Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Nhiệt Độ (Sensor Engineering -Temperature Sensor)

Bộ môn: Kỹ thuật cảm biến
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện Tử
Nội dung thuyết trình: Cảm biến nhiệt độ
Nhóm thực hiện: 01

Phần 1: Khái niệm về đo nhiệt độ
1. Khái niệm về đo nhiệt độ
2. Thang đo nhiệt độ
3. Phép đo nhiệt độ
4. Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn.
5/15/2021 2

1. Khái niệm về đo nhiệt độ
• • Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của
vật chất ảnh hưởng rất lớn đến nhiều tính chất của vật chất →
đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và nhiều
lĩnh vực.
• •Đo nhiệt độ: gián tiếp, dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật
liệu vào nhiệt độ.
5/15/2021 3

• Việc xác định thang nhiệt độ xuất phát từ các định luật nhiệt
động học.
• Thang đo nhiệt độ tuyệt đối được xác định dựa trên tính chất
của khí lý tưởng. Định luật Carnot nêu rõ: Hiệu suất ŋ của một
động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt
độ θ1 và θ2 trong một thang đo bất kì chỉ phị thuộc vào θ1 và θ2:
• ŋ =
𝐹( θ1
)
𝐹( θ2)
• Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược
lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt
F(θ) =T, chúng ta sẽ xác định T như là nhiệt độ nhiệt động học
tuyệt đối và hiệu suất ŋ của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ
được viết như sau:
5/15/2021 4

• ŋ = 1-
𝑇1
𝑇2
• Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai
nguồn.
a) Thang Kelvin
• Năm 1664, Robert Hook thiết lập điểm không là điểm động của
nước cất.
• Năm 1852, Thomson (Kelvin) xác định thang nhiệt độ.
• Thang Kelvin đơn vị là K, người ta gán cho nhiệt độ của điểm
cân bằng của 3 trạng thái nước – nước đá – hơi một giá trị
bằng 273,15 K.
5/15/2021 5

b) Thang Celsius
• Do Andreas Celsius thành lập (năm 1742) . Đơn vị oC.
• Điểm nước đá tan ⇒ 0 oC
• Điểm nước sôi ⇒ 100 oC.
• 1 OC = 1 OK.
• Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định
bằng biểu thức
• T( OC) = T( OK) – 273,15
5/15/2021 6

c) Thang Fahrenheit
• Do Fahrenheit thành lập (năm 1706).
• Đơn vị oF.
• Điểm nước đá tan ⇒ 32 OF
• Điểm nước sôi ⇒ 212 OF
• Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định
bằng biểu thức:
• T( OC) = [T( OF) – 32]×
5
9
• T( OF) =
9
5
T( OC) + 32
5/15/2021 7

• Thông số đặc trưng của một số thang đo nhiệt độ khác nhau:
5/15/2021 8
Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF)
Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67
Hỗn hợp nước- nước đá 273,15 0 32
Cân bằng nước – nước đá- hơi nước 273,15 0,01 32,018
Nước sôi 373,15 100 212

• Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều
nguyên lí cảm biến khác nhau như:
a) Phương pháp đo tiếp xúc: khi đo, cảm biến tiếp xúc với môi
trường đo, phép đo dựa trên các hiện tượng:
• Giản nở của vật liệu.
• Biến đổi trạng thái của vật liệu.
• Thay đổi điện trở của vật liệu.
• Hiệu ứng nhiệt điện.
5/15/2021 9

b) Phương pháp đo không tiếp xúc: khi đo cảm biến không tiếp
xúc với môi trường đo, phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức
xạ nhiệt của môi trường đo vào nhiệt độ:
• Đo bằng hỏa kế bức xạ.
• Đo bằng hỏa kế quang.
5/15/2021 10

4. Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn
• Để đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ:
+ người ta khoan một lỗ nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng
L. Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong chất rắn.
• Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện:
+ Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần
đường kính của nó (L >= 10 r).
+ giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm
khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. Khoảng cách
giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một
vật dẫn nhiệt tốt.
5/15/2021 11

