Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 1
Chương
3
:

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Trong 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. Một
trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng
chịu sự ảnh hưởng của nó, thí dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổi pha hay
điểm Curi của các vật liệu từ tính. Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và
trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Có

nhiều

cách

đo

nhiệt

đo:
-

Phương

pháp


-

Phương

pháp

cơ

dựa

trên

sự

giản

nở

của

vật

rắn,

lỏng hoặc

khí (với áp suất không
đổi), hoặc

dựa

trở

vào

nhiệt

độ

(hiệu

ứng Seebeck),

hoặc

dựa

trên

sự

thay

đổi

tần

số

dao


xác

định

dựa

trên

tính

chất

của

khí

lý

tưởng.
1.

Thang

nhiệt

độ

nhiệt

động

của

điểm

cân

bằng

của

ba

trạng thái

nước

–

nước

đá

–

hơi

một

giá



hệ

giữa

nhiệt

độ
Celsius

và

nhiệt

độ

Kelvin

cho

theo

biểu

thức:

T

(
0


(
0
F).

Quan

hệ

giữa

nhiệt

độ

Celsius

và

Fahrenheit

được cho

bởi

biểu

thức:
cảm

biến,

ký

hiệu

T
c
.

T
c
phụ

thuộc

vào

nhiệt độ

môi

trường

T
x
và


,

có

2

biện

pháp:

-

Tăng

sự

trao

đổi

nhiệt

giữa

cảm

biến

và



bên

ngoài.Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 2

Để

đo

nhiệt

độ

của

một

vật

rắn,

từ

bề

mặt


đưa

cảm

biến

vào

sâu

trong

vật

rắn.

Để

tăng

độ

chính

xác,

phải

đảm

kháng

nhiệt

giữa

vật

rắn

và

cảm

biến

bằng

cách

giảm

khoảng

cách

giữa

vỏ cảm



CẢM

BIẾN

NHIỆT

ĐIỆN

TRỞ

Ưu

điểm

của

nhiệt

điện

trở

là

đơn

giản,

độ


điện

trở

kim

loại,

điện

trở

bán

dẫn

và

nhiệt

điện

trở.1.

Nhiệt


trở

suất

thay

đổi

nhiều

theo nhiệt

độ.

Người

ta

thường

làm

điện

trở

bằng

platin,



tinh

khiết

cao

nhằm

tăng

độ

chính

xác

của

đặc

tính

điện. Platin

trơ

về

hóa


từ

-200

C

÷

1000

C.

-

Niken

có

độ

nhạy

nhiệt

cao

hơn

nhiều


với

platin

chỉ

bằng

1,385.

Tuy

nhiên,

niken

dễ

bị

oxy

hóa

khi nhiệt

độ

tăng


trong

một

số

trường

hợp

vì

sự

thay

đổi

điện

trở

theo

nhiệt

độ

có độ


độ

nhạy

nhiệt

cao

hơn

platin

khi

ở

nhiệt

độ

dưới

100

C

và

có


thể

chế

tạo

thành

các sợi

mảnh.

Tuy

nhiên

ứng

suất

trong

vonfram

(tạo

ra

trong


hơn

điện

trở

platin.

Để

có

độ

nhạy

cao,

điện

trở

phải

lớn.

Muốn

vậy

càng

dễ

dứt.

-

Tăng

chiều

dài

dây,
việc này cũng bị giới
hạn vì

tăng

chiều

dài

làm

tăng

kích


o
C. Trên thực tế các
sản phẩm thương mại có điện trở ở 0
o
C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở có
trị

số

lớn

thường

dùng

đo

ở dải

nhiệt

độ

thấp,

ở

đó

cho

nhiệt

kế

phải

có

vỏ

bọc

tốt

chống

va

chạm

và rung

động.

Điện

trở

được


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 3
Để

đo

nhiệt

độ

bề

mặt

vật

rắn,

người

ta

sử

dụng

nhiệt

điện


Fe

–

Ni

hoặc

Pt (Pt được sử dụng
khi cần độ chính xác cao).

Chiều

dày

lớp

kim

loại
cở

vài


m,

kích

thước


Các

đặc

tính

chủ

yếu

của

nhiệt

điện

trở

bề

mặt:
Độ nhạy: 5.10
-3
/
o
C : Ni và Fe - Ni
4.10
-4
/

tinh

khiết

hoặc

đơn

tinh

thể

silic

có

hệ

số

điện

trở

âm,

tuy

nhiên


nó

trở

thành

dương.

Khoảng

nhiệt

độ

sử

dụng

từ

-50

C

đến

150

C.


