1 KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG Chương 6: CẢM BIẾN NHIỆT Chương 6: CẢM BIẾN NHIỆT ðỘðỘ Biên soạn: ThS. Trần Văn Hùng 03-2012 3:00 PM3:00 PM 11 NỘI DUNG MÔN HỌCNỘI DUNG MÔN HỌC • KHÁI NIỆM CHUNG • CẢM BIẾN TIỆM CẬN • CẢM BIẾN QUANG • CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH • CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT • CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ 3:00 PM3:00 PM 22 NỘI DUNG CHƯƠNG 6NỘI DUNG CHƯƠNG 6 6.1 Khái niệm 6.2 ðặc tính cảm biến nhiệt ñộ 6.3 Nhiệt ñiện trở với Platin và Nickel 6.4 Cảm biến nhiệt ñộ với vật liệu bán dẫn silic 6.5 Kỹ thuật nối dây 6.6 Các phương pháp ño 6.7 Mạch ño 3:00 PM3:00 PM 33 6.1 KHÁI6.1 KHÁI NIỆMNIỆM 3:00 PM3:00 PM 44 2  Không giống với các đại lượng khác như: chiều dài , thời gian, Nhiệt độ là đại lượng vật lý không thể đo trực tiếp được, nhưng có thể xác đònh được thông qua sự thay đổi của các đại lượng phụ thuộc (điện trở, sự giãn nở).  Nhiệt độ còn có thể gọi là đại lượng “ảo”. Và việc nhân chia, cộng trừ giá trò của đại lượng nhiệt độ là không có ý nghóa. ðại lượng nhiệt độ 6.1 KHÁI6.1 KHÁI NIỆMNIỆM 3:00 PM3:00 PM 55 Các đại lượng nhiệt độ có thể xác định dựa vào:  Sự thay đổi trạng thái của chất lỏng. Sự thay đổi chiều dài (hay biến dạng) của vật thể.  Sự thay đổi điện trở của dây dẫn.  Sự thay đổi áp suất của chất khí (với điều kiện thể tích là const ).  Sự thay đổi màu sắc của bóng đèn dây tóc.  Dựa vào các hiệu ứng Thomson , FeeBeck, … ðại lượng nhiệt độ 6.1 KHÁI6.1 KHÁI NIỆMNIỆM 3:00 PM3:00 PM 66 6.2 ðẶC6.2 ðẶC TÍNH CẢM BIẾN NHIỆT ðỘTÍNH CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ 3:00 PM3:00 PM 77 • Thang đo nhiệt độ tuyệt đối. • Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(θ) = T chúng ta sẽ xác định T như là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ được viết như sau: Thang đo nhiệt độ )(F ) ( F 2 1 θ θ η = 2 1 T T 1−=η 6.2 ðẶC6.2 ðẶC TÍNH CẢM BIẾN NHIỆT ðỘTÍNH CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ 3:00 PM3:00 PM 88 3 • Thang Kelvin: là nhiệt độ của điểm cân bằng của 3 trạng thái: nước - nước đá - hơi một trị số bằng 273,15 0 K. • Thang Celsius: T( 0 C) = T( 0 K) – 273,15 • Thang Fahrenheit: thang nhiệt độ có điểm nước đá tan là 32 0 và sôi ở 212 0 { } 9 5 32)F(T)C(T 00 −= 32)C(T 5 9 )F(T 00 += Thang ño nhiệt ñộ 6.2 ðẶC6.2 ðẶC TÍNH CẢM BIẾN NHIỆT ðỘTÍNH CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ 3:00 PM3:00 PM 99 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ VỚI PLATIN ðIỆN TRỞ VỚI PLATIN VÀ NICKELVÀ NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1010 ðiện trở kim loại thay ñổi theo nhiệt ñộ  R(t) = R 0 (1 + A.t + B.t 2 + C.t 3 +…)  R 0 : ñiện trở ñược xác ñịnh ở một nhiệt ñộ nhất ñịnh.  t 2 , t 3 : các phần tử ñược chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu chính xác của phép ño.  A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt ñộ và ñiện trở một cách rõ ràng. 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1111 ðiện trở kim loại thay ñổi theo nhiệt ñộ Điện trở Sắt Đồng Than 0 200 400 600 800 Nhiệt độ 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1212 4 Nhiệt ñiện trở dây quấn Nhiệt ñiện trở màng mỏng Các loại cảm biến nhiệt ñiện trở kim loại 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1313 Ở nhiệt độ bình thường, các ion chỉ dao động nhiệt quanh các vị trí cân bằng của chúng, còn các electron thì có thể chuyển động tự do trong khoảng không gian giữa các ion bên trong vật thể kim loại. Các loại cảm