Phần 2
Nhiệt điện trở kim loại
1. Nhiệt điện trở Pt, Ni, Cu
2. Các mắc dây đo: kỹ thuật nối 2 dây, 3
dây, 4 dây, biến đổi tín hiệu đo.
5/15/2021 12

a) Nhiệt điện trở kim loại platin (Pt)
• Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp.
• Có hai tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin (DIN IEC751-1983 VÀ đều
sử dụng phương trình Callendar- Van Dusen:
• R(t) = Ro ( 1+A.t + B.t2 + C. [t - 100oC t3] )
• Ro là trị số điện trở định mức ở 0oC
• Trong khoảng nhiệt độ trên 0 oC nhiệt độ được tính theo sự thay đổi của
điện trở Pt như sau:
• t =
− 𝑅0 .𝐴+[ (𝑅0.𝐴)2−4𝑅0 𝐵 𝑅0−𝑅 ]
1
2
2𝑅0.𝐵
• Với R: điện trở đo được theo nhiệt độ (Ω)
• t: nhiệt độ đo được (oC)
• R0, A, B: thông số theo tiêu chuẩn DIN IEC 751
5/15/2021 13
Phần 2: Nhiệt điện trở kim loại

• Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có
pha tạp. Do đó khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá
trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với các
Platin ròng, nhờ thế sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp
hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platin
thường dùng có đường kính 30 µm (so sánh với đường kính
sợi tóc khoảng 100 µm )
• Trong thực tế người ta thường chế tạo các nhiệt điện trở: Pt-
100, Pt-500, Pt-1000
• Các đặc trưng:
5/15/2021 14

Loại nhiệt điện trở R0 Hệ số nhạy nhiệt
Pt-100 R0 = 100Ω 0,4 Ω/K
Pt-500 R0 = 500 Ω 2 Ω/K
Pt-1000 R0 = 1000 Ω 4 Ω/k
5/15/2021 15
Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin : ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản
xuất thường dùng trong Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ.

b) Nhiệt điện trở Ni
• Nhiệt điện trở niken so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt
độ lớn gần gấp 2 lần. Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60 oC đến +250 oC, vì
trên 350 oC niken có sự thay đổi về pha, cảm biến niken 100 thường
dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng.
• Quan hệ giữa nhiệt điện trở và môi trường đo:
• R(t) = R0 . (1 + A.t + B.t2 + C.t4 + D.t6)
• Trong đó:
• A = 0,5485 x 10-2 OC-1 ; B = 0,6650 x 10-2 OC-2 ; C = 2,805 x 10-4
OC-4 ;
• D = 2,111 x 10-7 OC-6
5/15/2021 16

• Cảm biến niken 100 thường dùng trong công nghiệp điều hoà
nhiệt độ phòng.
• Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do hãng ZETEX Semiconductors
sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị
1.000( tại 00C).
• Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni : Zni 1.000 với ZMR500
được dùng với DVM như là nhiệt kế.
5/15/2021 17

c) Nhiệt điện trở Cu
• Tính bền nhiệt : Kém bền
• Tính ổn định: thấp
• Độ tuyến tính: cao
• Nhiệt độ làm việc ( oC): < 180
5/15/2021 18

• Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với một dòng điện
không đổi qua nhiệt điện trở, ta có thể đo được U = R.I, để cảm
biến không bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ
khoảng 1 mA. Với Pt 100 ở 0 oC ta có điện thế khoảng 0,1 vôn,
điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 3 kỹ
thuật nối dây đo:
5/15/2021 19

a) Các mắc dây đo: kỹ thuật nối 2 dây
Hình 1.1 Kỹ thuật nối 2 dây
• Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi 2 dây. Bất cứ dây
dẫn điện nào đều có điện trở,điện trở này nối nối tiếp với điện trở
của 2 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 ôm.
5/15/2021 20

• Để đảm tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây
ra,người ta bù trừ điện trở của dây đo bằng một mạch điện như
sau: Một biến trở bù trừ được nối vào một trong hai dây đo và
nhiệt điện trở được thay thế bằng một điện trở 100Ω .Mạch
điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω.
Ta chỉnh biến trở sao có chỉ thị 00C. Biến trở và điện trở của
dây đo là 10Ω.
5/15/2021 21

b) Kỹ thuật 3 dây :
• Hình 1.2 Kỹ thuật nối 3 dây
• Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm một điện trở .
• Với cách nối dây này ta có 2 mạch đo được hình thành, một trong
hai mạch được dùng làm mạch chuẩn.
• Với kỹ thuật 3 dây, sai số của 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.
5/15/2021 22

c) Kỹ thuật 4 dây
• Hình 1.3 Kỹ thuật nối 4 dây
• Với kỹ thuật 4 dây người ta đạt kết quả đo tốt nhất.
• Hai dây được dùng 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 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.
5/15/2021 23

d) Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo
• Có thể dùng hai dây đo mà không bị sai số cho phép đo với bộ
biến đổi tín hiệu đo.
• Bộ biến đổi tín hiệu đo biến đổi tín hiệu của cảm biến thành một
dòng điện chuẩn, tuyến tính so với nhiệt độ có cường độ từ 4
mA đến 20 mA.
• Dòng điện nuôi cho bộ biến đổi được tải qua hai dây đo với
cường độ khoảng 4 mA. Với kĩ thuật này tín hiệu được khuếch
đại trước khi truyền tải do đó không bị nhiễu nhiều.
5/15/2021 24

