Đề tài thiết kế thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở pt 100 dải đo độ phân dải

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Đề tài thiết kế thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở pt 100 dải đo độ phân dải, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Hà Minh Huy
• Người hướng dẫn: Thầy Đào Đức Thịnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Thiết Kế Thiết Bị Đo
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Đo Sử Dụng Nhiệt Điện Trở Pt-100, Dải Đo - Độ Phân Giải
• Loại tài liệu: Bài tập lớn
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời nói đầu
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC
• 1.1. Khái niệm chung
• 1.2. Tổng quan về phương pháp đo lực
• 1.3. Sai số phát sinh khi sử dụng tenzo
• 1.3.1. Sai số khi dán
• 1.3.2. Sai số vì nhiệt
• 1.4. Mạch cầu đo
• 1.4.1. Mạch cầu đo một nhánh hoạt động
• 1.4.2. Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động
• 1.4.3. Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động
• 1.5. Giới thiệu về loadcell
• 1.5.1. Thông số kỹ thuật cơ bản
• 1.5.2. Một số ứng dụng của loadcell
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC SỬ DỤNG LOADCELL
• 2.1. Yêu cầu kĩ thuật
• 2.2. Tính toán thiết kế
• 2.2.1. Sơ đồ tổng quan của hệ thống
• 2.2.2. Nguyên lý hoạt động
• 2.2.3. Tính toán thông số thiết bị
• 2.3. Lựa chọn thiết bị
• 2.3.1. Vi điều khiển STM32F103C8T6
• 2.3.2. ADC 12-bit trong STM32F103C8T6
• 2.3.3. Bộ khuếch đại (sử dụng INA128)
• 2.3.4. Khối hiển thị led 7 thanh
• 2.4. Đánh giá sai số
• 2.4.1. Sai số cảm biến
• 2.4.2. Sai số của ADC
• 2.4.3. Sai số khuếch đại
• 2.4.4. Sai số của toàn bộ hệ thống
• 2.5. Phần hiển thị
• 2.6. Vẽ PCB mạch in
• 2.7. Thiết kế vỏ hộp
• Hướng phát triển của đồ án trong tương lai
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Hướng dẫn toàn tập đề tài thiết kế thiết bị đo nhiệt độ Pt100

Việc giám sát và kiểm soát nhiệt độ là một yêu cầu cốt lõi trong vô số ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Trong đó, việc thiết kế thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở Pt100 nổi lên như một giải pháp ưu việt nhờ độ chính xác và ổn định cao. Đề tài này không chỉ là một bài tập kỹ thuật quan trọng trong các đồ án tốt nghiệp điện tử mà còn là nền tảng cho các hệ thống giám sát nhiệt độ chuyên nghiệp. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan, chi tiết về quy trình thiết kế, từ việc lựa chọn linh kiện, xây dựng mạch phần cứng, xử lý tín hiệu số cho đến việc đánh giá sai số. Nội dung được chắt lọc từ các tài liệu nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn, tập trung vào việc giải quyết các thách thức kỹ thuật để tạo ra một thiết bị đo lường tin cậy với dải đo và độ phân giải tối ưu. Mục tiêu là cung cấp một tài liệu tham khảo giá trị, hỗ trợ sinh viên và kỹ sư trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

1.1. Giới thiệu cảm biến nhiệt độ Pt100 và nguyên lý hoạt động

Cảm biến RTD Pt100, hay nhiệt điện trở bạch kim, là một loại cảm biến thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở của kim loại bạch kim (Platinum) theo nhiệt độ. Con số '100' chỉ thị rằng tại 0°C, điện trở của cảm biến là 100 Ohm. Cấu tạo cơ bản của cảm biến nhiệt độ Pt100 bao gồm một lõi gốm hoặc thủy tinh, trên đó quấn một sợi dây bạch kim tinh khiết. Toàn bộ được đặt trong một vỏ bảo vệ bằng thép không gỉ để chống lại tác động từ môi trường. Ưu điểm vượt trội của Pt100 là độ ổn định cao, dải đo rộng (thường từ -200°C đến 850°C), và quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ gần như tuyến tính. Theo tài liệu nghiên cứu, bạch kim được chọn vì "có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng". Chính những đặc tính này đã giúp Pt100 trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.