biến nhiệt ñiện trở kim loại 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1414  Khi nhiệt độ càng cao ⇒ các ion dao động càng mạnh ⇒ sự mất trật tự càng tăng ⇒ vận tốc chuyển động nhiệt của electron tăng ⇒ khả năng va chạm giữa ion dương với electron càng lớn. Chính sự va chạm giữa electron với các ion dương nằm mất trật tự trong mạng tinh thể là nguyên nhân gây ra điện trở. → →→ → Vậy điện trở sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng. Các loại cảm biến nhiệt ñiện trở kim loại 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1515 + - - - + + + + + + Các loại cảm biến nhiệt ñiện trở kim loại E 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1616 5 Nhiệt ñiện trở Platin  Platin là vật liệu cho nhiệt ñiện trở ñược dùng rộng rãi trong công nghiệp.  Có 2 tiêu chuẩn ñối với nhiệt ñiện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức ñộ tinh khiết của vật liệu.  Ở cả 2 tiêu chuẩn ñều sử dụng phương trình Callendar - Van Dusen: R(t) = R 0 (1 + A.t + B.t 2 + C[t - 100 0 C].t 3 ) 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1717 Ứng dụng với nhiệt ñiện trở platin • ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp sự kết hợp lý tưởng với Pt1000, ta sẽ có dải ño nhiệt ñộ rộng • Các thông số thiết bị ADT70: • Sai số: 1 0 C • ðiện áp hoạt ñộng: 5V hoặc 5V • Nhiệt ñộ hoạt ñộng: -40 ñến 125 0 C (dạng 20-lead DIP, SO packages) 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1818 Sơ ñồ khối ADT70 Ứng dụng với nhiệt ñiện trở platin 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 1919 Mạch ño ADT70 sử dụng kỹ thuật 4 dây Ứng dụng với nhiệt ñiện trở platin 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 2020 6 Nhiệt ñiện trở Nickel  Nhiệt ñiện trở nickel so với platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt ñộ lớn gần hai lần (6,18.10 -3 0 C -1 ).  Tuy nhiên dải ño chỉ từ -60 0 C ñến +250 0 C, vì trên 350 0 C nickel có sự thay ñổi về pha.  Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công nghiệp ñiều hòa nhiệt ñộ phòng: R(t) = R 0 (1 + A.t +B.t 2 +D.t 4 +F.t 6 ) 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 2121 ZNI 1000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế Ứng dụng với nhiệt ñiện trở nickel 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 2222 • ZMR 500 là thiết bị ổn áp dương tính, ñược thiết kế cho những trường hợp dòng tĩnh ñặc biệt thấp, ñặc biệt lý tưởng cho những trường hợp ñòi hỏi mức năng lượng thấp. • Các thông số của thiết bị ZMR 500: V in = 7 25V V out = 5 V 70 50 out I A mA µ = ÷ Ứng dụng với nhiệt ñiện trở nickel 6.3 NHIỆT6.3 NHIỆT ðIỆN TRỞ PLATIN & NICKELðIỆN TRỞ PLATIN & NICKEL 3:00 PM3:00 PM 2323 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ VỚI VẬT CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ VỚI VẬT LIỆU BÁN DẪN SILICLIỆU BÁN DẪN SILIC 3:00 PM3:00 PM 2424 7 • Với cảm biến silic có ñặc ñiểm: tuyến tính, sự chính xác, phí tổn thấp, có thể ñược tích hợp trong 1 IC cùng với bộ phận khuếch ñại và các yêu cầu xử lí tín hiệu khác. • Hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức ñộ phức tạp cao hơn và chạy nhanh hơn. • Cảm biến silic với lợi ñiểm là sự nhỏ gọn của mạch ñiện tích hợp và dễ sử dụng. ðặc ñiểm 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00 PM3:00 PM 2525 Cấu tạo 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00 PM3:00 PM 2626 ðặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) • Sự ổn định: 450000h (khoảng 51 năm) • Sử dụng công nghệ silic: • Sự tuyến tính: ðặc tính 