Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Nghề đào tạo: Vận hành thủy điện

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

BÀI GIẢNG

MÔ HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN

NGHỀ ĐÀO TẠO: VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN

TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP

(áp dụng cho Trình độ trung cấp)

LƯU HÀNH NỘI BỘ

Năm 2017

1

LỜI GIỚI THIỆU

Tập bài giảng Kỹ thuật cảm biến nhằm trang bị cho người học những kiến

thức cơ bản về các loại cảm biến thông dụng và ứng dụng các loại cảm biến trong

sản xuất và đời sống.

Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và

điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các sự kích thích thường là các đại

lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và

truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng,

đánh giá và điều khiển mọi biến trạng của đối tượng. Trong những năm gần đây

không có lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến. Chúng có mặt trong các

hệ thống tự động phức tạp như người máy, hệ thống kiểm tra chất lượng sản

phẩm...Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải,

hàng tiêu dùng..

Tập bài giảng Kỹ thuật cảm biến được biên soạn gồm 04 chương. Mỗi

chương sẽ đề cập tới các nội dung cơ bản nhất của các loại cảm biến thông dụng.

Kiến thức trong mỗi chương sẽ thật sự hữu ích cho các bạn muốn tìm hiểu và sử

dụng các loại cảm biến này một cách thuần thục trong những ngày đầu bỡ ngỡ làm

quen.

2

Contents

LỜI GIỚI THIỆU .................................................................................................. 2

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN....................... 7

1.1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến .......................................................... 7

1.2. Phạm vi ứng dụng ........................................................................................ 9

1.2.1. Vùng làm việc danh định. ...................................................................... 9

1.2.2. Vùng không gây nên hư hỏng. ..............................................................10

1.2.3. Vùng không phá huỷ.............................................................................10

1.2.4. Sai số và độ chính xác...........................................................................10

1.2.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp ..............................................................11

1.2.6. Độ tuyến tính ........................................................................................11

1.3. Phân loại các bộ cảm biến...........................................................................12

1.3.1. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích. .........12

1.3.2. Phân loại theo dạng kích thích...............................................................12

1.3.3. Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến..............................................13

1.3.4. Phân loại theo phạm vi sử dụng.............................................................14

1.3.5. Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế. .............................14

1.3.6. Phân loại theo cảm biến chủ động và bị động........................................15

1.3.7. Phân loại theo nguyên lý hoạt động.......................................................15

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ..............................................................16

2.1. Đại cương về cảm biến nhiệt độ..................................................................16

2.1.1. Thang đo nhiệt độ .................................................................................16

2.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo.....................................................17

2.2. Nhiệt điện trở Platin và Nikel......................................................................17

2.2.1. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ................................................18

2.2.2. Nhiệt điện trở Platin..............................................................................18

2.2.3. Nhiệt điện trở Nikel. .............................................................................19

2.2.4. Cách nối dây đo nhiệt điện trở...............................................................19

3

2.3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic ............................................................21

2.3.1. Nguyên tắc chung .................................................................................21

2.3.2. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản

xuất) ...............................................................................................................22

2.4. IC cảm biến nhiệt độ ...................................................................................23

2.4.1. Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor .......................23

2.4.2.Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices ....................................25

2.5. Nhiệt điện trở NTC .....................................................................................26

2.5.1. Cấu tạo..................................................................................................26

2.5.2. Ký hiệu .................................................................................................27

2.5.3. Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt NTC.............................................27

2.5.4. Ứng dụng..............................................................................................27

2.6. Nhiệt điện trở PTC......................................................................................27

2.6.1. Cấu tạo..................................................................................................28

2.6.2. Ký hiệu .................................................................................................28

2.6.3. Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt PTC .............................................28

2.6.4. Ứng dụng..............................................................................................28

2.7. Ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ ..........................................................28

2.7.1. Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ LM35

.......................................................................................................................29

2.7.2. Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của nhiệt điện trở NTC........29

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN..............................................................30