1.2. Tầm quan trọng của việc giám sát nhiệt độ trong công nghiệp

Trong môi trường công nghiệp hiện đại, việc giám sát nhiệt độ chính xác đóng vai trò sống còn. Từ các lò phản ứng hóa học, lò luyện kim, hệ thống thanh trùng thực phẩm đến các kho lạnh bảo quản dược phẩm, nhiệt độ là một thông số quy trình quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, hiệu suất vận hành và an toàn lao động. Sai lệch nhiệt độ dù chỉ một vài độ cũng có thể dẫn đến hỏng cả một mẻ sản phẩm, gây thiệt hại kinh tế lớn. Do đó, các thiết bị đo lường nhiệt độ tin cậy như hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ Pt100 là không thể thiếu. Chúng cung cấp dữ liệu thời gian thực cho các hệ thống điều khiển tự động (PLC, DCS), giúp duy trì điều kiện hoạt động tối ưu và cảnh báo sớm các sự cố tiềm ẩn. Việc đầu tư vào một hệ thống đo lường chính xác là đầu tư vào sự ổn định và chất lượng của toàn bộ dây chuyền sản xuất.

II. Phân tích thách thức khi thiết kế mạch đo nhiệt độ Pt100

Mặc dù cảm biến nhiệt độ Pt100 có nhiều ưu điểm, việc thiết kế thiết bị đo khai thác tối đa tiềm năng của nó lại đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Tín hiệu đầu ra của cảm biến là sự thay đổi điện trở rất nhỏ, không phải là một điện áp trực tiếp, đòi hỏi các mạch xử lý phức tạp. Hơn nữa, môi trường công nghiệp thường có nhiều nhiễu điện từ, có thể làm sai lệch kết quả đo nếu không được xử lý đúng cách. Vấn đề phi tuyến, dù nhỏ, cũng cần được khắc phục bằng phần mềm để đạt độ chính xác cao nhất. Bài toán thiết kế không chỉ dừng lại ở việc đọc được giá trị từ cảm biến, mà còn là làm sao để giá trị đó phản ánh trung thực nhất nhiệt độ thực tế. Việc phân tích và tìm giải pháp cho các thách thức này là bước đi tiên quyết, quyết định sự thành công của một thiết bị đo lường chuyên nghiệp, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu nghiêm ngặt về sai số phép đo.

2.1. Vấn đề tín hiệu yếu và sai số phi tuyến của RTD Pt100

Thách thức lớn nhất khi làm việc với RTD Pt100 là tín hiệu của nó. Hệ số nhiệt của bạch kim (α) khoảng 0.00385 Ω/Ω/°C. Điều này có nghĩa là với mỗi độ C thay đổi, điện trở của Pt100 chỉ thay đổi khoảng 0.385 Ohm. Đây là một sự thay đổi rất nhỏ, dễ bị ảnh hưởng bởi điện trở của dây dẫn và các yếu tố ký sinh khác. Bên cạnh đó, mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ không hoàn toàn tuyến tính. Để mô tả chính xác mối quan hệ này, các kỹ sư phải sử dụng phương trình Callendar-Van Dusen. Bỏ qua tính phi tuyến này sẽ dẫn đến sai số phép đo đáng kể, đặc biệt là ở các đầu của dải đo. Do đó, giải pháp thiết kế phải bao gồm cả việc khuếch đại tín hiệu một cách chính xác và thực hiện tuyến tính hóa tín hiệu bằng thuật toán trong phần mềm.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu và yêu cầu hiệu chuẩn thiết bị đo