Phần 3
IC đo nhiệt
1. LM 35
2. AD 22100
3. DS 18B20
5/15/2021 25

IC đo nhiệt
• Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hang chế tọa linh kiện điện
tử đã sản xuất ra các loại IC bán dẫn dung để đo nhiệt cho dải
nhiệt độ từ -55 đến 150 độ C
• Trong các mạch tổ hợp IC, cảm biến nhiệt thường là điện áp
của lớp chuyển tiếp PN trong 1 transistor loại bipolar.
5/15/2021 26
Phần 3: IC đo nhiệt

1. LM35
• LM35 là một cái cảm biến nhiệt độ giá rẻ (tầm 26k) thường
được tiêu dùng mang thể 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 ko 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.
5/15/2021 27

1. LM35
• Điện áp ngõ ra tỉ lệ tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang đo độ C
• Điện áp ở ngõ ra là 10mV/độ C
• Sai số không tuyến tính là 1.8mV
• Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi từ 4 – 30V
5/15/2021 28



1. LM35
• LM35 được chế tạo cho 3 thang đo
-55 °C đến 150 °C loại LM35 và LM35D
-40 °C đến 110 °C loại LM35C và LM35CA
 0 °C đến 100 °C loại LM35DA
5/15/2021 29


1. LM35
• Mạch ứng dụng LM 35
1. Mạch bảo vệ nhiệt độ cho thiết bị
LM35 nóng lên thì quạt quay để làm mát, khi LM35 hết nóng thì
quạy ngừng quay
5/15/2021 30

1. LM35
2. Đo nhiệt độ lm35 hiển thị lcd pic16f877a
5/15/2021 31

1. LM35
3. Mạch cảnh báo nhiệt độ
5/15/2021 32

1. LM35
3. Mạch cảnh báo nhiệt độ
Nguyên lí:
Mỗi khi nhiệt độ tăng lên 1 độ thì điện áp của LM35 sẽ tăng 10mV. Đầu ra của
LM35 được kết nối với đầu vào không đảo ngược của opamp CA3130. Đầu
vào đảo ngược của cùng một opamp được cung cấp bởi điện áp tham chiếu
thông qua biến trở R2. Nếu điện áp tham chiếu là 0,8V thì điện áp ở đầu vào
không đảo (đầu ra của LM35) là 0,8V khi nhiệt độ là 80 độ C. Tại thời điểm
này, đầu ra của IC3 chuyển sang trạng thái bão hòa dương. Điều này làm cho
Q1 dẫn và LED D1 phát sáng. Vì cực B của Q2 được kết nối với cực C của
Q1 nên Q2 sẽ TẮT và đèn LED D2 vẫn TẮT. Khi nhiệt độ dưới 80 độ C thì điều
ngược lại xảy ra. IC1 tạo ra điện áp làm việc 5VDC ổn định từ nguồn cung cấp
DC 9V có sẵn. Nếu bạn đã có nguồn cung cấp DC 5V thì bạn có thể sử dụng
trực tiếp.
5/15/2021 33

2. AD 22100
• AD22100 có hệ số khuếch đại nhiệt độ 22,5 mV. Điện áp ngõ ra
Có công thức: Vout=(V+/5V).1.375 V+22.5mv/ độ C.T
Trong đó:
V+ là trị số điện áp cấp
T là nhiệt độ cần đo
Các Ic trong họ AD22100
AD22100 KT/KR cho dải đo từ 0-100 độ C
AD22100AT/AR cho dải đo từ -40 đến 85 độ C
AD22100ST/SR cho dải đo từ -50 đến 150 độ C
5/15/2021 34

2. AD 22100
• AD22100 có hệ số khuếch đại nhiệt độ 22,5 mV. Điện áp ngõ ra
Có công thức: Vout=(V+/5V).1.375 V+22.5mv/ độ C.T
Trong đó:
V+ điện áp nguồn nuôi 4-30Vdc
Vo đầu ra
GND nối vào 0V
NC: để trống
5/15/2021 35
NC
AD 22100
1
2
3
4
8
7
6
5
V+
V0
NC
NO
Hình dạng bên ngoài của họ AD22100