3.1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)........................................................30

3.1.1. Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)...................31

3.1.2. Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor)................35

3.1.3. Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor).....................39

3.1.4. Cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận.................................................43

3.1.5. Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau........................................44

4

3.2. Các bài tập ứng dụng các loại cảm tiệm cận................................................46

3.2.1. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm ............46

3.2.2. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung...........46

Chương 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY ............................48

4.1. Một số phương pháp cơ bản........................................................................48

4.1.1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog. .................................48

4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử.......................51

4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. .................................55

4.2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ ..................................................56

4.2.1. Nguyên tắc đo.......................................................................................56

4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor.........56

4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20 .................................................59

4.2.4. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver). ..........................................................61

4.3. Các bài tập ứng dụng ..................................................................................63

5

NỘI DUNG CHI TIẾT TẬP BÀI GIẢNG MÔN HỌC

I. MỤC TIÊU MÔN HỌC:

1. Kiến thức:

- Nghiêm túc, chủ động trong học tập. Ứng dụng các kiến thức đã học vào thực

tế.

- Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến.

- Phân tích nguyên lý của mạch điện cảm biến.

2. Kỹ năng:

- Thực hiện một số ứng dụng của cảm biến trong điều khiển điện công nghiệp.

3. Năng tự chủ và trách nhiệm:

- Nghiêm túc, chủ động trong học tập. Ứng dụng các kiến thức đã học vào thực

tế.

II. NỘI DUNG MÔN HỌC:

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN

CHƯƠNG 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY

6

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN

1.1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến

- Cảm biến - sensor: Xuất phát từ chữ sense có nghĩa là giác quan do đó nó

như các giác quan trong cơ thể con người. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống

điện có thể thu nhận thông tin từ bên ngoài. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự

động mới có thể tự động hiển thị thông tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều

khiển quá trình định trước có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi

trường hoạt động

- Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con

người như sau:

Bảng 1.1. So sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con người

5 giác quan

Thay đổi môi trường

Thiết bị cảm biến

Thị giác

Ánh sáng, hình dạng,

kích thước, vị trí xa gần,

màu sắc.

Cảm biến thu hình, cảm

biến quang.

Nhiệt trở, cảm biến tiệm

cận, cảm biến độ rung động.

Xúc giác

Áp suất, nhiệt độ, cơn

đau, tiếp xúc, tiệm cận, ẩm,

khô.

Đo lượng đường trong

máu.

Vị giác

Cảm biến sóng siêu âm,

mi-cro.

Ngọt, mặn, chua cay, béo.

Thính giác

Đo độ cồn, thiết bị cảm

7

nhận khí ga.

Âm rầm bổng, sóng âm,

âm lượng.

Khứu giác

Mùi của các chất khí,

chất lỏng.

- Cảm biến: Là thiết bị điện tử dùng để cảm nhận những trạng thái, quá

trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát (không có tính chất điện) và

biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường,

phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn

là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá

trình khác.

- Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện như nhiệt độ, áp

suất,… tác động lên cảm biến cho ta một đại lượng đặc trưng (s) mang tính chất

điện như điện tích, điện áp, dòng điện,… chứa đựng thông tin cho phép xác định

giá trị của đại lượng đo.

- Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):

s = f(m)

(1.1)

m

s

Bộ cảm biến

Hình 1.1. Chuyển đổi của bộ cảm biến

- Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là

đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo

đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m).

- Độ nhạy của cảm biến: Là đại lượng biểu diễn sự so sánh giữa độ biến thiên

đầu ra so với độ biến thiên đầu vào

S = ds/dm

(1.2)

Trong đó:

8

ds: Biến thiên đại lượng đầu ra.

dm: Biến thiên đại lượng đầu vào.

- Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với

những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.

- Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm

sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

+ Giá trị của đại lượng cần đo và tần số thay đổi của nó.

+ Thời gian sử dụng.

+ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của

môi trường xung quanh.

