Chương II GIỚI THIỆU VỀ CÁC MẠCH BÁO CHÁY Cảm biến dựa vào đặc tính vật lý vật liệu, tượng vật lý để chuyển đổi đại lượng phi điện thành tín hiệu điện để đơn giản trình đo lường tính toán Mô tả toán học cảm biến hàm truyền ký hiệu H Phương trình mô tả cảm biến biểu diễn sau: Đại lượng (điện)=H x đại lượng vào (phi điện) • Các đặc tính chuẩn cảm biến: _ Độ nhạy _ Độ ổn đònh _ Nhiễu (có khả hoạt động trường có tín hiệu gây nhiễu hay nhiễu cảm biến sinh trình hoạt động) _ Tầm đo _ Độ tuyến tính (cảm biến có độ tuyến tính cao tốt) • Hệ thống báo cháy thường gồm loại mạch báo cháy thông dụng: _ Mạch báo cháy nhiệt _ Mạch báo cháy khói _ Mạch báo cháy lửa Hầu hết linh kiện điện tử có đặc tính nhiệt thay đổi theo nhiệt độ Nhưng để làm cảm biến ta chọn vật liệu có độ nhạy cao hàm truyền tốt mà Đây loại cảm biến tương đối phức tạp tinh vi, sử dụng linh kiện điện tử chuyên dụng Các linh kiện điện tử có nhiều thò trường linh, kiện Việt Nam Nó sử dung nguyên tắc dòng hay áp linh, kiện thay đổi nhiệt độ nơi đặt thiết bò thay đổi Tùy theo loại mà tăng hay giảm đại lượng điện theo nhiệt độ Loại cảm biến nhạy gây tình trạng báo động nhầm có nguồn nhiệt để gần cảm biến Ví dụ thân nhiệt người chẳng hạn I Chuyển đổi nhiệt điện : Chuyển đổi nhiệt điện chuyển đổi dựa trình nhiệt đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt… Thực tế đo lường đại lượng không điện theo phương pháp điện thường dùng hai tượng, ( hiệu ứng nhiệt điện hiệu ứng thay đổi nhiệt trở dây dẫn hay chất bán dẫn nhiệt độ thay đổi Tương ứng với hai tượng trên, người ta phân thành hai loại: chuyển đổi cặp nhiệt điện chuyển đổi nhiệt điện trở Chuyển đổi cặp nhiệt điện: a Nguyên lý làm việc cặp nhiệt điện : chủ yếu dựa hai tượng sau: Nếu hai dây dẫn khác nối với hai điểm 2, hai điểm ( ví dụ ta lấy điểm 1) đốt nóng mạch xuất dòng điện gây sức điện động gọi sức điện động nhiệt điện, hiệu số hàm số nhiệt độ ET = f(t1)- f(t2) Mạch điện gọi cặp nhiệt điện hay cặp điện ngẫu Điểm đốt nóng gọi đầu công tắc ( điểm ), điểm lại gọi đầu tự do( điểm thứ ) số f(t2)=const thì: ET = f(t1) – C Biểu thức sở phép đo nhiệt độ cặp nhiệt điện Theo phương pháp này, việc đo nhiệt độ t dẫn đến việc đo sức điện động cặp nhiệt điện giữ cố đònh nhiệt độ đầu tự Vật liệu dùng để chế tạo cặp nhiệt điện ngẫu cần đảm bảo yêu cầu sau: quan hệ sức điện động nhiệt điện với nhiệt độ hàm đơn trò, tính chất nhiệt điện không thay đổi, độ bền hóa học học phải cao, dẫn nhiệt tốt, có trò số suất điện động nhiệt lớn Cặp nhiệt điện nối với phương pháp hàn đặc biệt đặt thiết bò bảo vệ nhằm tránh bò ăn mòn hóa học, thiết bò chế tạo từ vật liệu bền học, không thấm khí, không bò ăn mòn Thiết bò thường ống chế tạo thép đặc biệt Đối với cặp nhiệt điện q , ống bảo vệ chế tạo thạch anh gốm Để cách điện người ta dùng Amian (3000C ), ống thạch anh ( với 10000C ) ống sứ đến 1400C b Những nguyên nhân gây sai số hiệu chỉnh cho đúng: Ta biết phương trình biến đổi cặp nhiệt điện trường hợp chung, cách gần biểu diễn dạng : ET =A.t+B.t2 +C.t3 ET : sức điện động nhiệt T: hiệu nhiệt độ đầu công tắc đầu tự A, B, C :các số phụ thuộc vào vật liệu dây làm cặp