Bao Cao Cam Bien

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ

Bài tiểu luận: ĐO LƢỜNG CẢM BIẾN ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

NGUYỄN TUẤN ANH

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

VŨ NGỌC DƢƠNG

TRẦN HỮU NAM

HÀ NỘI 09 - 2010

Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________

Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 2 -

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lƣợng vật lý nhƣ nhiệt độ, áp suất,

tốc độ, tốc độ quay, nồng độ pH, độ nhờn...vv cần đƣợc xử lý cho đo lƣờng,

cho mục đích điều khiển truyền động. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng

này, chúng thu nhận, đáp ứng các kích thích. Cảm biến là một bộ chuyển đổi

kỹ thuật để chuyển đổi các lƣợng vật lý nhƣ nhiệt độ, áp suất, khoảng

cách...vv sang một đại lƣợng khác để có thể đánh giá tốt hơn. Trong tất cả

các đại lƣợng vật lý, nhiệt độ là một trong các đại lƣợng đƣợc quan tâm nhiều

nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất.

Nhiệt độ có thể làm ảnh hƣởng đến các đại lƣợng chịu tác dụng của nó. Thí

dụ nhƣ áp suất, thể tích của chất khí…vv. Bởi vậy trong công nghiệp cũng

nhƣ đời sống hàng ngày phải đo nhiệt độ.


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


I: TÌM HIỂU CHUNG VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ ngƣời ta sử dụng nhiều nguyên lý cảm

biến khác nhau nhƣ:

Phƣơng pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động

nhiệt (hiệu ứng Doppler).

Phƣơng 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.

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

1.1 PHÂN LOẠI

Nhiệt độ từ môi trƣờng sẽ đƣợc cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của

cảm biến sẽ biến đại lƣợng nhiệt này thành một đại lƣợng điện nào đó. Nhƣ

thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trƣờng 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, lƣỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không

tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trƣờng vào đến phần tử cảm biến tổn

thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt).

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.

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).

- Ƣu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hƣởng làm sai số. Độ nhạy không cao.

- Thƣờng dùng: Lò nhiệt, môi trƣờng khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

- Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


- Gồm 2 dây kim loại khác nhau đƣợc 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 đƣợc 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. Các bạn lƣu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích

hợp.

- 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 ).

Hình cặp nhiệt điện

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).

- Ƣu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hƣởng làm sai số. Độ nhạy không cao.

- Thƣờng dùng: Lò nhiệt, môi trƣờng 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,…đƣợc 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, đƣợc làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao,

chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo đƣợc dài. Thƣờng có các loại: 100,

200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.

- RTD thƣờng có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.

Lƣu ý khi sử dụng:

- Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số.

- Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple. Chúng

ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lƣợng dây tốt, có

chống nhiễu ) và có thể đo test bằng VOM đƣợc.

- Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây.

Cảm biến dạng NTD

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.

- Ƣu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.

DÂY KIM LOẠI


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.

- Thƣờng dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch

điện tử.

- Tầm đo: 50 <150 D.C.

Cấu tạo Thermistor.

- Thermistor đƣợc cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này đƣợc

hòa trộn theo tỉ lệ và khối lƣợng nhất định sau đó đƣợc 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 dƣơng PTC- điện trở tăng theo nhiệt

độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thƣờng dùng nhất là

loại NTC.

- Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C

do vậy ngƣời 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 thƣờng gọi là Tẹt-mít. Cái

Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.

Hình thermistor.

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 hƣởng bởi nhiệt độ.

- Ƣu 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.

- Thƣờng dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các

mạch điện tử.

- Tầm đo: -50 <150 D.C.

- Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến đƣợc chế tạo từ những

chất bán dẫn. Có các loại nhƣ 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

trƣờng. 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 ƣu 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 dƣới dạng diode ( hình dáng

tƣơng tự Pt100), các loại IC nhƣ: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của

chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này đƣợc phân

áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.

IC cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến nhiệt dạng Diode

Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn

truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hƣớng mới trong “ thế giới cảm

biến”.

IC cảm biến nhiệt DS18B20


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


A.5. NHIỆT KẾ BỨC XẠ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lƣợng của môi trƣờng mang nhiệt.

- Ƣu điểm: Dùng trong môi trƣờng khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi

trƣờng đo.

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.

- Thƣờng dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.

- Tầm đo: -54 <1000 D.F.

-Nhiệt kế bức xạ ( hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ

của những môi trƣờng mà các cảm biến thông thƣờng không thể tiếp xúc

đƣợc ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến).

- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cƣờng độ sáng, hỏa kế màu sắc.

Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tƣợng

bức xạ năng lƣợng. Và năng lƣợng bức xạ sẽ có một bƣớc sóng nhất định.

Hỏa kế sẽ thu nhận bƣớc sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần

đo.

1.2 Thang đo nhiệt độ.

Để đo đƣợc trị số chính xác của nhiệt độ là vấn đề không đơn giản. Nhiệt độ

là đại lƣợng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào

nhiệt độ. Trƣớc khi đo nhiệt độ ta cần đề cập đến thang đo nhiệt độ.

Việc xác định thang nhiệt độ xuất phát từ các định luật nhiệt động học.

Thang đo nhiệt độ tuyệt đối đƣợc xác định dựa trên tính chất của khí lý

tƣởng. Định luật Carnot nêu rõ: Hiệu suất θ một động cơ nhiệt thuận nghịch

hoạt động giữa 2 nguồn có nhiệt độ θ 1 và θ 2 trong một thang đo bất kỳ chỉ

phụ thuộc vào θ 1 và θ 2:

)(F

)(F

2

1

θ

θη

Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngƣợc lại, việc

lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(θ) = T chúng ta sẽ xác

định T nhƣ là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ

nhiệt thuận nghịch sẽ đƣợc viết nhƣ sau:


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


2

1

T

T1η

Trong đó:

T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.

Thang Kelvin

Năm 1664 Robert Hook thiết lập điểm không là điểm động của nƣớc

cất.Thomson (Kelvin) nhà vật lý Anh, năm 1852 xác định thang nhiệt độ.

Thang Kelvin đơn vị là 0K, ngƣời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của

3 trạng thái nƣớc – nƣớc đá – hơi một trị số bằng 273,15 0K.

Thang Celsius

Năm 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điển đƣa ra thang nhiệt độ

bách phân. Trong thang này đơn vị đo nhiệt độ là 0C, một độ Celsius bằng

một độ Kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin đƣợc xác

định bằng biểu thức:

T(0C) = T(

0K) – 273,15

Thang Fahrenheit

Năm 1706 Fahrenheit nhà vật lý Hà Lan đƣa ra thang nhiệt độ có điểm

nƣớc đá tan là 320 và sôi ở 212

0. Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (

0F). Quan hệ

giữa nhiệt độ Celsius và Fahrenheit đƣợc cho theo biểu thức:

9

532)F(T)C(T

00

32)C(T

5

9)F(T

00


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Bảng 1.1 Thông số đặc trƣng của một số thang đo nhiệt độ khác nhau

Nhiệt độ Kelvin

(0K)

Celsius

(0C)

Fahrenheit (0F)

Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67

Hỗn hợp nƣớc – nƣớc đá 273,15 0 32

Cân bằng nƣớc – nƣớc đá – hơi

nƣớc

273,16 0,01 32,018

Nƣớc sôi 373,15 100 212

1.2.1 Nhiệt độ đƣợc đo và nhiệt độ cần đo.

Nhiệt độ đo đƣợc:

Nhiệt độ đo đƣợc nhờ một điện trở hay một cặp nhiệt, chính bằng nhiệt độ

của cảm biến và kí hiệu là TC. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng TX và

vào sự trao đổi nhiệt độ trong đó. Nhiệm vụ của ngƣời thực nghiệm là làm

thế nào để giảm hiệu số TX – TC xuống nhỏ nhất. Có hai biện pháp để giảm

sự khác biệt giữa TX và TC:

- Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trƣờng đo.

- Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trƣờng bên ngoài.

Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Thông thƣờng cảm biến đƣợc trang bị một lớp vỏ bọc bên ngoài. Để đo

nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật ngƣời ta

khoan một lỗ nhỏ đƣờng kính bằng r và độ sâu bằng L. Lỗ này dùng để đƣa

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 đƣờng 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 đƣợc lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt.

1.2.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel

1.2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Sự chuyển động của các hạt mang điện tích theo một hƣớng hình thành

một dòng điện trong kim loại. Sự chuyển động này có thể do một lực cơ học

hay điện trƣờng gây nên và điện tích có thể là âm hay dƣơng dịch chuyển với

chiều ngƣợc nhau. Độ dẫn điện của kim loại ròng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ

hay điện trở của kim loại có hệ số nhiệt độ dƣơng. Trong hình 1.1 ta có các

đặc tuyến điện trở của các kim loại theo nhiệt độ. Nhƣ thế điện trở kim loại

có hệ số nhiệt điện trở dƣơng PTC (Positive Temperature Coefficient): điện

trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Để hiệu ứng này có thể sử dụng đƣợc

trong việc đo nhiệt độ, hệ số nhiệt độ cần phải lớn.Điều đó có nghĩa là có sự

thay đổi điện trở khá lớn đối với nhiệt độ. Ngoài ra các tính chất của kim loại

không đƣợc thay đổi nhiều sau một thời gian dài. Hệ số nhiệt độ không phụ

thuộc vào nhiệt độ, áp suất và không bị ảnh hƣởng bởi các hóa chất. Giữa

nhiệt độ và điện trở thƣờng không có sự tuyến tính, nó đƣợc diễn tả bởi một

biểu thức đa cấp cao:

R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C.t

3 +…)

Hình 1.1: Các đặc tuyến điện trở của các kim loại theo nhiệt độ.

