Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ

III. Cảm biến đo nhiệt độ 
Tổng quan 
Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Nhiệt điện trở (RTD) 
Themistor 
IC đo nhiệt độ 
Nhiệt kế hồng ngoại 
* 
1 
Tổng quan 
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo nhiệt độ của đối tượng . 
Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng : thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở . 
Để lựa chọn cảm biến cho một ứng dụng cụ thể thì cần xem xét : độ chính xác , khoảng đo , thời gian đáp ứng và môi trường làm việc . 
Cảm biến nhiệt độ được phân thành 2 loại : 
Cảm biến loại tiếp xúc 
Cảm biến loại không tiếp xúc ( đo bức xạ nhiệt ) 
* 
2 
Tổng quan 
Cảm biến loại tiếp xúc : 
Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Nhiệt điện trở 
RTD 
Thermistor 
IC đo nhiệt độ 
Cảm biến loại không tiếp xúc 
Nhiệt kế hồng ngoại 
Đo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại được phát ra từ vật liệu 
* 
3 
1. Tổng quan 
* 
4 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Cấu tạo 
Được làm bằng 2 vật liệu dẫn điện khác nhau ( thường là hợp kim ) được hàn dính 1 đầu , đầu còn lại được đưa đến thiết bị đo 
Thermocouple có 2 mối nối : lạnh và nóng 
Hoạt động 
Thermocouple hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Seebeck 
Điện áp giữa 2 mối nối được gọi là điện áp Seebeck 
* 
5 
2. Cặp nhiệt điện 
Một số hình ảnh 
* 
6 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Type 
Composition 
Range 
Good for 
Not recommended for 
Cost 
Sensitivity 
K 
Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy) 
−200 °C to 1200 °C 
Oxidizing or neutral applications 
Use under 540ºC 
Low 
 41 µV/°C 
E 
Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy) 
−200 °C to 900 °C 
Oxidizing or inert applications 
Low 
 68 µV/°C 
J 
Iron / Constantan 
−40 °C to 750 °C 
Vacuum, reducing, or inert apps 
Oxidizing or humid environments 
Low 
52 µV/°C 
N 
Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy) 
−270 °C to 1300 °C 
Oxidizing or neutral applications 
Low 
 39 µV/°C 
T 
Copper / Constantan 
−200 °C to 350 °C 
Oxidizing, reducing or inert apps 
Wet or humid environments 
Low 
43 µV/°C 
R 
Platinum /Platinum with 13% Rhodium 
0 °C to 1600 °C 
High temperatures 
Shock or vibrating equipment 
High 
10µV/°C 
S 
Platinum /Platinum with 10% Rhodium 
0 °C to 1600 °C 
High temperatures 
Shock or vibrating equipment 
High 
10µV/°C 
B 
Platinum-Rhodium / 
Pt- Rh 
50 °C to 1800 °C 
High temperatures 
Shock or vibrating equipment 
High 
10µV/°C 
Các loại cặp nhiệt điện 
* 
7 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Công thức tính 
Điện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện được cho bởi công thức 
	 V = S * Δ T 
Trong đó : 
V: Điện áp đo được (V) 
S: Hệ số Seebeck (V/ 0 C) 
Δ T: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nối 
Do đó , nhiệt độ cần đo được tính theo công thức 
	T= T tham chiếu + V/S (°C) 
* 
8 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Đặc tính 
* 
9 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Đặc tính 
* 
10 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Các kiểu đầu dò của cặp nhiệt điện : 
Đơn giản nhất 
 Nhỏ gọn , đáp ứng nhanh 
Dùng đo nhiệt độ chất khí 
Đầu đo được đặt trong ống kim loại ( inox hoặc hợp kim ) 
 Đo được nhiệt độ cao , nhiều môi trường vật chất 
Đầu đo được làm bằng vật liệu dẻo , dễ uốn 
Dùng đo nhiệt độ bề mặt vật liệu 
* 
11 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Thuận lợi 
Cấu tạo đơn giản , chịu được va đập 
Khoảng đo nhiệt độ rộng 
Rẻ tiền 
Đáp ứng nhanh 
Đa dạng 
Khó khăn 
Phi tuyến 
Ít ổn định 
Điện áp thấp 
Cần điểm tham chiếu 
* 
12 
2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 
Ứng dụng 
Dùng đo nhiệt độ trong các lò luyện gang, thép 
Đo nhiệt độ khí thải 
* 
13 
3. Nhiệt điện trở ( R esistance T emperature D etectors) 
 Cấu tạo : 
Dây kim loại làm từ Đồng , Nikel , Platinum , được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo . 