Môi trường công nghiệp chứa đầy các nguồn nhiễu điện từ (EMI) từ động cơ, biến tần, và các thiết bị công suất lớn khác. Tín hiệu analog yếu từ mạch đo nhiệt độ rất nhạy cảm với các loại nhiễu này. Nếu không có biện pháp che chắn và lọc nhiễu phù hợp, tín hiệu đo được sẽ không ổn định và thiếu chính xác. Một mạch lọc nhiễu hiệu quả là thành phần bắt buộc trong thiết kế. Một thách thức khác là dung sai của linh kiện. Mỗi cảm biến Pt100 và các điện trở trong mạch đo đều có sai số nhất định. Để đạt được độ chính xác cao, việc hiệu chuẩn thiết bị đo là không thể bỏ qua. Quá trình này bao gồm việc so sánh kết quả đo của thiết bị với một nhiệt kế chuẩn ở các điểm nhiệt độ đã biết và điều chỉnh các hệ số trong phần mềm để bù trừ cho sai số hệ thống.

III. Bí quyết xây dựng mạch đo nhiệt độ Pt100 chính xác cao

Để vượt qua các thách thức đã nêu, việc xây dựng một mạch đo nhiệt độ phần cứng tối ưu là yếu tố nền tảng. Thiết kế này tập trung vào hai giai đoạn chính: chuyển đổi sự thay đổi điện trở thành tín hiệu điện áp và sau đó khuếch đại tín hiệu này lên mức phù hợp cho bộ xử lý trung tâm. Việc lựa chọn phương pháp và linh kiện phù hợp cho từng giai đoạn sẽ quyết định trực tiếp đến độ chính xác và độ ổn định của toàn bộ thiết bị đo lường. Các thiết kế hiện đại thường sử dụng cầu Wheatstone để có độ nhạy cao nhất và mạch khuếch đại thuật toán chuyên dụng để giảm thiểu sai số. Đồng thời, các kỹ thuật bù trừ điện trở dây dẫn và lọc nhiễu cũng được tích hợp ngay từ khâu thiết kế phần cứng, tạo ra một tín hiệu analog sạch và tin cậy trước khi đưa vào quá trình số hóa.

3.1. Thiết kế mạch cầu Wheatstone để chuyển đổi điện trở

Mạch cầu Wheatstone là cấu trúc kinh điển và hiệu quả nhất để đo lường sự thay đổi điện trở nhỏ của RTD Pt100. Cảm biến được mắc vào một nhánh của cầu, trong khi ba nhánh còn lại sử dụng các điện trở tham chiếu có độ chính xác cao và ổn định nhiệt. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của Pt100 thay đổi, làm cho cầu mất cân bằng và tạo ra một điện áp vi sai rất nhỏ ở hai đầu ra. Ưu điểm của mạch cầu là khả năng loại bỏ các nguồn sai số chung và độ nhạy cao. Để giải quyết vấn đề điện trở dây dẫn, các cấu hình 3 dây hoặc 4 dây thường được sử dụng. Như trong tài liệu tham khảo đề cập, cấu hình 3 dây giúp bù trừ sai số do chiều dài dây dẫn, đảm bảo phép đo chính xác hơn ngay cả khi cảm biến được đặt xa bộ điều khiển. Việc lựa chọn các điện trở tham chiếu có dung sai thấp (ví dụ 0.1%) và hệ số nhiệt nhỏ là cực kỳ quan trọng.

3.2. Lựa chọn mạch khuếch đại thuật toán Op Amp phù hợp

Tín hiệu điện áp vi sai từ cầu Wheatstone rất nhỏ, thường chỉ ở mức vài milivolt. Do đó, cần có một mạch khuếch đại thuật toán (hay Op-Amp) để khuếch đại tín hiệu này lên mức vài volt, phù hợp với dải đầu vào của bộ chuyển đổi ADC. Mạch khuếch đại đo lường (Instrumentation Amplifier - INA) như INA128 là lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng này. Các INA có các đặc tính vượt trội như: trở kháng đầu vào rất cao, hệ số suy giảm tín hiệu chung (CMRR) lớn, và độ trôi offset thấp. CMRR cao giúp mạch loại bỏ hiệu quả các nhiễu đồng pha xuất hiện trên cả hai dây tín hiệu. Độ trôi offset thấp đảm bảo rằng điểm 0 của phép đo không bị dịch chuyển theo nhiệt độ môi trường. Hệ số khuếch đại (Gain) của mạch được tính toán cẩn thận để tối ưu hóa dải đo của ADC mà không làm bão hòa tín hiệu ở nhiệt độ cao nhất.

