1 LỜI NÓI ĐẦU Cảm biến là gì: Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,… các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện. Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lượng không liên quan đến điện chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợp với các cơ cấu điện tử. Các cảm biến thường dùng: Cảm biến nhiệt, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, đo nồng độ hóa chất trong nước, CO2, khói, ….trong bài này chúng ta sử dụng cảm biến pt100 1 2 Chương I NHIỆT ĐỘ CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà các bạn trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt ). - Một nguyên tắc đặt ra là: Tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cần đo. A. PHÂN LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT. • Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ). • Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ) • Thermistor. • Bán dẫn ( Diode, IC ,….). • Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer 2 3 A.1. CẶP NHIỆT ĐIỆN ( Thermocouples ). - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao. - Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C - Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. - Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ). - Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị. - Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và 3 4 dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng A.1. CẶP NHIỆT ĐIỆN ( Thermocouples ). - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao. - Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD - Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao. A.3. THERMISTOR - Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. - Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. Cấu tạo Thermistor. 4 5 - Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. - Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC. -Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50- 150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ. Lưu ý khi sử dụng: - Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( gọi nôm na là thường đóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM. - Nên ép chặt vào bề mặt cần đo. - Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ. -Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây. A.4. BÁN DẪN - Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn. - Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. - Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền. - Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. - Tầm đo: -50 <150 D.C. 5 6 - Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,…. - Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch. 6 7 B: nguyên lý cấu tạo của RTD và bài toán ứng dụng 1. Nhiệt kế điện trở kim loại RTD 2. RTD hay còn gọi là Resistance Thermometer là một cảm biến nhiệt độ điện trở hay ngắn gọn hơn là nhiệt kế điện trở dựa trên nguyên lý điện trở kim loại thay đổi (tăng hay giảm) khi nhiệt độ thay đổi (tăng hay giảm). RTDs và thermistors cùng dựa trên nguyên lý nhiệt độ thay đổi thì điện trở thay đổi nhưng khác nhau ở chỗ RTDs dùng kim loại còn thermistors thì dùng chất bán dẫn (nhiệt độ tăng, điện trở giảm). Do sự khác nhau này nên ta có thể gọi tên 2 loại nhiệt kế điện trở như sau: RTD = nhiệt kế điện trở kim loại Thermistor = nhiệt kế điện trở bán dẫn Dựa vào nguyên lý của sự thay đổi điện trở, người ta chứng minh được rằng điện trở RTD thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình sau: trong đó: : điện trở ( tại nhiệt độ T ( ) : điện trở ( tại nhiệt độ ( ) và là hằng số xác định theo thực nghiệm. Nếu nhiệt độ trong khoảng ngắn nhất định, công thức trên có thể được đơn giản thành: 7 8 Cấu tạo RTD Hình 1: RTD Mạch RTD Để sử dụng RTD làm dụng cụ đo nhiệt độ người ta thường dùng một mạch cầu Wheatstone để kết nối với RTD. Có một số cách kết nối như sau: Kết nối hai dây: Hình 2: Kết nối hai dây Kết nối ba dây: Hình 3: Kết nối ba dây 8 9 Kết nối bốn dây: Hình 4: Kết nối bốn dây Dựa vào mạch cầu (lấy ví dụ mạch cầu kết nối hai dây) điện áp ra được tính theo công thức: trong đó V là điện áp cung cấp cho mạch cầu. Các điện trở , thường có giá trị bằng nhau và thường là một biến trở để điều chỉnh để mạch cầu cân bằng ở nhiệt độ . Trên thị trường có một loại nhiệt kế điện trở dùng Platinum có điện trở ở nhiệt độ 0oC bằng 100 Ohms và được đặt tên là RTD-100 Platinum. Nhiệt kế điện trở này có công thức tính điện trở như sau: Giá trị hằng số thường lấy bằng 0.00385 và được coi là không đổi trong thang nhiệt độ 0-100 độ. Trong thực tế để thiết kế một hệ thống đo nhiệt độ dùng RTD 9 10 thì người ta thường kết nối một RTD với một bộ chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu ra dạng 4-20 mA dùng cho điều khiển và chỉ báo nhiệt độ. Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ (temperature transmitter) có bộ chỉ báo nhiệt độ và cung cấp tín hiệu 4-20 mA cho bộ điều khiển. Tín hiệu trong toàn bộ hệ thống đo nhiệt độ dùng RTD được chuyển đổi như sau: Nhiệt độ [oC] > điện trở [Ohms] > điện áp [V] > dòng [mA] (> nhiệt độ [oC]) 2. Mô phỏng hệ nhiệt độ dùng RTD Bài toán 1: Một hệ thống đo nhiệt độ dùng RTD (RTD-100 có ) có sơ đồ kết nối như sơ đồ Hình 2 (kết nối hai dây). Các điện trở và biến trở dùng để cân bằng mạch cầu, ở oC giá trị của biến trở . Điện áp cung cấp cho mạch cầu Wheatstone là 5 V và thang nhiệt độ đo . Hãy sử dụng Simulink để mô phỏng hệ thống đo nhiệt độ RTD, trong chương trình Simulink biểu diễn điện trở và điện áp ra . Kết quả mô phỏng: 10 [...]... còn gặp một số hạn chế : • Chúng em đã cố gắng tìm các tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau để bổ sung những thiếu sót • Chúng em rất mong nhận được sự nhận xét góp ý từ các thầy cô.Chúng em xin chân thành cảm ơn 14 . cảm biến pt1 00 1 2 Chương I NHIỆT ĐỘ CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại. tử. Các cảm biến thường dùng: Cảm biến nhiệt, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, đo nồng độ hóa chất trong nước, CO2, khói, ….trong bài này chúng ta sử dụng cảm biến pt1 00 1 2 Chương. trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo và nhiệt độ cảm nhận của cảm biến . Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà các bạn trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên