CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

(TEMPRATURE SENSOR)

1. Khái niệm chung1.1. Khái niệm cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt là các vật liệu kim loại hoặc là bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ hoặc dòng điện phân cực ngược các lớp tiếp giáp thay đổi khi bị tác dụng bởi nhiệt độ.

-Nhiệt độ có vai trò quyết định nhiều tính chất cảu vật chất.Một trong nhưng đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi 1 cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó. Do đó trong khoa học, công nghiệp và đời sốnghàng ngày việc đo lường và khống chế nhiệt độ là một điều rất cần thiết. Để đo lường nhiệt độ và từ kết quả đo lường đó có thể khống chế nhiệt độ ta dùng tới cảm biến nhiệt. cảm biến nhiệt độ được dùng phổ biến trong dân dụng và công nghiệp với mục đích khống chế và diều chỉnh nhiệt độ.

1.2. Thang đo nhiệt độ

Ta có 3 thang đo:

--Thang Kenvin (0K).

Trong thang này nhiệt độ của điểm cân bằng 3 trạng thái nước-nước đá-hơi nước được gán trị số 273,150K.

--Thang Cenlsius-thang bách phân (0C).

T(0C)=T(0K) - 273,15

--Thang Farenheit (0F).

T(0F).=1,8T(0C) + 32

2. Nhiệt điện trở kim loại

Nhiệt điện trở kim loại là 1 loại cảm biến sử dụng các kim loại: Platin, Niken và 1 số oxit kim loại có điện trở thay đổi theo nhiệt độ mà nó bị tác động.

2.1. Nhiệt điện trở Platin (Pt).a. Đặc điểm.

Nhiệt điện trở platin được chế tạo từ kim loại platin kết hợp với 1 số hợp chất kim loại khác để tăng điện trở thanh đo nhiệt hoặc tăng độ bền. Đây là loại cảm biến đo nhiệt rất thông dụng trong công nghiệp, có dải nhiệt độ đo được từ -2000C đến 8500C.

Quan hệ giữa điện trở của điện trở platin với nhiệt độ môi trường đo xác định theo đa thức:

+Dải đo từ -2000C đến 00C

R(t)=R0.(1 + A.t + B.t2 + C.[t-1000C].t3)

+Dải đo từ 00C đến 8500C

R(t)=R0.(1 + A.t + B.t2)

Trong đó A,B,C là các hệ số thực nghiệm

A = 3.9082.10-3

B = -5,082. 10-7

C = -4,2735. 10-12

R0 : nhiệt điện trở của điện trở Pt ở 00C.

Trong khoảng nhiệt độ trên 00C nhiệt độ được tính theo sự thay đổi của điện trở Pt như sau:

t = (-R0.A + [(R0.A)2 – 4.R0.B.(R0 – R)]1/2)/(2. R0.B)

*Ưu & nhược điểm:

-Ưu điểm:

+Dải đo rộng.

+Độ chính xác cao.

+Ứng dụng phổ biến trong các lò nhiệt.

-Nhược điểm:

Do phải sử dụng hợp chất platin trong môi trường nhiệt độ cao nên tính chất vật lý của nó sẽ bị thay đổi theo thời gian vì vậy đầu đo phải được thay mới định kỳ.

b. Các nhiệt điện trở Pt thực tế(hình ảnh minh họa) Trong thực tế người ta ché tạo các nhiệt điện trở: Pt-100, Pt-500, Pt-1000..

Nhiệt điện trở R0 Sự thay đổi nhiệt độPt-100 100Ω 0,4Ω/0KPt-500 500Ω 2Ω/0KPt-1000 1000Ω 04Ω/0K

2.2. Nhiệt điện trở Niken -Được chế tạo từ kim loại chính là Niken theo tiêu chuẩn DIN 43760. Thường trong thực tế chế tọa Ni-100 có dải đo từ -600C đến 2500C. -Trị số điện trở đặc trưng ở 00C là R0 = 100Ω.Quan hệ giữa nhiệtd diện trở và môi trường đo: R(t) = R0.(1 + A.t + B.t2 + C.t4 + D.t6) Trong đó: A =0,5845.10-2

B = 0,665.10-2

C = 2,805. 10-4

D = 2,111. 10-7

-Đặc điểm: Ni-100 có dung sai không lớn nên lúc nào ta cũng có thể thay thế cáci khác có cùng cấp dung sai mà ko cần chuẩn định lại. Trong thực tế Ni-100 được ứng dụng trong khống chế nhiệt độ của điều hòa.

