nâng cao độ chính xác của đo lường.
𝑅

𝐿
𝑅

𝑉

𝐿

+
-

𝐿
𝑅

𝑅


1. Kỹ thuật này sử dụng bốn dây dẫn điện để kết nối cảm biến và hệ thống đo.
2. Hai dây dẫn điện được sử dụng để đo điện trở của dây đo, hai dây khác được sử dụng để đo điện áp từ cảm biến.
3. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn mất mát điện áp trong dây đo và cung cấp kết quả đo chính xác nhất.

𝐿
𝐼
𝑉

𝐿
𝑅
𝐿
𝐿


Vi mạch
tích hợp
Mạch điện
tử được tích
hợp sẵn

Thermal
IC
Cung cấp
thơng tin về
nhiệt độ
Đo và kiểm
soát nhiệt
độ


Điện áp ngõ ra tỷ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang đo ℃
Điện áp ở ngõ ra là 10mV/℃ và sai số khơng tuyến tính là ± 1,8 mV
Điện áp nguồn ni có thể thay đổi từ 4V đến 30V

4-30VDC
LM35
GND

LM35

IN GND OUT

10mV/℃


Mỗi khi tăng 1℃ thì
điện áp LM35 tăng
10mV

9V in

IC1
7805

out 5V

gnd
+
R2
2.2K

9V DC

in

-

IC2
LM 35

+

C1
100uF

R4
220
Ohms

R1
10K

+

out

0,8V
gnd 80℃

2
3

-

7

IC3

CA3130

R6
220
Ohms

D1
Red

D2
Green

6

+ 4

R5
R3
10K

10K
Q2
BC107

C2
10uF
Q1
BC107

AD 22100 có hệ số nhiệt độ 22,5 mV/℃
𝑽𝒐𝒖𝒕 =

Điện áp
nguồn ni 4-30Vdc
𝑉

1

8

NC

Đầu ra 𝑉

2

7

NC

6

NC

5

NC

NC

3

GN

4

Nối vào 0V

AD 22100

No Connect

𝑽
× (𝟏. 𝟑𝟕𝟓𝑽 + 𝟐𝟐. 𝟓 𝒎𝑽/℃. 𝑻)
𝟓𝑽


IC cảm biến nhiệt DS18B20
Là một cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số phổ biến
được sản xuất bởi Maxim Integrated
(trước đây là - - Dallas Semiconductor)

1

Ground

DS18B20
Digital

2
4k7

3V-5.5V

Ứng dụng

• Kiểm sốt nhiệt độ,
• Giám sát mơi trường, tự động hóa nhà thơng minh
• Và nhiều ứng dụng khác

3

Cấu trúc cảm biến

Đặc điểm

• Chứa một cảm biến nhiệt độ và một giao tiếp số hóa tích hợp
trên cùng một chip IC
• Bao gồm một chất pha rắn (các lớp bán dẫn) được thiết kế để
thay đổi điện trở dựa trên nhiệt độ
•
•
•
•

Kết nối 1 dây (1-Wire)
Độ chính xác cao
Dải nhiệt độ rộng
Điện áp hoạt động thấp

𝑀𝑔𝐶𝑟 𝑂

Cấu tạo

𝑇𝑖𝑂

𝐹𝑒 𝑂

𝟏𝟎𝟎𝟎℃ ÷ 𝟏𝟒𝟎𝟎℃

NiO

CO

𝑁𝑖 𝑂




 Cặp nhiệt điện là một thiết bị được sử dụng để đo và ghi nhận
nhiệt độ thông qua hiệu ứng nhiệt điện.
 Hiệu ứng nhiệt điện là hiện tượng phát sinh điện thế khi hai vật
liệu khác nhau tiếp xúc và có nhiệt độ khác nhau.


CẤU TẠO

Cặp nhiệt điện bao gồm hai dây nhiệt điện khác nhau được kết

nối thành một cặp

Kim loại A
+
𝑉

Mỗi cặp nhiệt điện gồm hai dây: dây nhiệt điện và dây chống
nhiễu

Dây nhiệt điện tạo ra điều kiện để tạo ra hiệu ứng nhiệt điện,
trong khi dây chống nhiễu giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu từ
môi trường xung quanh

Kim loại B

A

B



Cặp nhiệt điện loại K

Cặp nhiệt điện loại J

Cặp nhiệt điện loại T

Cặp nhiệt điện loại E

• Sử dụng trong nhiều ứng

dụng cơng nghiệp, đo
nhiệt độ cao

• Phổ biến trong các ứng
dụng gia dụng và cơng
nghiệp, đo nhiệt độ trung
bình

• Thích hợp cho ứng dụng
đo nhiệt độ thấp, độ
chính xác cao

• Sử dụng trong mơi
trường có nhiệt độ cao và
chịu được ảnh hưởng của
môi trường ẩm ướt


Vịng điều chỉnh

Vật cần đo nhiệt độ

Kính mờ

Bóng đèn
Vịng điều chỉnh

Kính đỏ (bộ lọc)
Kính mắt (Ống nhịm)

Thấu kính (kính vật)

Biến trở

a

b

c

mA