0,7%

theo

từng độ

C.

Sự

thay

đổi

nhiệt

tương

đối

nhỏ

nên

có

thể

tuyến


trở

phụ

(song

song

hay

nối

tiếp

tùy

thuộc

vào mạch

đo).

Sự

thay

đổi

nhiệt


Nếu

nhiệt

độ

nhỏ

hơn

120

C

(dải

nhiệt

độ

làm

việc),

điện

trở

suất


càng

mạnh.

Trường

hợp

nhiệt

độ

lớn

hơn

120

C,

điện

trở

suất

giảm

khi


3.

Nhiệt

điện

trở

Nhiệt

điện

trở

có

độ

nhạy

nhiệt

rất

cao,

gấp

hàng


2

loại:

-

Nhiệt

điện

trở

có

hệ

số

nhiệt

điện

trở

dương.

-

Nhiệt


các

hỗn

hợp

oxit

bán

dẫn,

đa

tinh

thể

như

MgO, MgAl
2
O
4
,

Mn
2
O
3

nhau

theo

tỉ

lệ

nhất định

sau

đó

được

nén

định

dạng

và

thiêu

kết

ở


điện

trở

có

kích

thước

nhỏ

cho

phép

đo

nhiệt

độ

tại

từng

điểm,

đồng


vài

độ
K
đến

300

C.

Vì

độ

nhạy

cao,

nhiệt

điện

trở

được

ứng

dụng



đo

nhiệt

độ

thấp,

ta

sử

dụng

các

nhiệt

điện

trở

có

điện

trở

thấp


những

nhiệt

điện

trở

có

điện

trở

cao

ở

25

C (100

÷

500
Ω
).
III.



dây

dẫn

A

và

B

được

nối

với

nhau

bởi

hai

mối

hàn

có nhiệt

độ


và

nhiệt

độ

T
1
,

T
2
.

Thông

thường

một

mối

hàn

được

giữ

ở

ref
.

Khi

đặt

mối

hàn

thứ

hai

vào

môi

trường

đo

nhiệt

độ

sẽ

đạt

nhiệt

độ

ở

từng

điểm

của

đối

tượng

đo

và tăng

tốc

độ

đáp

ứng.

Cặp


đó

không

có

hiệu

ứng

đốt

nóng.
Tuy

nhiên,

phải

biết

trước

nhiệt

độ

chuẩn

T


không

tuyến

tính.

Mỗi

loại

cặp

nhiệt

có

suất

điện

động

phụ

thuộc

khác nhau

vào

từ

-270

C

đến

2700

C,

đây là

ưu

điểm

so

với

nhiệt

kế

điện

trở.
Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ:

S(700

C)

=

63,8


V/

C
Cặp

nhiệt

Pt

–

Rh

(10%)/Pt:

S(0

C)

=



điện-

Hiệu

ứng

Peltier
:Ở

điểm

tiếp

xúc

giữa

hai

dây

dẫn


một hiệu

điện

thế

tiếp

xúc.

Hiệu

điện

thế

này

phụ

thuộc

vào bản

chất

của

vật



một

chuỗi

cách

nhiệt

được

tạo

thành

từ

các

vật

dẫn khác

nhau,

tổng

suất

điện


các

vật

dẫn

trung

gian

và

toàn

hệ

đẳng

nhiệt thì

hiệu

điện

thế

giữa

hai


tiếp

với

nhau.
-

Hiệu

ứng

Thomson:Trong

một

vật

dẫn

đồng

nhất,

giữa

hai


điện

động

này

chỉ

phụ

thuộc

vào

bản

chất

của

vật

dẫn và

nhiệt

độ

của

của

một

mạch

chỉ

gồm

một

vật

dẫn

duy

nhất

và

đồng

chất

được duy

trì



Seebeck:Một

mạch

kín

tạo

thành

từ

hai

vật

dẫn

A

và

B

và


mạch

tạo

thành

cặp

nhiệt

điện.

Cặp

nhiệt

điện

tạo

nên

suất điện

động

do

kết



chuẩn

T
1
=

0

C,

khi

đó

suất

điện

động

chỉ

phụ

thuộc

vào

T


tạo

cặp

nhiệt

cần

tránh

những

cặp

nhiệt

ký

sinh

do

gấp

khúc

dây,

nhiễm


tượng

có

nhiệt

độ

khác nhau

giữa

các

điểm

trên

mối

nối

tạo

ra

sức

điện

xì,

bằng

axêtylen.-

Hàn

bằng

tia

lửa

điện.Dây

được

đặt

trong

sứ



bên

ngoài

làm

bằng

sứ

hoặc

thép,

không

cho

khí

lọt

qua,

chống

tăng giảm

nhiệt


A/M
1
,

B/M
1
,

M
1
/M
2
,

M
2
/M
3

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 6

Suất

điện

động:

c.


của

cặp

nhiệt.Điều

kiện

các

mối

hàn

A/M
1
,

M
1
/M
2
,

M
2

xác

định

thông

qua

suất

điện

động

Seebeck

đo

được

giữa

hai đầu

cặp

nhiệt.