2.3. Kỹ thuật nối dây.

Điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ,với một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở ta có thể đo được V = R.I như vậy khi R thay đổi dẫn tới V thây đổi. Để cảm biến không bị nóng lên khi đo thì dòng điện cần phải nhỏ

khoảng 1mA. Với Pt-100 ở 1000C ta có U = 0,1V. Điện thế này cần đưa tới máy đo với sai số thấp nhấp. Để thực chiện điều này là phải có các kỹ thuật nói dây đo. Ta có 4 kỹ thuật.

a. Kỹ thuật nối 2 dây

Phương pháp này ít sử dụng do sai dố vẫn lớn.b. Kỹ thuật 3 dây

Kỹ thuật này được dùng rất phổ biến. Kỹ thuật này yêu cầu 3 dây đo có cùng trị số kỹ thuật và cùng nhiệt độ.

c. Kỹ thuật 4 dây

Kỹ thuật này cho kết quả tốt nhất.d. Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo

Vẫn dùng 2 dây đo nhưng không bị sai số bằng ách thay đổi tín hiệu đo. Bộ biến đổi biến đổi tín hiệu của cảm biến thành 1 dòng đienj chuẩn tuyến

tính với nhiệt độ và cường độ từ 4mA đến 20mA. Dòng điện nuôi cho bộ biến đổi được tải qua hai dây đo với cường độ khoảng 4mA.

2.4. Nhiệt điện trở bán dẫn:(Thermistor):

Làm từ hợp chất bột oxit nén định hình,nung ở nhiệt độ 10000C và được tráng

2 lớp kim loại ở 2 mặt để kết nối với hệ thống mạch ở bên ngoài. MgO ;

MgAl2O4 ; Mn2O3 ; Fe3O4.

Ưu điểm: có độ nhạy nhiệt cao,dải đo từ 50˚C đên 150˚C. Nhược điểm của

điện trở bán dẫn là đặc tính nhiệt có độ phi tuyến cao, khó khắc độ.

Không được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt đọ mà dùng để cảnh báo và khống

chế nhiệt độ.

2.5. Cấu trúc của nhiệt điện trở kim loại

a. Nhiệt điện trở vỏ gốm bọc kim loại

Sợi Pt hoặc Ni được quấn bên trong ống gốm sứ bên ngoài bọc bằng kim loại chịu nhiệt độ cao để tăng độ bền cơ học. Cấu trúc này cho dải đo từ -200 0C đến 8000C.

b. Nhiệt điện trở vỏ thủy tinh

Sợi Pt được quấn bên trong 1 ống thủy tinh. Loại cảm biến này có độ nhạy và độ bền cơ học cao cho dải đo từ -2000C đến 4000C dùng trong môi trường hóa chát vó độ ăn mòn cao.

c. Nhiệt điện trở vỏ nhựa

Dây Pt có đường kính khoảng 30µm được dán kín giữa 2 lớp nhưa poliamit. Ứng dụng đo nhiệt độ bề mặt các ống hoặc cuộn dây biến thế cao áp. Dải đo từ -800C đến 2300C.

d. Nhiệt điện trở kỹ thuật màng mỏng.

Platin được phun phủ bằng phương pháp phun ion hoặc bốc hơi chân không lên mặt nền nhôm oxit với độ dày khoảng 1µm. Sau đó lớp Pt sẽ được tạo thành 1 dường gấp khúc bằng phương pháp quang khắc hay bằng tia laze. Cuối cùng được phủ lên bằng 1 lớp thủy tinh. Dải đo của loại này từ -500C đến 4000C.

Ưu điểm: các nhiệt điện trở kỹ thuật màng mỏng có thời gian hổi đáp rất bé và quan tính nhiệt bé. Với kỹ thuật màng mỏng nhiệt điện trở có sự ổn định lâu dài,dễ thay thế và dải đo rộng.

3. IC cảm biến nhiệt

Hiện nay có rất nhiều loại IC bán dẫn dùng để đo nhiệt độ cho dải đo từ - 550C đến 1500C. Sau đây là 1 số loại IC cảm biến nhiệt độ:

3.1. LM35 – IC cảm biến nhiệt độ của hãng National Semiconductor

LM35 có điện áp ngõ ra tỷ lệ trức tiếp với nhiệt độ thăng đo 0C, điện áp ở ngõ

ra là 10mV/0C và sai số không tuyến tính là 1,8mV cho toàn thang đo. Điện áp

nguồn nuôi có thể thay đổi từ 4V đến 30V.

LM35 được chế tạo cho 3 thang đo:

-550C đến 1500C loại LM35 và LM35D.

-400C đến 1100C loại LM35C và LM35CA.

00C đến 1000C loại LM35DA.

3.2 AD22100 – IC cảm biến nhiệt độ của hãnh Analog Devices

IC này có hệ số nhiệt độ 22,5mV/0C. Điện áp ngõ ra có công thức:

Vout = (V+/5V).(1,375V + 22,5mV/0C.T)

Trong đó:

V+ là trị số điến áp cấp.

T là nhiệt độ cần đo.

Các IC trong họ AD 22100:

AD22100 KT/KR cho dải đo từ 00C đến 1000C.

AD22100 AT/AR cho dải đo từ -400C đến 850C.

AD22100 ST/SR cho dải đo từ -500C đến 1500C.

