Trao đổi trực tuyến tại: http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html

Giảng viên: Nguyễn Đức Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự Động MÔN HỌC Giảng viên: Nguyễn Đức Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự Động Khoa Điện – Điện Tử Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Email: ndhoang@hcmut.edu.vn

CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

Nội dung chương 3 3.1 Nguyên lý đo nhiệt độ 3.2 Thang đo và đơn vị 3.3 Thermistor 3.4 Thermocouple 3.5 RTD và cảm biến nhiệt IC

Nguyên lý đo nhiệt (tt) Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa đối tượng và cảm biến Cảm biến không tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại Cảm biến bị tác động của môi trường đo, gây ra sai số khi đo nhiệt độ. Yêu cầu: cực tiểu sai số (thiết kế cảm biến thích hợp hoặc pp đo chính xác)

Nguyên lý đo nhiệt (tt) Có 2 pp xử lý tín hiệu nhiệt độ: + Cân bằng + Dự báo PP cân bằng: nhiệt độ xác định hoàn toàn khi không có sự sai lệch đáng kể giữa nhiệt độ bề mặt đo và nhiệt độ cảm biến, tức là cân bằng nhiệt đạt đến giữa cảm biến và đối tượng đo PP dự báo: cân bằng nhiệt không đạt đến trong thời gian đo, nhiệt độ được xác định thông qua tốc độ thay đổi nhiệt của cảm biến

Thang đo nhiệt và đơn vị Có 4 thang đo được sử dụng để đo nhiệt độ + Celsius / Fahrenheit được sử dụng trong các thang đo hàng ngày + Kelvin / Rankine được sử dụng khi làm việc với thang nhiệt độ tuyệt đối (thường được dùng trong các tính toán khoa học và kỹ thuật)

Fahrenheit (⁰F) / Rankine (⁰R) Celsius (⁰C) / Kelvin (⁰K) Imperial Fahrenheit (⁰F) / Rankine (⁰R) +/- 460 Metric Celsius (⁰C) / Kelvin (⁰K) +/- 273 Fahrenheit [°F] = [°C] · 9/5 + 32 Celsius [°C] = ([°F] − 32) · 5/9 Kelvin [K] = [°C] + 273.15 Rankine [°R] = [°F] + 459.67  

Thermistor Thermistor: điện trở nhạy với nhiệt được sử dụng để đo nhiệt độ Mô hình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở: T = k*R k > 0: thermistor có hệ số nhiệt dương (PTC) k < 0: thermistor có hệ số nhiệt âm (NTC)

Thermistor

Thermistor Thermistor NTC được sử dụng ở 3 chế độ hoạt động khác nhau: + Chế độ điện áp – dòng điện + Chế độ dòng điện – thời gian + Chế độ điện trở - nhiệt độ

Thermistor Chế độ điện áp – dòng điện Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó, thiết bị hoạt động ở chế độ điện áp – dòng điện Ở chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của điều kiện môi trường, ví dụ như sự thay đổi của lưu lượng khí qua cảm biến

Thermistor Chế độ dòng điện – thời gian Đặc trưng dòng điện – thời gian của thermistor phụ thuộc vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt dung của phần tử Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng. Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm Đặc trưng này được sử dụng để làm chậm các ảnh hưởng của các gai áp cao

Thermistor Chế độ điện trở – nhiệt độ Ở chế độ điện trở - dòng điện, thermistor hoạt động ở điều kiện công suất zero, nghĩa là không xảy ra sự tự đốt nóng

Thermistor Chế độ điện trở – nhiệt độ Đa thức bậc 3 xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của thermistor là phương trình Steinhart - Hart T : nhiệt độ thermistor (K) RT : điện trở thermistor () A0, A1, A3 : các hệ số được nhà sản xuất cấp

Thermistor Chế độ điện trở – nhiệt độ Mô hình đơn giản xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của thermistor T : nhiệt độ thermistor (K) RT : điện trở thermistor () tại T R0 : điện trở thermistor () tại T0 B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu BT1/T2 , ví dụ B25/85 = 3540K )

Mạch gia công tín hiệu Dùng mạch cầu Wheatstone

Tuyến tính hóa đặc trưng R/T Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song

Tuyến tính hóa đặc trưng R/T Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song

Ưu nhược điểm Thermistor Ưu điểm + Rất nhạy đối với thay đổi nhỏ + Độ chính xác cao (±0.020C) + Ổn định, tin cậy Nhược điểm + Tầm hoạt động bị giới hạn + Quan hệ R-T phi tuyến

Ứng dụng Thermistor + Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy sấy tóc,… + Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng,… + Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt độ khí thải hay lò đốt,… + Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,… + Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động

Ví dụ Tính điện áp VNTC theo RT? Cho K276 có: B25/100 = 3760K Tính điện áp VNTC khi T = 1000C ? Nhiệt độ của thermistor khi VNTC = 5V ?)

