Slide về cảm biến nhiệt độ

Chào mừng cơ và các bạn đến với
bài thuyết trình của nhóm 7

1


TÌM HIỂU VỀ
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

2


Khái niệm về đo nhiệt độ

Nhiệt điện trở kim loại

NỘI
DUNG

Đo nhiệt độ bằng IC cảm biến nhiệt độ

Nhiệt điện trở NTC

Nhiệt điện trở NTC

Cặp nhiệt điện

Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc

3

1. Khái niệm về đo nhiệt độ.
1.1. Khái niệm đo nhiệt độ:

-

Nhiệt độ là đại lượng vật lý không thể đo trực tiếp, nhưng có thể xác định được thơng qua sự thay đổi của các đại lượng
phụ thuộc (điện trở, sự giãn nở,…).

4


 Một số công cụ đo nhiệt độ


1.2. Thang đo nhiệt độ.



Thang đo Kelvin:

-

Hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị là K.

-

Trong thang Kelvin người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15K (thường được sử dụng là 273K).

-

Từ thang Kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit
bằng cách chuyển dịch các giá trị nhiệt độ.

6


1.2. Thang đo nhiệt độ.
 

-

Thang Celsius: đơn vị nhiệt độ là °C . Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác
định theo biểu thức :
T (°C) = T (K) - 273,15

-

Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ là °F. Ta có chuyển đổi qua lại giữa °C và °F như sau :
T(°C) = [T(°F) – 32 ]
T (°F) = T(°C) + 32

7


1.2. Thang đo nhiệt độ.



Bảng thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau:

8


 Hình ảnh thang đo nhiệt độ

9


1.3. Các phương pháp đo nhiệt độ.
Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau như:

-

Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng
Doppler).

-

Phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không
đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.

-

Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của các điện trở vào nhiệt độ.

10


1.4. Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn.

Từ bề mặt của vật người ta khoan một lỗ nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L. Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong
chất rắn. Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện:

-

Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần đường kính của nó (L≥ 10r).

-

Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và
thành lỗ khoan. Khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật
liệu dẫn nhiệt tốt.

11


2. Nhiệt điện trở kim loại
2.1. Nhiệt điện trở Pt, Ni, Cu:



Nhiệt điện trở Platin:

-

Độ chính xác cao.

-

Khả năng lặp lại tốt.

-

Phạm vi tuyến tính của nhiệt độ rộng.

-

Thể hiện sự thay đổi điện trở lớn trên mỗi mức độ thay đổi nhiệt
độ.

12




Nhiệt điện trở Pt:

-

Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong cơng nghiệp.

-

Có hai tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở Platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu

 

-

Ở cả hai tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar - Van Dusen:

R(t) = R0 (1 + A.t + B. + C[t - 100°C]. )
R0 là trị số điện trở định mức ở 0°C

13




Nhiệt điện trở Pt:

14




Nhiệt điện trở Pt:
Trong khoảng nhiệt độ trên 00 C nhiệt độ được tính theo sự thay đổi của điện trở Pt như sau:

Với

-

R: là điện trở đo được theo nhiệt độ (Ω).
t: Nhiệt độ đo được (0C).
R0, A, B : Thông số theo tiêu chuẩn DIN IEC 751.

15




Nhiệt điện trở Pt:
Tiêu chuẩn IEC751 chỉ định nghĩa hai “đẳng cấp” dung sai A, B. Trên thực tế xuất hiện thêm loại C và D (xem bảng phía dưới).
Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác.

Đẳng cấp dung sai

Dung sai (°C)

A

t =± (0.15 + 0.002.| t |)

B

t = ± (0.30 + 0.005. | t |)

C

t =± (0.40 + 0.009. | t |)

D

t = ± (0.60 + 0.0018. | t |

Đẳng cấp A có giá trị cho nhiệt độ từ -200 đến 650°C và cho các cảm biến đo nhiệt độ dùng 3 hay 4 dây. Đẳng cấp B có giá trị
cho tồn thang đo từ -200 đến 850°C. Đẳng cấp C và D dành cho nhu cầu đo đạc khơng cần chính xác cao.