- Độ nhạy trong chế độ tĩnh là đại lượng đo không biến thiên tuần hoàn theo

thời gian

- Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần

hoàn theo thời gian.

- Đường cong chuẩn cảm biến: Là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại

lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.

1.2. Phạm vi ứng dụng

- Được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi

trường, khí tượng thủy văn, thông tin viễn thông, nông nghiệp, giao thông, vũ trụ,

quân sự, gia dụng, trong kỹ thật điều khiển, đo lườngv.v.

- Trong quá trình sử dụng, ứng dụng các cảm biến luôn chịu tác động của các

lực cơ học, tác động nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép,

chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng, ứng

dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn, sai số… này.

1.2.1. Vùng làm việc danh định.

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường

của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại

lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể

9

thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của

cảm biến.

1.2.2. Vùng không gây nên hư hỏng.

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại

lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng

làm việc danh định, nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng.

Các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi, nhưng những thay đổi này mang

tính thuận nghịch. Tức là khi trở về vùng làm việc danh định, các đặc trưng… của

cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.

1.2.3. Vùng không phá huỷ.

Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật

lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây

nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy. Các đặc trưng

của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch.

Tức là khi trở về vùng làm việc danh định, các đặc trưng của cảm biến không thể

lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng

được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.

1.2.4. Sai số và độ chính xác

a. Sai số

- Là giá trị sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo.

(1.3)

Trong đó:

x: Giá trị thực

x: Sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực

b. Sai số hệ thống

- Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi

chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá

trị đo được.

10

- Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

+ Do nguyên lý của cảm biến.

+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.

+ Do đặc tính của bộ cảm biến.

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng.

+ Do xử lý kết quả đo.

c. Sai số ngẫu nhiên

- Là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự đoán

được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được

độ lớn và dấu của nó.

- Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến

1.2.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp

- Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về

thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp

là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.

- Độ nhanh là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi

biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn 

tính bằng %.

- Thời gian hồi đáp tương ứng với % xác định khoảng thời gian cần thiết

phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với

độ chính xác định trước.

1.2.6. Độ tuyến tính

- Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định, nếu trong

dải đo đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.

11

- Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu

chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng

đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá.

1.3. Phân loại các bộ cảm biến

- Trên thực tế có rất nhiều những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể

phân loại cảm biến theo các đặc trưng cơ bản sau đây:

1.3.1. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.

Bảng 1.2. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

Hiện tượng

Chuyển đổi đáp ứng và kích thích

- Quang điện

- Điện từ

Hiện tượng vật lý

- Từ điện

- Nhiệt từ...

- Biến đổi hoá học

- Biến đổi điện hoá

- Phân tích phổ ...

Hiện tượng hoá học

Hiện tượng sinh học

- Biến đổi sinh hoá

- Biến đổi vật lý

- Hiệu ứng trên cơ thể sống ...

1.3.2. Phân loại theo dạng kích thích.

Bảng 1.3. Phân loại theo dạng kích thích

Hiện tượng

Các đặc tính của kích thích

- Biên pha, phân cực

- Phổ

Âm thanh

- Tốc độ truyền sóng ...

12

- Điện tích, dòng điện

- Điện thế, điện áp

Điện

- Điện trường (biên, pha, phân cực,

phổ)

- Điện dẫn, hằng số điện môi ...

- Từ trường (biên, pha, phân cực,

phổ)

Từ

- Từ thông, cường độ từ trường

- Độ từ thẩm ...

- Biên, pha, phân cực, phổ

- Tốc độ truyền

Quang

- Hệ số phát xạ, khúc xạ

- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ ...

- Vị trí

- Lực, áp suất

- Gia tốc, vận tốc

- Ứng suất, độ cứng

- Mô men

Cơ

- Khối lượng, tỉ trọng

- Vận tốc chất lưu, độ nhớt ...