3. DS 18B20
• Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ
• Mỗi cảm biến có 1 mã định danh duy nhất 64 bits chứa trong bộ nhớ ROM
trên chip, giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze
• Nếu cấu hình cho DS18B20 theo 9,10,11,12 bit thì ta có độ chính xác
tương 0.5°C , 0.25°C ,0.125°C, 0.0625°C.Theo mặc định của nhà sản xuất
nếu chúng cấu hình chế độ chuyển đổi thì nó sẽ tự cấu hình là 12 bit.
• Khi bắt đầu chuyển đổi nhiệt độ thì chân DQ sẽ được kéo xuống mức thấp
và kh đổi xong thì ở mức cao.Như vậy ta sẽ căn cứ vào hiện tượng này để
xác định chuyển đổi xong nhiệt độ
5/15/2021 36

3. DS 18B20
5/15/2021 37

Phần 4
Nhiệt điện trở NTC
1. Cấu tạo
2. Nguyên lý hoạt động.
3. Đặc điểm của cảm biến
4. Ứng dụng cảm biến
5/15/2021 38

1. Cấu tạo
• - NTC là hỗn hợp đa tinh thể của nhiều oxoxxit gốm đã được
nung chảy ở nhiệt độ cao(1000°C-1400°C) như Fe2O3, Zn2TiO4,
MgCr2O4, TiO2…..
5/15/2021 39
Phần 4: Nhiệt điện trở NTC

2. Nguyên lý hoạt động
• Điện trở nhiệt hoạt động để cản trở dòng điện. Nếu vật dẫn
điện tốt thì điện trở sẽ nhỏ và ngược lại, vật dẫn điện kém thì
điện trở sẽ lớn. Đặc biệt, nếu vật cách điện thì điện trở sẽ vô
cùng lớn. Điện trở nhiệt NTC hay thermistor nói chung sẽ cản
trở dòng điện của một vật dẫn điện và sau đó chuyển từ điện
năng sang nhiệt năng.
• Giả sử quan hệ giữa độ lớn của trở kháng và nhiệt độ tuyến
tính với nhau, khi đó ta có công thức:
ΔR=k.Δt
 Trong đó:
 ΔR là lượng thay đổi của trở kháng
 Δt là sự thay đổi của nhiệt độ
 k là hệ số nhiệt của điện trở
5/15/2021 40

3.1) Đường đặc tính nhiệt độ - điện trở của NTC
 RNTC ≈ 5,5kΩ ở nhiệt độ môi trường 20°C
 RNTC ≈ 400Ω ở nhiệt độ môi trường 100°C
5/15/2021 41
H4.1: đặc tính nhiệt độ - điện trở của NTC

3.2) Đặc tính dòng áp của NTC
 Đặc tính này dùng được cả trong trường hợp dòng qua NTC làm nhiệt
độ của nó cao hơn nhiệt độ môi trường
 Đặc tuyến này cũng được gọi là đặc tuyến tĩnh của NTC, điện áp rơi
trên NTC chỉ được ghi nhận khi đạt được trạng thái cân bằng giữa điện
năng cung cấp và nguồn nhiệt( thường lấy ở môi trường nhiệt độ 25°C,
trong điều kiện lặng gió)
5/15/2021 42
H4.2: Đặc tính dòng/áp của NTC

• Đặc tuyến chia làm 3 vùng
• - Vùng bắt đầu đặc tuyến ( giới hạn trong vùng này là khu vực
10mV): năng lượng điện cung cấp ch NTC không đáng kể, lượng
nhiệt sinh ra do dòng điện không đáng kể. Trong vùng này, điện trở
của NTC xác định chỉ do nhiệt độ môi trường. Độ nhạy đáng kể nếu
sử dụng NTC làm cảm biến nhiệt độ trong vùng này.
• - Vùng 2:Do sự tăng dòng, nhiệt độ của NTC tăng cao hơn nhiệt độ
môi trường. Do tựu làm nóng, ddiejn trở của NTC giảm đáng kể. Ở
một giá trị dòng sẵn, áp tăng tối đa.
• - Vùng 3: Nếu dòng vẫn tăng thêm, điện áp rơi sẽ trở bé. Ở cuối
đường đặc tuyến điện trở của NTC gần như do năng lượng điện
chuyển đổi, chỉ có một ít là do tác động bởi nhiệt độ môi trường
5/15/2021 43