IV. Cách xử lý tín hiệu và lập trình vi điều khiển cho Pt100

Sau khi có được một tín hiệu analog sạch và đã được khuếch đại, giai đoạn tiếp theo là số hóa và xử lý bằng vi điều khiển. Đây là trái tim của thiết bị đo lường, nơi các thuật toán thông minh được áp dụng để chuyển đổi dữ liệu thô thành giá trị nhiệt độ chính xác. Quá trình này bao gồm việc lấy mẫu tín hiệu bằng bộ chuyển đổi ADC, áp dụng các công thức tuyến tính hóa tín hiệu, và cuối cùng là hiển thị kết quả lên giao diện người dùng như màn hình LCD. Việc lựa chọn vi điều khiển có ADC tích hợp với độ phân giải cao, như STM32, sẽ giúp đơn giản hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất. Lập trình vững chắc và thuật toán chính xác là chìa khóa để khai thác hết tiềm năng của phần cứng đã được thiết kế cẩn thận, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cuối cùng của thiết bị.

4.1. Sử dụng bộ chuyển đổi ADC 12 bit trên vi điều khiển STM32

Việc chuyển đổi tín hiệu analog sang số được thực hiện bởi bộ chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter). Độ phân giải của ADC quyết định độ mịn của phép đo. Một vi điều khiển như STM32 thường tích hợp sẵn ADC 12-bit, cung cấp 2^12 = 4096 mức lượng tử hóa. Điều này cho phép thiết bị phát hiện những thay đổi nhiệt độ rất nhỏ. Ví dụ, với dải đo từ 0-250°C, một ADC 12-bit có thể đạt độ phân giải lý thuyết khoảng 250/4096 ≈ 0.06°C. Tài liệu tham khảo cho thấy việc sử dụng ADC nội của STM32F103C8T6 là một lựa chọn hiệu quả, giúp giảm chi phí và độ phức tạp của mạch. Khi lập trình, cần chú ý cấu hình đúng điện áp tham chiếu (Vref) cho ADC, vì đây là yếu tố quyết định độ chính xác của quá trình chuyển đổi.

4.2. Kỹ thuật tuyến tính hóa tín hiệu dùng phương trình Callendar Van Dusen

Như đã đề cập, quan hệ giữa điện trở RTD Pt100 và nhiệt độ không hoàn toàn tuyến tính. Sau khi ADC cung cấp giá trị số, vi điều khiển phải thực hiện bước tuyến tính hóa tín hiệu. Phương pháp phổ biến và chính xác nhất là sử dụng phương trình Callendar-Van Dusen. Phương trình này là một đa thức bậc cao mô tả mối quan hệ R-T của bạch kim. Đối với nhiệt độ trên 0°C, công thức đơn giản hơn được sử dụng: R(t) = R₀(1 + At + Bt²). Vi điều khiển sẽ tính toán ngược từ giá trị điện trở (suy ra từ показания ADC) để tìm ra nhiệt độ (t). Việc cài đặt chính xác các hằng số A, B (phụ thuộc vào tiêu chuẩn của cảm biến, ví dụ ITS-90) trong mã nguồn là rất quan trọng để giảm thiểu sai số phép đo do tính phi tuyến gây ra.