Ví dụ Tính điện áp V0 ? Biết : R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, T = 800C Nếu V0 = 3V, vậy nhiệt độ thermistor = ?

Ví dụ Tính điện áp V0 theo Rt ?

Thermocouple Khi 2 kim loại khác nhau được nối 2 đầu, một đầu đốt nóng thì có một dòng điện chạy trong mạch

Thermocouple Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt độ và thành phần của 2 kim loại Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ : eAB = T : hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ

Thermocouple VD: Hiệu điện áp Thermocouple loại K tại 3000C = 12.2mV

Các loại Thermocouple

Thermocouple

Các định luật Thermocouple 1.Dòng nhiệt điện không thể tạo ra trong các mạch đồng nhất 2. Tổng đại số sức nhiệt điện trong một mạch được cấu tạo từ các chất dẫn điện khác nhau bằng 0 nếu nhiệt độ tại các chỗ tiếp giáp như nhau

Các định luật Thermocouple 3. Nếu 2 tiếp giáp tại nhiệt độ T1 và T2 tạo ra điện áp Seebeck V2, tại nhiệt độ T2 và T3 tạo ra điện áp V1 thì tại nhiệt độ T1 và T3 tạo ra điện áp là V3 = V1 + V2

Đo điện áp Thermocouple Không thể đo trực tiếp điệp áp Seebeck vì: Phải nối vôn kế vào Thermocouple và chính các dây dẫn vôn kế tạo ra một mạch nhiệt điện khác Muốn tìm nhiệt độ tại J1 phải biết nhiệt độ tại J2

Lớp tiếp giáp tham chiếu

Lớp tiếp giáp tham chiếu

Mạch tham chiếu Thay khối Ice Bath bởi khối Isothermal

Mạch tham chiếu Áp dụng định luật 2

Mạch tham chiếu Mạch tương đương Đo RT  TREF  VREF Đo VV1=V+VREF TJ1

Ưu nhược điểm Thermocouple Ưu điểm + Giá thành thấp + Ổn định cơ học + Tầm hoạt động rộng (-200 0C ÷ 2000 0C) Nhược điểm + Độ nhạy thấp (V/ 0C) + Cần phải biết nhiệt độ tham chiếu + Yêu cầu calib định kì

Ví dụ Cho Thermocouple loại J có độ nhạy  = 53V/0C Khi nhiệt độ đo T = 100 thì vôn kế chỉ bao nhiêu? Nếu vôn kế chỉ 0.507mV thì nhiệt độ đo T = ?

Ví dụ Tính điện áp V1 và V2 ? Thermocouple loại K có  = 40V/0C, Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K. Cho nhiệt độ Thermocouple 5000C, nhiệt độ tham chiếu 35 0C

Ví dụ Tính điện áp tại chân AN0 và AN1? Thermocouple loại K có  = 40V/0C, Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, Zener có VZ = 2.5V. Cho nhiệt độ Thermocouple 5000C, nhiệt độ tham chiếu 35 0C

Ví dụ Tính điện áp Vout ? Thermocouple loại K có  = 40V/0C, Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, Zener có VZ = 2.5V. Cho nhiệt độ Thermocouple 5000C, nhiệt độ tham chiếu 35 0C

Khuếch đại công cụ

RTD RTD (Resistance Temperature Detector) là cảm biến nhiệt dựa vào hiện tượng điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng Ví dụ: RTD platin 100. Dây platin co hệ số nhiệt  = 0.0039 //0C  RTD platin 100  có điện trở tại 00C = 100  và hệ số nhiệt  = 0.39 /0C

RTD Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của RTD được biểu diễn bằng phương trình đơn giản sau:

RTD Để đo nhiệt độ có tầm đo lớn hay độ chính xác cao ta sử dụng phương trình Calendar Van – Dusen như sau:

Ví dụ RTD Sử dụng RTD platin 100  để đo nhiệt độ. Nếu điện trở hiện tại của platin là 110  thì nhiệt độ đo được bằng bao nhiêu? (so sánh kết quả khi sử dụng 2 phương trình trên)

PP nối dây RTD Có 3 pp nối dây được sử dụng

Ưu nhược điểm RTD Ưu điểm + Rất chính xác + Ổn định + Tuyến tính + Độ nhạy thấp + Cần mạch kích dòng + Giá thành cao

