Chương 2
CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
Đại lượng vật lý nhiệt độ luôn tồn tại và hiện diện xung quanh ta. Ngày nay việc đo, kiểm
soát và điều khiển nhiệt độ không thể thiếu trong dân dụng và công nghiệp. Nhiệt điện trở là loại
cảm biến được phát hiện do Humphry (năm 1828), ông ta nhận thấy điện trở của một số kim loại
thay đổi theo nhiệt độ và Wiliam Siemens là người đầu tiên sử dụng nhiệt kế điện trở (1871) từ
đó nhiệt điện trở được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ và các đại lượng khác.
Tùy vào tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chảy qua, người ta phân thành nhiệt điện
trở bị đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng.
§ Nhiệt điện trở không đốt nóng: dòng điện chảy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ của
cảm biến, do đó dạng này thường dùng đo nhiệt độ môi trường.
§ Nhiệt điện trở đốt nóng: dòng điện qua cảm biến có giá trị số lớn làm cho nhiệt độ
của bản thân lớn hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh. Sự trao đổi nhiệt giữa điện
trở và môi trường xung quanh do đối lưu, nhiệt dẫn hoặc bức xạ (sự trao đổi nhiệt này
phụ thuộc vào các yếu tố kích thước hình học, trạng thái bề mặt, tính chất vật lý.).
Nhiệt điện trở loại này thường ứng dụng đo các đại lượng vật lý như tốc độ của lưu
chất, nồng độ và mật độ chất khí.
§ Ngoài hai cách phân loại trên, cảm biến nhiệt điện trở còn phân loại theo cấu trúc của
vật liệu như nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn.
17 trang |
Chia sẻ: thuychi11 | Lượt xem: 672 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem nội dung tài liệu Điện - Điện tử - Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 10
Chương 2
CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
Đại lượng vật lý nhiệt độ luôn tồn tại và hiện diện xung quanh ta. Ngày nay việc đo, kiểm
soát và điều khiển nhiệt độ không thể thiếu trong dân dụng và công nghiệp. Nhiệt điện trở là loại
cảm biến được phát hiện do Humphry (năm 1828), ông ta nhận thấy điện trở của một số kim loại
thay đổi theo nhiệt độ và Wiliam Siemens là người đầu tiên sử dụng nhiệt kế điện trở (1871) từ
đó nhiệt điện trở được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ và các đại lượng khác.
Tùy vào tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chảy qua, người ta phân thành nhiệt điện
trở bị đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng.
§ Nhiệt điện trở không đốt nóng: dòng điện chảy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ của
cảm biến, do đó dạng này thường dùng đo nhiệt độ môi trường.
§ Nhiệt điện trở đốt nóng: dòng điện qua cảm biến có giá trị số lớn làm cho nhiệt độ
của bản thân lớn hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh. Sự trao đổi nhiệt giữa điện
trở và môi trường xung quanh do đối lưu, nhiệt dẫn hoặc bức xạ (sự trao đổi nhiệt này
phụ thuộc vào các yếu tố kích thước hình học, trạng thái bề mặt, tính chất vật lý...).
Nhiệt điện trở loại này thường ứng dụng đo các đại lượng vật lý như tốc độ của lưu
chất, nồng độ và mật độ chất khí....
§ Ngoài hai cách phân loại trên, cảm biến nhiệt điện trở còn phân loại theo cấu trúc của
vật liệu như nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn.
Trong quá trình điều khiển các hệ thống tự động có liên quan đến nhiệt năng, chúng ta
thường sử dụng đến các loại cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ thực của đối tượng cần được
kiểm sóat trong hệ thống. Các dạng cảm biến nhiệt thường được sử dụng trong công nghiệp
thuộc một trong các loại sau:
§ Nhiệt điện trở kim loại (RTD: Resistance-Temperature Detectors) là cảm biến
dạng phát hiện sự thay đổi nhiệt độ trung gian qua sự thay đổi điện trở của kim loại.
§ Nhiệt điện trở bán dẫn (Themistor) là loại cảm biến đo lường nhiệt độ thông qua
sự thay đổi điện trở của vật liệu bán dẫn.