4.3. Lập trình hiển thị kết quả đo lường lên màn hình LCD

Giai đoạn cuối cùng của quá trình xử lý là hiển thị kết quả cho người dùng. Màn hình hiển thị LCD là một lựa chọn phổ biến do tính linh hoạt, dễ lập trình và tiêu thụ ít năng lượng. Vi điều khiển sau khi tính toán xong giá trị nhiệt độ cuối cùng sẽ định dạng dữ liệu này (ví dụ: thêm đơn vị °C, xử lý số thập phân) và gửi đến module LCD thông qua các giao thức giao tiếp như I2C hoặc SPI. Việc lập trình cho LCD cần xử lý các tác vụ như khởi tạo màn hình, xóa dữ liệu cũ, và cập nhật giá trị mới một cách mượt mà. Trong một đồ án tốt nghiệp điện tử, giao diện người dùng đơn giản nhưng rõ ràng, hiển thị nhiệt độ đo được cùng với các trạng thái hoạt động của thiết bị, sẽ được đánh giá cao.

V. Ứng dụng thực tiễn và đánh giá độ chính xác thiết bị đo

Một thiết bị đo lường chỉ thực sự có giá trị khi nó được áp dụng vào thực tiễn và chứng minh được độ tin cậy. Sau khi hoàn thành việc thiết kế và chế tạo, giai đoạn đánh giá và kiểm định là cực kỳ quan trọng. Quá trình này bao gồm việc phân tích các nguồn sai số phép đo một cách lý thuyết, sau đó tiến hành hiệu chuẩn thiết bị đo và kiểm tra trong điều kiện hoạt động thực tế. Kết quả thu được sẽ cho thấy độ chính xác tổng thể của hệ thống, từ đó xác định các lĩnh vực ứng dụng phù hợp. Các hệ thống giám sát nhiệt độ dựa trên Pt100 được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ, chứng tỏ tính hiệu quả và vai trò không thể thay thế của công nghệ này.

5.1. Phân tích kết quả và đánh giá tổng sai số phép đo

Sai số tổng của hệ thống là sự kết hợp của nhiều nguồn sai số thành phần. Dựa trên tài liệu phân tích, ta có thể xác định các nguồn sai số chính: sai số của bản thân cảm biến nhiệt độ Pt100 (theo cấp chính xác A, B), sai số lượng tử hóa của bộ chuyển đổi ADC, sai số của mạch khuếch đại thuật toán (điện áp offset, độ trôi nhiệt), và sai số do các điện trở tham chiếu trong cầu Wheatstone. Sai số tổng thể của hệ thống thường được tính bằng phương pháp lấy căn bậc hai của tổng bình phương các sai số thành phần (√ε₁² + ε₂² + ...). Một báo cáo kỹ thuật tốt cần trình bày rõ ràng bảng phân tích sai số này, ước tính sai số lớn nhất có thể xảy ra và so sánh nó với yêu cầu thiết kế ban đầu. Điều này thể hiện sự hiểu biết sâu sắc về hệ thống và các giới hạn của nó.

5.2. Quy trình hiệu chuẩn thiết bị đo để đảm bảo độ tin cậy

Để đảm bảo độ chính xác, hiệu chuẩn thiết bị đo là một bước không thể thiếu. Quy trình hiệu chuẩn cơ bản bao gồm việc đo nhiệt độ của các môi trường chuẩn đã biết trước giá trị. Ví dụ phổ biến là sử dụng một hỗn hợp nước và đá đang tan để có điểm chuẩn 0°C và nước đang sôi để có điểm chuẩn 100°C (cần hiệu chỉnh theo áp suất khí quyển). Ghi lại giá trị mà thiết bị đo được tại các điểm này và so sánh với giá trị chuẩn. Dựa trên sự sai khác, các hệ số bù trừ (offset và gain) sẽ được điều chỉnh trong phần mềm của vi điều khiển. Việc hiệu chuẩn tại nhiều điểm trong dải đo sẽ giúp cải thiện độ chính xác trên toàn bộ thang đo. Đối với các ứng dụng công nghiệp, việc hiệu chuẩn cần được thực hiện định kỳ bằng các thiết bị chuyên dụng để duy trì độ tin cậy của phép đo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC.1 Khái niệm chung.2 Tổng quan về phương pháp đo lực.3 Sai số phát sinh khi sử dụng tenzo. 5 Sai số khi dán. 5 Sai số vì nhiệt.