nhiệt điện Và độ nhạy tính sau: ST ≈ A+2Bt +3Ct Độ nhạy số mà phụ thuộc vào nhiệt độ Do cặp nhiệt điện công nghiệp thường cho trước bảng sức điện động ứng với nhiệt độ khác khoảng 0C với đầu tự 00C c Chuyển đổi nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở chuyển đổi có điện trở thay đổi theo thay đổi nhiệt độ Tùy theo tác dụng nhiệt dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi người ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng nhiệt điện trở không đốt nóng Trong nhiệt điện trở không đốt nóng dòng điện chạy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ điện trở nhiệt độ nhiệt độ môi trường Nhiệt điện trở loại dùng để đo nhiệt độ đại lượng học đo dòch chuyển Nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện chạy qua lớn làm nhiệt độ tăng lên cao nhiệt độ môi trường , nên có tỏa nhiệt môi trường xung quanh Nhiệt điện trở loại dùng việc đo lưu lượng, lưu tốc dòng chảy, phân tích chất hóa học… Nhiệt điện trở chế tạo dây chất bán dẫn Yêu cầu vật liệu chế tạo có hệ số nhiệt độ lớn, bền hóa học, điện trở suất lớn, khó nóng chảy… Để giảm tổn hao nhiệt dẫn, chiều dài nhiệt điện trở cần phải lớn đường kính dây gấp nhiều lần Các loại cảm biến nhiệt: a Thermocouples: Thermocouples biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp DC nhỏ Nó gồm có hai dây kim loại khác nối với hai đầu mối nối Khi mối nối đặt vò trí khác nhau, dây dẫn xuất sức điện động Sức điện động tỉ lệ với chênh lệch nhiệt độ hai đầu mối nối Thermocouples có hệ số nhiệt dương b Thermistor: Thermistor điện trở có độ nhạy nhiệt cao phi tuyến vả có hệ số nhiệt âm Điện trở giảm phi tuyến tăng nhiệt độ Thermistor điện trở nên dòng điện qua sinh nhiệt gây nên sai số lớn Do phải hạn chế dòng qua nhỏ c Điện trở dò nhiệt (RTDs): Cảm biến loại dựa vào đặc tính trở phụ thuộc nhiệt độ vật liệu Nó có hệ số nhiệt dương nhỏ, đo xác d IC cảm biến nhiệt độ bán dẫn: IC cảm biến bán dẫn kết hợp với mạch gia công bên Nhờ IC tạo tín hiệu điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, với độ nhạy nhiệt độ xác cao IC loại phổ biến thò trường Với IC thông dụng LM335 II Mạch phát khói ( dùng cảm biến quang hay cảm biến ion ): Mạch phát khói dùng phương pháp quang ( cảm biến quang): Loại sử dụng linh kiện thu phát quang Người ta sử dụng linh kiện phát quang ( LED hồng ngoại ) chiếu tia sáng qua vùng cần bảo vệ linh kiện thu quang ( Photodiode, Phototransistor, quang trở…) Khi có khói bay lên vùng cần bảo vệ che chắn hay làm yếu cường độ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu Khi cường độ ánh sáng thay đổi đến giá trò cảm biến nhận dạng phát tín hiệu báo động a Điện trở quang: Điện trở quang linh kiện bán dẫn thụ động lớp chuyển tiếp PN Vật liệu để chế tạo điện trở quang Cds (Cadmiun Sulfid) , CdSe (Cadmiun Selenid ), ZnS ( Zine Sulfid ) tinh thể khác Khi bò chiếu ánh sáng, độ dẫn điện ( điện dẫn suất ) vật liệu bán dẫn gia tăng hạt mang điện tích gia tăng thêm σ=e(nµn + pµp ) n p : mật độ electron lỗ trống µn , µp : độ di động electron lổ trống Với phương trình đô dẫn điện gia tăng nhờ hai cách: _ Gia tăng mật độ hạt mang điện tích _ Gia tăng độ di động hiệu dụng  Các đặc tính quan trọng điện trở quang : Điện trở quang có ba đặc tính quan trọng:  Độ dẫn suất ( σphot ): Là hàm số mật độ lượng u với độ dài sóng không thay đổi ánh sáng : σphot (u); λ=const  Độ nhạy quang trở quang phổ: Đó thay đổi dẫn suất σphot hàm số λ mật độ lượng không thay đổi : u= const  Vận tốc làm việc: Srel(λ)= σphot (λ) σphot max Vận tốc làm việc thời gian hồi đáp ( Reponse times) quang trở có thay đổi từ sáng sang tối hay từ tối sang sáng (rise ) Thời gian lên xác đònh thời gian cần thiết để quang trở đạt 65 % trò số cuối chiếu sáng từ lux sang 10 lux Thời gian trễ xác đònh khoảng thời gian cần thiết để quang trở thay đổi 35% giá trò (so với lúc chiếu sáng – khoảng 10 lux s) không chiếu sáng Với cường độ ánh sáng mạnh, quang trở làm việc nhanh Quang trở có khuynh hướng làm việc chậm trời lạnh Quang trở làm việc chậm cất giữ bóng tối làm việc nhanh cất giữ ánh sáng Các đặc tính quan trọng khác điện trở quang:  Tiếng ồn –NEP  Hệ số nhiệt độ quang trở  Điện trở tối ( Dark Reasistance )  Đặc tính độ dốc  Điện hoạt động  Công suất tiêu tán cao  Độ nhạy R[VW-1)  Điện trở quang với gia tăng độ di động µn,p  Điện trở quang với vật liệu không pha tạp chất Mạch phát khói dùng nguyên lý ion (cảm biến ion): Dưới tác dụng tia phóng xạ tia Rơnghen, chất khí (khói ) bò ion hoá Nếu bình ion hoá đặt điện áp điện tử ion chuyển động có hướng tạo thành dòng điện ion Khi có dòng điện kích hoạt tín hiệu báo động Dòng ion phụ thuộc vào điện áp đặt lên bình, tính chất tác nhân ion, môi trường ion hóa, vật liệu thành bình vật thể khác nằm đường tác nhân ion hóa Các tác nhân ion hóa tia phóng xạ tia α, tia β, tia γ, tia Ronghen Chuyển đổi ion hóa nhiều loại khác nhau, song loại cần có nguồn phóng xạ thiết bò thu suất phẩm trình ion hóa để tạo thành dòng điện Thiết bò gọi thu xạ Bộ thu xạ có nhiệm vụ biến đổi lượng xạ hạt nhân thành điện Bộ thu xạ dựa vào tượng ion hóa tia phóng xạ qua dựa vào tượng ion hóa chất khí cho tia phóng xạ qua dựa vào tượng phát quang số chất tác dụng lượng xạ hạt nhân Có ba loại bình thu xạ: • Bình ion hóa • Máy đếm phóng điện chất khí • Máy đếm nhấp nháy Trong hình đặc tính Volt Ampere bình ion hóa cấu tạo bình ion hóa tia α Dòng quang điện thường nhỏ( 10 -3 _10-7 )µA Điện áp đặt lên điện cực cao áp ( vỏ bình) cỡ hàng nghìn Volt, dòng điện ion lấy qua cực lưới khuếch đại khuếch đại đo lường  Để tránh dòng điện rò, cách điện cực lưới vỏ (cực cao áp) phải đạt tới (108 – 1013 ) MΩ, điện cực lưới bọc cực bảo vệ nối đất với mạch đo lường để thu dòng điện rò từ cực cao áp Người ta sử dụng lượng nhỏ chất phóng xạ để ion hóa không khí hộp cảm biến Không khí bò ion hóa dẫn điện tạo thành dòng điện chạy hai điện cực nạp điện Khi phần tử khói lọt vào vùng cảm nhận ion hóa làm tăng điện trở vùng cảm nhận làm giảm luồng điện hai điện cực Khi luồng điện giảm xuống tới giá trò cảm biến phát điện phát tín hiệu báo động Nói chung loại cảm biến phát khói kiểu ion hóa nhạy hiệu loại dùng linh kiện quang điện tử, linh kiện vật liệu khó kiếm Loại phát khói dùng quang dù nhạy linh kiện dễ tìm lắp đặt tương đối dễ dàng