Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 2 - ThS. Trần Văn Lợi

Bài giảng Đo lường và cảm biến - Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ giúp các bạn nắm vững kiến thức về các đại lượng nhiệt độ, cảm biến nhiệt điện trở kim loại, cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor), cảm biến nhiệt điện trở cặp nhiệt điện, một số thiết bị đo nhiệt độ chuyên dụng. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết tài liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 2 - ThS. Trần Văn LợiChương 2CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘĐại lượng vật lý nhiệt độ luôn tồn tại và hiện diện xung quanh ta. Ngày nay việc đo, kiểmsoát và điều khiển nhiệt độ không thể thiếu trong dân dụng và công nghiệp. Nhiệt điện trở là loạicảm biến được phát hiện do Humphry (năm 1828), ông ta nhận thấy điện trở của một số kim loạithay đổi theo nhiệt độ và Wiliam Siemens là người đầu tiên sử dụng nhiệt kế điện trở (1871) từđó 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 điệntrở 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 củacảm 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 độcủa bản thân lớn hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh. Sự trao đổi nhiệt giữa điệntrở và môi trường xung quanh do đối lưu, nhiệt dẫn hoặc bức xạ (sự trao đổi nhiệt nàyphụ 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 lưuchất, nồng độ và mật độ chất khí....§Ngoài hai cách phân loại trên, cảm biến nhiệt điện trở còn phân loại theo cấu trúc củavật 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 tathường sử dụng đến các loại cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ thực của đối tượng cần đượckiểm sóat trong hệ thống. Các dạng cảm biến nhiệt thường được sử dụng trong công nghiệpthuộc một trong các loại sau:§Nhiệt điện trở kim loại (RTD: Resistance-Temperature Detectors) là cảm biếndạng 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 quasự thay đổi điện trở của vật liệu bán dẫn.§Nhiệt điện trở cặp nhiệt điện (Thermocouple) là loại cảm biến dùng đo lườngnhiệt 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 ĐỘNhiệt độ là đại lượng đo cơ bản cùng với chiều dài, thời gian và khối lượng. Đơn vị đo nhiệt độ làCelsius (0C), Kelvin (0K) và Fahrenheit (0F). Mối liên hệ giữa các thang đo nhiệt độ thể hiện hình 2.1BOILING POINT373100°672212°2730°49232°0-273°OF WATERICE POINTABSOLUTE ZEROkELVIN CELSIUS0-460°RANKINE FAHRENHEITHình 2.1Bài giảng Đo lường và cảm biếnTrang 10Công thức chuyển đổi thang đo nhiệt độ:°C = 5/9 (°F - 32 )°F = 9/5 (°C) + 320K = 273 +°C0R = 460 + °F2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI:Nhiệt điện trở kim loại thường gọi là RTD (Resistance Temperature Detector) cấu tạobằng dây kim loại hoặc màng mỏng (hình 2.2) như platinum, nickel, đồng, vonfram,... dựa trênnguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ. Để giảm tổn hao do nhiệt dẫn, chiều dàicủa dây cần lớn hơn đường kính dây gấp nhiều lần (hơn 200 lần) thông thường đường kính dâythay đổi từ 0,02÷0,06mm.Platinumresistance changeswith temperatureThin-film sensing elementWire-wound sensing elementRosemount’sSeries 78, 88Two common types of RTD elementsRosemount’sSeries 68, 58Series 65Hình 2.2Chiều dài l dây từ 5÷1000mm, điện trở dây từ vài chục ôm đến hàng nghìn ôm. Vật liệucần 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 thướccủa điện trở.Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống va chạm và rungđộng, 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 lọainày 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 kimloại bao bọc che chở bên ngoài và dây quấn rất ít thay đổi độ dài trong qua trình họat động. Điện trởmàng là điện trở tạo nên do lớp kim loạiđược in lụa hay sơn phủ trong chânkhông lên tấm bảng bằng ceramic hoặcthủy tinh. Điện trở màng có tính chínhxác kém hơn điện trở dây quấn, nhưngcó lợi điểm nhỏ gọn và giá thành thấphơn.Thường các RTD có giá trịđiện trở là 100Ω ở 00C. Trên thực tếcác sản phẩm thương mại có điện trở ở00C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trởBài giảng Đo lường và cảm biếnHình 2.3Trang 11có trị số lớn thường dùng đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó cho phép đo với độ nhạy tốt. ...