Giáo trình mô đun Điều khiển kỹ thuật cảm biến và điều khiển điện thông minh

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH NỘI BỘ

MÔ ĐUN: ĐIỀU KHIỂN KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN

ĐIỆN THÔNG MINH

NGHỀ ĐÀO TẠO: ĐIỆN DÂN DỤNG

(Áp dụng cho trình độ: Trung cấp)

LƯU HÀNH NỘI BỘ

NĂM 2019

2

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình Điều khiển kỹ thuật cảm biến và điều khiển điện thông minh này được

biên soạn theo Mô đun 23 của nghề Điện dân dụng thuộc khung chương trình nội bộ ban

hành năm 2019. Nhằm phục vụ cho giảng dạy của giáo viên và học tập của học sinh trung

cấp trường Cao đẳng Lào Cai.

Nội dung giáo trình gồm 3 bài:

Bài 1: Điều khiển cảm biến nhiệt độ.

Bài 2: Kết nối, khảo sát cảm biến tiệm cận và các loại cảm biến xác định vị trí,

khoảng cách.

Bài 3: Đo vận tốc vòng quay và góc quay.

Bài 4. Lắp đặt hệ thống KNX

Bài 5: Bài tập vận dụng

Bai 6. Lắp đặt hệ thống năng lượng tái tạo

Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi được những thiếu sót. Rất mong nhận

được các ý kiến đóng góp phản hổi quý báu của bạn đọc để giúp chỉnh sửa giáo trình hoàn

thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: khoa Điện – Điện tử, trường Cao đẳng

Lào Cai hoặc gửi thư điện tử tại hòm thư:

khoadiencdnlc@gmail.com.

Xin chân thành cảm ơn!

3

MỤC LỤC

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

MỤC LỤC............................................................................................................................3

Bài 1: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ...................................................................6

Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT ..............................................................................6

2.1. Đại cương về cảm biến nhiệt độ. .........................................................................6

2.1.1. Thang đo nhiệt độ.............................................................................................6

2.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo.................................................................7

2.2. Nhiệt điện trở Platin và Nikel..............................................................................7

2.2.1. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ............................................................7

2.2.2. Nhiệt điện trở Platin. ........................................................................................8

2.2.3. Nhiệt điện trở Nikel..........................................................................................8

2.2.4. Cách nối dây đo nhiệt điện trở..........................................................................8

2.3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic...................................................................10

2.3.1. Nguyên tắc chung........................................................................................... 10

2.3.2. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất)...11

2.4. IC cảm biến nhiệt độ. ........................................................................................ 12

2.4.1. Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor................................. 12

2.4.2.Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices..............................................13

2.5. Nhiệt điện trở NTC. .......................................................................................... 14

2.5.1. Cấu tạo...........................................................................................................14

2.5.2. Ký hiệu...........................................................................................................14

2.5.3. Đặc tính cảm biến nhiệt NTC. ........................................................................14

2.5.4. Ứng dụng. ......................................................................................................14

2.6. Nhiệt điện trở PTC............................................................................................ 15

2.6.1. Cấu tạo...........................................................................................................15

2.6.2. Ký hiệu...........................................................................................................15

2.6.3. Đặc tính cảm biến nhiệt PTC..........................................................................15

2.7. Ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ.................................................................16

Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH.........................................................................25

Bài 2: LẮP ĐẶT, KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN ............................... 37

Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT ............................................................................37

3.1. Cảm biến tiệm cận............................................................................................. 37

3.1.1. Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)............................. 38

4

3.1.2. Cảm biến tiệm cận điện dung .........................................................................41

3.1.3. Cảm biến tiệm cận siêu âm.............................................................................45

3.1.4. Cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận .......................................................... 48

3.1.5. Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau .................................................49

3.2. Các bài tập ứng dụng các loại cảm tiệm cận. .....................................................50

3.2.1. Lắp đặt mạch điều khiển dùng cảm biến tiệm cận điện cảm............................ 51

3.2.2. Lắp đặt mạch điều khiển dùng cảm biến tiệm cận điện dung .......................... 51

Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH.........................................................................52

