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.
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 3 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 4 -
- 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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 5 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 6 -
- 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.
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 7 -
- 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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 8 -
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:
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 9 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 10 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 11 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 12 -
- 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.
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 13 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 14 -
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)
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 15 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 16 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 17 -
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
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 18 -
______________________________________________________________
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.
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 19 -
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.
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 20 -
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 .
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 21 -
- 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 .
Cảm Biến Nhiệt Độ Khoa CNKT Điện Tử
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
________________________________________________________________________
Sinh viên thực hiện : Vũ Ngọc Dƣơng – Trần Hữu Nam - 22 -