• Một số thông số của NTC
• + R20 hay R25: điện trở nguội hay điện trở biểu kiến là giá trị
nhiệt độ của NTC ở 200C hoặc 250C (tuy nhiên sai số là từ 5%
đến 25%)
• + Tmin; Tmax là giới hạn nhiệt độ hoạt động của NTC
• + Pmax là công suất lớn nhất cho phép chuyển đổi ra nhiệt
trong NTC
5/15/2021 44

NTC có rất nhiều ứng dụng, được chia ra làm 2 loại đó là loại
dùng làm đo lường và loại làm bộ trễ.
• 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, như đã mô tả trước
đây, 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, làm ổn định
nhiệt độ cho các mạch điện tử dùng bán dẫn.
5/15/2021 45

• 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 toả nhiệt, tải
càng lớn thì điện trở NTC càng giảm mạnh. Nhiệt điện trở NTC
tạo tác dụng trễ nhằm triệt dòng đỉnh trong mạch đèn chiếu
sáng loại có tim, mạch động cơ công suất nhỏ, mạch đốt tim
các bóng điện tử, mạch có tính dung kháng (tụ).
5/15/2021 46

• Mạch ứng dụng với NTC. Hoạt động của cảm biến dựa trên sự khác nhau
về khả năng làm mát của chất lỏng và không khí hoặc hơi nước ở trên
chất lỏng, khi NTC được nhúng vào chất lỏng, nó được làm mát nhanh
chóng, điện áp rơi trên NTC tăng lên, do hiệu ứng này NTC có thể phát
hiện có sự tồn tại hay không của chất lỏng ở một vị trí.
5/15/2021 47

• Bộ điều khiển nhiệt độ: NTC được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống
điều khiển nhiệt độ bằng cách sử dụng một nhiệt điện trở trong mạch so
sánh cơ bản, khi nhiệt độ vượt quá mức cài đặt, ngõ ra sẽ chuyển trạng
thái từ Off sang ON. * Bù nhiệt: Nhiều chất bán dẫn và IC cần có sự bù
nhiệt để có sự hoạt động ổn định trên dải nhiệt độ rộng, bản thân chúng
có hệ số nhiệt độ dương cho nên NTC đặc biệt thích hợp với vai trò bù
nhiệt.
5/15/2021 48

• Rơle thời gian dùng NTC: Rơle thời gian ngày nay đã đạt độ
chính xác cao bằng cách sử dụng phần tử RC và công tắc điện
tử. Tuy nhiên khi không cần độ chính xác cao, có thể dùng NTC
theo 2 mạch điện cơ bản sau đây:
 Mạch A là rơle thời gian đóng chậm, sau khi nối nguồn S1, dòng qua
cuộn dây rơle, nhưng bị giới hạn bởi điện trở nguội của NTC lớn, sau
một thời gian do quá trình tự gia nhiệt vì dòng qua nó, điện trở NTC
giảm, tăng dòng khiến rơle tác động.
5/15/2021 49

 Mạch B là rơle thời gian mở chậm, khi đóng S2, dòng qua nhiệt điện
trở, bắt đầu quá trình tự gia nhiệt, điện áp rơi qua RS tăng, sau một
thời gian rơle không còn đủ duy trì, bị ngắt, thời gian trễ tuỳ thuộc vào
môi trường toả nhiệt
5/15/2021 50

Phần 5
Nhiệt điện trở PTC
1. Cấu tạo
2. Nguyên lý hoạt động.
5/15/2021 51

Nhiệt điện trở PTC
• Nhiệt điện trở PTC là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở
dương ( giá trị điện trở tang khi nhiệt độ tăng )
• Trong một khoảng nhiệt độ nhất định PTC có hệ số nhiệt 𝛼R rất
cao
5/15/2021 52

1. Cấu tạo
• Hỗn hợp Bratium Carbonate và một vài Oxit kim loại khác được
ép và nung
• Nhiều tính chất dẫn điện khác nhau 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 khác nhau
• Nhiệt điện trở PTC thông thường được phủ bên ngoài một lớp
vỏ có cấu tạo như Vécni để chống lại sự ảnh hưởng của môi
trường không khí
5/15/2021 53
Phần 5 : Nhiệt điện trở PTC