Bài 3: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY..................................................56

Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT ............................................................................56

4.1. Một số phương pháp cơ bản. .............................................................................56

4.1.1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog............................................56

4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử.................................59

4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ............................................61

4.2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ......................................................... 62

4.2.1. Nguyên tắc đo ................................................................................................ 62

4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor...................62

4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20........................................................... 65

4.2.4. Máy đo góc tuyệt đối......................................................................................66

4.3. Các bài tập ứng dụng......................................................................................... 68

4.3.1. Lắp đặt kết mạch điều khiển dùng cảm biến đo tốc độ động cơ ......................68

Bài 4: LẮP ĐẶT HỆ THỐNG KNX ...............................................................................69

4.1. Khái quát chung về hệ thống KNX........................................................................69

4.1.1. Lịch sử phát triển. .......................................................................................... 69

4.1.2. Thành phần thiết bị cốt lõi..............................................................................69

4.1.3. Mô hình giao tiếp kết nối................................................................................69

4.1.4. Cấu hình kết nối, phân bố thiết bị...................................................................72

4.2. Hướng dẫn sử dụng phần mềm ETS. .....................................................................75

4.2.1. Chức năng, nhiệm vụ các vùng.......................................................................75

4.2.2. Xây dựng kiến trúc điều khiển. ......................................................................76

4.2.3. Khai báo biến điều khiển................................................................................77

4.2.4. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống. ......................................................................78

BÀI 5. BÀI TẬP VẬN DỤNG ........................................................................................ 79

5.1. Điều khiển chiếu sáng ........................................................................................... 79

5.1.1. Yêu cầu công nghệ.......................................................................................... 79

5

5.1.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện........................................................... 79

5.1.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình....................79

5.1.4. Vận hành mạch điện....................................................................................... 80

5.2. Điều khiển rèm cửa ............................................................................................... 80

5.2.1. Yêu cầu công nghệ.......................................................................................... 80

5.2.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện........................................................... 81

5.2.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình....................81

5.2.4. Vận hành mạch điện....................................................................................... 81

5.3. Điều khiển cổng Gara............................................................................................ 82

5.3.1. Yêu cầu công nghệ.......................................................................................... 82

5.3.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện........................................................... 82

5.3.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình....................82

5.3.4. Vận hành mạch điện....................................................................................... 83

5.4. Điều khiển tổng hợp.............................................................................................. 83

5.4.1. Yêu cầu công nghệ.......................................................................................... 83

5.4.2. Lựa chọn thiết bị và liên kết mạch điện........................................................... 83

5.4.3. Thiết lập chương trình điều khiển trên ETS và nạp chương trình....................83

5.4.4. Vận hành mạch điện....................................................................................... 84

BÀI 6. LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ............................................85

6.1. Lý thuyết về năng lượng tái tạo .............................................................................85

6.1.1. Khái niệm và phân loại năng lượng tái tạo.....................................................85

6.1.2. Vai trò năng lượng tái tạo ..............................................................................88

6.2. Năng lượng mặt trời .............................................................................................. 90

6.2.1. Khái niệm và phân loại năng lượng mặt trời ..................................................90

6.2.2. Vai trò năng lượng mặt trời............................................................................91

6.3. Năng lượng gió......................................................................................................93

6.3.1. Khái niệm.......................................................................................................93

6.3.2. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió..................................................93

6.3.3. Khảo sát bộ thực hành tua bin gió 3 pha 400W ..............................................93

6.3.4. Vận hành bộ thực hành tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió giám

sát bằng máy tính.....................................................................................................94

6.4. Lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời....................................................................94

6.4.1. Khảo sát các phần tử trên hệ thống điện năng lượng mặt trời. ....................... 94

6.4.2. Lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời.....................................................95

6

Bài 1: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT

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).

Đơn vị nhiệt độ là ^oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32^oF và

điểm nước sôi là 212^oF.

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.