Mạch kích dòng RTD

Mạch ứng dụng RTD

Cảm biến nhiệt IC Hầu hết các cảm biến nhiệt IC sử dụng tính chất cơ bản của các lớp tiếp xúc bán dẫn PN là hàm của nhiệt độ. Các cảm biến nhiệt IC thông dụng: + LM135, LM235, và LM335: 10mV/K output + LM35 : 10mV/0C output + LM34 : 10mV/0F output + AD590 : 1 μA/K output

Nối dây cảm biến nhiệt IC Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM135, LM235, LM335. Điều chỉnh biến trở để hiệu chỉnh điện áp ngõ ra tại nhiệt độ đã biết (vd: 2.982V tại 25 0C)

Nối dây cảm biến nhiệt IC Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM34, LM35, LM45.

Ưu nhược điểm cảm biến nhiệt IC Ưu điểm + Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác + Giá thành thấp + Kích thước gọn nhẹ + Ngõ ra có thể điện áp, dòng điện hoặc số và tỷ lệ với độ K, F, C Nhược điểm + Tầm nhiệt độ thấp (-55 0C ÷ 150 0C) + Cần mạch kích

Ví dụ Cho IC LM35 có ngõ ra 10mV/0C. Tính độ nhạy ngõ ra Vout.

Ví dụ Tính điện áp ngõ ra khi nhiệt độ đo là 5000C, biết nhiệt độ cảm biến nhiệt IC là 300C.

Ví dụ

Bài tập RTD Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và hệ số tiêu tán nhiệt  = 6mW/K khi ở trong không khí và  = 100mW/K khi nhúng trong nước. Tính dòng điện tối đa qua cảm biến để giữ sai số do đốt nóng dước 0.10C. Giải: Nhiệt độ tăng khi tiêu tán lượng công suất PD là: Dòng tối đa: Đáp số : 2.4mA và 10mA

Bài tập RTD RTD trong tầm tuyến tính: : hệ số nhiệt (TCR) được tính từ 2 R tại 2 t0 tham chiếu Đáp số : 2.4mA và 10mA : còn gọi là độ nhạy tương đối và phụ thuộc t0 tham chiếu

Bài tập RTD VD: Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và có  = 0.00389//K tại 00C. Tính độ nhạy và hệ số nhiệt tại 250C và 500C? Giải: Đáp số : 2.4mA và 10mA Hệ số nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng

Bài tập Thermistor Hệ số nhiệt (TCR) hay độ nhạy tương đối Thermistor VD: Tính độ nhạy Thermistor có B = 4200K tại 00C và 500C Đáp số : 2.4mA và 10mA

Bài tập Thermistor Thermistor 2322 640 90007 có R25 = 12k, R90 = 1.3k và  = 10mW/K trong nước. Cảm biến này được sử dụng đo nhiệt độ nước từ 00C và 1000C. Tính dòng điện tối đa qua cảm biến để giữ sai số do đốt nóng dước 0.50C. ĐS: Dòng điện tối đa tại 00C (Rmax = 13640). I < 0.8 mA Đáp số : 2.4mA và 10mA

Bài tập Thermistor Mạch khuếch đại DC có 3 độ lợi khác nhau tại 3 nhiệt độ khác nhau. Thermistor NTC có R20 = 30K và B = 4000K. Tính các giá trị điện trở: Rs , Rp , RG để tại các nhiệt độ 150C, 250C và 350C mạch có độ lợi tương ứng: 0.9, 1.0, 1.1 ? Đáp số : 2.4mA và 10mA ĐS: 17.8K, 27.13K, 16.43K.

Bài tập Thermistor Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 200C đến 1000C với độ phân giải 0.10C, Pt100 có điện trở 100 và có  = 0.00385//K tại 00C và  = 40mW/K. Tính Rr nếu Vr = 5V. Đáp số : 2.4mA và 10mA

Bài tập Thermistor Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 200C đến 1000C với độ phân giải 0.10C, Pt100 có điện trở 100 và có  = 0.00385//K tại 00C và  = 40mW/K. Tính Rr để ngõ ra có độ nhạy 1mV/0C. Vr = 5V. Đáp số : 2.4mA và 10mA

Bài tập Thermistor Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 00C đến 500C với độ phân giải 0.250C, Pt1000 có điện trở 1000 và có  = 0.00375//K tại 250C. Tính R1 , R2 , Rp và Vref ngõ để dòng qua cảm biến 50V và áp ra 0 đến 2V. Đáp số : Rp >100K, Vref = 45.5mV, R2 = 212.3R1; chọn R1 = 100, R2 = 21K