- Nhiệt độ

Nhiệt

- Thông lượng

- Nhiệt dung

- Kiểu

1.3.3.

loại

tính

Phân

theo

- Năng lượng

- Cường độ ...

Bức xạ

năng

13

của bộ cảm biến.

Bảng 1.4. Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến

Hiện tượng

Các đặc tính của kích thích

- Độ nhạy

- Khả năng quá tải

- Tốc độ đáp ứng

- Độ ổn định

- Độ chính xác

- Độ phân giải

- Độ chọn lọc

- Độ tuyến tính

- Công suất tiêu thụ

- Dải tần

- Tuổi thọ

- Điều kiện môi trường

- Kích thước, trọng lượng

- Độ trễ

1.3.4. Phân loại theo phạm vi sử dụng.

- Công nghiệp

- Nghiên cứu khoa học

- Môi trường, khí tượng

- Thông tin, viễn thông

- Nông nghiệp

- Dân dụng

- Giao thông

- Vũ trụ

- Quân sự

1.3.5. Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế.

- Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.

- Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C ... tuyến tính

hoặc phi tuyến.

14

1.3.6. Phân loại theo cảm biến chủ động và bị động.

- Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín

hiệu điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất

thành điện tích trên bề mặt

- Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu

điện. Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của

điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược.

1.3.7. Phân loại theo nguyên lý hoạt động.

- Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay

của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.

- Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ,

cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,….

- Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,…

Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang

nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ,…

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu hỏi 1: Trình bày khái niệm cơ bản và các bộ cảm biến ?

Câu hỏi 2: Trình bày phạm vi ứng dụng của cảm biến?

Câu hỏi 3: Trình bày phân loại các bộ cảm biến ?

15

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

2.1. Đại cương về cảm biến nhiệt độ

- Nhiệt độ là một trong số những đại lượng, có ảnh hưởng rất lớn đến tính

chất vật chất. Đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp và

nhiều lĩnh vực khác. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng

như trong đời sống, việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính

xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có

thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất.

- Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính

chất vật liệu vào nhiệt độ.

- Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của

đại lượng cần đo.

- Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ, chúng có các

đặc điểm khác nhau tùy vào từng ứng dụng thực tế, được dùng trong hệ thống HV

và hệ thống điều khiển môi trường AC, trang bị y tế, cảm biến xử lý thực phẩm, xử

lý hóa chất, hệ thống điều khiển ô tô, đo nhiệt độ trong bồn đun nước, đun dầu, đo

nhiệt độ lò nung, lò sấy, đo nhiệt độ các loại máy móc…

2.1.1. Thang đo nhiệt độ

a. Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852)

- Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K.

- Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng

thái: nước - nước đá - hơi một giá trị có trị số bằng: 273,15 K.

b. Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742)

- Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là ^oC.

- Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:

T(^oC)= T(K) - 273,15

(2.1)

c. Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706)

o

- Đơn vị nhiệt độ là F. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan

là 32^oF và điểm nước sôi là 212^oF.

16

- Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius:

°C = 5/9 (F – 32)

°F = 9/5 (C + 32)

(2.2)

(2.3)

Bảng 2.1. Bảng cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo

các thang đo khác nhau.

Nhiệt độ

Kelvin

Celsius

(^oC)

Fahrenhei

t (^oF)

(K)

Điểm 0 tuyệt đối

0

- 273,15

0

-459,67

32

Hỗn hợp nước đá

273,15

273,16

Cân bằng nước - nước đá -

0,01

32,018

hơi

Nước sôi

373,15

100

212

2.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

- Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận

được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến.

- Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được.

- Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường

đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao

giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc

nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx – Tc, hiệu số này

càng nhỏ, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải:

+ Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường cần đo.Giảm

sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài.

+ Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm

biến 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 từ phần tử

cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp.

2.2. Nhiệt điện trở Platin và Nikel

17

2.2.1. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ.