§ Nhiệt điện trở cặp nhiệt điện (Thermocouple) là loại cảm biến dùng đo lường
nhiệt độ dựa trên các hiệu ứng Peltier, Thomson và Sheebek.
§ Một số dạng chuyên dụng khác: đo nhiệt độ từ xa, các IC nhiệt.
2.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ là đại lượng đo cơ bản cùng với chiều dài, thời gian và khối lượng. Đơn vị đo nhiệt độ là
Celsius (0C), Kelvin (0K) và Fahrenheit (0F). Mối liên hệ giữa các thang đo nhiệt độ thể hiện hình 2.1
373 100° 672 212°
273 0° 492 32°
0 -273° 0 -460°
BOILING POINT
OF WATER
ICE POINT
ABSOLUTE ZERO
kELVIN CELSIUS RANKINE FAHRENHEIT
Hình 2.1
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 11
Công thức chuyển đổi thang đo nhiệt độ:
°C = 5/9 (°F - 32 )
°F = 9/5 (°C) + 32
0K = 273 +°C
0R = 460 + °F
2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI:
Nhiệt điện trở kim loại thường gọi là RTD (Resistance Temperature Detector) cấu tạo
bằng dây kim loại hoặc màng mỏng (hình 2.2) như platinum, nickel, đồng, vonfram,... dựa trên
nguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ. Để giảm tổn hao do nhiệt dẫn, chiều dài
của dây cần lớn hơn đường kính dây gấp nhiều lần (hơn 200 lần) thông thường đường kính dây
thay đổi từ 0,02÷0,06mm.
Platinum
resistance changes
with temperature
Rosemount’s
Series 78, 88
Rosemount’s
Series 68, 58
Series 65
Two common types of RTD elements
Wire-wound sensing element
Thin-film sensing element
Hình 2.2
Chiều dài l dây từ 5÷1000mm, điện trở dây từ vài chục ôm đến hàng nghìn ôm. Vật liệu
cần chế tạo có hệ số nhiệt độ (a) lớn, bền hóa học với tác dụng của môi trường. Điện trở suất
(ρ) lớn và chịu nhiệt độ cao.
Để có độ nhạy cao, điện trở phải lớn. Muốn vậy phải:
§ Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế vì tiết diện càng nhỏ dây càng dễ dứt.
§ Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị giới hạn vì tăng chiều dài làm tăng kích thước
của điện trở.
Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống va chạm và rung
động, điện trở được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm đặt trong vỏ bọc bằng thép (hình 2.3).
Kích thước và hình dạng lớp vỏ kim loại dưới dạng thanh hình trụ: đường kính của các thanh kim lọai
này tuân theo tiêu chuẩn định trước: 3, 4, 5, 6, 8, 10 và 15 mm; và bề dài thỏa tiêu chuẩn: 250, 300,
500, 750 và 1000 mm. Với RTD dùng điện trở dây quấn, dữ liệu ghi nhận chính xác hơn do lớp kim
loại bao bọc che chở bên ngoài và dây quấn rất ít thay đổi độ dài trong qua trình họat động. Điện trở
màng là điện trở tạo nên do lớp kim loại
được in lụa hay sơn phủ trong chân
không lên tấm bảng bằng ceramic hoặc
thủy tinh. Điện trở màng có tính chính
xác kém hơn điện trở dây quấn, nhưng
có lợi điểm nhỏ gọn và giá thành thấp
hơn.
Thường các RTD có giá tr ị
điện trở là 100Ω ở 00C. Trên thực tế
các sản phẩm thương mại có điện trở ở
00C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở
Hình 2.3
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 12
có trị số lớn thường dùng đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó cho phép đo với độ nhạy tốt.
2.2.1 Nhiệt điện trở Đồng:
Là loại cảm biến nhiệt độ được chế tạo bằng dây đồng. Dải làm việc của nhiệt điện trở đồng từ
500C ÷ 1800C. Phương trình biểu diễn quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ:
)1(0 tRRt a+= (2.1)
Trong đó: α- hệ số nhiệt độ. α=3,9.10-3 1/0C trong khoảng nhiệt độ từ 00C ÷ 1000C; t- nhiệt độ;
R0- điện trở tại 00C
Hình 2.4
2.2.2 Nhiệt điện trở Niken:
Là loại cảm biến nhiệt độ có dải làm việc cao hơn đồng từ 1950C ÷ 2600C.