7

Nhiệt độ

Kelvin

Celsius

Fahrenheit

(K)

(^oC)

(^oF)

Điểm 0 tuyệt đối

0

- 273,15

0

-459,67

32

Hỗn hợp nước đá

273,15

273,16

0,01

32,018

Cân bằng nước - nước đá -

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.

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().

8

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.

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). 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.

9

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.

Hình 2.1. Kỹ thuật hai 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 ba dây.

Hình 2.2. Kỹ thuật ba 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 bốn dây.

10

Hình 2.3. Kỹ thuật bốn dây

Loại này khắc phục được lỗi do trở kháng của điểm nối gây ra. Dòng điện đi từ nguồn

dòng đến L1 rồi đến dây L4; Dây L2 và L3 đo áp rơi trên RTD. Với nguồn dòng cố định thì

phép đo chính xác hơn. Loại cấu hình này có giá thành cao hơn so với cấu hình 2 hay 3 dây.

Tuy nhiên nếu đòi hỏi sự chính xác cao thì nên lựa chọn loại cấu hình này (trong phòng thí

nghiệm, ít dùng trong công nghiệp).

Với kỹ thuật 4 dây người ta đạt kết quả đo tốt nhất. Hai dây được dùng để cho một

dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện thế trên

nhiệt điện trở. Trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện trở dây đo, điện

trở dây đo đó coi như không đáng kể. Điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây

đo và sự thay đổi của nó do nhiệt.

2.3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic.

2.3.1. Nguyên tắc chung.

Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các

hệ thống điện tử. Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, sự chính xác, phí tổn

thấp, và có thể được tích hợp trong 1 IC cùng với bộ phận khuếch đại và các yêu cầu xử lí

tín hiệu khác.

Hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức độ phức tạp cao hơn và chạy nhanh hơn. Kỹ thuật cảm

biến nhiệt truyền thống như cặp nhiệt, nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và yêu

cầu sự điều chỉnh để có thể chuyển đổi chính xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện

(dòng hoặc áp) đang được thay thế dần bởi các cảm biến Silic với lợi điểm là sự nhỏ gọn của

mạch điện tích hợp và dễ sử dụng.

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể Silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp

chất loại N ở nhiệt độ nào đó hệ số điện trở của nó trở thành dương. Khoảng nhiệt độ sử

dụng từ - 50^oC đến 150 ^oC. Sự thay đổi nhiệt của điện trở suất Silic phụ thuộc vào nồng độ

chất pha và nhiệt độ

+ Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 120 ^oC (dải nhiệt độ làm việc) điện trở suất tăng khi nhiệt độ

tăng. Hệ số nhiệt của điện trở càng nhỏ khi nồng độ pha tạp càng nhiều

11

+ Nếu nhiệt độ lớn hơn 120 ^oC (dải nhiệt độ làm việc) điện trở suất giảm khi nhiệt độ

tăng. Hệ số nhiệt của điện trở suất không phụ thuộc vào nồng độ pha tạp

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

Với sự chính xác và ổn định lâu dài của cảm biến với vật liệu silic KTY, sử dụng công

nghệ điện trở phân rải. Đây là một sự thay thế tốt cho các loại cảm biến nhiệt độ truyền

thống.

Giả thiết cảm biến làm việc ở nhiệt độ có giá trị bằng một nửa giá trị nhiệt độ hoạt

động cực đại. Sau thời gian làm việc ít nhất là 450000h (khoảng 51 năm), hoặc sau 1000h

(1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức tại giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại, cảm

biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như bảng sau:

Bảng 2.2. Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)

Sai số tiêu biểu Sai số lớn nhất

TYPE

(K)

0.20

0.50

KTY81-1

KTY82-1

0.20

0.80

KTY81-2

KTY82-2

KTY83

0.15

0.40

Do cảm biến được sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ silic nên gián tiếp chúng ta sẽ

hưởng được lợi ích từ những tiến bộ trong lãnh vực công nghệ này, đồng thời điều này cũng

gián tiếp mang lại những ảnh hưởng ích cực cho công nghệ “đóng gói”, nơi mà luôn có

khuynh hướng thu nhỏ.