16



Nhiệt điện trở Nikel:
Nhiệt điện trở Ni so với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn hơn (lớn gần gấp 2 lần so với Pt, α =
6,18.10-3 0C -1 ), được chế tạo theo tiêu chuẩn DIN 43760.
Nhiệt điện trở Ni cho dải đo từ - 60oC đến 250oC (vì trên 350oC Ni có sự thay đổi pha). Quan hệ giữa
nhiệt điện trở và môi trường đo:
R(t) = R0.(1+ A.t + B.t2 + C.t4 + D.t6 )

 

Trong đó: - A = 0,5845. °

-

B = 0,665 . °
C = 2,805. °
D = 2,111. °
17




Nhiệt điện trở Nikel:

Ni - 100 có dung sai khơng lớn do đó lúc nào ta cũng có thể thay
thế cái khác có cùng cấp dung sai mà máy đo không cần chuẩn
định lại. Thực tế cảm biến Ni-100 thường dùng trong cơng nghiệp
điều hồ nhiệt độ phịng.

Cảm biến nhiệt độ ZNI1000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị
1000Ω tại 0°C.

18




Nhiệt điện trở Đồng:



-

Tính bền nhiệt : Kém bền

-

Tính ổn định: thấp

-

Độ tuyến tính: cao

-

o
Nhiệt độ làm việc ( C): < 180

Thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp ít quan trọng.

19


2.2. Cách mắc dây đo:

-

Điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ, với một dịng điện khơng đổi qua nhiệt điện trở ta có thể đo được U=R.I như
vậy khi R thay đổi đẫn tới U thay đổi. Để cảm biến khơng bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ khoảng 1mA, với
Pt - 100 ở 100oC ta có U= 0,1V. Điện thế này cần được đưa tới máy đo với sai số thấp nhất.

-

Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu
phải khác màu.

20


2.2. Cách mắc dây đo:



Kỹ thuật nối 2 dây:

Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi hai dây. Bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở, điện
trở này nối nối tiếp với nhiệt điện trở. Với hai điện trở của hai dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một
điện thế cao hơn điện thế cần đo. Kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo. Nếu khoảng

cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài Ohm
21




Kỹ thuật nối 3 dây:

Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm (hình 5.6). Với cách nối dây này ta có hai mạch đo được hình
thành, một trong hai mạch được dùng làm mạch chuẩn. Với kỹ thuật 3 dây, sai số cho phép đo do điện trở
dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt độ khơng cịn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và
có cùng một nhiệt độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến.

22




Kỹ thuật nối 4 dây:

Hai dây được dùng để cho một dịng điện khơng đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện thế trên nhiệt
điện trở. Trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện trở dây đo, điện trở dây đo đó coi như khơng đáng kể.
Điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt.

23


 Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo:
Người ta vẫn có thể dùng hai dây đo mà không bị sai số cho phép đo với bộ biến đổi tín hiệu đo. Bộ biến đổi tín hiệu đo biến
đổi tín hiệu của cảm biến thành một dịng điện chuẩn, tuyến tính so với nhiệt độ có cường độ từ 4mA đế 20mA. Dịng điện

ni cho bộ biến đổi được tải qua hai dây đo với cường độ khoảng 4mA. Với kỹ thuật này tín hiệu được khuếch đại trước khi
truyền tải do đó khơng bị nhiễu nhiều.

24


3. Đo nhiệt độ bằng IC cảm biến nhiệt độ
3.1. Loại LM35:

-

IC loại LM35 có điện áp ngõ ra tỷ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang đo oC, điện áp ở ngõ ra là 10mV/oC và sai số không tuyến
tính là  1,8 mV cho tồn thang đo. Điện áp nguồn ni có thể thay đổi từ 4 V đến 30V.

-

LM35 được chế tạo cho 3 thang đo :
-55°C đến 150°C loại LM35 và LM35D.
-40°C đến 110°C loại LM35C và LM35CA.
0°C đến 100°C loại LM35DA.
25