Cảm biến đo nhiệt độ

III. Cảm biến đo nhiệt độ
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Tổng quan
Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Nhiệt điện trở (RTD)
Themistor
IC đo nhiệt độ
Nhiệt kế hồng ngoại

Tuesday, July 3, 2018

1


1. Tổng quan
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo nhiệt
độ của đối tượng.
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)
Tuesday, July 3, 2018

2


1. Tổng quan
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
• Đo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại
được phát ra từ vật liệu

Tuesday, July 3, 2018

3


1. Tổng quan

Tuesday, July 3, 2018

4

2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Cấu tạo
Được làm bằng 2 vật liệu dẫn điện khác nhau (thường
là hợp kim) được hàn dính 1 đầu, đầu còn lại được
đưa đến thiết bị đo
Thermocouple có 2 mối nối: lạnh và nóng

Hoạt động
Thermocouple hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu
ứng Seebeck
Điện áp giữa 2 mối nối được gọi là điện áp Seebeck

Tuesday, July 3, 2018

5


2. Cặp nhiệt điện
Một số hình ảnh

Tuesday, July 3, 2018

6


2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Các loại cặp nhiệt điện
Type

Composition

Range

Good for

K

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

−200 °C to 1200 °C

Oxidizing or
neutral applications

E

Chromel / Constantan
(Cu-Ni alloy)

−200 °C to 900 °C

Oxidizing or inert
applications

J

Iron / Constantan

−40 °C to 750 °C

Vacuum, reducing,
or inert apps

N

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

−270 °C to 1300 °C

Oxidizing or
neutral applications

T

Copper / Constantan

−200 °C to 350 °C

Oxidizing, reducing
or inert apps

R

Platinum /Platinum with
13% Rhodium

0 °C to 1600 °C

S

Platinum /Platinum with
10% Rhodium

B

Platinum-Rhodium /
Pt-Rh

Tuesday, July 3, 2018

Not recommended
for

Cost

Sensitivity

Low

41 µV/°C

Low

68 µV/°C

Low

52 µV/°C

Low

39 µV/°C

Wet or humid
environments

Low

43 µV/°C

High temperatures

Shock or vibrating
equipment

High

10µV/°C

0 °C to 1600 °C

High temperatures

Shock or vibrating
equipment

High

10µV/°C

50 °C to 1800 °C

High temperatures

Shock or vibrating
equipment

High

10µV/°C

Use under 540ºC

Oxidizing or humid
environments

7


2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
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)
Tuesday, July 3, 2018

8


2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Đặc tính

Tuesday, July 3, 2018

9


2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Đặc tính

Tuesday, July 3, 2018

10


2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Các kiểu đầu dò của cặp nhiệt điện:
-Đơn giản nhất
- Nhỏ gọn, đáp

ứng nhanh
-Dùng đo nhiệt độ
chất khí

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

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

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

-Dùng đo nhiệt độ bề
mặt vật liệu

Tuesday, July 3, 2018

11


2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Thuận lợi
Cấu tạo đơn giản, chịu được va đập
Khoảng đo nhiệt độ rộng
Rẻ tiền
Đáp ứng nhanh
Đa dạng

Khó khăn

Phi tuyến
Ít ổn định
Điện áp thấp
Cần điểm tham chiếu
Tuesday, July 3, 2018

12


2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Ứng dụng
Dùng đo nhiệt độ trong các lò luyện gang, thép
Đo nhiệt độ khí thải

Tuesday, July 3, 2018

13


3. Nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors)
Cấu tạo:
Dây kim loại làm từ Đồng, Nikel, Platinum,…được
quấn tùy theo hình dáng của đầu đo.
Có 2 loại cơ bản: loại dây quấn và loại màn mỏng

Thông dụng nhất của RTD là loại Pt 100
Thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây
Tuesday, July 3, 2018

14

3. Nhiệt điện trở (RTD)
Nguyên lý:
Khi nhiệt độ tăng, điện trở hai đầu dây kim loại tăng

Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ

Tuesday, July 3, 2018

15


3. Nhiệt điện trở (RTD)
Cách đấu dây cho RTD
2 dây

3 dây
- Giảm sai số đo
- Các dây phải có cùng chiều dài và
vật liệu
- Dây nối có thể dài đến 600m

Tuesday, July 3, 2018

16


3. Nhiệt điện trở (RTD)
Cách đấu dây cho RTD

4 dây

- Độ chính xác và độ tin cậy tốt nhất
- Không có sai số hệ thống
- Bù hoàn toàn ảnh hưởng của sai số

Tuesday, July 3, 2018

17


3. Nhiệt điện trở (RTD)
Ứng dụng RTD
Máy lạnh, máy điều hòa
Chế biến thực phẩm
Bếp, lò nướng
Ngành dệt
Gia công vật liệu
Vi điện tử
Đo nhiệt độ khí, gas, chất lỏng

Tuesday, July 3, 2018

18


3. Nhiệt điện trở (RTD)
Ưu điểm của RTD
Tuyến tính trên khoảng rộng
Chính xác cao

Ổn định với nhiệt độ cao

Nhược điểm của RTD
Đáp ứng chậm hơn cặp nhiệt điện
Đắc tiền hơn cặp nhiệt điện
Ảnh hưởng bởi sốc và rung
Yêu cầu 3 dây hoặc 4 dây

Tuesday, July 3, 2018

19


4. Thermistors (Thermally sensitive resistor)
Cấu tạo:
Được làm bằng các ôxít kim loại: Niken, Mangan,
côban, … được phủ bởi nhựa hoặc thủy tinh

Phân loại:
Hệ số nhiệt âm - NTC ( Negative Temperature
Coefficient)
Hệ số nhiệt dương - PTC (Positive Temperature
Coefficient)

Ký hiệu:

Tuesday, July 3, 2018

20

4. Thermistors

NTC Thermistor

PTC Thermistor
Tuesday, July 3, 2018

21


4. Thermistors
Đặc tính

NTC Thermistor
Tuesday, July 3, 2018

PTC Thermistor
22


4. Thermistors
Ưu điểm
Đáp ứng nhanh
Điện trở thay đổi nhiều
Điện trở cao
• Loại bỏ vấn đề điện trở dây dẫn
Giá thành thấp hơn RTD
Chịu được rung và sốc

Khuyết điểm
Phi tuyến
Khoảng đo hẹp
Điện trở cao  Phát nóng chính bản thân
Ít ổn định hơn RTD
Tuesday, July 3, 2018

23


4. Thermistors
Ứng dụng
NTC
• Dùng để đo nhiệt độ, điều khiển nhiệt độ, bù nhiệt độ:
– Các đồ điện trong nhà: tủ lạnh, máy giặt, nồi cơm
điện, máy sấy tốc, …
– Trong điện tử công nghiệp: các bộ ổn định nhiệt
độ, các bộ bù nhiệt độ, …
– Trong viễn thông: dùng để đo và bù nhiệt độ cho
điện thoại di động
• Cảm biến mức chất lỏng
– Dựa vào sự khác nhau của hằng số tiêu tán nhiệt
độ trong nước và không khí hoặc hơi, …
Tuesday, July 3, 2018

24


4. Thermistors
Điều khiển

Đo nhiệt độ

Đo mức chất lỏng

Tuesday, July 3, 2018

25