2. Đặc điểm của cảm biến và nguyên lý
• Đường đặc tính điện trở nhiệt độ của PTC chia làm 3 vùng
• Vùng nhiệt độ thấp: giống như nhiệt điện trở NTC có hệ số
nhiệt độ âm
• Vùng hệ số nhiệt tăng chậm (TA ,TN) : Giá trị nhiệt điện trở PTC
ở điểm TA được “ xem như là điện trở khởi điểm, RA là giá trị
điẹn trở thấp nhất mà PTC thể hiện
• Vùng làm việc (TN < T < T upper): Sau khi đạt được giá trị ổn
định TN, giá trị điện trở PTC ra tăng theo độ dốc thẳng đứng và
vùng này là dải điện trở làm việc của nhiệt điện trở PTC
5/15/2021 54

Đặc tính điện trở của PTC
5/15/2021 55

• Nhiệt điện trở PTC làm việc như cảm biến có độ nhạy cao
• Ứng dụng tính chất giá trị điện trở tăng: Khởi động bóng đèn
huỳnh quang, bảo vệ quá tải
5/15/2021 56

• Nhiệt điện trở PTC
làm việc như cảm
biến có độ nhạy cao
• Ứng dụng tính chất
giá trị điện trở tăng:
Khởi động bóng đèn
huỳnh quang, bảo vệ
quá tải
5/15/2021 57
Mạch so sánh

3. Ứng dụng của cảm biến
Mạch bảo vệ động cơ
5/15/2021 58

Phần 6
Cặp nhiệt điện
1. Hiệu ứng nhiệt điện
2. Cấu tạo cặp nhiệt điện
3. Các chú ý khi sử dụng cặp nhiệt điện
4. Các cặp nhiệt điện trong thực tế
5/15/2021 59

1. Cặp nhiệt điện
• Khái niệm: Có tên tiếng Anh là thermocouple, với thermo nghĩa là nhiệt
độ, couple là cặp, cặp nhiệt điện là một loại thiết bị đo nhiệt độ được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong trường hợp cần đo
những khu vực có nhiệt độ cao và nhiệt độ dao động liên tục.
• Ngoài cái tên cặp nhiệt điện, nó còn có các tên gọi khác như cảm biến
nhiệt độ can nhiệt, cặp nhiệt ngẫu.
• Một cặp nhiệt điện là một thiết bị điện gồm hai khác nhau dây dẫn
điện tạo thành một ngã ba điện. Cặp nhiệt điện tạo ra điện áp phụ
thuộc nhiệt độ do hiệu ứng nhiệt điện và điện áp này có thể được hiểu
là để đo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện là một loại cảm biến nhiệt độ được sử
dụng rộng rãi.
5/15/2021 60

2. Hiệu ứng nhiệt điện
• Hiệu ứng nhiệt điện:
• Hiệu ứng nhiệt điện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, là sự
chuyển nhiệt năng trực tiếp thành điện năng và ngược lại, trên một số
kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau. Kết nối này thường gọi là cặp
nhiệt điện. Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên kết nối sinh ra
một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại. Hiệu ứng này là cơ
sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và pin nhiệt điện, không có các
bộ phận chuyển động.
• Chú ý phân biệt hiệu ứng vật lý này với từ nhiệt điện, chỉ các phương
pháp chuyển hóa nhiệt năng sang điện năng một cách tổng quát, trực
tiếp hay gián tiếp, sử dụng hệ thống có hay không có các bộ phận
chuyển động.
5/15/2021 61

Hiệu ứng Seebeck trong hoạt động của cảm biến nhiệt
độ thermocouple
5/15/2021 62

3. Nguyên lý cặp nhiệt điện:
• Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng
Seebeck. Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người
Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821.
• Theo ông, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt vào nơi có các nhiệt độ
khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sư dịch chuyển của các electron do đó sẽ tạo
ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này phụ thuộc vào nhiệt
độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng.
• Để hiểu rõ hơn về nguyên lý cặp nhiệt điện, ta hãy cùng xem hình sau:
5/15/2021 63

Nguyên lý cặp nhiệt điện sơ đồ
5/15/2021 64
 Theo hình, 2 dây của cặp nhiệt điện
sẽ được hàn vào nhau tại 1 điểm là
điểm nóng (hot junction) tức là nơi
dùng để đo nhiệt độ. Phần tiếp theo
chính là điểm lạnh (cold junction) là
nơi mà nhiệt độ đã được biết trước.
 Khi người ta đưa điểm nóng vào nơi
cần đo nhiệt độ, người ta thấy rằng
khi nhiệt độ tại đây tăng lên thì điện
áp tại điểm lạnh cũng sẽ tăng không
tuyến tính.
 Khi người ta đo được điện áp tại
điểm lạnh, ta sẽ tính ra được nhiệt độ
tại điểm nóng.