Niken có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin. Điện trở niken ở 1000C gấp 1,617 lần
ở 00C, đối với platin chỉ bằng 1,385. Tuy nhiên, niken dễ bị oxy hóa khi nhiệt độ tăng do đó
dải nhiệt bị giới hạn dưới 2500C.
Ưu điểm của niken là điện trở suất cao (gấp 5 lần đồng). Trong khoảng nhiệt độ từ 00C ÷
1000C có αNi=4,7.10-3 1/0C.
Do có hệ số nhiệt độ lớn cho phép chế tạo được cảm biến có kích thước nhỏ.
2.2.3 Nhiệt điện trở Platin:
Platin được chế tạo với độ tinh khiết cao nhằm tăng độ chính xác của đặc tính điện. Platin trơ
về hóa học và ổn định về tinh thể cho phép hoạt động tốt trong dải nhiệt rộng từ: -2000C ÷
10000C. Phương trình đặc trưng cho quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là:
))100(1( 320 -+++= tttRRt cba (2.2)
)1( 20 ttRRt ba ++= (2.3)
Công thức (2.2) dùng trong cho t0
Trong thực tế người ta thường sử dụng nhiệt điện trở Platin được chế tạo dưới dạng chuẩn
Pt100 để làm cảm biến đo nhiệt độ từ 00C ÷ 1000C. Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ có đặc
tuyến gần như tuyến tính:
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 13
)1(0 tRRt a+= (2.4)
Với α≈ 4,3.10-3 1/0C
Các cấp sai số cho phép của RTD được trình bày trong bảng 2.1 sau đây:
BẢNG 2.1: SAI SỐ CHO PHÉP CỦA RTD PLATINUM THEO CÁC CẤP A, B, C, D:
CẤP SAI SỐ BIỂU THỨC XÁC ĐỊNH SAI SỐ GHI CHÚ
A ( )t.002,015,0 +±
B ( )t.005,030,0 +±
C ( )t.009,040,0 +±
D ( )t.0018,060,0 +±
§ |t| là giá trị tuyệt đối của nhiệt
độ tại giá trị đo được.
§ Giá trị của sai số và nhiệt độ t
tính theo độ 0C.
Ngoại trừ các thông số vừa nêu trên, theo tiêu chuẩn IEC751 RTD còn có các đặc tính khác như:
điện trở cách điện, khả năng chịu đựng đối với môi trường, hiệu ứng nhiệt điện, chấn động... Một
vài đặc tính được trình bày như sau:
Hiệu ứng nhiệt điện: RTD thường được tạo thành từ hai kim lọai: phần tử cảm biến làm
bằng Platinum và các đầu ra làm bằng đồng (cấu tạo này có tác động tương tự như
thermocouple). Với độ chênh lệch nhiệt độ đặt trên phần tử, điện áp sinh ra do hiệu ứng nhiệt
điện có giá trị bằng 7mV/ oC. Hiệu ứng này thực sự chỉ cần đến với các phép đo lường chính xác
cao tại các dòng điện kích thích có giá trị rất thấp.
Dòng điện đo lường: Giá trị dòng điện đo lường trong phạm vi từ: 1, 2 và 5 mA; tuy
nhiên giá trị 5mA không cho phép xãy ra trên RTD cấp A
Các đầu dây ra trên RTD: có thể thuộc 1
trong 3 dạng sau: 2 , 3 hay 4 đầu dây. Theo
tiêu chuẩn IEC751 tại mỗi đầu của RTD cho
phép ra 2 dây, các dây này phải có code màu
giống nhau. Code màu thường dùng cho các
đầu ra RTD là : đỏ và trắng, xem hình 2.5.
Ký hiệu ghi trên cảm biến: Theo tiêu chuẩn
IEC751 trên RTD cho phép ghi: giá trị định
mức Ro; cấp sai số, cấu hình của các đầu dây ra, dãy nhiệt độ làm việc cho phép.
Ví dụ trên cảm biến ghi: Pt 100 /A /3 /-100 /+200 . Ý nghĩa của các ký hiệu được hiểu như sau:
Pt : RTD là loại Platinum
100: Điện trở định mức của RTD ở 0oC là Ro = 100 W.
