chương 2 cảm biến nhiệt độ

Chương II:
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại
lượng vật lý khác chẳng hạn như điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối,
điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống
đô lường điều khiển nhiệt độ nào. Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết
được tín hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín
hiệu có thể đo lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất…
I.CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN:
1.Thông số cấu tạo: được quyết đònh do nhà sản xuất và phụ thuộc vào từng
loại cảm biến.
2.Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố sau:
♦ Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng khi
chưa bò bảo hòa . Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và
tính lý hóa của từng loại cảm biến qui đònh.


♦ đôä nhạy: được đònh nghóa:

df
s =
dx

df: sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến
dx : sự thay đổi đại lượng vật lý.
♦ Ngưỡng độ nhạy: là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được.
♦ Tính trễ: còn gọi là quán tính của cảm biến. Tính trễ của cảm biến tạo ra
sai số của phép đo. Tốc độ thay đổi cuả đại lượng đo phải phù hợp với
tính trễ của cảm biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính
của cảm biến lớn thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến đều có

tính trễ do ảnh hưởng của vỏ bảo vệ.
II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG:
1.Cặp nhiệt điện :

Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp.Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau:


• Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẩn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây
là T1-T2 thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt.
• Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thì
tại vò trí mối nối sẽ có sự hấp thụ hay tỏa nhiệt
• Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ , khi có sự chênh lệch nhiệt độ
tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ xuất hiện một suất điện động
• Đònh luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ sự
phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng
không.
• Nguyên tắc:
Nguyên tắc cấu tạo của cặp nhiệt điện dựa theo cơ sở thực nghiệm sau:
Khi nung nóng một dây kim loại hay một đoạn dây ,tại đó tập trung điện tử tự
do và có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung ít .
Có nghóa là đầu nóng (+)sang đầu nguội(-) (hiệu ứng seebeck). Ở đoạn dây
xuất hiện một suất điện động Thomson phụ thuộc vào bản chất của dây kim
loại.


Rỏ ràng ở đây nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất a ,nối với nhau qua
hai điểm T1 và T2 trong mạch sẽ xuất hiện hai suất điện động bằng nhau nhưng
ngược chiều nhau nên tổng suất điện động bằng không.
Nhưng nếu mạch kín trên được cấu tạo bởi hai dây kim loại khác nhau a

và b thì tổng suất điện động xuất hiện trong mạch này bằng suất điện động
Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T1,T2 ở hai đầu mối ghép của dây
dẫn .Ngoài ra trong mạch còn có suất điện động Seebeck ,điều này được giải
thích là do sự tập trung khác nhau của điện tử tự do ở hai đầu mối ghép . Mặt
khác ,do sự xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vực mối ghép bởi hai dây dẫn
không đồng chất . lý thuyết trên được thể hiện bằng công thức:

Eab(T1,T2)=Eab(T2)-Eab(T1)

Trong đó:

+ Eab(T1,T2) : tổng suất điện động trong mạch kín khi hai đầu mối ghép
có nhiệt độ T1,T2.


+Eab(T1) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có
nhiệt độ T1.
+Eab(T2) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có
nhiệt độ T2.
Công thức trên chính là cơ sở chế tạo cạêp nhiệt điện .Nếu để chuẩn một
đầu có nhiệt độ T1=0oC thì suất điện độngở hai đầu cặp nhiệt tại mối ghép khi
T2=T là:

E

O

= AT +

1

1
BT 2 + CT 3
2
2

A,B,C là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo. Như vậy suất điện
động E0 là hàm phi tuyến đối với nhiệt độ .Nói cách khác độ nhạy của cặp nhiệt
thay đổi trong từng khoảng đo.Hoặc về mặt toán học hàm Eo được xem là tuyến
tính với nhiệt độ khi B,C≤ A.
Tóm lại: suất điện động được xem là tuyến tính với nhiệt độ trong khoảng
làm việc nào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim loại để làm cặp nhiệt.
• Cấu tạo :


T1

b

a

b

T2

Eab(T1,T2)
BỘ HIỂN THỊ

Cặp nhiệt điện được chế tạo bằng hai sợi kim loại khác nhau ,và có ít
nhất là hai mối nối.Một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra đầu còn lại
tiếp xúc với đối tượng đo.

