Cảm biến nhiệt độ và ứng dụng cảm biến nhiệt độ

Cảm biến và ứng dụng
cảm biến nhiệt độ
TRẦN CHÁNH PHÁT
PHAN VIỆT TUẤN
NGUYỄN VĂN NGUYÊN
THÁI BÌNH MINH


TổNG quan
• Nhiệt độ là tính chất vật lý của vật chất
• Nhiệt độ chỉ có thể đo được bằng cách đo gián tiếp dựa
vào sự phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ
• Để đo nhiệt độ người ta thường sử dụng các cảm biến
nhiệt độ. Trong cảm biến nhiệt độ người ta dùng nhiều
loại các biến nhiệt độ khác nhau, mỗi loại có một
nguyên lý làm việc khác nhau nhưng điều tuân theo
một thang đo nhất định (Kelvin, Celius, Fahrenheit).


Yếu tố ảnh hưởng đến đo nhiệt độ
• Nhiệt độ môi trường cần đo
• Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến
Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ
chính xác đó là nhiệt độ môi trường cần đo và nhiệt độ cảm nhận của cảm
biến. Điều đó có nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu dò của
cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ
thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay
rẻ cũng do nguyên nhân này quyết định).


Nguyên tắc sử dụng cảm biến nhiệt độ

• Phải luôn đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa môi trường
cần đo với phần tử cảm biến.


TổNG quan
• Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho
tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc
thay đổi điện trở.
• Để lựa chọn cảm biến cho một ứng dụng cụ thể thì cần
xem xét: độ chính xác, khoảng đo, thời gian đáp ứng và
môi trường làm việc.
• Cảm biến nhiệt độ được phân thành 2 loại:
Cảm biến loại tiếp xúc
Cảm biến loại không tiếp xúc (đo bức xạ nhiệt)


Cảm biến loại tiếp xúc:
Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Nhiệt điện trở
• RTD
• Thermistor
IC đo nhiệt độ
Cảm biến loại không tiếp xúc
Nhiệt kế hồng ngoại
Hỏa kế v.v…



Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiện
tượng điện (hiệu ứng Seebeck): nếu hai dây dẫn có bản
chất hóa học khác nhau nối với nhau tại hai điểm tạo
thành một vòng dây kín và hai điểm đó có nhiệt độ khác
nhau thì sẽ xuất hiện một sức điện động và do đó hình
thành nên dòng điện trong vòng dây. Sức điện động đó
được gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiệu số của các
hàm số nhiệt độ của hai điểm nối. Mạch điện như vậy gọi
là cặp nhiệt điện hay cặp nhiệt ngẫu.


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Điểm được đốt nóng gọi là đầu
công tác, điểm còn lại gọi là
đầu tự do. Nếu giữ nhiệt độ của
điểm tự do là hằng số thì
Đây là biểu thức cơ sở cho phép đo nhiệt độ bằng phương
pháp cặp nhiệt điện. Theo phương pháp này, để đo nhiệt
độ (t1) sẽ dẫn tới việc đo sức điện động của cặp nhiệt điện
khi giữ cố định nhiệt độ ở đầu tự do của nó.


MỘt số hình ảnh


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Vật liệu: việc dùng vật liệu để chế tạo cặp nhiệt ngẫu cần
đảm bảo các yêu cầu sau:

• Quan hệ giữa nhiệt độ và sức điện động nhiệt điện là
một hàm đơn trị.
• Tính chất nhiệt không thay đổi.
• Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao.
• Dẫn nhiệt tốt.
• Có trị số sức điện động nhiệt điện lớn.


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Giới hạn nhiệt độ trên 0C
STT

Tên cặp nhiệt điện

1

Platin – platin Rôđi (90%Pt + 10%Rh)
Crommel (90%Ni + 10%Cr) – Alumel
(95%Ni + 5%Al)
Crommel – Copei (56%Cu + 44%Ni)
Đồng – Copei
Đồng – Constantan
Vonfram (5%Reni) – Vonfram (20%Reni)

2
3
4
5
6

Sức điện
động nhiệt
điện
với 1000C
(mV)

Đo lâu dài

Đo ngắn
hạn

1300

1750

0,64

900

1300

4,10

600
350
350
1800

800
500

500
2500

6,95
4,75
4,15
1,33


Type

Composition

Range

Good for

Not recommended
for

Cost

Sensitivity

K

Chromel (Ni-Cr alloy) /
Alumel (Ni-Al alloy)

−200 °C to 1200

°C

Oxidizing or
neutral
applications

Use under 540ºC

Low

41 µV/°C

E

Chromel / Constantan
(Cu-Ni alloy)

−200 °C to 900 °C

Oxidizing or inert
applications

Low

68 µV/°C

J

Iron / Constantan

−40 °C to 750 °C

Vacuum, reducing,
or inert apps

Low

52 µV/°C

N

Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy)
/ Nisil (Ni-Si alloy)