A: Cấp sai số là cấp A.
3: RTD có 3 đầu ra dây.
-100/+200: Dãy nhiệt độ làm việc: từ -100oC đến 200oC.
Hình 2.5
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 14
Bảng 2.2 : Bảng tóm tắt đặc tính của một số RTD của các nhà sản xuất sau:
MẢ SỐ
CẢM
BIẾN
NHÀ
SẢN-XUẤT
THÔNG SỐ
NGÕ RA
DÃY SAI SỐ KIỂU VỎ YÊU CẦU
TD4A
TD5A
HONEYWELL
8W/ oC
(1854W tại 0oC)
± 2,5oC
(-40oC ¸150oC)
TO92
hay trong
ống
Điện trở màng kim
lọai trên silicon
KTY81
KTY82
KTY83
KTY84
KTY85
PHILIPS
1KW đến 2KW tại
25oC
(+ 0,8% / oC)
± 6oC ¸ ± 12oC
(-55oC ¸ 150oC có
thể đến 300oC)
SOD-70
SOT-23
SOD-68
SOD-80
Điện trở silicon dạng
khối (bulb). Dòng kích
thích duy trì trong
phạm vi lớn hơn
0,1mA và nhỏ hơn
1mA
KYY10
KYY11
KYY13
SIEMENS
1KW đến 2KW
tại 25oC
(+ 0,8% / oC)
± 1oC và ± 3,5oC
(-55oC ¸150oC)
TO92
Điện trở silicon dạng
khối (bulb).
32208243
32209115
Như Pt100 và
Pt1000
±1oC
(-50oC ¸ 130oC)
1206SMD
SOT223
RTD có phủ mặt
HA421
HA2421
HERAEUS
Pt200 tại 25oC ± 4,5
oC ¸ ± 15oC
(-70oC ¸1000oC)
Thanh
Áp dụng trong công
nghiệp auto
Trong ứng dụng người ta thường sử dụng nguồn dòng 1mA để cung cấp cho RTD:
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 15
Cho sơ đồ cầu đo hai dây (H.2.6)
Hình 2.6
)(
21
2
3 2
2
RR
R
RRR
RR
VV
LT
LT
Ro +
-
++
+
= (2.5)
Điện áp V0 không tuyến tính tỷ lệ với TR và điện trở dây nối ảnh hưởng đến độ chính xác.
Sơ đồ ba dây cho độ chính xác cao hơn (H.2.7).
T L
o R
T L L
R R RV V
R R R R R R
( )
+
= -
+ + + +
2
3 1 2 (2.6)
Chọn: R1=R2, R3=R0
T Lo R
T o L
R RV V
R R R
( )
+
= -
+ +
1
2 2
o L
R
o o L
R T RV
R T R R
( )
( )
( )
+ a +
= -
+ a + +
1 1
1 2 2
a
=
a
+ +
1
4 1
2
o R
L
o
TV V R T
R
L
R
o
RT TV
R
( )
a a
» - -1
4 2
(2.7)
Khi khoảng đo nhỏ có thể coi như: a»
4o R
TV V
Muốn giảm độ phi tuyến nên chọn 31 RR = và khá lớn (10 lần) so với mTR ; mTR là trị số nhiệt
điện trở ở giữa tầm nhiệt độ đo, 2R điều chỉnh sao cho cầu cân bằng ở nhiệt độ mT .
Hình 2.7: Sơ đồ ba dây Hình 2.8: Sơ đồ bốn dây nguồn dòng
[ ]21021
10
211102
mTLo
TmLoRo
LmT
LmT
mTLT
LT
Ro
RRTR
RRRV
T
V
RR
RR
RRR
RR
VV
++a+
+a
=
D
D
+
+
-
++
+
=
)(
)(
)(
(2.7)
Dùng PT100 tầm đo 0 o C đến 500 o C, =LR 10W, mT = 250 o C, VR= 10V, ta tính được độ phi
tuyến tối đa khoảng 4%. Điện áp Vo đưa vào khuếch đại vi sai có tổng trở vào cao.
