Trao đổi trực tuyến tại:

http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html

Giảng viên: Nguyễn Đức Hoàng

Bộ môn Điều Khiển Tự Động

Khoa Điện – Điện Tử

Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

Email: ndhoang@hcmut.edu.vn

MÔN HỌC

CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

CHƯƠNG 3

Nội dung chương 3

3.1 Nguyên lý đo nhiệt độ

3.2 Thang đo và đơn vị

3.3 Thermistor

3.4 Thermocouple

3.5 RTD và cảm biến nhiệt IC

Nguyên lý đo nhiệt (tt)

Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa

đối tượng và cảm biến

Cảm biến không tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức

xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại

Cảm biến bị tác động của môi trường đo, gây ra sai số khi đo

nhiệt độ. Yêu cầu: cực tiểu sai số (thiết kế cảm biến thích hợp

hoặc pp đo chính xác)

Nguyên lý đo nhiệt (tt)

Có 2 pp xử lý tín hiệu nhiệt độ:

+ Cân bằng

+ Dự báo

PP cân bằng: nhiệt độ xác định hoàn toàn khi không có sự sai

lệch đáng kể giữa nhiệt độ bề mặt đo và nhiệt độ cảm biến,

tức là cân bằng nhiệt đạt đến giữa cảm biến và đối tượng đo

PP dự báo: cân bằng nhiệt không đạt đến trong thời gian đo,

nhiệt độ được xác định thông qua tốc độ thay đổi nhiệt của

cảm biến

Thang đo nhiệt và đơn vị

Có 4 thang đo được sử dụng để đo nhiệt độ

+ Celsius / Fahrenheit được sử dụng trong các thang

đo hàng ngày

+ Kelvin / Rankine được sử dụng khi làm việc với

thang nhiệt độ tuyệt đối (thường được dùng trong

các tính toán khoa học và kỹ thuật)

Fahrenheit[°F] = [°C] · 9/5 + 32Celsius[°C] = ([°F] − 32) · 5/9Kelvin[K] = [°C] + 273.15Rankine[°R] = [°F] + 459.67

Imperial Fahrenheit (⁰F) / Rankine (⁰R)

+/- 460

Metric Celsius (⁰C) / Kelvin (⁰K)

+/- 273

Thermistor

Thermistor: điện trở nhạy với nhiệt

được sử dụng để đo nhiệt độ

Mô hình đơn giản biểu diễn mối quan

hệ giữa nhiệt độ và điện trở:

T = k*R

k > 0: thermistor có hệ số nhiệt dương

(PTC)

k < 0: thermistor có hệ số nhiệt âm

(NTC)

Thermistor

Thermistor

Thermistor NTC được sử dụng ở 3 chế độ hoạt động khác

nhau:

+ Chế độ điện áp – dòng điện

+ Chế độ dòng điện – thời gian

+ Chế độ điện trở - nhiệt độ

ThermistorChế độ điện áp – dòng điện

Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó, thiết bị

hoạt động ở chế độ điện áp – dòng điện

Ở chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của

điều kiện môi trường, ví dụ như sự thay đổi của lưu lượng

khí qua cảm biến

Đặc trưng dòng điện – thời gian của thermistor phụ thuộc

vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt dung của phần tử

Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng.

Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm

Đặc trưng này được sử dụng để làm chậm các ảnh hưởng

của các gai áp cao

ThermistorChế độ dòng điện – thời gian

Ở chế độ điện trở - dòng điện, thermistor hoạt động ở điều

kiện công suất zero, nghĩa là không xảy ra sự tự đốt nóng

ThermistorChế độ điện trở – nhiệt độ

Đa thức bậc 3 xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của

thermistor là phương trình Steinhart - Hart

ThermistorChế độ điện trở – nhiệt độ

13

0 1 3ln (ln )T TT A A R A R

T : nhiệt độ thermistor (K)

RT : điện trở thermistor ()

A0, A1, A3 : các hệ số được nhà sản xuất cấp

Mô hình đơn giản xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của

thermistor

ThermistorChế độ điện trở – nhiệt độ

0

1 1

0

BT T

TR R e

T : nhiệt độ thermistor (K)

RT : điện trở thermistor () tại T

R0 : điện trở thermistor () tại T0

B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu

BT1/T2 , ví dụ B25/85 = 3540K )

Dùng mạch cầu Wheatstone

Mạch gia công tín hiệu

Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song

Tuyến tính hóa đặc trưng R/T

Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song

Tuyến tính hóa đặc trưng R/T

Ưu nhược điểm Thermistor

Ưu điểm

+ Rất nhạy đối với thay đổi nhỏ

+ Độ chính xác cao (±0.020C)

+ Ổn định, tin cậy

Nhược điểm

+ Tầm hoạt động bị giới hạn

+ Quan hệ R-T phi tuyến

Ứng dụng Thermistor

+ Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy

sấy tóc,…

+ Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo

dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng,…

+ Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt

độ khí thải hay lò đốt,…

+ Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các

phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,…

+ Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động

Ví dụ

Cho K276 có:

B25/100 = 3760K

R25 = 11981

Tính điện áp VNTC khi

T = 1000C ?