Cặp nhiệt điện có cực dương và cực âm,cực dương thường đánh dấu màu
đỏ
Tùy theo vật liệu chế tạo ,cặp nhiệt điện được phân thành các loại sau:

E(mV)

E: Chromel/constantan
J: Sắt/constantan
T: Đồng/constantan
K: Chromel/Alumel
R: Platin-Rodi(13%)/Platin
S: Platin-Rodi(10%)/Platin
B: Platin-Rodi(30%)/Platin-Rodi(6%)

E

70

J

60

K

50
40
30

R
T

20

B

10

T
K
J
E

S

200 600 1000 1400 1800

T (0C)

• Vật liệu cấu tạo
Về nguyên tắc ,khi đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ đều phát
sinh một suất điện động nhiệt .Nhưng không phải tất cả các kim loại và hợp kim


nào cũng đều dùng làm cặp nhiệt được.Vật liệu làm cặp nhiệt điện đòi hỏi một
số yêu cầu sau:
+

độ tinh khiết cao

+

tính chống ăn mòn tốt

+

độ nóng chảy cao hơn nhiệt môi trường cần đo

+

một số tính chủ yếu như dẫn điện ,dẫn nhiệt tốt

+

tính lặp lại trong khoảng một thời gian dài
Ngoài ra độ chính xác của cặp nhiệt điện còn phụ thuộc vào độ chính xác

chế tạo và lý tính của môi trường đo.
• Cách sử dụng:
Để cặp nhiệt độ có thể làm việc tốt và lâu bền ,khi sử dụng cần lưu ý:
+ Cặp nhiệt điện cần có vỏ bảo vệ để chống tác động xâm thực của môi
trường yêu cầu đối với vỏ bọc là cách điện nhưng không cách nhiệt.
+ Phải đặt cặp nhiệt ở nơi thích hợp vì thường là nhiệt không phân bố đều.
+ Vò trí lắp đặt phải tránh chổ có từ trường ,điện trường mạnh.
+Để cặp nhiệt thẳng đứng đề phòng ống bảo vệ bò biến dạng do nhiệt cao.
+Nên lắp đặt dây bù vào ống sắt nối đất để tránh nhiễu .
2.Nhiệt kế điện trở:


Nguyên lý làm việc của nhiệt kế là dựa vào sự thay đổi điện trở theo
nhiệt độ của các vật liệu dẫn điện.

2.1.Nhiệt điện trở kim loại:
• Cấu tạo:
Vật liệu cấu tạo điện trở kim loại đòi hỏi các yêu cầu sau:
+ Hệ số nhiệt lớn
+ Điện trở suất lớn
+ Tính ổn đònh lý hóa tốt
+ Tính thuần khiết
• Độ nhạy:
Độ nhạy S của nhiệt điện trở kim loại có dạng sau:
∆R
S=

= αRo

∆Tỷ suất
α : là hệ số nhiệt điện trở.
Ro: là điện trở ở 0oC.
• Hệ số nhiệt điện trở:
Hệ số nhiệt điện trở của kim loại sẽ tính như sau:


1dR
α ≈
RdT
Hệ số nhiệt α phụ thuộc vào tính đồng nhất của kim loại .
2.2.Nhiệt điện trở bán dẫn:
Thay đổi nhiệt độ được chế tạo bằng chất bán dẫn thường gọi là
Thermistor
Thành phần chính của thermistor là bột của các oxyt kim loại như Máy
nghiền bi,Fe,Ni…,hoặc các hổn hợp tinh chế như MgAl2O4 ,Zn2TiO4 …

• Phân loại:
Nhiệt điện trở bán dẫn được chia thàn hai loại :


Nhiệt điện trở Pct :là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương ,nghóa là nhiệt
độ tăng thì R giảm.



Nhiệt điện trở Nct: thành phần chính là bột kim loại như: MnAl 2O4 và
Zn2TiO4 .Độ tin cậy của nhiệt điện trở bán dẫn phụ thuộc vào độ tinh khiết
của vật liệ chế tạo .Nct thường có hình dạng như:dạng hạt ,dạng dóa ,dạng
khoen.
• Hệ số thu nhiệt độ:


Thermistor sẽ bò đốt nóng khi khi nhiệt độ môi trường xung quanh tăng từ
nhiệt độ T0 đến T ,như vậy là nhiệt điện trở đã tiêu thụ được một công suất
theo công thức như sau:
W= C(T-T0)
C : là hệ số thu nhiệt của điện trở :là năng lượng cần thiết để làm tăng
nhiệt độ của Thermistor lên 1 oC so với nhiệt độ xung quanh,có đơn vò là
wm/oC .
• Cách sử dụng:
Khi sử dụng nhiệt kế không nên dùng nhiệt điện trở ở nhiệt độ quá cao
hay qúa thấp làm cơ cấu tinh thể kim loại thay đổi ,cũng không nên để nơi quá
ẩm sẽ tạo điều kiện cho điện trở rỉ không kiểm soát được .Không nên đặt điện
trở kim loại nơi có chấn động rung hay va đập .
• Các ưu điểm: có độ chính xác cao,có thể kết nối với máy tính…
3.IC cảm biến nhiệt độ:

Đây là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi thành điện ,cho
phép đo được ở dạng biến áp hay dòng.
Một số loại IC cảm biến thông dụng:LX5700, LX135, LM235, LM335,
AD590, LM134,…