Cảm biến nhiệt độ nhóm 2 pdf

Cảm biến nhiệt độ
Nhóm 2 : Nguyễn Xuân Kham
Nguyễn Thành Đạt
Mai Ngọc Lệnh
Đinh Hữu Huy
Nội Dung :

Khái quát chung

Một số loại cảm biến nhiệt độ
•
Cảm biến nhiệt điện trở
•
Cảm biến cặp nhiệt ngẫu
•
Một số loại cảm biến khác

Cảm biến nhiệt độ ứng dụng trong thực tế
Khái quát chung :


Nhiệt độ là một trong những đại lượng quan trọng được quan tâm nhất vì nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chất
của vật chất

Nhiệt độ là một đại lượng gia tăng nên để đo được giá trị chính xác của nó là không hề đơn giản

Thang nhiệt độ gồm có :

Thang nhiệt động học tuyệt đối ( K )

Thang nhiệt độ Celsius (

0
C )

Thang nhiệt độ Fahienheit (
0
F )
Biểu thức quan hệ giữa các thang nhiệt độ

Khái quát chung :

Các phương pháp đo nhiệt độ
•
Phương pháp quang ( phân tích quang phổ )
•
Phương pháp cơ ( sử giãn nở của vật chất )
•
Phương pháp điện ( sự phụ thuộc của các đại lương điện vào nhiệt độ)
Các loại cảm biến nhiệt độ :
Cảm biến là gì ?
Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện


Cảm biến nhiệt điện trở

Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

Các loại cảm biến khác
Cảm biến nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở là điện trở thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ của nó :

R
T
= f(t
0
)
đo R
T
có thể suy ra nhiệt độ

Nhiệt điện trở được chia thành :
•
Nhiệt điện trở kim loại
•
Nhiệt điện trở bán dẫn
Đường đặc tính :
Nhiệt điện trở kim loại :

Sử dụng các kim loại nguyên chất (Pt; Cu; Ni) với hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt

Điện trở kim loại(RTD) theo nhiệt độ : R
T
=R
o
(1+at+bt
2
+ct
3
)


Với Pt : a= 3,940 . 10
-3
/
o
C
b= -5,8 . 10
-7
/
o
C
2

c=0 : t= 0 600
o
C

Với Cu (-50 200
o
C) : a= 4,27 . 10
-3
/
o
C
phạm vi sử dụng với độ chính xác không cao nên b,c không đáng kể .


Đặc tính đo :

Dải đo : để đo những nhiệt độ từ -50
o

C  600
o
C thường sử dụng nhiệt điện trở .
•
Pt – 100 (Platin 100Ω ở 0
o
C):từ -260
o
C 1400
o
C
•
Cu – 100 (Đồng 100Ω ở 0
o
C) : < 180
o
C
•
Ni – 100 (Nikel 100Ω ở 0
o
C) : -195
o
C  260
o
C

Độ nhạy cao:
Với Pt là 4.10
-4
/

o
C
Với Ni là 5.10
-3
/
o
C


Thời gian đáp ứng chậm

Độ thay đổi điện trở nhỏ.
Mạch đo
Rx=R+∆R : là điện trở của cảm biến.
R1=R3
R2=R4
Điện áp ngõ ra mạch đo:

Nhiệt điện trở bán dẫn (NTC- PTC) :

Thông thường được chế tạo từ các ôxit bán dẫn đa tinh thể : MgAl
2
O
4
,

Mn
2
O
3

,Fe
3
O
4
,Co
2
O
3
,ZntiO
4
,NiO, MgO.
Các bột oxit được trộn theo một tỉ lệ thích hợp sau đó được nén với định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000
o
C

Nhiệt điện trở bán dẫn :

Trong đó :
R
T
: điện trở tại nhiệt độ cần đo T [°K]

R
0
: điện trở tại nhiệt độ To[°K]

β :
hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở, khoảng từ 3000 ÷ 5000 tùy cách chế tạo.















−×=
0
0
11
exp
TT
RR
T
β
Đường đặc tính :
Đặc tính đo :

Nhiệt điện trở có kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từng điểm, đồng thời nhiệt dung nhỏ nên thời gian đáp ứng ngắn.