−270 °C to 1300
°C

Oxidizing or
neutral
applications

Low

39 µV/°C

T

Copper / Constantan

−200 °C to 350 °C

Oxidizing,
reducing or inert
apps

Wet or humid
environments

Low

43 µV/°C

R

Platinum /Platinum
with 13% Rhodium

0 °C to 1600 °C

High temperatures

Shock or vibrating
equipment

High

10µV/°C

S

Platinum /Platinum
with 10% Rhodium

0 °C to 1600 °C

High temperatures

Shock or vibrating
equipment

High

10µV/°C

B

Platinum-Rhodium /
Pt-Rh

50 °C to 1800 °C

High temperatures

Shock or vibrating
equipment

High

10µV/°C

Oxidizing or humid
environments


Công thức tính
Điện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện được cho bởi công thức
V = S * ΔT
Trong đó:
• V: Điện áp đo được (V)
• S: Hệ số Seebeck (V/0C)
• ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nối
Do đó, nhiệt độ cần đo được tính theo công thức
T= Ttham chiếu + V/S (°C)


Đặc tính


Đặc tính


Các kiểu đầu dò của cặp nhiệt điện:
- Đơn giản nhất
- Nhỏ gọn, đáp
ứng nhanh

- Đầu đo được đặt trong ống
kim loại (inox hoặc hợp
kim)

- Đầu đo được làm
bằng vật liệu dẻo, dễ
uốn

- Dùng đo nhiệt
độ chất khí

- Đo được nhiệt độ cao,
nhiều môi trường vật chất

- Dùng đo nhiệt độ bề
mặt vật liệu


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn
và đặt trong thiết bị bảo vệ tránh bị ăn mòn hóa học, thiết
bị này được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền cơ học,
không thấm khí. Các loại thiết bị này thường là các ống
được chế tạo bằng thép đặc biệt. Đối với cặp nhiệt điện
quý, ống chế tạo được bảo vệ bằng thạch anh và gốm. Để
cách điện người ta dùng amiang (3000C), ống thạch anh
(10000C) hoặc ống sứ (14000C).


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Nguyên nhân gây sai số:
Một cách gần đúng, phương trình biến đổi của cặp nhiệt
điện trong trường hợp chung có thể viết dưới dạng:
Trong đó:

ET: sức điện động nhiệt điện
t: hiệu nhiệt độ giữa đầu công tác và đầu tự do
A, B, C: các hằng số phụ thuộc vào vật liệu của dây
làm cặp nhiệt điện


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Độ nhạy của chuyển đổi:

Phương trình xác định độ nhạy của cơ cấu phụ thuộc vào
nhiệt độ, không phải là hằng số. Do vậy các cặp nhiệt
điện trong công nghiệp thường cho trước một bảng sức
điện động ứng với các chuyển đổi nhiệt độ khác nhau
trong khoảng 10C với nhiệt độ ở đầu tự do là 00C


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi: Khi khắc độ các cặp
nhiệt điện, đầu tự do được đặt trong môi trường có nhiệt
độ 00C, nhưng trong thực tế sử dụng, nhiệt độ đầu tự do
đặt trong môi trường khác 00C. Để khắc phục tình trạng
này, có thể sử dụng một số biện pháp như sau:
+ Hiệu chỉnh hệ số k trên từng đoạn của đường cong đặc
tính ET = f(t).
+ Dùng thiết bị hiệu chỉnh nhiệt độ tự động nhiệt độ đầu
tự do


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Sai số do sự thay đổi điện trở đường dây, cặp nhiệt và chỉ

thị
Cặp nhiệt điện thường được đo sức điện động bằng
milivonmet hoặc điện thế kế điện trở nhỏ điều chỉnh bằng
tay hoặc tự động với giới hạn đo đến 100mV. Khi đo sức
điện động bằng milivonmet, dòng điện chạy trong mạch
tính được bằng biểu thức:


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Điện áp rơi trên milivonmet:

Từ công thức trên, nhận thấy cần giữa cho RND và
Rd không thay đổi. Khi khắc độ thường được tính
(RND + Rd) = 5Ω. Nguyên nhân gây ra sai số chủ
yếu là do điện trở của milivonmet thay đổi, vì vậy
điện trở của nó chọn có trị số lớn 40 đến 50 lần điện
trở của cặp nhiệt điện để giảm sai số.


Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Sai số do các yếu tố khác: Các sai số của cặp nhiệt độ bị
ảnh hưởng bởi các yếu tố khác có thể kể đến như là đặt
cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng
hướng và diện tích tiếp xúc của cặp nhiệt điện với đối
tượng đo quá nhỏ, …