Có 2 loại cơ bản : loại dây quấn và loại màn mỏng 
Thông dụng nhất của RTD là loại Pt 100 
Thường có loại 2 dây , 3 dây và 4 dây 
* 
14 
3. Nhiệt điện trở (RTD) 
Nguyên lý : 
Khi nhiệt độ tăng , điện trở hai đầu dây kim loại tăng 
Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ 
* 
15 
3. Nhiệt điện trở (RTD) 
Cách đấu dây cho RTD 
 2 dây 
 3 dây 
- Giảm sai số đo 
- Các dây phải có cùng chiều dài và vật liệu 
- Dây nối có thể dài đến 600m 
* 
16 
3. Nhiệt điện trở (RTD) 
Cách đấu dây cho RTD 
 4 dây 
- Độ chính xác và độ tin cậy tốt nhất 
- Không có sai số hệ thống 
- Bù hoàn toàn ảnh hưởng của sai số 
* 
17 
3. Nhiệt điện trở (RTD) 
Ứng dụng RTD 
Máy lạnh , máy điều hòa 
Chế biến thực phẩm 
Bếp , lò nướng 
Ngành dệt 
Gia công vật liệu 
Vi điện tử 
Đo nhiệt độ khí , gas, chất lỏng 
* 
18 
3. Nhiệt điện trở (RTD) 
Ưu điểm của RTD 
Tuyến tính trên khoảng rộng 
Chính xác cao 
Ổn định với nhiệt độ cao 
Nhược điểm của RTD 
Đáp ứng chậm hơn cặp nhiệt điện 
Đắc tiền hơn cặp nhiệt điện 
Ảnh hưởng bởi sốc và rung 
Yêu cầu 3 dây hoặc 4 dây 
* 
19 
4. Thermistors ( Therm ally sensitive res istor ) 
Cấu tạo : 
Được làm bằng các ôxít kim loại : Niken , Mangan , côban ,  được phủ bởi nhựa hoặc thủy tinh 
Phân loại : 
Hệ số nhiệt âm - NTC ( Negative Temperature Coefficient) 
Hệ số nhiệt dương - PTC (Positive Temperature Coefficient) 
Ký hiệu : 
* 
20 
4. Thermistors 
NTC Thermistor 
PTC Thermistor 
* 
21 
4. Thermistors 
Đặc tính 
NTC Thermistor 
PTC Thermistor 
* 
22 
4. Thermistors 
Ưu điểm 
Đáp ứng nhanh 
Điện trở thay đổi nhiều 
 Điện trở cao 
Loại bỏ vấn đề điện trở dây dẫn 
Giá thành thấp hơn RTD 
Chịu được rung và sốc 
Khuyết điểm 
Phi tuyến 
Khoảng đo hẹp 
Điện trở cao Phát nóng chính bản thân 
Ít ổn định hơn RTD 
* 
23 
4. Thermistors 
Ứng dụng 
NTC 
Dùng để đo nhiệt độ , điều khiển nhiệt độ , bù nhiệt độ : 
 Các đồ điện trong nhà : tủ lạnh , máy giặt , nồi cơm điện , máy sấy tốc ,  
Trong điện tử công nghiệp : các bộ ổn định nhiệt độ , các bộ bù nhiệt độ ,  
Trong viễn thông : dùng để đo và bù nhiệt độ cho điện thoại di động 
Cảm biến mức chất lỏng 
Dựa vào sự khác nhau của hằng số tiêu tán nhiệt độ trong nước và không khí hoặc hơi ,  
* 
24 
4. Thermistors 
Đo nhiệt độ 
Điều khiển 
Đo mức chất lỏng 
* 
25 
4. Thermistors 
Bù nhiệt độ 
* 
26 
4. Thermistors 
Ứng dụng 
PTC 
PTC công suất 
Làm cầu chì : bảo vệ ngắn mạch/quá tải 
Làm công tắc : khởi động động cơ , khử từ , thời gian trễ 
Bộ gia nhiệt 
