Đề cương bài giảng Kỹ thuật cảm biến BÀI MỞ ĐẦU CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý như Nhiệt độ, áp suất, tốc độ, khoảng cách, lưu lượng cần được xử lý cho đo lường và điều khiển Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này Bộ cảm biến còn có tên gọi khác là đầu dò, bộ nhận biết Cảm biến là một bộ chuyển đổi kỹ thuật để chuyển đổi các đại lượng vật lý không mang bản chất điện như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách sang một đại lượ.
Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến 1
Trong sản xuất, nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, khoảng cách và lưu lượng cần được đo lường và điều khiển Để thực hiện chức năng này, các bộ cảm biến, còn được gọi là đầu dò hoặc bộ nhận biết, đóng vai trò quan trọng.
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý không mang tính điện như nhiệt độ, áp suất và khoảng cách thành các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, điện trở và tần số Chúng được định nghĩa là các bộ cảm nhận và phản ứng với các tín hiệu, cho phép đo lường và đếm các thông số vật lý một cách chính xác.
Cảm biến là thiết bị phản ứng với đại lượng cần kiểm tra mà không có tính chất điện, và chuyển đổi nó thành đặc trưng điện như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng Đặc trưng điện này, ký hiệu là s, được xác định qua hàm số của đại lượng cần đo m, với công thức tính là s = f(m).
Trong đó, s đại diện cho đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến, trong khi m là đầu vào hay kích thích, thường là đại lượng cần đo Việc đo lường giá trị s giúp xác định giá trị của m một cách chính xác.
Hình 1.1: Sự biến đổi của đại lượng cần kiểm tra m và phản ứng s theo thời gian.
Phạm vi ứng dụng 2 3 Phân loại các bộ cảm biến 2 BÀI 1: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 6 1.1 Đại cương 6
Thang đo nhiệt độ 6 1.1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo 7 1.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 8
Việc xác định thang nhiệt độ dựa trên các định luật nhiệt động học, trong đó thang đo nhiệt độ tuyệt đối được xây dựng từ tính chất của khí lý tưởng Theo định luật Carnot, hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ t1 và t2 chỉ phụ thuộc vào hai giá trị này, bất kể thang đo được sử dụng.
Hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ, trong khi lựa chọn hàm F lại quyết định thang đo này Khi đặt F( ) = T, chúng ta xác định T như là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối, và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ được biểu diễn theo cách cụ thể.
Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.
Vào năm 1664, Robert Hook đã thiết lập điểm không là điểm động của nước cất Đến năm 1852, nhà vật lý Anh Thomson (Kelvin) xác định thang nhiệt độ Kelvin, với 0 K được gán cho nhiệt độ điểm cân bằng của ba trạng thái nước: nước đá, nước lỏng và hơi nước, tương ứng với giá trị 273,15 K.
Năm 1742, nhà vật lý Thụy Điển Andreas Celsius đã giới thiệu thang nhiệt độ bách phân Trong thang này, đơn vị đo nhiệt độ được xác định là 0 độ C, với một độ Celsius tương đương với một độ Kelvin Mối quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và Kelvin được thể hiện qua một biểu thức cụ thể.
Năm 1706, nhà vật lý Hà Lan Daniel Gabriel Fahrenheit đã phát minh ra thang nhiệt độ Fahrenheit, trong đó điểm nước đá tan là 32°F và điểm sôi là 212°F Mối quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và Fahrenheit được xác định theo một công thức cụ thể.
Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của một số thang đo nhiệt độ khác nhau
Celsius ( 0 C) Fahrenheit ( 0 F) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67
Hỗn hợp nước – nước đá 273,15 0 32
Cân bằng nước – nước đá
1.1.2 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo.
Nhiệt độ được đo bằng cảm biến, ký hiệu là TC, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường TX và sự trao đổi nhiệt Nhiệm vụ của người thực nghiệm là giảm hiệu số giữa TX và TC xuống mức tối thiểu Có hai biện pháp chính để giảm sự khác biệt này.
- Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.
- Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài.
Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn
Cảm biến nhiệt độ thường được bảo vệ bằng một lớp vỏ bên ngoài Để đo nhiệt độ của vật rắn, cần khoan một lỗ nhỏ trên bề mặt với đường kính r và độ sâu L, nhằm đưa cảm biến vào trong vật Để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo, cần thỏa mãn hai điều kiện quan trọng.
- Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần đường kính của nó (L≥ 10r).
Để giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến, cần giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan Khoảng cách này nên được lấp đầy bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt để tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt.
1.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel
Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ 8 1.2.2 Nhiệt điện trở Platin 9 1.2.3 Nhiệt điện trở Nikel 10 1.3 Cảm biến nhiệt dộ với vật liệu Silic 12
Sự chuyển động của các hạt mang điện tích trong kim loại tạo ra dòng điện, với điện tích âm và dương di chuyển ngược chiều nhau Độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, trong khi điện trở của kim loại có hệ số nhiệt độ dương (PTC) tăng khi nhiệt độ tăng Để hiệu ứng này hữu ích trong đo nhiệt độ, hệ số nhiệt độ cần lớn, cho thấy sự thay đổi điện trở rõ rệt với nhiệt độ Các tính chất của kim loại ổn định theo thời gian, và hệ số nhiệt độ không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất hay hóa chất Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở thường không tuyến tính và được mô tả bằng đa thức bậc cao.
- R0: điện trở được xác định ở một nhiệt độ nhất định.
- t 2 , t 3 : các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu của phép đo.
- A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt độ và điện trở một cách rõ ràng.
Đặc tính của nhiệt điện trở thường được biểu thị bằng một hệ số duy nhất, gọi là hệ số a (alpha), thay thế cho hệ số nhiệt độ trung bình trong thang đo, chẳng hạn như từ 0°C đến 100°C.
Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp.
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 IEC751-1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm
1995), USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar - Van Dusen:
R0 là trị số điện trở định mức ở 0 0 C.
Ohms Hệ sô Đất nước
Danh sách các quốc gia bao gồm: Úc, Áo, Bỉ, Brazil, Bulgaria, Canada, Cộng hòa Czech, Đan Mạch, Ai Cập, Phần Lan, Pháp, Đức, Israel, Ý, Nhật Bản, Ba Lan, Rumania, Nam Phi, Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Anh và Hoa Kỳ.
R0 của nhiệt điện trở Pt 100 là 100 , của Pt 500 là 500 , của Pt 1000 là, của Pt 500 là 500, của Pt 1000 là , của Pt 500 là 500, của Pt 1000 là
Cảm biến nhiệt độ Pt 500 và Pt 1000 có hệ số nhiệt độ cao, cho phép độ nhạy lớn hơn với điện trở lần lượt là 500Ω và hơn 1000Ω, điều này có nghĩa là điện trở của chúng thay đổi mạnh mẽ theo sự biến đổi nhiệt độ Ngoài ra, còn tồn tại loại cảm biến Pt 10 với độ nhạy thấp hơn, thường được sử dụng để đo nhiệt độ trên 600°C.
Tiêu chuẩn IEC751 chỉ định nghĩa 2 “đẳng cấp” dung sai A, B Trên thực tế xuất hiện thêm loại
C và D (xem bảng phía dưới) Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác. Đẳng cấp dung sai Dung sai (°C)
D t = ± (0.60 + 0.0018 | t |) thể hiện đặc tính của vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp theo tiêu chuẩn DIN Việc pha tạp giúp giảm thiểu sự thay đổi trị số điện khi có tạp chất thẩm thấu, mang lại sự ổn định lâu dài, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp Trong ngành công nghiệp, nhiệt điện trở platin thường có đường kính khoảng 30µm, nhỏ hơn so với đường kính sợi túc khoảng 100µm.
