Đề tài Cảm biến nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO: MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN Đề tài: CẢM BIẾN NHIỆT (GVHD: ĐỖ BÌNH NGUYÊN) SVTH: Phạm Việt Hùng Nguyễn Ngọc Lanh BIÊN HÒA 18/11/2013 TRANG 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO: MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN Đề tài: CẢM BIẾN NHIỆT (GVHD: ĐỖ BÌNH NGUYÊN) SVTH: Phạm Việt Hùng Nguyễn Ngọc Lanh BIÊN HÒA 18/11/2013 TRANG 3 MỤC LỤC PHẦN 1:CÁC KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT ĐỘ ................................................................................................. 5 I. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT ĐỘ ........................................................................................................... 5 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các đại lượng khác. ...................................................................... 5 2. Các phương pháp đo nhiệt độ. ..................................................................................................... 5 3. thang đo nhiệt độ: .......................................................................................................................... 5 PHẦN 2: CÁC LOẠI DỤNG CỤ ĐO NHIỆT VÀ CẢM BIẾN .................................................................... 6 I. NHIỆT KẾ: ........................................................................................................................................ 6 1) Nhiệt kế là gì? ................................................................................................................................ 6 2) Lịch sử của nhiệt kế: ..................................................................................................................... 6 3) Các loại nhiệt kế. ............................................................................................................................. 7 a) Nhiệt kế chất lỏng: ... ...................................................................................................................... 7 b) Nhiệt kế điện tử:............................................................................................................................. 8 c) Nhiệt Kế Điện Trở Kim Loại: ......................................................................................................... 9 d) Nhiệt kế hồng ngoại: ..................................................................................................................... 14 4) Các loại nhiệt kế chuyên dụng dùng. ......................................................................................... 14 a) Nhiệt kế đảo: ................................................................................................................................ 14 b) Nhiệt kế độ sâu,. ............................................................................................................................ 14 c) Nhiệt kế tiếp điểm: ........................................................................................................................ 15 d) Nhiệt biểu thường ........................................................................................................................ 15 II. CẢM BIẾN NHIỆT: ....................................................................................................................... 15 1) Cảm Biến Nhiệt Điện Trở: .......................................................................................................... 15 a) Cảm biến nhiệt điện trở kim loại: .............................................................................................. 15 b) Thermistor: .................................................................................................................................. 17 2. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn: .............................................................................................................. 18 a) Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ bán dẫn: ..................................................................................... 18 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ bán dẫn: .............................................. 19 Cảm biến bán dẫn hoạt động trên nguyên tắc của tiếp giáp P-N. .......................................................... 