6 Mạch cầu đo một nhánh hoạt động. 6 Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động. 7 Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động.5 Giới thiệu về loacell. 8 Thông số kỹ thuật cơ bản.

9 Một số ứng dụng của loadcell. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC SỬ DỤNG LOADCELL.1 Yêu cầu kĩ thuật.2 Tính toán thiết kế. 11 Sơ đồ tổng quan của hệ thống. 11 Nguyên lý hoạt động.

11 Tính toán thông số thiết bị.3 Lựa chọn thiết bị. 12 Vi điều khiển STM32F103C8T6. 15 ADC 12-bit trong STM32F103C8T6. 18 Bộ khuếch đại (sử dụng INA128).

22 Khối hiển thị led 7 thanh.4 Đánh giá sai số. 24 Sai số cảm biến. 25 Sai số của ADC. 25 Sai số khuếch đại.

25 Sai số của toàn bộ hệ thống. 26 Phần hiển thị.6 Vẽ PCB mạch in.7 Thiết kế vỏ hộp.2 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai. 30 Tài liệu tham khảo. 31 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>���N).2 Ví dụ loadcell dạng xuyến (cảm biến đo lực lớn) (< ��� N).3 Hình ảnh tenzo.4 Mạch cầu Wheatston 1 nhánh hoạt động.5 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt động.6 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt động.7 Mạch cầu Wheatston 4 nhánh hoạt động.8 Hình ảnh các loại Loadcell.9 Hình ảnh cân điện tử sử dụng loadcell.10 Hình ảnh cân xe tải sử dụng loadcell.2 Loadcell + khuếch đại + ADC.4 cấu trúc của STM32F103C8T6.6 Thông số kỹ thuật của LoadCell.7 ADC 12 bit của STM32.9 Thông số kỹ thuật của TP4056.12 Cấu hình chân của LM1117.14 74HC595 kết nối với MCU và Led.15 Xung của74HC595.17 sơ đồ khối của INA128.18 Khối LED 7 thanh.19 Đấu nối LED 7.22 Sơ đồ nguyên lý phần hiển thị.23 Top layer của PCB.24 Bottom layer của PCB.25 Vỏ thiết bị bên ngoài.26 Vỏ thiết bị (bên trong).

29 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Cấp nguồn cho ADC. 17 Bảng 2-2 Cấu hình chân của INA128. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Cảm biến nhiệt kế nhiệt điện trở 0 RT Nhiệt điện trở là sự thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ của nó: R =f(t ) , đo T có thể suy ra nhiệt độ. Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại chính là:  Nhiệt điện trở kim loại  Nhiệt điện trở bán dẫn 1.1 Nhiệt điện trở kim loại (RTD) Nhiệt điện trở kim loại có đặc điểm là quan hệ giữa điện trở của nó và nhiệt độ hầu như tuyến tính, tính lặp lại của quan hệ ấy rất cao nên thiết bị đơn giản.

Nhiệt điện trở kim loại được chia ra làm nhiệt điện trở kim loại quý và kim loại không quý. Cấu tạo Nhiệt điện trở kim loại hay còn được gọi là nhiệt kế điện trở thường được chế tạo thành những can nhiệt có hình dáng bề ngoài như hình vẽ: Hình 1.1 Cấu tạo bên trong RTD Đây là loại thiết kế đơn giản nhất. Sợi dây cảm biến được quấn xung quanh 1 cái lõi hoặc trục. Lõi có thể là tròn hoặc phẳng, nhưng quan trọng là phải cách điện được.

Người ta cách điện bằng cách đặt lõi và dây quấn trong 1 cái ống bằng sứ hoặc một ống thép không gỉ. Dây cảm biến được nối ra ngoài bằng những sợi dây lớn hơn. Khi làm việc trong 1 các nhà máy, lò đốt, …, (nơi có nhiệt độ môi trường xung quanh tương đối cao) các dây dẫn từ những đầu đo của can nhiệt này lại phải có độ dài lớn dẫn đến tồn tại điện trở trên dây dẫn và giá trị này không ổn định và gây nên sai số lớn cho phép đo. Để bù sai số nhiệt độ các nhà sản xuất sẽ tạo ra những loại RTD 3 đầu đo hay 4 đầu đo như dưới đây.2 RTD 3 đầu đo Ngoài loại RTD dây nối trên, RTD còn một loại goi là RTD loại bề mặt hay màng mỏng (Thin Film Element).