- R0: điện trở đƣợc xác định ở một nhiệt độ nhất định.

0 200 400 600 800 Nhiệt độ

Điện trở

Sắt

Đồng

Than


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


- t2, t

3: các phần tử đƣợc chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu chính xác của

phép đo.

- A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt

độ và điện trở một cách rõ ràng.

Thông thƣờng đặc tính của nhiệt điện trở đƣợc thể hiện bởi chỉ một hệ

số a (alpha), nó thay thế cho hệ số nhiệt độ trung bình trong thang đo (ví dụ

từ 00C đến 100

0C.)

alpha = (R100 - R0) / 100. R0 (°C-1

)

1.2.2.2 Nhiệt điện trở Platin

Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở đƣợc dùng rộng rãi trong công

nghiệp. Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa

chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng

tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC751-1983 (đƣợc sửa đổi lần thứ nhất vào năm

1986, lần thứ 2 vào năm 1995), USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng.

Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phƣơng trình Callendar - Van Dusen:

R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C[t - 100

0C].t

3)

R0 là trị số điện trở định mức ở 00C.

Standard Alpha

ohms/ohm/°C

R0

ohms Hệ sô Đất nƣớc

IEC751

(Pt100) 0.00385055 100

200°C < t < 0°C A = 3.90830x10

-3

B = -5.77500x10-7

C = -4.18301x10-12

0°C < t < 850°C A &B nhƣ trên,

riêng

C = 0.0

Úc, Áo, Bỉ, Brazil,

Bulgaria, Canada, Cộng

hòa Czech, Đan mạch,

Ai Cập, Phần Lan,

Pháp, Đức, Israel, Ý,

Nhật, Ba Lan, Rumania,

Nam phi, Thổ Nhĩ Kì,

Nga, Anh, USA

SAMA

RC-4 0.0039200 98.129

A= 3.97869x10-3

B = -5.86863x10-7

C = -4.16696x10-12

USA

R0

, Pt 1000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy

lớn hơn: điện trở thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ. ngoài ra còn có loại Pt 10

có độ nhạy kém dùng để đo nhiệt độ trên 6000C.


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Tiêu chuẩn IEC751 chỉ định nghĩa 2 “đẳng cấp” dung sai A, B. Trên

thực tế xuất hiện thêm loại C và D (xem bảng phía dƣới). 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 |)

Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp.

Do đó khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi

trị số điện của nó ít hơn so với các platin ròng. Nhờ thế có sự ổn định lâu dài

theo thời gian, thích hợp hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt

1.2.2.3 Nhiệt điện trở nickel

Nhiệt điện trở nickel so với platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn

gần gấp hai lần (6,18.10-3

0C

-1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60

0C đến +250

0C, vì

trên 3500C nickel có sự thay đổi về pha. Cảm biến nickel 100 thƣờng dùng

trong công nghiệp điều hòa nhiệt độ phòng.

R(t) = R0 (1 + A.t +B.t2 +D.t

4 +F.t

6)

A = 5.485x10-3

B = 6.650x10-6

D = 2.805x10-11

F = -2.000x10-17

.

Với các trƣờng hợp không đòi hỏi sự chính xác cao ta sử dụng phƣơng trình

sau:

R(t) = R0 (1 + a.t)

a = alpha= 0.00672 0C

-1

Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ:

t = (Rt / R0 - 1) / a = (Rt / R0 - 1) / 0.00672


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Hình 1.2: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ ZNI1000

Cảm biến nhiệt độ ZNI1000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất

sử dụng nhiệt điện trở Ni, đƣợc thiết kế có giá trị 1000 tại 00C.

1.2.2.4 Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel

Nhiệt điện trở với kỹ thuật dây quấn.

Nhiệt điện trở với vỏ gốm: Sợi platin đƣợc giữ chặt trong ống gốm sứ với

bột oxit nhôm. Dải đo từ -2000C đến 800

0C.