4. Cảm biến nhiệt điện trở.Cấu tạo: được làm từ bột oxit kim loại.

4.1. Nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Cofficient).

Là điện trở có hệ số nhiệt âm,có bản chất là các điện trở bán dẫn có điện trở giẩm khi nhiệt độ tăng. Điện trở của NTC giảm mạnh khi nhiệt đọ gia tăng. Từ 00C đến 1500C điện trở của NTC giảm đi 100 lần.

NTC là hỗn hợp đa tinh thể nhiều oxit gốm đã được chảy ở nhiệt độ cao như Fe2O3, Zn2TiO4, MgCr2O4, TiO2 hay NiO, CO, Li2O.

- Ứng dụng:

+Khi làm việc với dòng điện bé, NTC được dùng làm thiết bị đo nhiệt độ.

+Khi dòng điện làm việc lớn,dùng NTC để đo mức chất lỏng.

4.2. Nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Cofficient).

Điện trở có hệ số nhiệt dương,có bản chất là một điện trở bán dẫn có điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. Ở nhiệt độ nhỏ hơn 1100C điện trở của nó nhỏ cỡ trăm ôm và biến đổi không đáng kể. Khi nhiệt độ vượt quá 110 thì điện trở của nó tưng tới hàng ngàn mêga ôm.

Vật liệu chế tạo PTC gồm có hỗn hợp: Ba2CO3, StO, TiO được ép và nung ở nhiệt độ cao.

-Ứng dụng: dùng để bảo vệ động cơ điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch hay quá tải hoặc là điều khiển mức độ nhiệt..

5. Cặp nhiệt (Thermocouple).

Cặp nhiệt là loại cảm biến nhiệt nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng Peltier, Thomson và Sheebek.

5.1. Hiệu ứng Peltier

Hai dây dẫn A và B khác nhau, tiếp xúc với nhau và có cùng một nhiệt độ sẽ tạo nên một hiệu điện thế tiếp xúc. Hiệu điện thế phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệu độ.

5.2. Hiệu ứng Thomson

Trong một vật dẫn đòng nhất A. Nếu ở hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một sức điện động. Sức điện động này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ tại hai điểm:

5.3. Hiệu ứng Sheebek

Nếu có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A,B và hai đầu chuyển tiếp có nhiệt độ khác nhau T1 và T2.

Chúng tạo thành một một cặp nhiệt điện và có sức điệ động do kết quả của hai hiệu ứng Peltier và Thomson và gọi là sức điện động Sheebek

Sức điện động này chỉ phụ thuộc vào T1 , T2 và có thể biểu diễn dưới dạng:

Khi một đầu tiếp xúc giữ nhiệt độ ổn định (ví dụ T2 = C) và đầu kia (T1) đặt ở môi trương có nhiệt độ thay đổi.

Sức điện động sẽ là hàm số của nhiệt độ T1

C - Hằng số

T1 - Nhiệt độ đầu làm việc

T2 - Nhiệt độ đầu tự do (môi trường)

5.4. Vật liệu chế tạo cặp nhiệt

Vật liệu chế tạo cặp nhiệt cần có sức điện động nhiệt điện lớn, giữ được độ bền khi đốt nóng ở nhiệt độ cao, điện dẫn lớn, hệ số nhiệt độ nhỏ, có tính chất nhiệt độ ổn định.

Có khả năng chống được ôxy hoá ở nhiệt độ làm việc.Vật liệu chế tạo cặp nhiệt có tính đồng nhất và có thành phần ổn định.

Khi chế tạo cặp nhiệt cần tránh gây nên sai số do sức điện động nhiệt ký sinh do dây gấp khúc, mối hàn có khích thước lớn..v.v…

Dây cặp nhiệt đặt trong ống sứ cách điện, bên ngoài là một lớp vỏ bọc kín.Vỏ thường được làm bằng thép.

5.5. Các vấn đề khi dùng cặp nhiệt.

- Tính chất của cặp nhiệt điện theo thời gian. -Có sai số trong phép đo với cặp nhiệt.

- Nối dài dây nối cặp nhiệt tới thiết bị đo.

-Thời gian hồi đáp lâu.

6. MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

a. Cảm biến nhiệt độ được nắp trên cánh tản nhiệt của một số bộ nguồn và một số thiết bị trong mạch điện tử để đo và điều khiển cảnh báo nhiệt:

b. Cảm biến nhiệt độ được nắp trong các máy ấp trứng để đo và duy trì nhiệt độ ổn định

c.

Ngoài ra cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong máy sấy công nghiệp đa năng (sấy dược phẩm,sấy nông sản,thực phẩm..) dùng để điều khiển mức nhiệt độ khác nhau tuỳ theo yêu cầu của từng loại đối tượng. Cảm biến nhiệt độ còn được sử dụng trong các nghành công nghiệp lớn như sản xuất xi măng,sản xuất thép,bông sợi, ép nhựa...v.v..