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00 PM3:00 PM 2727 Mạch ño nhiệt ñộ sử dụng KTY81-110. Mạch ứng dụng 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00 PM3:00 PM 2828 8 Mạch ño nhiệt ñộ sử dụng LM35 R 2 V 5V LM35 5V 12V 12V R 1 R 3 R 3 R 4 R 4 R 5 R 6 R 7 V ADJ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 10kΩ 10kΩ 8,2kΩ 1,8kΩ 2,2kΩ Mạch ứng dụng 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00 PM3:00 PM 2929 Vùng nhiệt độ cần sử dụng Độ chính xác Độ tuyến tính Độ lớn điện áp ra Tính tiện lợi và tính kinh tế 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00 PM3:00 PM 3030 6.5 KỸ6.5 KỸ THUẬT NỐI DÂYTHUẬT NỐI DÂY 3:00 PM3:00 PM 3131 Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối ñến cùng ñầu nhiệt ñiện trở phải có màu giống nhau (ñỏ hoặc trắng) và dây nối ñến 2 ñầu phải khác màu. Các kỹ thuật nối dây ño 6.5 6.5 KỸ THUẬT NỐI DÂYKỸ THUẬT NỐI DÂY 3:00 PM3:00 PM 3232 9 Kỹ thuật hai dây Kỹ thuật ba dây Kỹ thuật bốn dây Các kỹ thuật nối dây ño 6.5 6.5 KỸ THUẬT NỐI DÂYKỸ THUẬT NỐI DÂY 3:00 PM3:00 PM 3333 6.6 PHƯƠNG6.6 PHƯƠNG PHÁP ðOPHÁP ðO 3:00 PM3:00 PM 3434 •• Có hai phương pháp để đo nhiệt độ:Có hai phương pháp để đo nhiệt độ: –– Phương pháp trực tiếp:Phương pháp trực tiếp: Cặp nhiệt điện (Thermocouple)Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Nhiệt điện trở kim loại (RTD)Nhiệt điện trở kim loại (RTD) Nhiệt điện trở bán dẫn.Nhiệt điện trở bán dẫn. –– Đo nhiệt độ cách ly:Đo nhiệt độ cách ly: Phương pháp quang (Optical Pyrmeter)Phương pháp quang (Optical Pyrmeter) Phương pháp bức xạ điện tử (Photon Phương pháp bức xạ điện tử (Photon Detector)Detector) 6.6 6.6 PHƯƠNG PHÁP ðOPHƯƠNG PHÁP ðO 3:00 PM3:00 PM 3535 Khi nào ta chọn phương pháp ño trực tiếp?  Khi tầm nhiệt độ cần đo không quá cao  Thường dùng để đo các vật tĩnh (không di chuyển)  Vật cần đo không có yêu cầu cao về việc thay đổi cấu trúc, khi bị gây ảnh hưởng nhiều khi thực hiện phép đo.  Phương pháp đo không quá phức tạp dễ thực hiện.  Giá thành cho các linh kiện (như cảm biến, khối gia công,…) là không cao 6.6 6.6 PHƯƠNG PHÁP ðOPHƯƠNG PHÁP ðO 3:00 PM3:00 PM 3636 10 Tầm nhiệt ño trong phương pháp ño trực tiếp • Được sử dụng tầm đo từ: -190 o C đến 1063 o C Với: o 190 o C: là nhiệt độ mà Oxy chuyển từ thể LỎNG    thể HƠI (Khí) o 1063 o C: là nhiệt độ nóng chảy của vàng (Au) 6.6 6.6 PHƯƠNG PHÁP ðOPHƯƠNG PHÁP ðO 3:00 PM3:00 PM 3737  Cấu tạo: – RTD ñược chế tạo từ những dây dẫn rất nhạy với nhiệt ñộ, vật liệu chế tạo thường là Niken, ðồng, Niken-ðồng,Platium 6.6 6.6 PHƯƠNG PHÁP ðOPHƯƠNG PHÁP ðO 3:00 PM3:00 PM 3838  Cấu tạo: ðể ño ñược nhiệt ñộ, RTD ñược mắc theo cầu ñiện trở         + − + ×= 43 3 21 2 RR R RR R VV inout 6.6 6.6 PHƯƠNG PHÁP ðOPHƯƠNG PHÁP ðO 3:00 PM3:00 PM 3939  Cấu tạo:  R1=R2=R4=R3=Rg Khi R3=Rg ± dR dRR dR V V g in out ± ± ×= 22 6.6 6.6 PHƯƠNG PHÁP ðOPHƯƠNG PHÁP ðO 3:00 PM3:00 PM 4040 . tính: ðặc tính 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00 PM3:00 PM 2727 Mạch ño nhiệt ñộ sử dụng KTY81-110. Mạch ứng dụng 6.4 6.4 CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪNCẢM BIẾN NHIỆT ðỘ BÁN DẪN 3:00. trở và nhiệt ñộ RTD  TrongTrong tầmtầm đođo nhiệtnhiệt độ ộ củacủa kimkim loạiloại, , thìthì R R thaythay đổiđổi tuyếntuyến tínhtính vớivới nhiệtnhiệt độ ộ nềnnền::  KhiKhi nhiệtnhiệt độ ộ ngoàingoài. 4343 Giới thiệu: Thermocouple (cặp nhiệt độ) là cảm biến nhiệt độ cấu tạo bởi 2 thanh kim loại khác nhau được tiếp xúc nhiệt với nhau. Cảm biến tác động: đầu vào nhiệt độ, đầu ra điện áp T V 6.6 6.6