- Nhiệt điện trở là điện trở có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay

đổi thì điện trở cũng thay đổi

- Với kim loại, sự chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng thành

một dòng điện trong kim loại. Sự chuyển động này có thể do một lực cơ học hay

điện trường gây nên và điện tích có thể âm hay dương chuyển động theo chiều

ngược nhau.

- Dưới tác dụng của nhiệt độ làm cho sự chuyển động này thay đổi và giá trị

điện trở cũng thay đổi. Có thể nhiệt độ tăng điện trở tăng hoặc nhiệt độ tăng thì

điện trở giảm.

- Khi chế tạo nhiệt điện trở người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên

khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp có vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với

điện trở (R). Trong thực tế nhà sản xuất đã chế tạo nhiệt điện trở có giá trị khoảng

từ 10() đến 100().

- Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt

như: Đồng, Nikel, Platin.

- Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao,

ổn định dài hạn được sử dụng rất rộng rãi và nhiều. Xong nhược điểm của điện trở

kim loại thay đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có quán tính nhiệt

lớn.

2.2.2. Nhiệt điện trở Platin.

- Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp.

+ Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác

của các tính chất điện.

+ 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.

+ Hệ số nhiệt điện trở ở 0⁰C bằng 3,9.10-3/⁰C.

+ Điện trở ở 100⁰C lớn gấp 1,385 lần so với ở 0⁰C.

+ Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200⁰C ÷ 1000⁰C.

18

- 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 1 vào năm 1986, lần 2 vào 1995). Riêng

USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng.

2.2.3. Nhiệt điện trở Nikel.

+ Có độ nhạy nhiệt cao bằng 4,7.10-3/⁰C.

+ Điện trở ở 100⁰C lớn gấp 1,617 lần so với ở 0⁰C.

+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.

+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250⁰C.

- Nhiệt điện trở Nikel so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn

gần gấp 2 lần (6,18.10^{-3 0}C^-1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60⁰C đến +250⁰C, vì trên

350⁰C hệ số nhiệt điện trở của Nikel không ổn định. Cảm biến nhiệt Nikel thường

dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng.

2.2.4. Cách nối dây đo nhiệt điện trở.

- Hiện các nhà sản xuất đã sản xuất ra nhiệt điện trở 2 dây, 3 dây, 4 dây nên ta

có 3 kỹ thuật nối dây đo

- Tiêu chuẩn IEC 751– 1983 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.

a. Kỹ thuật hai dây:

- Đây là loại cấu hình dây đơn giản nhất và độ chính xác cũng thấp nhất.

Điện trở của dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ chính

xác. Dây nối càng dài càng ảnh hưởng càng lớn.

19

Hình 2.1. Kỹ thuật 2 dây

- Giữa nhiệt điện trở và mạch đo được nối bởi hai dây. Bất cứ dây dẫn điện

nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với nhiệt điện trở. Với hai điện trở

của hai dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện thế cần đo.

Kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo. Nếu khoảng cách quá xa,

điện trở dây đo có thể lên đến vài Ohm và gây ra sai số cho phép đo.

- Để tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ

điện trở của dây đo bằng cách. Dùng một biến trở bù được nối vào một trong hai

dây đo rồi chỉnh biến trở sao cho có chỉ thị 0⁰C bù lại điện trở của dây đo gây ra sai

số.

b. Kỹ thuật 3 dây:

Hình 2.2. Kỹ thuật 3 dây

- Có 3 sợi dây nối từ RTD thay vì 2 dây. L1 và L3 dẫn dòng đo, L2 có vai trò

như dây chiết áp. Lý tưởng thì điện trở của dây L1 và L3 không có. Trở kháng của

R3 thì bằng với trở kháng của phần tử cảm biến Rt.

- Với cách nối dây này ta có hai mạch đo được hình thành, một trong hai

mạch được dùng làm mạch chuẩn. Với kỹ thuật 3 dây, sai số cho phép đo do điện

trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt độ không còn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo

cần có cùng trị số kỹ thuật và có cùng một nhiệt độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến.

c. Kỹ thuật 4 dây.

20