Nhiệt điện trở với vỏ thủy tinh:

loại này có độ bền cơ học và độ nhạy

cao. Dải đo từ - 2000C đến 400

0C,

đƣợc dùng trong môi trƣờng hóa chất

có độ ăn mòn hóa học cao.

Nhiệt điện trở với vỏ nhựa: Giữa

2 lớp nhựa polyamid dây platin có

đƣờng kính khoảng 30mm đƣợc dán

kín. Với cấu trúc mảng, cảm biến này

đƣợc dùng để đo nhiệt độ bề mặt các

ống hay cuộn dây biến thế. Dải đo từ

-800C đến 230

0C.

Hình 1.7: Cấu trúc nhiệt điện trở kim

loại dây quấn (vỏ ceramic)


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng

mỏng

Cấu trúc cảm biến gồm một lớp

màng mỏng (platin) đặt trên nền

ceramic hoặc thủy tinh. Tia lazer

đƣợc sử dụng để chuẩn hóa giá trị

điện trở của nhiệt điện trở.

Hình 1.8: Cấu trúc nhiệt điện trở kim

loại dạng màng mỏng (vỏ ceramic)

II: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN

2.1 IC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh

nhiệt độ. IC cảm biến nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển

thành tín hiệu dƣới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào các đặc

tính rất nhạy cảm của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện

tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối C, F, K hay tùy loại. Đo tín hiệu điện ta biết

đƣợc nhiệt độ cần đo. Tầm đo nhiệt độ giới hạn từ -550C đến 150

0C, độ chính

xác từ 10C đến 2

0C tùy theo từng loại.

Sự tích cực của nhiệt độ sẽ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong

chất bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân từ, bứt các electron thanh dạng tự do di

chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống

nhiệt làm cho tỉ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo qui luật hàm số

mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tƣợng này là dƣới mức điện áp thuận, dòng

thuận của mối nối p – n trong diode hay transistor sẽ tăng theo hàm số mũ

theo nhiệt độ.

Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt thƣờng là điện áp của lớp chuyển

tiếp pn trong một transitor loại bipolar. Texinstruments có STP 35 A/B/C;

National Semiconductor LM 35/4.5/50…

2.1.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor

Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều khó sử dụng. Chẳng hạn cặp

nhiệt ngẫu có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, thermistor thì không

tuyến tính. Thêm vào đó ngõ ra của các loại cảm biến này không tuyến tính


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


tƣơng ứng với bất kỳ thang chia nhiệt độ nào. Các khối cảm biến tích hợp

đƣợc chế tạo khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm đó. Nhƣng ngõ ra của chúng

quan hệ với thang chia độ Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit.

Loại LM35: Precision Centigrade Temperature Sensor.

Với loại LM35 ta có điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang nhiệt độ

Celsius (thang bách phân). Nhƣ thế một mạch điện bù trừ điểm zero của

thang Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối) không còn cần thiết nhƣ một số IC

cảm biến nhiệt khác.

Đặc điểm:

Điện áp hoạt động: VS= 4V tới 30V

Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10mV/0C

Thang đo: -550C đến150

0C với LM 35/35A,

-400C đến110

0C với LM 35C/35CA

00C đến100

0C với LM 35D

Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 0C (trong môi trƣờng không khí)

Mức độ không tuyến tính chỉ 1/40C

Cách kết nối

Hình 1.20

Thang đo:+20C đến150

0C

VS= 4V tới 30V

Hình 1.21

Thang đo: -550C đến150

0C

R1 = VS/50 A

VS= 4V tới 30V

VOUT= 1500 mV tại +1500C

= +250 mV tại +250C

= -550 mV tại -550C


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Loại LM 34

LM 34 giống nhƣ LM 35 nhƣng đƣợc thiết kế cho thang đo Fahrenheit

từ -50 đến +300 0F, độ chính xác 0,4

0F.

LM 34 có ngõ ra 10mV/0F.

Điện áp hoạt động: 5 tới 20 V DC.

Trở kháng ngõ ra LM34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá

trị đọc ra hay điều khiển mạch điện dễ dàng.

2.1.2 Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices

Cảm biến AD 590 (Analog Devices) đƣợc thiết kế làm cảm biến nhiệt

có tổng trở ngõ ra khá lớn (10 M ). Vi mạch đã đƣợc cân bằng bởi nhà sản

xuất, khiến cho dòng mA ra tƣơng ứng với chuẩn nhiệt độ tuyệt đối K. Điện

áp làm việc càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tƣợng tự gia nhiệt. Khi cấp điện

áp thay đổi, dòng điện thay đổi rất ít.