Suất


thành

phần

(cặp

nhiệt,

dây

dẫn).Thường

áp

dụng

hai

phương

pháp

đo

sau:
phương

pháp

xung

đối

để

dòng

điện

chạy

qua

cặp

nhiệt

bằng

không.

Dùng

R
v
:

điện

trở

milivon

kế

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 7

Vì

không

thể

xác

định


số

người

ta

chọn

sao

cho

R
v
>>

R
t
+

R
l
.
Phương

pháp

giá

trị

suất

điện

động.

Giá

trị

V có

thể

đo

chính

xác,

là

điện

áp



một

điện

kế

G

và

đấu

song

song

với

điện

trở

chuẩn

R
e
.

Điều


có:

Dòng

điện

I

có

thể

được

điều

chỉnh

bằng

biến

trở

Rh.

Hoặc

điều

hạn

chế.

Ở

nhiệt

đô

thấp

năng

suất nhiệt

điện

giảm.

Ở

nhiệt

độ

cao

cặp


trong

hợp

kim,

tăng

độ

giòn

cơ

học,

thậm

chí

bị

nóng

chảy.Do

đó


Dây

càng nhỏ

thì

nhiệt

độ

cực

đại

càng

thấp.Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 8
IV.

ĐO

NHIỆT

ĐỘ


hơn

cặp

nhiệt

nhưng

nhỏ

hơn

so

với

nhiệt

điện

trở.

Đặc

biệt

là không

cần



dải

nhiệt

này

cảm

biến

có

độ ổn

định

cao.
2.

Độ

nhạy

nhiệtXét

mạch


là

I
1
và

I
2
,

điện

áp

B-E

tương

ứng

là

V
1
và

V
2
.

tích

q

=

1,602.10
-19
CS

=

86,56

ln

n

(

V/K)Độ

nhạy


kể.
Sử

dụng

linh

kiện

bán

dẫn

là

diode

hoặc

transistor
(
nối

B-C) phân

cực

thuận

với

nhiệt

phụ

thuộc

vào

dòng

ngược

I
0
.
dV
S
dT

Giá

trị

khoảng

-2,5

mV/

C

ta

dùng

cặp

transistor

đấu

theo

kiểu

diode

đối nhau.
Độ

nhạy

nhiệt:
1 2
d(V V )
S
dT



Tài liệu môn Cảm biến và đo lường


có

điện

áp

ngõ

ra

phụ

thuộc

vào

nhiệt

độ.Độ

nhạy

10mV/

C.



dụng

từ

4V

đến

30V.

Độ

chính

xác


1

C.

Độ

tuyến

tính

tốt


LM35D

có

vỏ

ngoài

giống

như

các

transistor

(kiểu

T0-92).Khi

sử

dụng

không

cần


hoặc

dùng

VOM

số

có

thể

dùng

làm

máy

đo

nhiệt

độ.

2.

Các

mạch


vào

không

đảo

chiết

áp

từ

RP1.

Ngõ

vào

đảo

lấy

điện

áp

ngõ

ra của

xác

định,

ngõ

vào

không

đảo

có

điệp

áp

cao

hơn ngõ

vào

đảo,

điện

áp


nhiệt). Q1

dẫn,

đèn

D3

sáng,

điện

trở

R
cds

nhận

ánh

sáng

chiếu

vào,

điện

trở


tăng

lên.Khi

nhiệt

độ

nước

bằng

hoặc

cao

hơn

nhiệt

độ

xác

định,


so

sánh

xuống

mức

thấp,

đèn

D1

sáng

(báo

ngưng cấp

nhiệt).

Q1

ngưng,

đèn

D3



điện,

ngưng

gia

nhiệt.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 10

b.

Mạch

đo

nhiệt

độ

trung

bình

Ba

cảm

biến

xác

định

nhiệt độ

trung

bình.
Chọn

R1

=

R2

=

R3

=

3R5

;

R4

=

và

T2

đo

nhiệt

độ

ở

hai

nơi.
V
o
=

V
o2
–

V
o1