Giáo trình Đo lường-Cảm biến - Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ

Nội dung text: Giáo trình Đo lường-Cảm biến - Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ

1. Đo lường - cảm biến Cảm biến đo nhiệt độ
2. Các loại cảm biến thông dụng Đo lường – Cảm biến
3. Cảm biến nhiệt độ: Các bộ phận của cảm biến nhiệt độ:  Phần tử cảm nhận: vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ  Đầu kết nối: kết nối giữa phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài, có nhiệt dẫn suất và điện trở nhỏ  Vỏ bọc bảo vệ: phân cách phần tử cảm nhận với môi trường, có nhiệt trở thấp và cách điện tốt, chịu ẩm và chống ăn mòn tốt. Đo lường – Cảm biến
4. Các loại cảm biến nhiệt độ RTD (Resistance Temperature Detector) Thermistor Thermocouples Bán dẫn Hồng ngoại Đo lường – Cảm biến
5. Cảm biến nhiệt độ: RTD  Có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi nhiều theo nhiệt độ.  Gần như tuyến tính trên một dải đo rộng (quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ gần tuyến tính).  Cần cung cấp một dòng điện để tạo ra điện áp rơi trên cảm biến. Đo lường – Cảm biến
6. Cảm biến nhiệt độ: RTD Ưu điểm Nhược điểm • Hoạt động ổn định • Giá thành cao • Độ chính xác cao • Thời gian đáp ứng chậm • Có khả năng chống bụi, • Độ nhạy thấp khi nhiệt độ chống ăn mòn cao thay đổi ít • Nhạy cảm với rung sốc • Cần hiệu chỉnh nếu sử dụng ngoài tầm nhiệt độ định mức Đo lường – Cảm biến
7. Cảm biến nhiệt độ: RTD Đo lường – Cảm biến
8. Cảm biến nhiệt độ: RTD Đo lường – Cảm biến
9. Đo lường – Cảm biến
10. Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu)  Gồm 2 hay nhiều thanh dẫn điện được hàn với nhau.  Biến đổi nhiệt năng thành điện năng.  Cần có sự chênh nhiệt giữa mối nối có nhiệt độ cần đo t và mối nối có nhiệt độ chuẩn t0  Dễ dàng sử dụng và đo lường. Đo lường – Cảm biến
11. Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu) Ưu điểm Nhược điểm  Đơn giản  Độ ổn định kém  Khả năng đo nhiệt độ cao  Ít nhạy cảm với sự thay đổi  Giá thành thấp nhỏ của nhiệt độ  Đáp ứng nhanh đối với sự  Dây dẫn nối dài phải dùng thay đổi nhiệt độ cùng loại thermocouple  Dây dẫn có thể bị nhiễu nếu không bọc giáp chống nhiễu Đo lường – Cảm biến
12. Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu) là hằng số Seebeck Volt kế sẽ đọc giá trị Gọi J2 là mối nối có nhiệt độ chuẩn, hai mối nối J1 và J2 đều là mối nối Cu-C, T có đơn vị 0C Nếu cho mối nối J2 ở nhiệt độ 00C Đo lường – Cảm biến
13. Cảm biến nhiệt độ: Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu) Constantan: hợp kim của đồng và nickel
14. Đo lường – Cảm biến
15. Ví dụ Đo lường – Cảm biến
16. Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở) • Là hỗn hợp của các oxit kim loại được nén định dạng. • Có thể có kích thước rất nhỏ, một số trường hợp nhỏ hơn 1mm. • Có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (hệ số nhiệt âm, negative temperature coefficient (NTC)). Đo lường – Cảm biến
17. Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở) Ưu điểm Nhược điểm • Có độ nhạy cao đối với • Tầm đo bị giới hạn sự thay đổi nhỏ của • Dễ vỡ nhiệt độ • Phải hiệu chỉnh nếu • Ổn định cao dùng ngoài tầm đô định • Có thể dùng dây nối mức bằng đồng hoặc nickel Đo lường – Cảm biến
18. Cảm biến nhiệt độ: Thermistor (Nhiệt điện trở) Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ R – điện trở tại nhiệt độ T(K) R0 – điện trở tại nhiệt độ môi trường T0(K) B – hằng số beta của nhiệt điện trở Đo lường – Cảm biến
19. Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến hồng ngoại Đo lường – Cảm biến
20. Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến hồng ngoại Ưu điểm Nhược điểm • Cảm biến không tiếp xúc • Giá thành cao • Đáp ứng nhanh hơn hoặc • Mạch điện tử giao tiếp phức bằng với thermocouples tạp • Không ảnh hưởng bởi quá • Chịu ảnh hưởng của bụi, trình ăn mòn hoặc oxy hóa khói, bức xạ môi trường, • Ổn định Đo lường – Cảm biến
21. Cảm biến nhiệt độ: Bán dẫn Các linh kiện bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ: diode hoặc transitor nối theo kiểu diode. Điện áp trên diode hoặc giữa 2 mối nối C-E của transitor là hàm của nhiệt độ. Tầm đo nhỏ hơn so với thermocouples và RTD, nhưng khá chính xác và có giá thành thấp. Đo lường – Cảm biến
22. Thí nghiệm đo nhiệt độ dùng thermocouples, RTD, thermistor Temperature Thermocouple RTD Thermistor (degrees Celsius) (mille-Volts) (ohms) (kilo-ohms) 19 -0.10 108.00 105.60 20 -0.10 108.40 99.80 21 0.00 108.70 94.20 22 0.00 109.00 88.20 23 0.00 109.50 83.80 24 0.10 110.00 79.70 25 0.10 110.40 75.90 26 0.10 110.90 73.30 27 0.20 111.30 70.00 28 0.20 111.50 68.40 29 0.30 112.00 63.40 30 0.40 112.90 60.50 32 0.50 113.20 54.80 34 0.70 114.10 49.20 36 0.70 114.80 45.50 Đo lường – Cảm biến
23. Thí nghiệm đo nhiệt độ dùng thermocouples, RTD, thermistor Thermocouple RTD 3.50 135.00 3.00 130.00 2.50 125.00 2.00 120.00 1.50 115.00 1.00 Voltage (mV) 110.00 0.50 Resistance (Ω) 105.00 0.00 -0.50 100.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature (∘C) Temperature (∘C) Thermistor 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 Resistance Resistance (KΩ) 20.00 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature (∘C) Đo lường – Cảm biến
24. Vòng kín điều khiển nhiệt độ Đo lường – Cảm biến
25. Bài tập 1. Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng LM35 và giải thuật để đọc nhiệt độ bằng vi điều khiển 2. Như câu 1, dùng RTD 3. Như câu 1, dùng Thermistor (R0 = 1000 Ohm, B = 3068) 4. Như câu 1, dùng Thermocouples (loại J) Đo lường – Cảm biến