Tuy nhiên hai loại báo động nhằm bụi hay khói lan vào Cho nên thiết kế cần phải xem xét qui đònh nồng độ khói đònh để thiết bò hoạt động xác III Mạch phát cháy : Dưới tác động dòng ánh sáng với bước sóng thích hợp chiếu vào Catot, điện tử từ Catot bò bắn ra, tạo thành dòng điện Chuyển đổi quang điện phân chia thành ba loại: Tế bào quang điện: Là phần tử quang điện sử dụng hiệu ứng quang điện Đó đèn chân không hay có khí mà Catot phát điện tử tác dụng dòng ánh sáng Quang điện trở: Là loại chuyển đổi quang điện dựa vào hiệu ứng quang điện Điện trở vài chất bán dẫn thay đổi tác dụng dòng ánh sáng Các chất có hiệu ứng quang điện mạch muối Sunfil Cadmi,… Photo diode: Là chuyển đổi quang điện, tác dụng ánh sáng, lớp khóa số mặt ghép chất bán dẫn trở thành nguồn dòng điện Với hiệu ứng quang điện, ta phát sinh điện áp lớp chuyển tiếp pn, lớp chuyển tiếp chiếu sáng Tùy theo chức cấu trúc, phân Photodiode thành nhiều loại: • Diode quang pn • Diode quang pin • Diode quang loại Schockley • Diode quang với hiệu ứng khác Photodiode dùng với mạch khuếch đại có tổng trở cao: • Rất tuyến tính • Ít nhiễu • Dãi tần rộng • Nhẹ có sức bền học • Tuổi thọ cao IV Đo nhiệt độ thạch anh: Một ứng dụng cổ điển thạch anh thực dao động có độ vững lớn, phụ thuộc vào nhiệt độ Với tinh thể thạch anh có phương tinh thể xác đònh trước đặc trưng cho thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng tần số dao động Ngược lại, dùng làm cảm biến đo nhiệt độ, thạch anh có phương tinh thể cho tần số dao động gần tuyến tính với nhiệt độ tinh thể thạch anh Cảm biến xác nhạy, mặt khác việc xác đònh nhiệt độ dẫn đến việc đếm tần số có hai điều lợi: _ Việc đo xác _ Việc chuyển đổi dạng số dễ dàng với thông tin liên quan đến tần số Cộng hưởng thạch anh: Trong tinh thể thạch anh cắt theo dạng tiết diện vuông, tam giác tròn, đặc tính phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước chúng phương tinh thể Thạch anh chất áp điện Trong trường hợp mặt phẳng thu điện tích thẳng góc với trục điện xuất điện tích trái dấu mặt phẳng Đó hiệu ứng áp điện trực tiếp _ Một thay đổi bề dày thạch anh, nén lại bè tùy thuộc theo dấu điện áp đưa vào bề mặt, hiệu ứng áp điện ngược _ Một thạch anh xảy dao động liên quan đến loại biến dạng khác nhau: kéo dài ra, uốn cong, cắt Tần số dao động xác đònh dạng thức hình học, kích thước phương tinh thể diễn tả công thức sau: f = n l c ρ c: Độ lớn đàn hồi, phụ thuộc vào phương tinh thể ρ: Trọng lượng riêng thạch anh l: Kích thước thạch anh theo phương truyền động n: Số nguyên ; 1[...]... = 2 x Năng lượng tiêu tán tuần hoàn Đối với bản thạch anh, Q có giá trò rất cao, thường từ 10 4 đến 105 Phương của dao động thạch anh so với trục của tinh thể xác đònh lực cắt Thí dụ: _ Lực cắt X gọi là mẫu Curie: 2 bản cực thẳng góc với trục X một điện áp xoay chiều được áp vào 2 mặt đối diện, bản dao động có thể dao động theo chiều dài và 2 tần số cộng hưởng quan trọng là: f1 = 28 60 e va f2 = 28 60... (1 + C / C 0) Các tần số này rất gần nhau: (fp-fs)/fs = C/2C0 2 Độ nhạy nhiệt: Tất cả sự thay đổi nhiệt độ kéo theo 1 sự thay đổi kích thước của bản dao động, trong lượng