Một phương pháp tăng độ chính xác thường dùng trong máy ghi là phương pháp cầu cân bằng,
biến trở R2 là biến trở trượt tuyến tính có trị số tỷ lệ với khoảng di chuyển của con chạy, con chạy di
chuyển mang theo bút vẽ, điện áp ra từ mạch khuếch đại dùng để điều khiển động cơ di chuyển con
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 16
chạy, khi cầu cân bằng động cơ ngừng, R2= RT và vị trí con chạy tỷ lệ RT.
Sơ đồ bốn dây dùng nguồn dòng cho độ chính xác tốt nhất (H.2.8) vì:
1( )o S T S oV I R I R T= = + a (2.8)
Sơ đồ chuyển đổi từ nhiệt điện trở bốn dây ra điện áp. Hình 2.9 (www.national.com)
Hình 2.9
Vi mạch LM4140A cấp áp chuẩn 2.5V, vi mạch A1 (LMP2011) tạo nguồn dòng 1mA chạy qua
RTD, A2, A3, A4 tạo thành khuếch đại vi sai. Hình 2.10 là một sơ đồ khác với hai dây L3, L4 không nối
với RTD.
Hình 2.10a: Chuyển đổi nhiệt điện trở –điện áp Hình 2.10b: Mạch nguồn dòng
Vi mạch LM385 là diode nguồn chuẩn điều chỉnh được, có điện áp giữa chân + và chân FB là
1,24V, dòng qua vi mạch từ 10mA đến 20mA, điện áp giữa chân + và – của vi mạch sẽ ổn định dòng
qua R1 là Io
1
1 24 10,= =o
VI mA
R
2.3 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN (THERMISTOR)
Nhiệt điện trở bán dẫn (themistor) có độ nhạy nhiệt rất cao, gấp hàng chục lần độ nhạy
nhiệt điện trở kim loại. Nhiệt điện trở có thể chia thành 2 loại:
§ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương (PTC) coù giaù trò ñieän trôû taêng khi nhieät ñoä
taêng.
§ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm.
Nhiệt điện trở được làm từ các hỗn hợp oxit bán dẫn, đa tinh thể như MgO,
MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Bột oxit được trộn với nhau theo tỉ lệ
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 17
nhất định sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 10000C. Các dây nối được hàn
tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại.
Nhiệt điện trở có kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từng điểm, đồng thời nhiệt
dung nhỏ nên thời gian đáp ứng ngắn.
Đối với nhiệt điện trở bán dẫn, nhiệt độ ảnh hưởng đến nồng độ điện tích tự do (n, p). Sự
thay đổi nhiệt độ làm đứt mối liên kết giữa các nguyên tử và dẫn đến hính thành các cặp điện
tử, lỗ trống. Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của nhiệt điện trở bán dẫn được biểu diễn bằng
công thức:
ú
û
ù
ê
ë
é
÷÷
ø
ö
çç
è
æ
+=
0
0
11
exp
TT
RRT b (2.5)
Trong đó: R0- là điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối T0; β- hệ số nhiệt độ phụ thuộc vào tính chất
vật lý của bán dẫn.
Độ nhạy của cảm biến:
2TR
ba -= (2.6)
2
1
11
ln
1
21
R
R
TT -
=b (2.7)
T1- nhiệt độ tương ứng R1
T2- nhiệt độ tương ứng R2
Ưu điểm của nhiệt điện trở ba1b dẫn là có độ nhạy nhiệt cao. Giải đo nhiệt độ từ vài độ 0K
đến 3000C. Vì độ nhạy cao, nhiệt điện trở được ứng dụng để phát hiện biến thiên nhiệt độ rất
nhỏ (khoảng 10-4 ¸ 10-3K).
Điện trở thay đổi từ 50 Ω đến 100Ω và có thể tới 500Ω tùy thuộc vào nhiệt độ đo. Nhược
điểm của điện trở bán dẫn là đặc tính nhiệt có độ phi tuyến cao, khó khắc độ. Hình 2.6 đặc tính
điện trở và nhiệt độ của RTD và Themistor.
Hình 2.6
Thermistor thường dùng cho khoảng nhiệt độ 500C đến1500C. Do tính chất phi tuyến của
nó, người ta không dùng thermistor để đo nhiệt độ mà dùng trong mạch cảnh báo quá nhiệt hay
mạch bù nhiệt.