Nhiệt độ của thermistor

khi VNTC = 5V ?)

Tính điện áp VNTC theo RT?

1 k 5 k

Vo+5V

1 k

Thermistor

5 k

Ví dụTính điện áp V0 ?

Biết : R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, T = 800C

Nếu V0 = 3V, vậy nhiệt độ thermistor = ?

Ví dụ

Tính điện áp V0 theo Rt ?

10Vdc

00

R210k

R6 5k

Vo-

+3

21

R310k

R15k

+

0

Rt

R510k

R4

10k

-R7 5k

Khi 2 kim loại khác nhau được nối 2 đầu, một đầu đốt

nóng thì có một dòng điện chạy trong mạch

Thermocouple

Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt

độ và thành phần của 2 kim loại

Thermocouple

Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính

với nhiệt độ : eAB = T

: hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ

VD: Hiệu điện áp Thermocouple loại K tại 3000C = 12.2mV

Thermocouple

Các loại Thermocouple

Thermocouple

1.Dòng nhiệt điện không thể tạo ra trong các mạch đồng

nhất

2. Tổng đại số sức nhiệt điện trong một mạch được cấu tạo

từ các chất dẫn điện khác nhau bằng 0 nếu nhiệt độ tại các

chỗ tiếp giáp như nhau

Các định luật Thermocouple

3. Nếu 2 tiếp giáp tại nhiệt độ T1 và T2 tạo ra điện áp

Seebeck V2, tại nhiệt độ T2 và T3 tạo ra điện áp V1 thì tại

nhiệt độ T1 và T3 tạo ra điện áp là V3 = V1 + V2

Các định luật Thermocouple

Không thể đo trực tiếp điệp áp Seebeck vì:

Phải nối vôn kế vào Thermocouple và chính các dây dẫn

vôn kế tạo ra một mạch nhiệt điện khác

Đo điện áp Thermocouple

Muốn tìmnhiệt độ tạiJ1 phải biếtnhiệt độ tại

J2

Lớp tiếp giáp tham chiếu

1 2 1

1 1

1 2

0: , :

J J J

J J

V V V t t T

t K T C

Lớp tiếp giáp tham chiếu

1 REFV T T

Mạch tham chiếu

Thay khối Ice Bath bởi khối Isothermal

Mạch tham chiếu

Áp dụng định luật 2

Mạch tham chiếu

Mạch tương đương

1 REFV T T Đo RT TREF VREF

Đo VV1=V+VREF TJ1

Ưu nhược điểm Thermocouple

Ưu điểm

+ Giá thành thấp

+ Ổn định cơ học

+ Tầm hoạt động rộng (-200 0C ÷ 2000 0C)

Nhược điểm

+ Độ nhạy thấp (V/ 0C)

+ Cần phải biết nhiệt độ tham chiếu

+ Yêu cầu calib định kì

Ví dụCho Thermocouple loại J có độ nhạy = 53V/0C

Khi nhiệt độ đo T = 100 thì vôn kế chỉ bao nhiêu?

Nếu vôn kế chỉ 0.507mV thì nhiệt độ đo T = ?

Ví dụTính điện áp V1 và V2 ? Thermocouple loại K có =

40V/0C, Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K. Cho

nhiệt độ Thermocouple 5000C, nhiệt độ tham chiếu 35 0C

Ví dụTính điện áp tại chân AN0 và AN1? Thermocouple loại K

có = 40V/0C, Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K,

Zener có VZ = 2.5V. Cho nhiệt độ Thermocouple 5000C,

nhiệt độ tham chiếu 35 0C

Ví dụTính điện áp Vout ? Thermocouple loại K có = 40V/0C,

Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, Zener có VZ =

2.5V. Cho nhiệt độ Thermocouple 5000C, nhiệt độ tham

chiếu 35 0C

Khuếch đại công cụ

RTD (Resistance Temperature Detector) là cảm biến nhiệt

dựa vào hiện tượng điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng

Ví dụ: RTD platin 100.

RTD

Dây platin co hệ số nhiệt

= 0.0039 //0C

RTD platin 100 có điện

trở tại 00C = 100 và hệ số

nhiệt = 0.39 /0C

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của RTD được biểu

diễn bằng phương trình đơn giản sau:

RTD

Để đo nhiệt độ có tầm đo lớn hay độ chính xác cao ta sử

dụng phương trình Calendar Van – Dusen như sau:

RTD

Sử dụng RTD platin 100 để đo nhiệt độ. Nếu điện trở

hiện tại của platin là 110 thì nhiệt độ đo được bằng bao

nhiêu? (so sánh kết quả khi sử dụng 2 phương trình trên)

Ví dụ RTD

Có 3 pp nối dây được sử dụng

PP nối dây RTD

Ưu nhược điểm RTD

Ưu điểm

+ Rất chính xác

+ Ổn định

+ Tuyến tính

Nhược điểm

+ Độ nhạy thấp

+ Cần mạch kích dòng

+ Giá thành cao

Mạch kích dòng RTD

Mạch ứng dụng RTD

Hầu hết các cảm biến nhiệt IC sử dụng tính chất cơ bản

của các lớp tiếp xúc bán dẫn PN là hàm của nhiệt độ.

