CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ (Mới nhất)

KĨ THUẬT ĐO 2

1


Chương 2

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

2


I. Thang nhiệt độ
Thang Kelvin : oK. Trong thang Kelvin, người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng
thái nước, nước đá : 273,15 oK

Thang Celsius: oC. Một độ Celsius bằng 1 độ kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt
độ Kelvin được thể hiện:

T (oC) = T (oK) – 273,15.

Thang Fahrenheit: oF.

3


Điểm chuẩn nhiệt độ:
Nhiệt độ đo được chính là nhiệt độ của cảm biến và được ký hiệu là Tc.
Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt với mơi trường bên
ngịai.

Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường:
- Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.
- Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngịai.

Ví dụ: đo nhiệt độ trong lịng chất rắn : khoan 1 lỗ sâu L với bán kính r thì L ≥ 10.r và lỗ khoan
phải được lấp đầy bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt.

4


Phân loại cảm biến nhiệt độ
Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa đối tượng và cảm biến
- Cảm biến giản nỡ (nhiệt kế giản nỡ)
- Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở)
- Cặp nhiệt ngẫu

Cảm biến không tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh
sáng hồng ngoại, hoả kế

Cảm biến bị tác động của môi trường đo, gây ra sai số khi đo nhiệt độ. Yêu cầu: cực tiểu sai số
(thiết kế cảm biến thích hợp hoặc pp đo chính xác)

5


Ngun lý đo nhiệt
Có 2 pp xử lý tín hiệu nhiệt độ:
+ Cân bằng
+ Dự báo

PP cân bằng: nhiệt độ xác định hồn tồn khi khơng có sự sai lệch đáng kể giữa nhiệt độ bề
mặt đo và nhiệt độ cảm biến, tức là cân bằng nhiệt đạt đến giữa cảm biến và đối tượng đo

PP dự báo: cân bằng nhiệt không đạt đến trong thời gian đo, nhiệt độ được xác định thông qua
tốc độ thay đổi nhiệt của cảm biến

6


Các bộ phận của cảm biến nhiệt độ:

Phần tử cảm nhận: vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ
Đầu kết nối: kết nối giữa phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngồi, có nhiệt dẫn suất và điện trở nhỏ
Vỏ bọc bảo vệ: phân cách phần tử cảm nhận với mơi trường, có nhiệt trở thấp và cách điện tốt, chịu ẩm
và chống ăn mòn tốt.

Các loại CB nhiệt:
RTD
Thermistor
Thermocouples
Bán dẫn
Hồng ngoại

7


II. Thermistor
Thermistor: điện trở nhạy với nhiệt được sử dụng để đo nhiệt độ.
Là hỗn hợp của các oxit kim loại được nén định dạng. Có thể có kích thước
rất nhỏ, một số trường hợp nhỏ hơn 1mm

Mơ hình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở:
k > 0: thermistor có hệ số nhiệt dương (PTC)
k < 0: thermistor có hệ số nhiệt âm (NTC)

∆T = k*∆R

8


Thermistor

9


Thermistor
Thermistor NTC được sử dụng ở 3 chế độ hoạt động khác nhau:
+ Chế độ điện áp – dòng điện
+ Chế độ dòng điện – thời gian
+ Chế độ điện trở - nhiệt độ

10


Thermistor:Chế độ điện áp – dòng điện
Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó, thiết bị hoạt động ở chế độ điện áp – dòng
điện. Ở chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của điều kiện mơi trường, ví dụ như
sự thay đổi của lưu lượng khí qua cảm biến

11

Thermistor: Chế độ dòng điện – thời gian
Đặc trưng dòng điện – thời gian của thermistor phụ thuộc vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và
nhiệt dung của phần tử. Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng. Nếu dịng
điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm

Đặc trưng này được sử dụng để làm chậm các ảnh hưởng của các gai áp cao

12


Thermistor: Chế độ điện trở – nhiệt độ
Ở chế độ điện trở - nhiệt độ, thermistor hoạt động ở điều kiện công suất zero, nghĩa là không
xảy ra sự tự đốt nóng

13


Thermistor: Chế độ điện trở – nhiệt độ
Đa thức bậc 3 xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của thermistor là phương trình Steinhart –
Hart

Mơ hình đơn giản:
T : nhiệt độ thermistor (oK)
RT : điện trở thermistor (Ω)
R0 : điện trở thermistor (Ω) tại T0
A0, A1, A3 : các hệ số được nhà sản xuất cấp
B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu

14

BT1/T2, ví dụ B25/85 = 3540K )


Thermistor: Mạch gia cơng tín hiệu
Dùng mạch cầu Wheatstone

15


Thermistor
Ưu điểm
Đáp ứng nhanh hơn hoặc bằng với thermocouples

 Không ảnh hưởng bởi q trình ăn mịn hoặc oxy hóa
 Ổn định
Nhược điểm:
 Giá thành cao
 Mạch điện tử giao tiếp phức tạp
 Chịu ảnh hưởng của bụi, khói, bức xạ môi trường,..

16


Thermistor: Ứng dụng
Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy sấy tóc,…
 Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh
hay hệ thống thắng,…

Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt độ khí thải hay lị đốt,…
Trong cơng nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây
đồng,…

Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động

17


III. RTD
RTD (Resistance Temperature Detector) là cảm biến nhiệt dựa vào hiện tượng điện trở kim
loại tăng khi nhiệt độ tăng

 Có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi nhiều theo nhiệt độ.
 Gần như tuyến tính trên một dải đo rộng (quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ gần tuyến tính).
 Cần cung cấp một dịng điện để tạo ra điện áp rơi trên cảm biến.

18


RTD

19


RTD
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của RTD được biểu diễn bằng phương trình đơn giản sau:

20

RTD
Để đo nhiệt độ có tầm đo lớn hay độ chính xác cao ta sử dụng phương trình Calendar Van –
Dusen như sau:

21


RTD
Có 3 pp nối dây được sử dụng

22


23


24


RTD
Ưu điểm
 Hoạt động ổn định
 Độ chính xác cao
 Có khả năng chống bụi, chống ăn mịn cao
Nhược điểm
 Giá thành cao
 Thời gian đáp ứng chậm
 Độ nhạy thấp khi nhiệt độ thay đổi ít
 Nhạy cảm với rung sốc

 Cần hiệu chỉnh nếu sử dụng ngoài tầm nhiệt độ định mức

25