Nhiệt độ hoạt động của các cảm biến silic thông thường bị giới hạn ở 150⁰C. KTY 84

với vỏ bọc SOD68 và công nghệ nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip có thể hoạt động đến

nhiệt độ 300⁰C.

Bảng 2.3. Một số sản phẩm tiêu biểu

Tên

phẩm

sản Thang

(°C)

đo

Dạng IC

KTY81-1

KTY81-2

KTY82-1

KTY82-2

KTY83-1

−55 tới 150

−55 tới 175

SOD70

SOT23

SOD68 (DO-

12

34)

SOD68 (DO-

34)

KTY84-1

2.4. IC cảm biến nhiệt độ.

−40 tới 300

Nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ. IC cảm

biến nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện

áp hoặc tín hiệu dòng điện.

Dựa vào các đặc tính rất nhạy cảm của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc

0

dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối C, F, K hay tùy loại. Đo tín hiệu điện ta biết

được nhiệt độ cần đo. Tầm đo nhiệt độ giới hạn từ -55⁰C đến 150⁰C, độ chính xác từ 1⁰C đến

2⁰C tùy theo từng loại.

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

a. Cảm biến nhiệt LM35.

LM35 là một loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường được sử dụng để đo nhiệt độ (theo

°C). Nó với thể đo nhiệt độ chính xác hơn so với một điện trở nhiệt (thermistor) cùng tầm

giá. Cảm biến này tạo ra điện áp có đầu ra cao hơn các cặp nhiệt điện và có thể không cần

điện áp đầu ra được khuếch đại. LM35 có điện áp đầu ra tỷ lệ thuận có nhiệt độ Celsius. Hệ

số tỷ lệ là .01V/°C.

LM35 có độ chuẩn xác hơn kém 0,4°C ở nhiệt độ phòng bình thường và hơn kém 0,8 °

C trong khoảng 0°C đến + 100°C. Một đặc tính quan trọng hơn của cảm biến này là rằng nó

chỉ thu được 60 microamps từ nguồn cung ứng và có khả năng tự sưởi ấm thấp.

- Điện áp hoạt động: V_c= 4V tới 30V

- Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10mV/⁰C

- Thang đo: -55⁰C đến 150⁰C với LM 35/35A; -40⁰C đến 110⁰C với LM 35C/35CA;

0⁰C đến 100⁰C với LM 35D

- Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 ⁰C (trong môi trường không khí)

- Mức độ không tuyến tính chỉ  1/4⁰C

- LM35 dùng để đo nhiệt độ của một môi trường đặc biệt, kiểm tra nhiệt độ pin. Cung

cấp thông tin về nhiệt độ của một linh kiện điện tử khác

- Hình dạng

13

Hình 2.4. Hình dạng thực tế LM35

b. Cảm biến nhiệt LM 34.

- LM34 là một loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường được sử dụng để đo nhiệt độ (theo

° F).

- LM34 có cấu trúc tương tự LM 35

- Điện áp hoạt động: 5 tới 20 VDC.

- LM 34 có ngõ ra 10mV/⁰F

- Thang đo: -50 đến +300⁰F

- Mức độ không tuyến tính chỉ  0,4⁰F.

- Trở kháng ngõ ra LM34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay

điều khiển mạch điện dễ dàng.

- LM34 dùng để đo nhiệt độ của một môi trường đặc biệt, kiểm tra nhiệt độ pin. Cung

cấp thông tin về nhiệt độ của một linh kiện điện tử khác

- Hình dạng

Hình 2.5. Hình dạng thực tế LM34

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

AD590 (Analog Devices) được thiết kề là một cảm biến nhiệt có tổng trở ngõ ra khá

lớn (10 mê ga ôm), vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất khiến cho dòng µA ra tương