4. Cấu tạo cặp nhiệt điện
• Một cặp nhiệt điện sẽ có 5 bộ phận chính:
5/15/2021 65
1- Measuring junction: đây là bộ phận quan trọng nhất của
cặp nhiệt điện. Phần này sẽ bao gồm 2 thanh kim loại có cấu
tạo vật liệu khác nhau được hàn 1 đầu với nhau.
2-Thermocouple wires: phần dây kết nối để nối giữa phần đo
nhiệt độ và bộ điều khiển.
3- Ceramic insulators: đây là phần sứ cách nhiệt được sử
dụng để giữ dây cặp nhiệt điện cách điện dọc theo toàn bộ
chiều dài của đầu dò.
4- Protective sheath: đây là phần vỏ bảo vệ bên ngoài của cặp
nhiệt điện. Thông thường lớp vỏ này được làm bằng inox đối
với nhiệt độ 1200 độ C trở xuống. Còn đối với các loại cặp
nhiệt điện có thang đo cao hơn 1200 độ C thì lớp vỏ này được
làm bằng sứ.
5- Connection head: phần này sẽ chứa dây kết nối của cặp
nhiệt điện. Khi ta dùng các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-
20mA thì sẽ được cho vào đây.

5. Ứng dụng của cặp nhiệt điện:
• Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp. Các ứng
dụng bao gồm đo nhiệt độ cho lò nung, khí thải tuabin khí, động cơ diesel và các
quy trình công nghiệp khác. Cặp nhiệt điện cũng được sử dụng trong gia đình,
văn phòng và doanh nghiệp như cảm biến nhiệt độ trong bộ điều nhiệt và cũng
như cảm biến ngọn lửa trong các thiết bị an toàn cho các thiết bị chạy bằng khí
đốt.
• Để trả lời cho câu hỏi cặp nhiệt điện dùng để làm gì, ta sẽ tìm hiểu những ứng
dụng của cặp nhiệt điện. Trong nhà máy, ta thường bắt gặp khá nhiều các loại
cặp nhiệt điện.
• Là một thiết bị đo nhiệt độ dĩ nhiên ứng dụng của cặp nhiệt điện là để đo nhiệt
độ. Tuy nhiên cặp nhiệt điện được dùng đặc biệt cho những vị trí có nhiệt độ cao.
Đó có thể là lò nung, lò hơi, lò luyện thép… những nơi này có nhiệt độ rất cao
nên nếu dùng cảm biến nhiệt điện trở Pt100 sẽ rất dễ bị hư hỏng vì thang đo
nhiệt độ của pt100 chỉ từ 850 độ C trở lại.
• Sau khi đo nhiệt độ, tín hiệu đầu ra dạng điện áp (mV) của cặp nhiệt điện sẽ
được đưa về bộ điều khiển hoặc PLC để xử lý.
5/15/2021 66

Ứng dụng của cặp nhiệt điện
5/15/2021 67

Ứng dụng của cặp nhiệt điện
• A, Đo nhiệt độ trong lò nung:
• Đối với môi trường đo này, nhiệt độ luôn ở vào mức 1300 độ C đến
1600 độ C. Vì thế bắt buộc người ta phải dùng đến cặp nhiệt điện. Và
lựa chọn thường là cặp nhiệt điện loại S hay còn được gọi là can nhiệt
sứ hoặc can sứ.
• B, Đo nhiệt độ trong lò hơi:
• Lò hơi là một môi trường khá …lành so với cặp nhiệt điện khi nhiệt độ
chỉ vào khoảng 1200 độ C trở lại. Chính vì thế mà loại cặp nhiệt điện
loại K hay còn được gọi là can nhiệt K hoặc can K được dùng nhiều
nhất.
5/15/2021 68

6. Các chú ý khi sử dụng cặp nhiệt điện
• Khi sử dụng cặp nhiệt điện, nếu ta không chú ý sẽ dễ dẫn đến việc cặp
nhiệt điện bị lỗi hoặc bị hư hỏng sau 1 thời gian sử dụng.
• Sau đây là một số nguyên nhân có thể dẫn đến việc lỗi hoặc hư hỏng
cặp nhiệt điện:
1. Đấu dây sai cách:
• Khi kết nối dây từ cặp nhiệt điện vào PLC hoặc biến tần, nếu ta đấu
dây sai, cặp nhiệt điện sẽ không hiển thị được. Ta cần chú ý thêm rằng
các loại cặp nhiệt điện chỉ có 2 dây kết nối, khác với loại cảm biến nhiệt
độ pt100 2 dây.
5/15/2021 69

