Bài giảng Kỹ thuật cảm biến và đo lường - Chương 5: Đo nhiệt độ

Trang 1 
I. Thang nhiệt độ 
+ Thang Kelvin : đơn vị : o K. Trong thang Kelvin, người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thái nước, nước đá : 273,15 o K 
+ Thang Celsius: o C. Một độ Celsius bằng 1 độ kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được thể hiện: 
T ( o C) = T ( o K) – 273,15. 
+ Thang Fahrenheit: o F. 
Trang 2 
+ Điểm chuẩn nhiệt độ: 
Nhiệt độ đo được chính là nhiệt độ của cảm biến và được ký hiệu là T c . 
Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường T x và sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngòai. 
Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường: 
- Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo. 
- Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngòai. 
Ví dụ: đo nhiệt độ trong lòng chất rắn : khoan 1 lỗ sâu L với bán kính r thì L ≥ 10.r và lỗ khoan phải được lấp đầy bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt. 
Trang 3 
1. Nhiệt điện trở kim loại 
Nguyên lý : sự thay đổi giá trị điện trở tuyến tính dương với nhiệt độ: khi nóng thì giá trị điện trở tăng và khi lạnh thì giá trị điện trở giảm. 
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: 
R = R 0 (1 + α . Δ T) 
R 0 : điện trở danh định tại nhiệt độ T 0 
Δ T : Chênh lệch nhiệt độ so với nhiệt độ chuẩn T 0 . 
α : Hệ số dẫn nhiệt 
II. Nhiệt điện trở 
Xem như tuyến tính 
R(T) = R o [1+AT + BT 2 + C(T-100) 3 ] 
Nhiệt điện trở là thiết bị có điện trở thay đổi tương ứng theo nhiệt độ. 
Trang 4 
Là thiết bị có điện trở thay đổi tương ứng với nhiệt độ. Có độ ổn định và độ nhạy rất cao. Bao gồm 2 lọai. 
+ PTC : Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở dương: giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. 
+ NTC : Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm: giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. 
Nhiệt điện trở được chế tạo nhiều hình dáng khác nhau, phần tử nhạy cảm hoặc được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần 
2. Nhiệt điện trở bán dẫn. 
Trang 5 
1. Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC : Negative Temperatur Coefficient) 
Đối với NTC thì điện trở giảm từ 3 5,5% / 1 độ. 
Đường đặc trưng nhiệt độ - điện trở của 1 NTC 
R NTC tại 20 o C = 5,5 k Ω 
R NTC tại 100 o C = 400 Ω 
Đặc tính của NTC không tuyến tính nên phải tuyến tính hóa. Cách đơn giản là mắc điện trở nhiệt NTC song song với một điện trở khác 
Trang 6 
R 1 
R 2 
R NTC 
U c 
U a 
Để giảm độ phi tuyến thì ta chọn R 2 > 10. R NTC . Khi đó thì 1/R 2 rất nhỏ so với 1/R NTC nên có thể bỏ qua 
Trang 7 
2. Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở duong (PTC : positive Temperatur Coefficient) 
Đường đặc tuyến của PTC chia làm 3 vùng: 
+ Vùng nhiệt độ thấp <T A : giống NTC 
+ Vùng hệ số nhiệt tăng chậm (T A , T N ) 
+ Vùng làm việc >T N 
Ứng dụng : mạch bảo vệ quá tải. 
Trang 8 
III. Cặp nhiệt ngẫu. 
1. Hiệu ứng nhiêt điện: 
Tại mối nối của 2 dây dẫn A và B khác nhau nhưng có cùng nhiệt độ sẽ hình thành một điện áp chỉ phụ thuộc vào lọai dây dẫn và nhiệt độ 
+ Hiệu ứng Peltier 
Định luật Volta: Trong một mạch kín đẳng nhiệt, tổng các sức điện động Peltier bằng 0 
Trang 9 
+ Hiệu ứng Thomson 
Giữa 2 điểm M, N có nhiệt độ khác nhau của một thanh dẫn đồng chất sẽ hình thành một sức điện động chỉ phụ thuộc vật liệu và nhiệt độ. 
h A là hệ số Thomson của một vật liệu. 