Người ta phủ 1 lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10-7 mm đến 10-6 mm) lên 1 cái đế bằng sứ. Ưu điểm của loại này là giá thành thấp và khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặt vào các vỏ nhỏ. Nhưng nó không làm việc ổn định như loại Wire wound.3 RTD bề mặt b. Đặc điểm Giá trị điện trở theo nhiệt độ t của RTD được thể hiện theo biểu thức sau: R T =R 0 (1+αt+βt 2 +γt 3 )  R0 : điện trở tại 0°C (273 K).

 α,β,γ: hệ số nhiệt độ tương ứng bậc 1, 2, 3. 2  t: nhiệt độ tương quan với 0°C.1 Số liệu về vật liệu thông dụng sản xuất RTD Cũng thông qua bảng số liệu ta thấy:  RTD Pt có nhiệt độ nóng chảy cao nhất tiếp theo là Ni và cuối cùng là Đồng, lại thêm Pt có tính trơ về mặt hóa học và có tính ổn định cấu trúc tinh thể do đó RTD có thể sử dụng trong các môi trường khắc nhiệt có nhiệt độ cao hơn so với RTD Ni hay Đồng.  Pt có nhiệt dung riêng thấp nhất trong 3 kim loại nên độ nhạy hay hệ số nhiệt điện trở thấp hơn, bởi vậy tốc độ đáp ứng của RTD Pt sẽ chậm hơn Đồng và Ni.  Pt có hê số nhiệt điện trở thấp hơn Cu và Ni nên độ tuyến tính giữa nhiệt độ và điện trở của Pt là thấp nhất.

Ngoài những đặc tính kĩ thuật này phải kể đến vấn đề về kinh tế, phương pháp chế tạo để so sánh RTD của các kim loại này như: RTD sản xuất bàng Pt có giá trị đắt hơn (vì là kim loại quý) so với RTD Ni hay Cu, RTD sản xuất bằng Cu, Ni dễ chế tạo hơn, … Tuy vậy ta nên dựa vào yêu cầu kĩ thuật hay hiệu quả sử dụng dể chon RTD phù họp nhất. Mạch đo  Mạch đo sử dụng nguồn dòng 3 Hình 1.4 Mạch đo sử dụng nguồn dòng RTD được mắc nối tiếp với một nguồn dòng chuẩn, Vout = I.(R+∆R) cũng tuyến tính với nhiệt độ đo được. Từ tín hiệu điện áp thu được ta có thể đưa ra các bộ chuyển đổi để hiện thị giá trị nhiệt độ đo được.  Mạch đo có dạng mạch cầu.5 Mạch đo có dạng mạch cầu RTD được mắc vào một mạch cầu như hình vẽ trên.

Khi ở 0ºC, ∆R = 0 mạch cầu cân bằng.2 Nhiệt điện trở bán dẫn a. Cấu tạo Nhiệt điện trở bán dẫn được làm từ hỗn hợp oxit kim loại: mangan, cô-ban,… 4 Hình 1.6 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn b. Đặc điểm Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo như những linh kiện điện tử, vì vậy giá trị của nó ở tại một nhiệt độ xác định không chính xác. Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ không tuyến tính và không đồng đều giữa các nhiệt điện trở với nhau.

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ 1 1 β( - ) T T0 R = R 0 .e  R0 : điện trở tại nhiệt độ chuẩn T0 (Kelvin).  R: điện trở tại nhiệt độ đo T (K).  β: hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu chế tạo cảm biến có giá trị trong khoảng 3000-4400K. Hệ số nhiệt độ: dR/dTβ α= = 2 R T Giả thiết nếu β=4000K, T=298K, α=-0.045 K -1 Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn có giá trị âm, có độ lớn gấp 6 đến 10 lần nhiệt điện trở kim loại vì thế được dùng trong các mạch khống chế nhiệt độ, hoặc đo nhiệt độ trong phạm vi nhỏ.7 Mạch đo với nhiệt điện trở bán dẫn R R UR = URt 2 = I.2 Mạch đo Sử dụng mạch cầu wheatston với nguồn cung cấp là nguồn: một chiều, xoay chiều, hay phân áp.