Các chú ý khi sử dụng cặp nhiệt điện
5/15/2021 70
2. Chọn không đúng thang đo nhiệt độ:
Thang đo nhiệt độ là một yếu tố cực kỳ quan
trọng khi mua cặp nhiệt điện. Nếu ta chọn sai
thang đo nhiệt độ thì khi lắp vào; cảm biến nhiệt
độ can nhiệt sẽ bị hư hỏng lập tức.
Hoặc tệ hơn là sẽ bị nổ đối với cặp nhiệt độ loại
sứ.
3. Không dùng bộ chuyển đổi:
Như ta đã tìm hiểu phía trên, tín hiệu ngõ ra của
cặp nhiệt điện là dạng điện áp (mV). Loại tín
hiệu này có đặc điểm là rất dễ bị nhiễu và bị sụt
áp khi truyền đi xa.
 Vì thế, khi sử dụng các loại cặp nhiệt điện,
người ta gần như bắt buộc phải dùng bộ
chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA. Lý do là
vì tín hiệu 4-20mA không bị suy giảm khi
truyền đi xa và ít khi bị nhiễu.

7. Các cặp nhiệt điện trong thực tế
• Có khá nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau tùy theo nhiệt độ môi trường
đo. Về nguyên lý hoạt động, các loại cặp nhiệt điện đều giống nhau. Điều
khác nhau duy nhất là vật liệu của 2 que kim loại mà người ta dùng để chế
tạo cặp nhiệt điện.
• Xét về hình dạng, ta sẽ có 2 loại cặp nhiệt điện khác nhau: cặp nhiệt điện
loại dây và cặp nhiệt điện loại đầu dò.
• Còn nếu xét về thang đo nhiệt độ, ta sẽ có một số loại cặp nhiệt điện
thường gặp:
• Cặp nhiệt điện loại J:
• Loại cặp nhiệt điện này được gia công từ 2 vật liệu là Fe – Co, thang đo
của loại này max 1200 độ C.
• Cặp nhiệt điện loại K:
• Đây là loại cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi vì giá thành tương đối rẻ.
Đồng thời thang đo của loại này max là 1200 độ C. Kim loại dùng chế tạo
loại này là Cr và Al .
5/15/2021 71

Các cặp nhiệt điện trong thực tế
5/15/2021 72
Cặp nhiệt điện loại S:
Với thang đo nhiệt độ khá cao, nhiệt độ tối đa mà loại
này chịu được là 1600 độ C. Loại cặp nhiệt điện này
có phần vỏ bảo vệ làm bằng sứ nên có thể chịu được
nhiệt độ cao.
Cặp nhiệt điện loại R:
Được làm bằng 2 kim loại quý là Platinium (bạch kim)
và Rhodium. Loại cặp nhiệt điện này có thang đo max
là 1760.
Cặp nhiệt điện loại B:
Giống như cặp nhiệt điện loại S và loại R; cặp nhiệt
điện loại B cũng được làm bằng bạch kim và Rhodium.
Tuy nhiên, tỷ lệ thành phần của 2 kim loại này cao
hơn. Nên loại cặp nhiệt điện này có thể đo được max
1820 độ C.
Cặp nhiệt điện loại W5:
Là loại cặp nhiệt điện có thể đo được nhiệt độ cao
nhất trong các loại cặp nhiệt điện. Loại W5 có thể đo
được nhiệt độ tối đa 2310 độ C. Cặp nhiệt điện này
bao gồm một Vonfram cực dương chứa 3% Rheni và
cực âm Vonfram chứa 25% Rheni.

Phần 7
Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc
Một số hình ảnh, mạch và video
5/15/2021 73

Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Nhiệt Độ (Sensor Engineering -Temperature Sensor)

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Nhiệt Độ (Sensor Engineering -Temperature Sensor)

Similar a Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Nhiệt Độ (Sensor Engineering -Temperature Sensor) (20)

Más de Quang Thinh Le

Más de Quang Thinh Le (7)

Último

Último (20)

Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Nhiệt Độ (Sensor Engineering -Temperature Sensor)