Chuong 10: Cảm biến nhiệt độ pps

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