Dải nhiệt độ làm việc từ vài độ
o
C đến 300
o

C.

Sai số chủ yếu do sự thay đổi điện trở đường dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Do đó, người ta thường sử dụng phương
pháp bù điện trở dây khi sử dụng nguồn áp hay nguồn dòng.

Vì độ nhạy cao, nhiệt điện trở được ứng dụng để phát hiện biến thiên nhiệt độ rất nhỏ (khoảng 10
-4
10
-3
K).

Để đo nhiệt độ thấp, ta sử dụng các nhiệt điện trở có điện trở thấp ở 25
o
C (50  100Ω). Để đo nhiệt độ cao, cần phải sử
dụng những nhiệt điện trở có điện trở cao ở 25
o
C(100 ÷ 500Ω).
Phân loại

NTC:
•
NTC (Negative Temperature Conficient) là nhiệt điện trở
có hệ số nhiệt điện trở âm.
•
Cấu tạo: Fe2O3; Zn2TiO4; MgCr2O4 TiO2,…
•
Ứng dụng: Khi làm việc với dòng điện bé, NTC được
dùng làm thiết bị đo nhiệt độ.



PTC:
•
PTC (Positive Temperature Coefficent) là nhiệt điện trở
có hệ số nhiệt điện trở dương.
•
Cấu tạo: Ba2CO3, StO, TiO được ép và nungở nhiệt độ
cao.
•
Ứng dụng: Cảm biến có độ nhạy cao dùng đo nhiệt độ
trong cuộn stato.
Cảm biến cặp nhiệt ngẫu :

Nguyên lí : hiệu ứng Seebeck
Nếu hai dây dẫn khác nhau nối với nhau tại 2 điểm và 1 trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện 1 dòng
điện gây bởi sức điện động gọi là : sức điện động nhiệt điện được cho bởi công thức
E
T
=K
T
(t
n
-t
td
)
Trong đó : - K
T
là hệ số hiệu ứng nhiệt điện
- t
n
là nhiệt độ đầu nóng

- t
td
là nhiệt độ đầu tự do
Một số hiệu ứng khác : + Hiệu ứng Peltier
+ Hiệu ứng Thomson
Đường đặc tính :
Đặc tính đo :

Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng đo và tăng tốc độ đáp ứng .

Cặp nhiệt cung cấp suất điện động nên khi đo không có dòng điện
chạy qua, do đó không có hiệu ứng đốt nóng.

Mỗi loại cặp nhiệt có có dải nhiệt độ làm việc khác nhau từ -270
o
C
đến 2700
o
C , đây là ưu điểm so với nhiệt kế điện trở.

Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ:
•
Cặp nhiệt Fe/Constantan: S(0
o
C) = 52,9 µV/
o
C
S(700
o
C) = 63,8 µV/

o
C
•
Cặp nhiệt Pt – Rh (10%)/Pt: S(0
o
C) = 6,4 µV/
o
C
S(1400
o
C) = 11,93 µV/
o
C

Một số loại cặp nhiệt ngẫu
Phương pháp đo

Dùng milivon kế có điện trở suất lớn để giảm sụt áp.

Dùng phương pháp xung đối
để dòng điện chạy qua cặp
nhiệt bằng không
Cặp nhiệt ngẫu trong công nghiệp
Một số loại cảm biến khác

IC nhiệt điện trở bán dẫn
•
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 dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường.

•
Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
•
Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
•
Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
•
Tầm đo: -50 <150 D.C.
Một số loại IC cảm biến nhiệt
Một số loại cảm biến khác

NHIỆT KẾ BỨC XẠ
•
Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.
•
Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
•
Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc.
•
Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo.
•
Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
•
Thường dùng: Lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến.
•
Tầm đo: -54 <1000 D.F.
Một số loại cảm biến nhiệt khác

Cảm biến không tiếp xúc (sử dụng tia hông ngoại )
Dùng trong ngành y, dùng trong gia đình, đo nhiệt độ nhanh (s), chính xác. Rất dễ sử dụng, thao tác đơn giản.