Nhiệt điện trở nickel là lựa chọn kinh tế hơn so với platin, với hệ số nhiệt độ cao gấp gần hai lần, đạt 6,18 x 10^-3 °C^-1 Tuy nhiên, dải đo nhiệt độ của nó chỉ giới hạn từ -60 °C đến +250 °C.
350 0 C nickel có sự thay đổi về pha Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công nghiệp điều hòa nhiệt độ phòng.
A = 5.485x10 -3 B = 6.650x10 -6 D = 2.805x10 -11 F = -2.000x10 -17 Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao ta sử dụng phương trình sau:
Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ: t = (Rt / R0 - 1) / a = (Rt / R0 - 1) / 0.00672
Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với điện thế đo được U = R.I khi dòng điện không thay đổi Để cảm biến không bị nóng lên trong quá trình đo, dòng điện cần duy trì ở mức nhỏ khoảng 1mA Đối với Pt 100 ở 0°C, điện thế khoảng 0,1V cần được truyền đến máy đo qua dây dẫn.
Ta có 4 kỹ thuật nối dây đo.
Theo tiêu chuẩn IEC 751, dây nối đến cùng đầu của nhiệt điện trở cần phải có màu giống nhau, có thể là đỏ hoặc trắng, trong khi dây nối đến hai đầu còn lại phải có màu khác biệt.
Nhiệt điện trở và mạch điện tử được kết nối qua hai dây dẫn, mỗi dây đều có điện trở Điện trở này nối tiếp với nhiệt điện trở, dẫn đến việc mạch điện trở nhận được điện thế cao hơn mức cần đo Kết quả là chỉ thị nhiệt kế hiển thị nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thực tế cần đo Nếu khoảng cách giữa các điểm đo quá xa, điện trở của dây dẫn có thể lên đến vài Ohm.
Ví dụ với dây đồng:
Diện tích mặt cắt dây đo: 0,5mm 2 Điện trở suất: 0,0017 mm, của Pt 500 là 500, của Pt 1000 là 2 m -1
R = 6,8, với 6,8 tương ứng cho nhiệt điện trở Pt 100, trong khi Pt 500 có điện trở 500Ω và Pt 1000 cũng có điện trở tương ứng Để giảm thiểu sai số đo lường do điện trở của dây đo, một mạch điện bù trừ được sử dụng Mạch này bao gồm một biến trở bù trừ được kết nối vào một trong hai dây đo, và nhiệt điện trở được thay thế bằng một điện trở 100Ω Thiết kế mạch điện tử bao gồm điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω, nhằm đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo.
Ta chỉnh biến trở sao cho có chỉ thị 0 0 C: Biến trở và điện trở của dây đo là 10
, của Pt 500 là 500, của Pt 1000 là.
Kỹ thuật 3 dây trong đo nhiệt điện trở của dây đo được sử dụng để tạo ra hai mạch đo, trong đó một mạch làm mạch chuẩn Phương pháp này giúp loại bỏ sai số do điện trở dây đo và sự thay đổi của nó theo nhiệt độ Để đạt được độ chính xác, cả ba dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và nhiệt độ Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến trong các ứng dụng đo lường.
Kỹ thuật 4 dây cho phép đạt được kết quả đo chính xác nhất Trong phương pháp này, hai dây được sử dụng để dẫn dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, trong khi hai dây còn lại được dùng để đo điện thế trên nhiệt điện trở Khi tổng trở ngõ vào của mạch đo lớn hơn nhiều so với điện trở của dây đo, điện trở này có thể coi là không đáng kể Do đó, điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở của dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt.
Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo.
Người dùng có thể sử dụng hai dây đo mà không gặp sai số cho phép trong việc đo với bộ biến đổi tín hiệu Bộ biến đổi này chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến thành dòng điện chuẩn, tuyến tính với nhiệt độ, dao động từ 4mA đến 20mA Dòng điện nuôi cho bộ biến đổi được tải qua hai dây đo với cường độ khoảng 4mA Kỹ thuật này giúp khuếch đại tín hiệu trước khi truyền tải, giảm thiểu nhiễu hiệu quả.