ứng chuẩn với nhiệt độ K. Điện áp làm việc càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng tự gia

nhiệt, khi cấp điện áp thay đổi dòng điện thay đổi rất ít

- Dải điện áp cung cấp điện từ 3 đến 30V_DC

- Thang đo -55 đến 150⁰C

- Công suất đầu ra 223 mu đến 423 mu

- Dòng điện ra tỉ lệ 1µA /⁰K

- Khi điện trở lấy mẫu R được kết nối trong mạch, điện áp ở cả hai đầu của R có thể

được sử dụng làm điện áp đầu ra. Điện trở của R không quá lớn để đảm bảo điện áp của

AD590 không nhỏ hơn 3V. Khoảng cách truyền tín hiệu hiện tại đầu ra AD590 có thể đạt

hơn 1km. Là một loại nguồn có trở kháng cao, lên đến 20 m, do đó, không cần xem xét việc

14

chọn công tắc hoặc được giới thiệu bởi bộ ghép kênh CMOS trở kháng bổ sung gây ra bởi

lỗi. Nó phù hợp để đo nhiệt độ đa điểm và đo nhiệt độ từ xa

- Hình dạng

Hình 2.6. Hình dạng thực tế AD590

2.5. Nhiệt điện trở NTC.

NTC (Negative Temperature Conficient): Là nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện

trở âm cũng giống như cảm biến đo nhiệt độ nhưng chỉ trong một khoảng nhiệt độ nhất

định.

2.5.1. Cấu tạo.

NTC được cấu tạo từ hỗn hợp đa tinh thể của nhiều bột oxit kim loại như mangan,

nickel, cobalt…Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được

nén chặt và nung ở nhiệt độ cao (1000⁰C 1400⁰C). Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ

thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

Để có các NTC có những đặc trưng kỹ thuật ổn định với thời gian dài, nó còn được xử

lí với những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo.

2.5.2. Ký hiệu.

v

Hình 2.7. Ký hiệu NTC

2.5.3. Đặc tính cảm biến nhiệt NTC.

- Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng). NTC

giảm từ 3 đến 5, 5 % /1⁰C

- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.

- Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp.

2.5.4. Ứng dụng.

NTC có nhiều ứng dụng làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch

điện tử…và chia làm 2 loại: đo lường và làm bộ trễ.

15

Loại dùng làm đo lường: Trong đo lường và tác động bù, cần tránh hiện tượng tự sinh

nhiệt do dòng NTC lớn, như vậy NTC hoạt động chủ yếu trong vùng tuyến tính, trong vùng

này điện trở của NTC được xác định bằng nhiệt độ môi trường, phạm vi chủ yếu của NTC

trong lĩnh vực này là đo nhiệt độ, kiểm tra, điều khiển. Tuy nhiên NTC cũng được dùng để

bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở cho các mạch điện tử dùng bán dẫn

Loại dùng làm bộ trễ: NTC có tính chất trễ, khi dòng điện qua nó lớn đến nỗi điện trở

giảm nhiều do quá trình tự tỏa nhiệt, tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm mạnh. Nhiệt

điện trở NTC tạo tác dụng trễ nhằm triệt dòng đỉnh tim các bóng điện tử, mạch có tính dung

kháng

2.6. Nhiệt điện trở PTC.

PTC (Positive Temperature Coefficent): Là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở

dương cũng giống như cảm biến đo nhiệt độ nhưng chỉ trong một khoảng nhiệt độ nhất

định.

2.6.1. Cấu tạo.

Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp barium carbonate và một vài oxit kim loại khác

được ép và nung. Nhiều tính chất về điện khác nhau, có thể đạt được bằng cách gia giảm các

hợp chất trộn khác nhau về nguyên vật liệu và bằng cách gia nhiệt theo nhiều phương pháp.

Sau khi gia nhiệt nung kết các mối nối đã được hình thành sau đó trong quá trình sản

xuất các dây nối dẫn ra ngoài được thêm vào. Nhiệt điện trở PTC thông thường được phủ ở

bên ngoài một lớp vỏ có cấu tạo như vécni để chống lại ảnh hưởng của môi trường không

khí

2.6.2. Ký hiệu.

v

Hình 2.8. Ký hiệu PTC

2.6.3. Đặc tính cảm biến nhiệt PTC.

- Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng).

- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.

- Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp.

2.6.4. Ứng dụng.

Nhiệt điện trở PTC được mắc trong một cầu đo của mạch so sánh ở nhiệt độ bình

thường điện áp ngõ ra ở mức thấp, khi sự tăng nhiệt độ vượt quá ngưỡng xuất hiện PTC bị

nung nóng nên điện áp ngõ ra lên mức thấp

16

PTC được dùng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ bằng cách đo

trực tiếp, cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn stato, tín hiệu được xử lý nhờ một thiết

bị điều khiển

2.7. Ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ

2.7.1. Lắp đặt mạch điều khiển nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt độ LM35

2.7.2. Lắp đặt mạch điều khiển nhiệt độ dùng nhiệt điện trở NTC, PTC

2.7.3. Lắp đặt, cài đặt mạch điều khiển nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt độ

a. Hướng dẫn sử dụng cho một số bộ cảm biến nhiệt độ

- Môi trường lắp đặt

+ Chỉ được dùng trong nhà

+ Độ cao so với mặt nước biển Max 2000m

+ Mức độ ô nhiễm 2

+ Lắp đặt hạng II

- Hãy lắp đặt công tắc nguồn hoặc mạch ngắt điện trong quy trình để ngắt nguồn cấp.

- Công tắc hoặc mạch ngắt điện phải được lắp đặt gần người sử dụng

- Không sử dụng sản phẩm này như đồng hồ Vôn hoặc đồng hồ Ampe, đây là bộ điều

khiển nhiệt độ

- Phải sử dụng dây bù nhiệt khi mở rộng dây từ bộ điều khiển đến can nhiệt, nếu

không thì sự lệch nhiệt độ sẽ xảy ra tại phần dây được kết nối với nhau.

- Trong trường hợp sử dụng RTD Sensor, cả 3 dây đều phải được sử dụng. Nếu muốn

kéo dài thêm dây, cả 3 dây đều phải được sử dụng với kích thước giống nhau và cùng loại.

Nếu điện trở của dây khác nhau có thể dẫn đến nhiệt độ khác nhau.

- Trong trường hợp sử dụng dây nguồn và dây tín hiệu gần nhau, dây chống nhiễu

phải được dùng như là dây nguồn và dây tín hiệu vào phải được bọc lại.

- Tránh xa các thiết bị có tần số cao. (Máy hàn tần số cao & máy khâu, bộ điều khiển

điện dung SCR loại lớn)

b. Cảm biến nhiệt TZN 4S

* Giới thiệu bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S

17

Hình 2.9. Bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S

* Giải thích model:

1- Mục:

TZN: Điều khiển nhiệt độ PID

2- Số chữ số:

4 số

3- Kích thước:

S: W48× H48mm (Loại có đế kết nối)

4- Ngõ ra phụ:

1: Ngõ ra Event1

5- Nguồn cấp:

4: 100-240VAC 50/60Hz

6- Ngõ ra điều khiển:

R: Ngõ ra rơle

* Thông số kỹ thuật

Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S

Nguồn cung cấp

100-240VAC 50/60Hz

Công suất tiêu thụ

Cách thức hiển thị

5VA

Hiển thị bằng LED 7 thanh (Giá trị xử lý (PV):

màu đỏ, giá trị cài đặt (SV): màu xanh.