Mạch cầu đo có thể là mạch cầu 1 nhánh, 2 nhánh hay 4 nhánh hoạt động. Trong đó: � � : Điện trở Pt-100 ��0: Điện trở của Pt-100 tại t = 0°C ∆∆∆∆∆∆∆∆: Lượng biến thiên giữa ��0 và �� �1, �2, �3: Điện đo trở mắc vào cầu Mạch cầu đo một nhánh hoạt động Mạch này có một nhánh hoạt động. Mạch này có nguồn cung cấp là � � , điện áp ra là �0.4 Mạch cầu Wheatston 1 nhánh hoạt động Ta có điện áp ra: ((1 + �� ). (�2 + �3) Ta chọn �2 = �3 = �4 = ��0 = � và khi đó, ta có: ��∆∆∆∆∆∆∆∆ (1.∆∆∆+∆∆∆∆∆ Sai số phi tuyến: 0.5% Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động Mạch có hai nhánh hoạt động với hai nhánh đối diện.

Mạch này có nguồn cung cấp là ��, điện áp ra là �0.5 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt động Ta có điện áp ra: ��∆∆∆∆∆∆∆∆ (1.∆∆∆+ � Sai số phi tuyến: 0.5% Mạch có hai nhánh hoạt động với hai nhánh đối diện. Mạch này có nguồn cung cấp là ��, điện áp ra là �0.6 Mạch cầu Wheatston 2 nhánh hoạt động Ta có điện áp ra: �∆∆ ∆∆∆∆∆∆ � (1. 2 � Sai số phi tuyến: 0% Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động Mạch này có một nhánh hoạt động. Mạch này có nguồn cung cấp là ��, điện áp ra là �0.7 Mạch cầu Wheatston 4 nhánh hoạt động Ta có điện áp ra: ∆∆∆∆∆∆∆∆ (1.

� Sai số phi tuyến: 0% Chọn mạch đo và cảm biến khuếch đại Khảo sát nhiệt độ cần đo thuộc dải từ 0 đến 250°C. Mạch đo Mạch cầu Hình 3.2 Mạch cầu Wheastone cho Pt100 Khi nhiệt độ t thay đổi, Rt cũng thay đổi từ mạch cầu ta sẽ tìm được:  Độ lệch áp là 1 hàm theo độ thay đổi nhiệt đọ (do so với 0°C nên chính là nhiệt độ cần đo). α R0 = 100  Sử dụng Pt100 loại 3 dây bù nhiệt độ, tại t = 0°C thì Pt100 có Ω. R L = 10,5  Là giá trị điện trở của dây dẫn, Ω (dây dẫn dài 100 feet).

R = R 2 = R3 = R 0 = 100 Ω, điện áp cấp VC=10 V  Mạch cầu có các giá trị 1 Các dòng I3 , I4 = 0 nên: VC VC I1 = I2 = R1 +2R L +R t ; R 2 +R 3 Vc (R t +R L ) V1 = I1 (R t +R L ) = R 1 +2R L +R t Lại có: R t = R 0 (1+αt) R 0 = 100 Ω α = 3,9.R V V2 = C 3 = C 0 = C R 2 +R 3 R 0 +R 0 2 (2) Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ) V1 V2 Các điện áp , lần lượt qua khối khuếch đại vi sai như mạch đo. Suy ra: R7 R5 R V3 =(1+ )( )V1 - 7 V2 R 6 R 4+R 5 6 Chọn: R 4 = R 5 = R 6 = R 7 = 100 k Ω V = V -V Suy ra: 3 1 2 Kết hợp với (1) và (2) ta được: V R0 .