Trong trường hợp cần đặc tuyến tuyến tính theo nhiệt độ, phải dùng phương pháp tuyến
tính hóa. Sau đây giới thiệu một số phương pháp tuyến tính hóa:
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 18
F Dùng điện trở song song (Hình 2.7)
Hình 2.7
Khi có PR song song với TR thì điện trở abR sẽ thay đổi theo T và có điểm uốn. Chọn
nhiệt độ làm việc là mT và chọn PR sao cho:
=
2
2 0ab
d R
dT
, ở = mT T (2.8)
ta suy ra:
b -
=
b +
2
2m
m
P T
m
TR R
T
(2.10)
trong đó: TmR - điện trở thermistor ở nhiệt độ mT
( )( )r= - a -1ab P Tm mR R R T T// ( ở vùng cận của mT
( )2
1
/
( / )
m
m
T
T
R Rr r
b
a =
+
(2.11)
F Dùng điện trở nối tiếp (Hình 2.8)
Hình 2.8
Trong trường hợp này ta tính độ dẫn điện của mạch gồm sR và TR sao cho: abG tăng
tuyến tính theo nhiệt độ trong vùng nhiệt độ làm việc mT , abG có điểm uốn ở mT . Ta tính
được:
b -= =
b +
21
2 m
m
s T
s m
TG G
R T
(2.12)
( )= + a -
+
1 1
m
ab s m
s T
G T T
R R
( ) (2.13)
( )
1
/
( / )
m
m
s
T s
T
G G
b
a =
+
(2.14)
2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ CẶP NHIỆT ĐIỆN
Năm 1821 Seebeck (Thomas Seebeck: nhà vật lý Estonia), phát hiện hiện tượng hai thành
kim loại khác nhau được nối kín với nhau, tại các mối nối có chênh lệch nhiệt độ thì xuất hiện dòng
điện trong nó người ta gọi là dòng điện Seebeck. (Hình 2.9)
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 19
Hình 2.9
Hai dây kim loại khác nhau được hàn với nhau ở một đầu gọi là đầu nối nóng hay đầu đo (hot
junction), hai đầu dây còn lại là đầu lạnh hay đầu chuẩn, đầu tự do (could junction), hình 2.10; khi có
sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu trên hai đầu dây tự do xuất hiện sức điện động: TeAB D=D a
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt điện
Theo hiệu ứng Seebeck khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì phát
sinh sức nhiệt điện động V giữa hai đầu lạnh (hai đầu lạnh ở cùng nhiệt độ oT ):
= + D + D 2V a b T c T. .
D = - oT T T
trong đó: T - nhiệt độ đo; oT - nhiệt độ đầu lạnh.
Như vậy quan hệ giữa V và DT là phi tuyến, còn quan hệ giữa V và T phi tuyến phụ thuộc
nhiệt độ đầu lạnh. Muốn đo nhiệt độ T chính xác phải ổn định nhiệt độ đầu lạnh oT và phải đo
được nhiệt độ này. Nhiệt độ đầu lạnh còn gọi là nhiệt độ chuẩn. Khi sử dụng đo tầm hẹp có thể
tuyến tính hóa đặc tính cặp nhiệt điện theo biểu thức:
V = k.DT (2.15)
với k là hệ số nhiệt có đơn vị o/ CmV
Ủy ban Điện Kỹ thuật Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) phân
loại cặp nhiệt điện như sau:
Bảng 2.2: Các loại cặp nhiệt điện (Thermocouple)(độ C)
Loại cặp nhiệt điện Vật liệu Vùng nhiệt độ
B
Platinum 30% Rhodium (+)
Platinum 6% Rhodium (-)
1370 .. 1700
C
W5Re Tungsten 5% Rhenium (+)
W26Re Tungsten 26% Rhenium (-)
1650 .. 2315
E (sđđ lớn nhất) Chromel (+) (90%Ni, 10% Cr)
Constantan (-) (55%Cu, 45% Ni)
95 .. 900
J (rẻ, sđđ lớn) Iron (+)
Constantan (-) (55% Cu, 45% Ni)