Thang đo: -550C tới 150

0C

Điện áp hoạt động: 4 tới 30 VDC

Dòng điện ra tỉ lệ: 1 A/0K


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


______________________________________________________________

Mạch Cảm Biến Nhiệt Độ Điều Khiển Quạt Tản Nhiệt 12V

I Linh kiện chính sử dụng trong mạch :

1. Cảm biến nhiệt độ LM35dz

- LM35 Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt rất nhạy, ở nhiệt độ

25 oC nó có sai số không quá 1%. Với tầm đo từ 0

oC - 128

oC, tín hiệu ngõ

ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.

- Thông số kỹ thuật :

Tiêu tán công suất thấp.

Dòng làm việc từ 400A – 5mA.

Dòng ngƣợc 15mA.

Dòng thuận 10mA.

Độ chính xác: khi làm việc ở nhiệt độ 25oC với dòng làm việc 1mA thì

điện

- LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV / 1oC.

- điện áp ngõ ra từ 0V – 1.28V.

.

Dải nhiệt độ và sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của LM35

Các bộ biến đổi (Transducer) chuyển đổi các đại lƣợng vật lý ví dụ nhƣ

nhiệt độ, cƣờng độ ánh sáng, lƣu tốc và tốc độ thành các tín hiệu điện phụ

thuộc vào bộ biến đổi mà đầu ra có thể là tín hiệu dạng điện áp, dòng, trở

kháng hay dung kháng. Ví dụ, nhiệt độ đƣợc biến đổi thành về các tín hiệu

điện sử dụng một bộ biến đổi gọi là Thermistor (bộ cảm biến nhiệt), một bộ

cảm biến nhiệt đáp ứng sự thay đổi nhiệt độ bằng cách thay đổi trở kháng

nhƣng đáp ứng của

nó không tuyến tính.


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Bảng 3.1: Trở kháng của bộ cảm biến nhiệt theo nhiệt độ.

Nhiệt độ (0C) Trở kháng của cảm biến (k)

0 29.490

25 10.000

50 3.893

75 1.700

100 0.817

Bảng 3.2: Hƣớng dẫn chọn loạt các cảm biến nhiệt họ LM35.

Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra

LM35A -55 C to + 150 C + 1.0 C 10 mV/F

LM35 -55 C to + 150 C + 1.5 C 10 mV/F

LM35CA -40 C to + 110 C + 1.0 C 10 mV/F

LM35C -40 C to + 110 C + 1.5 C 10 mV/F

LM35D 0 C to + 100 C + 2.0 C 10 mV/F

2. LM358

- Lm358 bao gồm bộ khuyếch đại thuật toán hoạt động độc lập

- Bộ thứ nhất : chân vào 2 , 3 , chân ra 1.

- Bộ thứ hai : chân vào 5,6 , chân ra 7.

Trong mạch sử dụng Lm358 với vai trò so sánh điện áp.


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


II Sơ đồ nguyên lý

- Mạch điều khiển đóng mở quạt tản nhiệt 12V sử dụng cảm biến nhiệt

LM35 để theo dõi nhiệt độ .


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


- Nhiệt độ đƣợc theo dõi và biểu thì thông qua 3 cấp bằng 3 led xanh , vàng

đỏ.

- Lm358 có nhiệm vụ so sánh điện áp ở chân số 6 và chân 2 với điện áp đầu

ra của càm biến nhiệt Lm35.

- Chân số 7 của Lm358 sẽ ở mức cao khi điện áp Vout của Lm35 > điện áp

chân số 6 của Lm368 , và sẽ ở mức thấp nếu V out của Lm358 < Vchân 6 .

- Chân số 1 của Lm358 sẽ ở mức cao khi điện áp Vout của Lm35 > điện

áp chân số 3 của Lm368 , và sẽ ở mức thấp nếu V out của Lm358 < Vchân 2

- Led xanh sẽ sáng khi nhiệt độ nhỏ hơn 60oC .

- Led vàng sẽ sáng khi nhiệt độ lớn hơn 60oC và nhỏ hơn 70

oC.

- Led đỏ sẽ sáng khi nhiệt độ vƣợt quá 70oC .

- Tại thời điểm nhiệt độ vƣợt ngƣỡng này có thể kích hoạt rơ le để ngừng

cung cấp điện hoặc cung cấp điện cho thiết bị bảo vệ (quạt tản nhiệt...).

- Ta có thể tùy chỉnh các mức nhiệt độ tùy theo yêu cầu.

III. Sơ đồ mạch in .


--------------------------------------------------------------------------------------------------------

________________________________________________________________________


Documents

Bao Cao Cam Bien