Chỉ thị mức 
Cảm biến 
Nhiệt độ : bảo vệ quá nhiệt , đo và điều khiển 
Nhiệt độ giới hạn : bảo vệ động cơ , bảo vệ quá nhiệt 
* 
27 
5. IC đo nhiệt độ 
Ngõ ra điện áp 
Ngõ ra dòng điện 
Ngõ ra so sánh 
Một số IC khác 
* 
28 
5.1 Ngõ ra áp 
LM35/LM45 
Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ (10 mV/ o C ) 
Khoảng đo và độ chính xác 
LM35: Từ -55 o C đến +150 o C , ±1 o C 
LM45: Từ -20 o C đến +100 o C , ±3 o C 
Dùng điện trở kéo xuống ở chân ngõ ra để đo được nhiệt độ dưới 0 o C 
* 
29 
5.1 Ngõ ra áp 
LM35/LM45 
Đo nhiệt độ dưới 0 o C 
* 
30 
5.1 Ngõ ra áp 
Một số IC khác 
LM20: 
Điện áp ra tỉ lệ nghịch với nhiệt độ o C (-11.7mV/ o C) 
LM135, LM235, LM335: 
Đo nhiệt độ tuyệt đối (K) với hệ số dương (+10mV/K) 
LM34: 
Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ o F (10mV/ o F) 
* 
31 
5.1 Ngõ ra áp 
Một số IC khác 
LM50: 
Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ o C (+10mV/ o C) + 500mV 
Đo được nhiệt độ âm không cần điện trở kéo xuống 
LM60: 
Ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ o C (+6.25mV/ o C) + 424mV 
Nguồn cung cấp có thể +2.7 V 
* 
32 
5.2 Ngõ ra dòng (LM134, LM234, LM334) 
Dòng điện ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối 
Độ nhạy được điều chỉnh bằng điện trở ngoài 
Chỉ cần cấp nguồn 1.2 V là IC hoạt động được 
* 
33 
5.3 Ngõ ra so sánh 
LM 26/LM27 
1 ngõ ra tương tự 
1 ngõ ra so sánh 
* 
34 
5.3 Ngõ ra so sánh 
LM 56 
1 ngõ ra tương tự 
2 ngõ ra so sánh 
* 
35 
5.4 Một số IC khác 
LM73/LM74/LM95071/  
LM 86/LM89/LM90/  
* 
36 
5. IC đo nhiệt độ 
Ưu điểm 
Tuyến tính cao 
Ngõ ra thay đổi lớn 
Rẻ tiền 
Khuyết điểm 
Đo dưới 250 0 C 
Đáp ứng chậm 
Yêu cầu nguồn cung cấp 
Tự phát nóng 
* 
37 
6. Nhiệt kế hồng ngoại 
Cấu tạo : 
Hoạt động : 
Mọi vật thể đều phát ra năng lượng hồng ngoại khi ở nhiệt độ trên điểm không tuyệt đối (0 K). 
Giữa năng lượng hồng ngoại và nhiệt độ của vật thể có sự tương quan với nhau . 
Nhiệt kế hồng ngoại đo năng lượng hồng ngoại phát ra từ vật thể và chuyển thành tín hiệu điện đo được . 
* 
38 
6. Nhiệt kế hồng ngoại 
* 
39 
6. Nhiệt kế hồng ngoại 
Các thông số cần quan tâm 
Khoảng đo 
Kích thước vật đo 
Khoảng cách đo 
Đối tượng di chuyển hay cố định 
* 
40 
6. Nhiệt kế hồng ngoại 
Ưu điểm : 
Đo nhiệt độ ở những nơi khó dùng cảm biến tiếp xúc 
Không bị hao mòn , ma sát làm việc được lâu hơn 
Nhược điểm : 
Bị ảnh hưởng bởi các bức xạ hồng ngoại khác 
* 
41 
6. Nhiệt kế hồng ngoại 
Ứng dụng : 
* 
42 
* 
43