Cảm biến nhiệt độ

Chủ đề: Cảm biến nhiệt độ
CHÀO MỪNG CÔ GIÁO VÀ CÁC BẠN ĐẾN DỰ BUỔI THUYẾT TRÌNH CỦA NHÓM 3
II. Cảm biến nhiệt độ
2.1 Khái niệm cơ bản
2.2 Thang đo nhiệt độ
2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
2.4. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ.
2.5 Nhiệt kế giãn nỡ
2.6 Nhiệt kế điện trở
2.1 Khái niệm cơ bản

Nhiệt độ là gì?
là đại lượng vật lí đặc trưng cho trạng thái cân bằng nhiệt động của một hệ vĩ mô.
Là đại lượng biểu diễn mức độ nóng lạnh của vật thể.
Đo nhiệt độ là rất cần thiết
2.1 Khái niệm cơ bản
Việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản
Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ.
2.2 Thang đo nhiệt độ

Thang đo nhiệt độ tuyệt đối được dựa vào tính chất của khí lý tưởng.
Vậy khí lý tưởng là gì?
Là một loại chất khí tưởng tượng
Chứa các hạt giống nhau
Có kích thước vô cùng nhỏ so với thể tích của khối khí
Không tương tác với nhau,
Chúng chỉ va chạm đàn hồi với tường bao quanh khối khí.
Theo định lý Carnot:
hiệu suất của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ và trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào và :



2.2 Thang đo nhiệt độ
Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ.
Ngược lại, chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ.
Đặc , khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn.
Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng:

Có thể chứng minh được rằng: , trong đó:
R là hằng số khí lý tưởng,
T là nhiệt độ động học tuyệt đối.
Để gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ.
Gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại.
Thang Kelvin: là thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị là K.
Thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước – nước đá – hơi (ở 0⁰C) một giá trị số bằng 273,15K.
Thang Celsius: thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là ⁰C.
Thang Celsius: thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là ⁰C.
Nhiệt độ celsius xác định qua nhiệt độ Kenvin theo biểu thức:

Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ là. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32 ⁰F và điểm nước sôi là 212 ⁰F .
Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt độ Celsius.
2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Nhiệt độ cần đo (Tx): nhiệt độ thực của môi trường.
Nhiệt độ đo được (Tc): nhiệt độ bộ phận cảm nhận của cảm biến.
Xét cảm biến đo tiếp xúc (hình vẽ)  Sai số: T = Tx - Tc  0.
Sai sốT phụ thuộc:
Trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.
Trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và bên ngoài.
T
Muốn vậy khi đo cần phải:
Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo
Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ càm biến và môi trường bên ngoài
Ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc.
Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến theo:

Với α: hệ số dẫn nhiệt
A: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
t: thời gian trao đổi nhiệt
2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:
Với m: khối lượng cảm biến
C: nhiệt dung của cảm biến
Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:

Đặt :hằng số thời gian nhiệt, ta có:
nghiệm của phương trình có dạng:


2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao.
Để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn có hệ số dẫn nhiệt thấp.
2.4. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ
Chia làm hai nhóm:
Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm:
Cảm biến giãn nỡ (nhiệt kế giãn nỡ)
Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở)
Cặp nhiệt ngẫu
Cảm biến không tiếp xúc: hỏa kế, hỏa quang.

2.5 Nhiệt kế giãn nỡ
Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự giãn nỡ của vật liệu khi tăng nhiệt độ.
Ưu điểm: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo
Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn
Nhiệt kế gốm – kim loại gồm:



1 thanh gốm đặt trong ống kim loại,
Một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại,
Đầu kia nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị.
Thanh gốm
Ống kim loại
Cấu tạo
Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn

Hệ số giãn nỡ vì nhiệt của kim loại và của gốm là αk và αg
Do αk >αg nên khi nhiệt độ tăng lên một lượng dt thanh kim loại giãn thêm một lượng dlk  thanh gốm giãn thêm dlg với dlk>dlg làm cho thanh gốm dịch chuyển.
Nhiệt kế kim loại – kim loại gồm: 2 thanh kim loại có hệ số giãn nỡ nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc.
Kim loại 1: α1
Kim loại 2: α2 < α1
Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn
Giả sử α1>α2, khi giãn nỡ nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh 2.
Dựa vào độ cong kim loại để xác định nhiệt độ.
Đặc điểm:
Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền.
Ứng dụng:
Đo nhiệt độ < 700oC.
Chuyển mạch (rơle nhiệt)

b. Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất lỏng

Cấu tạo:
Gồm bình nhiệt,
ống mao dẫn
chất lỏng.
Chất lỏng thường sử dụng là thủy ngân có hệ số giãn nỡ nhiệt α=18.10-5/⁰C ,
Vỏ nhiệt kế bằng thủy tinh có α=2.10-5/⁰C.
Bình nhiệt
Ống mao dẫn
Chất lỏng
Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất lỏng
Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt được đặt tiếp xúc với môi trường đo.
Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nỡ và dâng lên trong ống mao dẫn.
Dải nhiệt độ làm việc từ -50 đến 600 ⁰C tùy theo vật liệu chế tạo vỏ bọc.
2.6 Nhiệt kế điện trở

a. Nguyên lý.
Dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ.
Tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng:
Với R0 là điện trở ở nhiệt độ T0
F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F=1 khi T=T0.
Có 3 loại điện trở thường sử dụng hiện nay là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hổn hợp các oxit bán dẫn.



a. Nguyên lý.

Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng:

Trong đó T đo bằng °C ,
T0=0⁰C và A, B, C là các hệ số thực nghiệm.
Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxit bán dẫn:

T là nhiệt độ tuyệt đối,
B là hệ số thực nghiệm.
a. Nguyên lý.
Khi độ biến thiên của nhiệt độ nhỏ điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính:

Với gọi là hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T.
Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ
Ví dụ: ở 00C platin có αR =3,9.10-3 /⁰C.
Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được là
Xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được:
a. Nguyên lý.
Ví dụ: và với những phép đo quanh điểm 0⁰C, vật liệu là Platin thì
Điện trở thay đổi do nhiệt độ thay đổi và chịu tác động thay đổi kích thước hình học của nó.
Đối với một điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ có dạng:

Hay
Với
Ta có , thực tế thường nên ta có thể coi:


b. Nhiệt kế điện trở kim loại
Vật liệu:
Có điện trở suất đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ.
Hệ số nhiệt trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu.
Có đủ độ bền cơ, hóa ở nhiệt độ làm việc.
Dể gia công và có khả năng thay lẫn.

b. Nhiệt kế điện trở kim loại
Bảng: thông số của một số vật liệu làm điện trở kim loại
b. Nhiệt kế điện trở kim loại
Vật liệu thường chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dung Cu, W.
Cấu tạo:
b. Nhiệt kế điện trở kim loại
Điện trở giới hạn giá trị một vài mA
Điện trở có độ nhạy nhiệt cao
Điện trở phải có giá trị đủ lớn để tránh làm nóng đầu do dòng diện chạy qua.
Giảm tiết diện dây và tăng chiều dài của dây.
Khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở.
b. Nhiệt kế điện trở kim loại
Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 0⁰C có giá trị khoảng 100Ω
Khi đó với điện trở platin có
Đường kính dây cỡ vài μm
Chiều dài dây khoảng 10cm,
sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm.
Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0 ⁰C là 50 Ω, 500 Ω, 1000 Ω,
Các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp.
Nhiệt kế công nghiệp
Có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động,
Điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép.
Nhiệt kế bề mặt
Dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn.
Được chế tạo bằng phương pháp quang hóa và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe – Ni, hoặc Pt.
Chiều dày của lớp kim loại cỡ vài μm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2.
Cấu tạo



Vật liệu
Điện trở
Tấm vật liệu cách điện
1
2
Nhiệt kế bề mặt
Đặc trưng chính:
Độ nhạy nhiệt:
~5.10-3/0C đối với trường hợp Ni và Fe – Ni
~4.10-3/ đối với trường hợp Pt
Dải nhiệt độ sử dụng:
-195 ⁰C đến 260 ⁰C đối với Ni và Fe – Ni.
-260 ⁰C đến 1400 ⁰C đối với Pt.
Khi sử dụng cần lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo.
c. Nhiệt kế điện trở silic
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể Silic có hệ số nhiệt điện âm
Tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương
Hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/ ⁰C ở 25 ⁰C.
Phần tử cảm nhận nhiệt được chế tạo có kích thước 500*500*240 µm được mạ kim loại ở một phía, phía kia là bề mặt tiếp xúc.
c. Nhiệt kế điện trở silic
Trong dải nhiệt độ làm việc từ -55 ⁰C đến 200 ⁰C, giá trị gần đúng điện trở của cảm biến nhiệt độ theo công thức:

Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ ở điểm chuẩn.
Sự thay đổi nhiệt độ của điện trở là tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hóa bằng cách mắc thêm một điện trở phụ.
d. Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn
Hỗn hợp bột oxit được trộn theo tỉ lệ thích hợp
 được nén định dạng và thêu kết ở nhiệt độ ~1000 ⁰C.
Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại.
d. Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn
Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở vào nhiệt độ theo biểu thức:


Hệ số nhiệt điện trở:

Gần đúng: và

Với B = 3.000 - 5.000K.
d. Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn
Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 đến 10-3K.
Kích thước cảm biến nhỏ  đo nhiệt độ tại từng điểm.
Nhiệt dung cảm biến nhỏ  thời gian hồi đáp nhỏ.
Dải nhiệt độ của cảm biến nhiệt điện trở từ 0⁰C đến 300 ⁰C
Hình ảnh một số cảm biến khác
Hình ảnh một số cảm biến khác
Cảm ơn cô giáo
và các bạn đã theo dõi