Bài giảng Đo lường và cảm biến - Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ

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 ( )- ¸ + °55 150 C ,± °10 C /°10 mV C LM 45B/50B (-40 ¸ +125)°C ,± °2 0 C /°10 mV C LM134/234/334 Dòng điều chỉnh LM 135A ( )- ¸ + °55 150 C ,± °13 C /°10 mV K LM235A (-40 ¸ +125)°C ,± °2 0 C /°10 mV K LM 335A (-40 ¸ +100)°C ,± °2 0 C /°10 mV K Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 24 Bảng 2.4b IC Cảm nhiệt Analog Devices Tên Tầm nhiệt độ Độ chính xác Tín hiệu ra Nguồn cung cấp AD590 -55 ¸ +150 ±2.5 +1 µA/°K +4V¸ +30V TMP01 -55 ¸ +125 ±1 +5mV/°K +4.5V ¸ +13.2V TMP35 +10 ¸ +125 ±2 +10 mV/°C +2.7V ¸ +5.5V TMP36 -40 ¸ +125 ±2 +10 mV/°C +2.7V ¸ +5.5V TMP37 +5 ¸ +100 ±2 +20 mV/°C +2.7V ¸ +5.5V LM 35 có bốn dạng vỏ kim loại và nhựa, nguồn dương từ 5 đến 20V. LM335 được cấp nguồn nói tiếp điện trở , dòng điện qua IC từ 0.4mA đến 5mA. AD590 là IC nguồn dòng thay đổi theo nhiệt độ Một số hình dạng và mạch ứng dụng của IC nhiệt Hình 2.16a: Sơ đồ chân và mạch áp dụng LM35 Hình 2.16b: Sơ đồ chân và mạch áp dụng LM335 Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 25 Hình 2.16c: Sơ đồ chân và mạch áp dụng AD590 2.5.2 Nhiệt kế bức xạ Còn gọi là hỏa kế (pyrometer) dùng để đo nhiệt độ từ xa không tiếp xúc. Mọi vật ở nhiệt độ trên °0 K đều bức xạ năng lượng: ở nhiệt độ thấp, năng lượng bức xạ thuộc vùng hồng ngoại; khi nhiệt độ tăng, tần số bức xạ dời về phía ánh sáng nhìn thấy; ở nhiệt độ °1000 F bức xạ trong vùng ánh sáng màu đỏ, nhiệt độ cao ánh sáng trở thành trắng. Một vật có thể bức xạ và hấp thụ bức xạ cũng như phản xạ lại bức xạ. Ta có hệ thức: a + r + t = 1 (2.18) trong đó: a - độ hấp thụ; r - độ phản xạ; t - độ truyền. Một thông số khác hay dùng là độ bức xạ e đánh giá khả năng bức xạ của một vật. Vật lý tưởng e = 1 (thể đen): e = a = 1 – r – t (2.19) Sự thay đổi cường độ bức xạ theo nhiệt độ và tần số được biểu thị theo luật Wien: )/( TCeCE l--l l= 2 5 1 (2.20) trong đó: lE - năng lượng phát ở bước sóng l; C1, C2 - hằng số; T - nhiệt độ tuyệt đối của thể đen, lE cực đại ở bước sóng Tp 2898 =l mm và 41210675 TxE p - l = . W/cm 2 Hình 2.17: Đồ thị năng lượng bức xạ theo nhiệt độ Theo luật Stefan-Boltzmann năng lượng trao đổi giữa hai vật bức xạ lý tưởng A, B là: Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 26 4 4r = s e -A A BC T T. . ( ) (2.21) với: AC - hệ số phụ thuộc vị trí tương đối và kích thước hình học hai vật AT , BT - nhiệt độ; e - hệ số bức xạ s = 5.67*10-8W/m2K4, hằng số Stefan-Boltzmann Công thức này dùng để tính nhiệt độ vẫt bức xạ khi đo năng lượng nhiệt NKBX gồm hệ thống quang học tập trung bức xạ từ vật muốn đo ở xa lên cảm biến quang hay nhiệt, tín hiệu từ cảm biến sẽ được xử lý để biểu thị nhiệt độ. Để hướng NKBX về điểm muốn đo, dùng tia laser tạo điểm sáng đỏ chiếu lên điểm đó. Độ chính xác đo phụ thuộc hệ số phát của vật muốn đo và cần phải lấy chuẩn. Hình 2.18: Sơ đồ khối NKBX Có nhiều loại NKBX số hóa được sản xuất. Hình 2.19 cho hình dạng NKBX cầm tay Extech 42530 tầm đo -54°F đến 1000°F Hình 2.19