MỞ ĐẦU Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được khái niệm, ứng dụng và cách phân loại các bộ cảm biến + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phươngpháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp trong công việc. - 13 - BÀI 1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Mã bài: MĐ21-01 GIỚI THIỆU Cảm biến nhiệt độ được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, vì cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến tính chất của vật chất, nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó, ví dụ như áp suất, thể tích chất khí. Cảm biến nhiệt độ rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực nghiên cứu khoa .Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt.
MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài này học viên có đủ khả năng: - Trình bày được cấu tạo, đặc tính của các loại cảm biến theo nội dung đã học - Thực hiện được các mạch cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp 1.1 Đại cƣơng Mục tiêu : - Phát biểu được các thang đo nhiệt độ - Trình bày được tầm quan trọng của đại lượng nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ 1.1 Thang đo nhiệt độ Nhiệt độ có ba thang đo - Thang Kelvin : hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị là K. Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước đá-nước-hơi một giá trị số bằng 273,15K (thường được sử dụng là 273K) Từ thang Kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách chuyển dịch các giá trị nhiệt độ - Thang Celsius : đơn vị nhiệt độ là o C. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định theo biểu thức : T (o C ) T ( K ) 273,15 (1-1) - Thang Fahrenheit : đơn vị nhiệt độ là o F Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F như sau : 5 T (o C ) [T (o F ) 32] (1-2) 9 - 14 - 9 T (o F ) T (o C ) 32 (1-3) 5 Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius Fahrenheit ( oC ) (oF ) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp nước-nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước-nước đá-hơi 273,16 0,01 32,018 nước Nước sôi 373,15 100 212 Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau 1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ đƣợc đo Trong tất cả các đại lượng vật lý,nhiệt độ là một trong những đại lượng được quan tâm nhiều nhất.
Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất như làm thay đổi áp suất và thể tích của chất khí,làm thay đổi điện trở của kim loại,…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó. Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau - Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler) - Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm thanh - Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck), hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh 1.2 Nhiệt điện trở Platin và Niken Mục tiêu : - Trình bày được cấu tạo và đặc tính của nhiệt điện trở Platin và Niken 1.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở của bản thân nó sẽ thay đổi khi nhiệt độ tác động lên nó thay đổi Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như : - Nhiệt điện trở đồng với khả năng chịu nhiệt : -50 o C đến 180 o C - Nhiệt điện trở niken với khả năng chịu nhiệt : 0 o C đến 300 o C - Nhiệt điện trở platin với khả năng chịu nhiệt : -180 o C đến 1200 o C Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R 0) chế tạo khoảng từ 10(Ω) đến 100(Ω) - 15 - Trong đó R0 là điện trở tại thời điểm ban đầu 1 R0 (1-4) n. Trong đó: n - là số điện tử tự do trong một đơn vị diện tích e - là điện tích của điện tử tự do - là tính linh hoạt của điện tử, được đặc trưng bởi tốc độ của điện tử trong từ trường). Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm được sử dụng rất rộng rãi và được sử dụng nhiều. Song nhược điểm của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có quán tính lớn.2 Nhiệt điện trở Platin Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp.
Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm 1995). USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng. Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar – VanDusen : 2 0 3 R(t) = R0 [1 + A.t ] (1-5) 0 R0 là trị số điện trở định mức ở 0 C Alpha R0 Standard 0 ohms/ohm/ C ohms Hệ số Đất nước 0 0 IEC 751 0,003855055 100 -200 C < t < 0 C Áo,Brazin,Úc, (Pt100) A = 3,90830 x 10-3 Bỉ,Bungari, B = - 5,77500 x 10-7 Canađa,Đan C = - 4,18301 x 10-12 mạch,Ai cập, 00C t 8500C Phần Lan,Pháp A & B như trên, ,Đức,Isaren,Ý, riêng C = 0,0 Nhật,Nam Phi, Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Anh, Ba Lan, Rumani SAMA 0,0039200 98,129 A = 3,97869 x 10-3 USA RC - 4 - 16 - B = - 5,86863 x 10-7 C = - 4,16696 x 10-12 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC-751 và SAMA RC-4 R0 của nhiệt điện trở Pt 100 là 100Ω, của Pt 1.000Ω, các loại Pt 500 , Pt 1.000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn (điện trở thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ).
Ngoài ra còn có loại Pt 10 có độ nhạy kém dùng để 0 đo nhiệt độ trên 600 C. Tiêu chuẩn IEC 751 chỉ định nghĩa 2 đẳng cấp dung sai A, B. Trên thực tế xuất hiện thêm loại C và D (Bảng 1. Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác.
Đẳng cấp dung sai Dung sai (0C) A t = (0,15 + 0,002.3 Tiêu chuẩn về dung sai Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp. Do đó khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với các Platin ròng, nhờ thế sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platin thường dùng có đường kính 30 m (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100 m ) * Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin : ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp sự kết hợp lý tưởng với Pt1.000, ta sẽ có dải đo nhiệt độ rộng, nó cũng có thể sử dụng với Pt100. Trong trường hợp có sự cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật 0 0 màng mỏng, ADT70 có thể đo từ 50 C đến 500 C, còn với nhiệt điện trở 0 Platin tốt, có thể đo đến 1.
Độ chính xác của hệ thống gồm ADT70 và 0 0 nhiệt điện trở Platin ở thang đo -200 C đến 1.000 C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất của nhiệt điện trở Platin. Các thông số thiết bị ADT70 : - 17 - 0 - Sai số : 1 C - Điện áp hoạt động: 5 vôn hoặc 5 vôn 0 0 - Nhiệt độ hoạt động: Từ – 40 C đến 125 C (dạng 20 – lead DIP, SO packages) - Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ ADT70 có 2 thành phần chính : Nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại, nguồn dòng có thể điều chỉnh bộ phận khuyếch đại. Nguồn dòng được sử dụng để cung cấp cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu. Bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp trên nhiệt điện trở và điện áp trên điện trở tham chiếu, sau đó đưa tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ.
Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của nhiệt điện trở, vì vậy điều quan trọng là phải chọn lựa nhiệt điện trở thích hợp với ứng dụng thực tế Hình 1.3 Nhiệt điện trở Niken Nhiệt điện trở niken so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn 0 0 gần gấp 2 lần ( 6,18. Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60 C đến +250 C, vì 0 trên 350 C niken có sự thay đổi về pha, cảm biến niken 100 thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng.2 Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ ZNI 1000 Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử 0 dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị 1. - Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni : Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế * Cách nối dây đo : Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, ta có thể đo được U = R.I, để cảm biến không bị nóng lên 0 qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ khoảng 1 mA. Với Pt 100 ở 0 C ta có điện thế khoảng 0,1 vôn, điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo.
Ta có 3 kỹ thuật nối dây đo: Hình 1.3 Cách nối dây nhiệt điện trở - 19 - Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu. - Kỹ thuật 2 dây : Hình 1.