riêng và hệ số đàn hồi, kết quả: n c _ Một sự thay đổi tần số cộng hưởng cơ: f = l ρ _ Một sự thay đổi các giá trò thành phần L,C, R đặc trưng của bản dao động, về phương diện điện Một cách tổng quát: f(T)=f0(1+ aT+bT2+ cT3);T:0C... aT+bT2+ cT3);T:0C ⇒ ∆f /f0 = aT+ bT2 +cT3 ;với ∆ f=f(T)-f0 ` Các hệ số a, b, c tùy thuộc lực cắt bản dao động Với lực cắt LC ( tuyến tính ) về nguyên tắc các hệ số b và c bằng 0 Độ nhạy nhiệt của tần số cộng hưởng là một hằng số: S= ∆f =a.f0 ∆T Với a=35,45.10-6/0C và f0= 28 ,20 8 MHz thì: S=1000Hz/0C Lực cắt LC thường dùng đối với bản thạch anh dùng làm cảm biến đo nhiệt độ 3 Cách thực hiện nhiệt kế và đo:... er được đưa vào mạch thay đổi tần số, mạch nhân chẳng hạn, sẽ tạo nên tín hiệu V’0 : V’0=Kemer=E’0[ cos(Ωm-Ω0)t+cos (Ωm+Ω0)t] Với một mạch lọc thông thấp qua nó giới hạn tần số cao ở đầu ra: V0=E0cos(Ωm-Ωr)t=E0 cos 2 π ∆ f.t Một bộ đệm tần số cho phép xác đònh tần số ∆ f và với S biết được, sẽ biết T= ∆ f/S Đặc tính đo lường của tinh thể thạch anh : _ Khoảng đo:-80 đến 25 00C _ Khoảng cách tuyến tính:... bằng cách đặt bản thạch anh bên trong hộp thép chứa Helium mục đích làm tăng sự dẫn nhiệt thạch anh và hộp Thạch anh được nối với các phần tử tác động nhờ dây cáp và sẽ tạo nên dao động với tín hiệu đo em: em=EmcosΩm t với Ωm= 2 π fm fm=f0+ ∆ f và ∆ f=S(T-T0)=ST khi T0 =00C Với mạch dao động chuẩn bằng thạch anh, tạo nên tín hiệu chuẩn e r tần số f0 độc lập với môi trường er=ErcosΩ0t(Ω0 =2 π f0) Các. .. 10 -2 pF đến 10-1 pF R: Từ vài KΩ đến vài chục KΩ _ Một nhánh gồm điện dung C0 đó là điện dung được hình thành bởi các điện cực kim loại có giá trò khoảng: 1 đến 100 pF, tỉ số C/C 0 có giá trò tổng quát từ 10 -2 đến 10-3 Lưỡng cực này có thể có hai tần số cộng hưởng điện: _ Cộng hưởng nối tiếp của nhánh L,R ,C tần số fs: fs= 2 1 LC _ Cộng hưởng song song, giữa C0 và nhánh L, C, R tần số fp: 1 fp= 2 ... luôn tỉ lệ nghòch vơi1 trong những kích thước của chúng Các điện cực cho phép đặt một điện áp vào bản dao động, nó được cấu tạo bởi thanh kim loại đặt tiếp xúc với bản dao động Chung quanh tần số cộng hưởng cơ, về phương diện điện bản thân thạch anh có thể được biểu thò bằng một lưỡng cực cấu tạo bởi hai nhánh song song L R C C0 Một nhánh L, R, C Các phần tử này có giá trò được xác đònh bởi đặc tính... đo lường của tinh thể thạch anh : _ Khoảng đo:-80 đến 25 00C _ Khoảng cách tuyến tính: ± 0,05% khoảng đo _ Độ nhạy : 1000Hz/0C _ Khả năng đo:0,00010C _ Độ nhanh: hằng số thời gian nhiệt 2, 5 giây trong nước có vận tốc 2m/giây ... f=S(T-T0)=ST T0 =00C Với mạch dao động chuẩn thạch anh, tạo nên tín hiệu chuẩn e r tần số f0 độc lập với môi trường er=ErcosΩ0t(Ω0 =2 π f0) Các tín hiệu em, er đưa vào mạch thay đổi tần số, mạch nhân chẳng... 10 -2 đến 10-3 Lưỡng cực có hai tần số cộng hưởng điện: _ Cộng hưởng nối tiếp nhánh L,R ,C tần số fs: fs= 2 LC _ Cộng hưởng song song, C0 nhánh L, C, R tần số fp: fp= 2 CL (1 + C / C 0) Các. .. phần L,C, R đặc trưng dao động, phương diện điện Một cách tổng quát: f(T)=f0(1+ aT+bT2+ cT3);T:0C ⇒ ∆f /f0 = aT+ bT2 +cT3 ;với ∆ f=f(T)-f0 ` Các hệ số a, b, c tùy thuộc lực cắt dao động Với lực