19 b) Mạch đo dùng cảm biến nhiệt độ bán dẫn: ............................................................................... 20 3 Cặp nhiệt điện (Thermocouple): ................................................................................................ 20 a) Cấu tạo của Thermocouple: ....................................................................................................... 20 TRANG 4 b) Nguyên lý hoạt động của Thermocouple:.................................................................................. 22 c) Mạch đo dùng Thermocouple: ................................................................................................... 23 PHẦN III. MẠCH ỨNG DỤNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35. ............................................................... 25 I. Sơ lược về cảm biến nhiệt LM35. ..................................................................................................... 25 1. Dải nhiệt độ và sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của LM35 ................................................. 25 2. Các bộ cảm biến nhiệt họ LM35. ................................................................................................. 26 II. Mạch Bảo Vệ Quá Nhiệt Sử Dụng Cảm Biến LM35 ....................................................................... 26 1. LINH KIỆN: .................................................................................................................................. 26 2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: ................................................................................................................ 27 3. SƠ ĐỒ MẠCH IN ....................................................................................................................... 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 31467/ lm35-173260/ giáo trình kỹ thuật đo lường và cảm biến TRANG 5 PHẦN 1:CÁC KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT ĐỘ I. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ là gì? - Là đại lượng vật lý đặt trưng cho trạng thái cân bằng nhiệt động của một hệ vĩ mô. - Là đại lượng biểu diễn mức độ nóng lạnh của vật thể. 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các đại lượng khác. Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất.Như là làm thay đổi áp suất và thể tích của chất khí, làm thay đổi điện trở của kim loại…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó. 2. Các phương pháp đo nhiệt độ. Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau đây: - Phương pháp quan dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler ). - Phương pháp cơ dựa trên sự dãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi ). - Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck). 3. thang đo nhiệt độ: nhiệt độ được chia làm 3 thang đo. - Thang kelvin: hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị 0k . trong thang kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước đá- nước- hơi (rắn- lỏng- khí) một giá trị bằng 273,15 0k (thường được sử dụng là 2730k). - Từ thang kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang celsius và thang fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ. - Thang celsius: đơn vị nhiệt độ là 0C. quan hệ giữa nhiệt độ celsius và kelvin được xác định bởi biểu thức: 0( ) ( ) 273T C T K  - Thang fahrenheit đơn vị nhiệt độ là 0F - Ta chuyển đổi qua lại giữa 0C và 0F như sau:  0 0 0 0 5 ( ) ( ) 32 9 9 ( ) ( ) 32 5 T C T F T F T C     TRANG 6 PHẦN 2: CÁC LOẠI DỤNG CỤ ĐO NHIỆT VÀ CẢM BIẾN I. NHIỆT KẾ: 1) Nhiệt kế là gì? Nhiệt kế là thiết bị dùng để đo nhiệt độ. Một nhiệt kế có hai thành phần quan trọng: phần cảm nhận nhiệt độ (thí dụ: bầu đựng thủy ngân hoặc rượu trong nhiệt kế) và phần biểu thị kết quả (thí dụ: thang chia vạch trên nhiệt kế). Các loại nhiệt kế trong công nghiệp thường dùng thiết bị điện tử để biểu thị kết quả như máy vi tính. 2) Lịch sử của nhiệt kế: GALILEO GALILEI (1564-1642) Nhiều nhà phát minh đã ghi công vào việc sáng tạo ra nhiệt kế như Avicenna, Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei hay Santorio Santorio. Nhiệt kế không phải là kết quả của một phát minh duy nhất, mà nó phải trải qua quá trình phát triển. Philo và Hero of Alexandria biết một nguyên tắc là đối với một số chất, đặc biệt là không khí, sẽ co và dãn khi thay đổi nhiệt độ . Cơ chế này sau đó được dùng để chỉ thị nhiệt độ không khí với một ống và mực nước bên trong được điều khiển bởi sự co và dãn của không khí. Các thiết bị này được phát triển bởi Avicenna vào thế kỷ 11, và nhiều nhà khoa học khác ở châu Âu vào thế kỷ 16 và thế kỷ 17, đặc biệt là Galileo Galilei . TRANG 7 Một bản vẽ rõ ràng đầu tiên của nhiệt kế được xuất bản vào năm 1617 là của Giuseppe Biancani: trong bản vẽ này có thang đo và sau đó cấu tạo thành nhiệt kế bởi Robert Fludd vào năm 1638. Đây là một ống thẳng đứng với một bầu đặt ở phía trên và phía dưới nhúng vào nước. Mực nước bên trong ống được điều khiển bởi sự co dãn không khí, vì vậy chúng ta còn gọi nó là nhiệt kế không khí. Người đầu tiên đặt thang đo vào nhiệt kế có thể là nhiều người khác nhau như Francesco Sagredo hay Santorio Santorio từ khoảng năm 1611 đến 1613. Các dụng cụ trên mắc phải một nhược điểm là nó đồng thời cũng là một áp kế, nghĩa là nó nhạy cảm với sự thay đổi áp suất không khí. Vào khoảng năm 1654, Ferdinando II de' Medici, đại công tước của Tuscany đã chế tạo nhiệt kế theo kiểu hiện đại bằng cách hàn kín phần ống với bầu chứa chất lỏng, do đó không bị ảnh hưởng bởi áp suất không khí và chỉ phụ thuộc vào sự dãn nở của chất lỏng. Nhiều nhà khoa học khác đã thử nghiệm với những loại chất lỏng khác nhau và thiết kế ra nhiệt kế. Tuy nhiên, mỗi nhà phát minh và mỗi loại nhiệt kế không tuân theo một chuẩn chung nào. Vào năm 1665, Christiaan Huygens đề nghị dùng điểm nóng chảy và điểm sôi của nước làm chuẩn, và vào năm 1694 Carlo Renaldini đưa ra đề nghị dùng nó như các điểm cố định trên tất cả các thang đo. Vào năm 1701, Isaac Newton đưa ra một thang đo có 12 độ giữa điểm nóng chảy của nước và nhiệt độ cơ thể. Cuối cùng vào năm 1724, Daniel Gabriel Fahrenheit tạo ra một thang nhiệt độ mà hiện nay (với một số thay đổi nhỏ) là thang Fahrenheit. Ông có thể làm như vậy vì ông sản xuất nhiệt kế dùngthủy ngân (có hệ số co dãn cao) đầu tiên và chất lượng của nhiệt kế có thể thể hiện thang chia nhỏ hơn và sản xuất dễ dàng hơn, dẫn đến việc sử dụng rộng rãi. Vào năm 1742, Anders Celsius đề nghị thang đo với 0 ở điểm nóng chảy của nước đá, và 100 ở điểm sôi của nước và hiện nay gọi là thang Celsius với thang đo đặt ngược lại . Vào năm 1866, ngài Thomas Clifford Allbutt phát minh ra nhiệt kế y tế có thể đưa ra nhiệt độ cơ thể chỉ sau 5 phút thay vì 20 phút như trước đó. 3) Các loại nhiệt kế. Nhiệt kế : a) Nhiệt kế chất lỏng: hoạt động trên cơ sở dãn nhiệt của các chất. Các chất lỏng sử dụng ở đây phổ biến là thủy ngân, rượu màu, rượu etylic (C2H5OH), pentan (C5H12), benzen toluen (C6H5CH3)... TRANG 8 Hình 1. Nhiệt kế thủy ngân b) Nhiệt kế điện tử: Nhiệt kế điện tử được cấu tạo bởi một đầu dò nhiệt độ, khi có nhiệt độ tác dụng vào đầu dò, nó sẽ chuyển các đại lượng nhiệt độ sang dạng tín hiệu điện áp. Các tín hiệu điện áp ở dạng tương tự được chuyể sang tin hiệu số thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. bộ xử lý sẽ xử lý các tín hiệu số và chuyển nó sang màn hình hiển thị để chúng có thể đọc được. sơ đồ khối của nhiệt kế điện tử được biể diễn như hình Hình 2: sơ đồ khối của nhiệt kế điện tử Các loại nhiệt kế điện tử đang dần thay thế nhiệt kế thủy ngân vì các lý do sau: - Độ phân giải cao - Có thể lưu lại giá trị đo (tùy loại) - Không ảnh hưởng tới sức khỏe con người Bộ xử lý Màn hình hiển thị TRANG 9 Hình 3: nhiệt kế điện tử c) Nhiệt Kế Điện Trở Kim Loại: Vật liệu: Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:  Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ.  Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu.  Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc.  Dễ gia công và có khả năng thay lẫn.  Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W. - Platin : + 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 0oC bằng 3,9.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ÷1000oC. - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC. - Đồng: Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở. - Wonfram: Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các điện TRANG 10 trở cao với kích thước nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở. Cấu tạo nhiệt kế điện trở Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn. Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở. Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 0oC có giá trị vào khoảng 100, khi đó với điện trở platin sẽ có đường kính dây cỡ vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0oC là 50, 500 và 1000, các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp. - Nhiệt Kế Công Nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 3 là các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin. Hình 4: Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống platin 4) Dây nối 5) Sứ cách điện 6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng TRANG 11 - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thường được chế tạo bằng phương pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng như hình vẽ 3.5. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài àm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2 Hình 5: Nhiệt kế bề mặt Đặc trưng chính của nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC đối với trường hợp Ni và Fe-Ni~4.10-3/oC đối với trường hợp Pt. - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ÷ 260oC đối với Ni và Fe-Ni. - 260oC ÷1400oC đối với Pt. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo. - Nhiệt kế điện trở silic: Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC ở 25oC. Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic được chế tạo có kích thước 500x500x240 μm được mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc. Trong dải nhiệt độ làm việc (-55 ÷200oC) có thể lấy gần đúng giá trị điện trở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: (1)     2 0 00 1 T A T T B T TR R        (1) Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn. TRANG 12 Sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá bằng cách mắc thêm một điện trở phụ. Hình 6: Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn - Vật liệu chế tạo Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức: (2) 2 0 0 0 1 1 ( ) EX T R T R P T T T             (2) Trong đó R0() là điện trở ở nhiệt độ T0(K). Độ nhạy nhiệt có dạng: 2R b T     (3) Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên biểu thức (3.11) có thể viết lại: TRANG 13 0 0 1 1 ( ) EXR T R P B T T             (4) Và độ nhạy nhiệt: 2R B T    (5) Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K. - Cấu tạo Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ ~1000oC. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ tinh. Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 -10-3K. Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC. Hình 7: Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh TRANG 14 d) Nhiệt kế hồng ngoại: Dựa trên hiệu ứng bức xạ nhiệt dưới dạng hồng ngoại của các vật nóng.Bộ phận chính của nhiệt kế hồng ngoại là bộ cảm biến nhiệt điện. Với bộ cảm biến này năng lượng của bức xạ hồng ngoại sẽ được hấp thụ và chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện này sẽ hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng theo một tỉ lệ đã được qui đổi. Như chúng ta đã biết trên độ 0 tuyệt đối tất cả các vật thể đều phát ra bức xạ. Các bức xạ từ một vật cách ly tại nhiệt độ cơ thế có biểu đồ phụ thuộc bước sóng riêng được thể hiện qua đồ thị bức xạ vật thể đen tuyệt đối. Tại nhiệt độ cơ thể 37°C bức xạ đạt giá trị cao nhất tại bước sóng 9340 nm thuộc vùng tia hồng ngoại, ( ánh sáng nhìn thấy trong khoảng bước sóng 400nm đến 700nm). Giá trị bước sóng cực đại này được xác định bởi định luật dịch chuyển Wien. Nếu bộ cảm ứng nhiệt điện sinh ra điện tích tỉ lệ thuận với năng lược được hấp thụ, độ chênh lệch năng lượng cần thiết để có một kết quả chính xác được tính bằng định luật Stefan-Boltzmann cho biết mối liên quan giữa năng lượng bức xạ và nhiệt độ. Tỷ số năng lượng bức xạ chênh lệch 1°C sẽ là 4 (38 273) 1,0123 (37 273)       vì năng lượng bức xạ tỉ lệ với 4T . Như vậy với biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ cơ thể ta cũng thu được sự biến thiên nhiệt lớn . Điều này tăng sự chính xác của phép đo. Khi dùng nhiệt kế hồng ngoại này người ta đo nhiệt độ trực tiếp từ màng nhĩ của tai, do đó nó sẽ phản ánh trung thực hơn giá trị nhiệt độ của cơ thể. Điều này các nhiệt kế y tế kiểu cũ không thể thực hiện được. 4) Các loại nhiệt kế chuyên dụng dùng. a) Nhiệt kế đảo: đo nhiệt độ nước biển ở các tầng có độ sâu khác nhau. Nhiệt kế đảo có cấu tạo đặc biệt, thắt hẹp ở gần bầu thuỷ ngân. Đặt nhiệt kế này ở độ sâu cần đo, cột thủy ngân sẽ ngắt k