95 .. 760
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 20
K (chống oxit hóa,
thông dụng)
Chromel (+)
Alumel (-) (95%Ni, 2%Mn, 2%Al,
1%Si)
95 ..1260
N
Nicrosil (+) (84,6%Ni, 14,2%G,
1,4%Si)
Nisil (-) (95,5%Ni, 4,4%Si, 1%Mg)
650 .. 1260
R (đắt) Platinum 13% Rhodium (+)
Platinum (–)
870 ..1450
S (đắt) Platinum 10% Rhodium (+)
Platinum (–)
980 ..1450
T (rẻ, sđđ lớn) Copper (+)
Constantan (-)
-200 .. 350
Bảng 2.3: Sức nhiệt điện động (mV) với nhiệt độ nối chuẩn °0 C
°T C E J K R S T
-100 -4,7 -5,2 -4,1 -3,4
0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
100 6,3 5,3 4,1 0,7 0,7 4,3
200 13,7 11,0 8,2 1,5 1,5 9,5
300 21,2 16,5 12,3 2,4 2,4 15,0
400 28,9 21,8 16,4 3,4 3,2 20,8
500 36,9 27,3 20,6 4,5 4,2
600 45,2 33,1 24,9 5,6 5,3
700 53,1 39,4 29,2 6,7 6,3
800 60,2 46,5 33,3 7,9 7,3
900 37,3 9,2 8,4
1000 41,3 10,5 9,6
1100 45,2 11,8 10,7
1200 13,2 11,9
1300 14,6 13,2
1400 15,9 14,3
Nếu dây của cặp nhiệt điện không đủ dài để nối đến dụng cụ đo và ta dùng dây đồng để
nối thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số nhiệt độ đo T và nhiệt độ chỗ nối oT , giống như một
cặp nhiệt điện nữa (hình 2.11). Nhiệt độ oT thường không ổn định vì đầu lạnh ở gần đầu nóng
do đó sẽ gây ra sai số đo.
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 21
Hình 2.11: Ảnh hưởng dây nối
Để khắc phục phải dùng dây nối dài cùng loại với vật liệu của cặp nhiệt điện để bù trừ
nhiệt độ oT , lúc này ta có: V k T T( )= - 1 . Nhiệt độ 1T ổn định và đo được.
Người ta thường chuận hóa một đầu ở 00C bằng cách đặt một đầu ở nước đá dang tan
chảy (hình 2.12)
Hình 2.12
Trường hợp dây nối không cùng dạng kim loại với cặp nhiệt (hình 2.13)
Hình 2.13
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 22
Điện áp từ cặp nhiệt điện khá nhỏ nên cần phải được khuếch đại, ngoài ra còn cần có
thiết bị đo nhiệt độ đầu lạnh để bù trừ. Một số dạng mạch trừ đầu đo chuẩn hóa (Hình 2.14)
Hình 2.14a
Hình 2.14b
Hình 2.14c: Sơ đồ bù nhiệt đầu tự do của cặp nhiệt (National Semiconductor)
2.5 MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ CHUYÊN DỤNG
2.5.1 Cảm biến nhiệt vi mạch
Cảm biến nhiệt vi mạch (IC cảm nhiệt) chế tạo từ chất bán dẫn, dựa trên nguyên lý phụ
thuộc điện áp mối nối pn theo nhiệt độ
Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 23
oI
I
q
KT
V ln= (2.16)
Khảo sát sơ đồ đơn giản của một IC cảm nhiệt (H2.15) ta tính được
1
2
120 I
I
q
KT
VVV ln)( a=-a=
(2.17)
Hình 2.15: Sơ đồ IC cảm nhiệt
chọn a, I1, I2 phù hợp ta có Vo = kT. Các IC cảm nhiệt được chế tạo theo ba thang nhiệt độ C, F
hay K tùy loại. Tầm đo nhiệt độ giới hạn từ –55¸ °150 C , độ chính xác từ 1¸ °2 C .
Sau đây là một số cảm biến của hãng National Semiconductor và Analog Devices
Bảng 2.4a IC Cảm nhiệt National Semiconductor
Tên Tầm nhiệt độ Độ chính xác Tín hiệu ra
LM 34 ( )- ¸ °50 300 F ,± °3 0 F /°10 mV F
LM 35A ( )- ¸ + °55 1