Các cảm biến nhiệt IC thông dụng:

+ LM135, LM235, và LM335: 10mV/K output+ LM35 : 10mV/0C output+ LM34 : 10mV/0F output+ AD590 : 1 μA/K output

Cảm biến nhiệt IC

Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM135, LM235, LM335.

Điều chỉnh biến trở để hiệu chỉnh điện áp ngõ ra tại nhiệt

độ đã biết (vd: 2.982V tại 25 0C)

Nối dây cảm biến nhiệt IC

Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM34, LM35, LM45.

Nối dây cảm biến nhiệt IC

Ưu nhược điểm cảm biến nhiệt IC

Ưu điểm

+ Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác

+ Giá thành thấp

+ Kích thước gọn nhẹ

+ Ngõ ra có thể điện áp, dòng điện hoặc số

và tỷ lệ với độ K, F, C

Nhược điểm

+ Tầm nhiệt độ thấp (-55 0C ÷ 150 0C)

+ Cần mạch kích

Ví dụCho IC LM35 có ngõ ra 10mV/0C.

Tính độ nhạy ngõ ra Vout.

Ví dụTính điện áp ngõ ra khi nhiệt độ đo là 5000C, biết nhiệt độ

cảm biến nhiệt IC là 300C.

Ví dụ

Bài tập RTD

Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và hệ số tiêu tán nhiệt =

6mW/K khi ở trong không khí và = 100mW/K khi nhúng

trong nước. Tính dòng điện tối đa qua cảm biến để giữ sai

số do đốt nóng dước 0.10C.

Giải:

Nhiệt độ tăng khi tiêu tán lượng công suất PD là:

Dòng tối đa:

2

DP I RT

TI

R

Bài tập RTD

RTD trong tầm tuyến tính:

: còn gọi là độ nhạy tương đối và phụ thuộc t0 tham chiếu

0 01R R T T

100 0

0

0100

R R

C R

: hệ số nhiệt (TCR) được tính từ 2 R tại 2 t0 tham chiếu

Bài tập RTD

VD: Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và có = 0.00389//K

tại 00C. Tính độ nhạy và hệ số nhiệt tại 250C và 500C?

Hệ số nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng

0 0 25 25 50 50S R R R Giải:

0.00389 /

* 100 0.389 /S KK

0 0 0 0

25 0 025 0 0

0.00355 / /1 25 0

R RK

R R C C

50 0.00326 / / K

Bài tập Thermistor

VD: Tính độ nhạy Thermistor có B = 4200K tại 00C và 500C

2

T

T

dR dT B

R T

Hệ số nhiệt (TCR) hay độ nhạy tương đối Thermistor

0

50

0.0563 /

0.0402 /

K

K

Bài tập Thermistor

ĐS: Dòng điện tối đa tại 00C (Rmax = 13640). I < 0.8 mA

Thermistor 2322 640 90007 có R25 = 12k, R90 = 1.3k và =

10mW/K trong nước. Cảm biến này được sử dụng đo nhiệt

độ nước từ 00C và 1000C. Tính dòng điện tối đa qua cảm

biến để giữ sai số do đốt nóng dước 0.50C.

Bài tập Thermistor

ĐS: 17.8K, 27.13K, 16.43K.

Mạch khuếch đại DC có 3 độ lợi khác nhau tại 3 nhiệt độ

khác nhau. Thermistor NTC có R20 = 30K và B = 4000K.

Tính các giá trị điện trở: Rs , Rp , RG để tại các nhiệt độ 150C,

250C và 350C mạch có độ lợi tương ứng: 0.9, 1.0, 1.1 ?

Bài tập Thermistor

Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 200C đến 1000C với

độ phân giải 0.10C, Pt100 có điện trở 100 và có =

0.00385//K tại 00C và = 40mW/K. Tính Rr nếu Vr = 5V.

22

0

100

0

100

0.1

* 0.1

138.5 930

r r

r

r r

r

I R V RT C

R

RR V

C

R R

Bài tập Thermistor

Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 200C đến 1000C với

độ phân giải 0.10C, Pt100 có điện trở 100 và có =

0.00385//K tại 00C và = 40mW/K. Tính Rr để ngõ ra có độ

nhạy 1mV/0C. Vr = 5V.

0 0

00

0

1

1925

r

r

r

r

rr

Vv R T

R

dv VS R

dT R

V RR

S

Bài tập Thermistor

Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 00C đến 500C với độ

phân giải 0.250C, Pt1000 có điện trở 1000 và có =

0.00375//K tại 250C. Tính R1 , R2 , Rp và Vref ngõ để dòng

qua cảm biến 50V và áp ra 0 đến 2V.