Định luật Magnus: nếu hai đầu của một mạch điện làm bằng một dây dẫn đồng nhất và có cùng nhiệt độ thì sức điện động Thomson bằng 0 
T 2 
T 3 
T 1 
T 1 
E=0 
Trang 10 
+ Hiệu ứng Seebeck 
2 Vật liệu A và B với nhiệt độ khác nhau ở 2 đầu mối nối hình thành cặp nhiệt điện. 
Cặp nhiệt điện tạo ra một sức điện động gọi là sức điện động Seebeck. 
 e AB = . T 
 : Là hệ số Seebeck 
Trang 11 
 1 : moái haøn laøm vieäc. 
 2, 3 : moái haøn trung hoøa khi t 1 khoâng ñoåi. 	 
2 
Nhiệt độ tại 2 mối hàn phải bằng nhau và dây dẫn nối thêm ra phải đồng chất để không phát sinh suất điện động ký sinh tại 2, 3 
Trang 12 
Sai số phép đo sẽ nhỏ khi R ng /R M nhỏ 
Trang 13 
Vật liệu 
Lọai 
Phạm vi đo 
Độ nhạy 
Chrom-Alu 
CHrom-Constantan 
Platinum-Rhodium 
K 
E 
R, S 
-200 – 1000 o C 
-200 – 1000 o C 
>1500 o C 
41 μ V/ o C 
68 μ V/ o C 
68 μ V/ o C 
Một số cặp nhiệt điện thông dụng 
Trang 14 
IV. Đo nhiệt độ dùng Diode, Transistor 
Nguồn dòng I cung cấp cho Diode hoặc Transistor 
Điện áp ra không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào dòng điện cung cấp 
Độ nhạy : S = dV/dT có giá trị khỏang -2,5mV/ o C 
Phạm vi đo : -50 0 C – 150 0 C 
Trang 15 
Trang 16 
V. Vi mạch cảm biến tích hợp (IC) 
1. Nguyên Lý chung. 
+ Nhận tín hiệu nhiệt độ và chuyển thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện 
+ Có thể đo độ C, độ K hoặc độ F tùy lọai 
+ Giới hạn đo từ khỏang -55 o C đến 150 o C với độ chính xác 1 hoặc 2 o C 
+ Tác dụng của nhiệt độ là tăng tỷ lệ ion và lỗ trống tự do trong chất bán dẫn tăng điện áp hoặc dòng điện thuận của tiếp xúc p-n 
Trang 17 
2. IC cảm biến LM34 (đo độ F) / LM35 (Đo độ C) 
+ LM34 có ngõ ra 10mV/ o F và làm việc tuyến tính trong khỏang -50 o F – 300 o F. 
Trang 18 
Ứng dụng : 
+ Nhiệt kế vi sai: 
Trang 19 
2. IC cảm biến AD592 
Là cảm biến nhiệt cung cấp dòng điện ra tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối. 
Do công nghệ chế tạo phát triển nên AD592 đo rất chính xác 
+ Sử dụng nguồn cung cấp đơn cho phép đo độ chính xác 0,5 o C 
+ Khỏang đo nhiệt độ: -25 – 105 o C 
+ Không bị nhiễu điện áp. 
Trang 20 
Chỉnh biến trở R=100 Ω sao cho ngõ ra V out = 1mV/ o K 
Ứng dụng: đo nhiệt độ trung bình và đo nhiệt độ nhỏ nhất 
 Moät caûm bieán coù ñöôøng ñaëc tuyeán chuyeån ñoåi cho ôû hình trên 	Haõy goïi teân cuûa chuyeån ñoåi	Vieát phöông trình chuyeån ñoåi (TUYẾN TÍNH) cho caûm bieán trong khoaûng ño 100 o C ñeán 150 o C 
Trang 21