Kích thước chữ

PV: W7.8×H11mm

SV: W5.8×H8mm

Can nhiệt

Ngõ

vào

K (CA), J(IC), R(PR), E(CR), T(CC), S(PR),

N(NN), W(TT) <sai số điện trở lớn nhất trên

đường dây 100Ω cho mỗi dây>

18

RTD

Pt100Ω, JIS Pt100Ω, loại 3 dây <sai số điện trở

lớn nhất trên đường dây 5Ω cho mỗi dây>

Analog

Ngõ ra Relay

SSR

1-5VDC, 0-10VDC, 4-29mADC

250VAC 3A 1c

12VDC ±3V 30mA max

4-20mADC tải max 600 Ω

Event1: Rơle 250VAC 1A

Điều khiển ON/OFF, P, PI, PD, PIDF, PIDS

F.S ±0.3% hoặc 3^oC

Dòng

Phụ

Loại điều khiển

Hiển thị chính xác

Thời gian lấy mẫu

0.5 giây

1~999 giây

Thời gian cài đặt

LBA

Cài đặt cạnh xung

Cạnh lên, cạnh xuống 1~99 phút

* Sơ đồ kết nối

Hình 2.10. Sơ đồ kết nối bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S

c. Giới thiệu bộ điều khiển nhiệt độ TC 4S

Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TC/TC có chức năng tự điều chỉnh PID kép: Điều

khiển PID đáp ứng tốc độ cao để nhanh chóng đạt được giá trị mong muốn, điều khiển PID

đáp ứng tốc độ chậm nhằm giảm thiểu độ vọt dốc cho dù tính đáp ứng có hơi chậm.

Ứng dụng bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TC/TC: Sử dụng để điều khiển nhiệt độ

trong các lò nhiệt, máy đúc nhựa, công nghiệp giấy, gỗ, hóa chất, linh kiện điện tử, chế biến

thực phẩm.

19

Hình 2.11. Bộ điều khiển nhiệt độ TC 4S

* Giải thích model: TC4S-14R

Mục:

TC: Điều khiển nhiệt độ PID

Số chữ số:

4 số

Kích thước:

S: W48× H48mm (Loại có đế kết nối)

Ngõ ra phụ:

1: Ngõ ra Event1

Nguồn cấp:

4: 100-240VAC 50/60Hz

Ngõ ra điều khiển:

R: Ngõ ra rơle

* Thông số kỹ thuật

Bảng 2.5. Bảng thông số kỹ thuật bộ điều khiển nhiệt độ TC 4S

Kích thước

Hiển thị

H48xW48

Hiển thị Led 7 đoạn (màu đỏ), hiển thị khác (màu xanh lá, vàng, đỏ)

Nguồn cấp

100-240VAC 50/60Hz ±10%

RTD: DPt100Ω, Cu 50Ω (điện trở dây cho phép max. 5Ω trên một dây)

Can nhiệt: K(CA), J(IC), L(IC)

Ngõ vào

Ngõ ra

Ngõ ra điều khiển

- Rơ le: 250VAC 3A 1a

- Bán dẫn: 12VDC ±2V Max. 20mA

Ngõ ra phụ

-Ngõ ra rơ le AL1: 250VAC 1A 1a

20

Chu kỳ lấy mẫu

100ms

Phương

điều khiển

pháp

ON/OFF và P, PI, PD, PID

Hoạt động cảnh báo

Cảnh báo đứt, hỏng cảm biến

Cảnh báo đứt vòng lặp (LBA)

Ngõ ra lái SSR

Điều chỉnh tự động

Hiệu chỉnh ngõ vào

Bộ lọc số ngõ vào

Lựa chọn phương thức điều khiển

Độ trễ

Tính năng

Lựa chọn đơn vị nhiệt độ

Reset bằng tay

Chức năng Gia nhiệt/Làm mát

MV ngõ ra điều khiển khi đường dây cảm biến ngõ vào bị đứt

Phím ngõ vào số

Giới hạn cao/thấp SV

Cài đặt khóa

Cách thức kết nối ngõ ra

Truyền thông

Kiểu đấu nối

Kiểu lắp đặt

Phụ kiện

RS485 (Truyền dữ liệu PV/SV transmission, cài đặt SV)

Cầu đấu, đế 11 chân

Lắp trên cánh tủ, bắt vít trên tủ điện

Gá lắp cánh tủ, đế (mua rời)

Tiêu chuẩn

CE, UL, RoHS

* Sơ đồ kết nối

Giáo trình mô đun Điều khiển kỹ thuật cảm biến và điều khiển điện thông minh - Nghề đào tạo: Điện dân dụng