1.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic
Cảm biến nhiệt độ silic ngày càng trở nên quan trọng trong các hệ thống điện tử nhờ vào đặc điểm tuyến tính, độ chính xác cao và chi phí thấp Chúng có thể được tích hợp trong một IC cùng với bộ khuếch đại và các yêu cầu xử lý tín hiệu khác, giúp hệ thống trở nên nhỏ gọn, phức tạp hơn và hoạt động nhanh hơn Các kỹ thuật cảm biến truyền thống như cặp nhiệt và nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và cần điều chỉnh để chuyển đổi chính xác giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện đang dần được thay thế bởi cảm biến silic, mang lại lợi ích về sự nhỏ gọn và dễ sử dụng.
Hình 1.7 thể hiện cấu trúc cơ bản của một cảm biến kích thước của cảm biến là 500 x 500 x 200 àm.
IC cảm biến nhiệt độ 13
Nhiều công ty trên thế giới đã phát triển IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ IC cảm biến nhiệt độ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Nhờ vào tính nhạy cảm cao của bán dẫn với nhiệt độ, các IC này tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (C, F, K) Việc đo tín hiệu điện cho phép xác định nhiệt độ cần đo, với phạm vi đo từ -55°C đến 150°C và độ chính xác từ 1% đến 2%, tùy thuộc vào từng loại IC.
Nhiệt độ tác động đến chất bán dẫn bằng cách tạo ra điện tích tự do và lỗ trống thông qua sự phá vỡ các phân tử, cho phép electron di chuyển tự do trong cấu trúc mạng tinh thể Hiện tượng này dẫn đến sự gia tăng tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống theo quy luật hàm số mũ với nhiệt độ Kết quả là, dưới điện áp thuận, dòng điện trong mối nối p-n của diode hay transistor sẽ tăng theo hàm số mũ theo nhiệt độ.
Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt thường là điện áp của lớp chuyển tiếp pn trong một transitor loại bipolar Texinstruments có STP 35 A/B/C; National Semiconductor LM 35/4.5/50…
Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor
Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến gặp phải một số vấn đề phức tạp, như cặp nhiệt ngẫu có ngõ ra thấp và cần bù nhiệt, trong khi thermistor lại không tuyến tính Ngoài ra, ngõ ra của các cảm biến này không tương ứng với thang chia nhiệt độ cụ thể Tuy nhiên, các khối cảm biến tích hợp được thiết kế để khắc phục những nhược điểm này, mặc dù ngõ ra của chúng chủ yếu liên quan đến thang Kelvin hơn là độ Celsius hay Fahrenheit.
Loại LM35: Precision Centigrade Temperature Sensor.
Cảm biến nhiệt độ LM35 cung cấp điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang nhiệt độ Celsius, loại bỏ nhu cầu về mạch điện bù trừ điểm zero cho thang Kelvin Điện áp hoạt động của LM35 nằm trong khoảng từ 4V đến 30V, với điện áp ngõ ra tuyến tính đạt 10mV cho mỗi độ C.
Thang đo: -55 0 C đến150 0 C với LM 35/35A,
Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 0 C (trong môi trường không khí)
Mức độ không tuyến tính chỉ 1/4 0 C
LM 34 giống như LM 35 nhưng được thiết kế cho thang đo Fahrenheit từ -
LM 34 có ngõ ra 10mV/ 0 F Điện áp hoạt động: 5 tới 20 V DC.
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
Mạch đo nhiệt độ bằng LM35
Mạch ứng dụng LM35 với thiết bị khuếch đại âm thanh
Trong ứng dụng này, nhiệt độ của IC khuếch đại âm thanh (IC1) là yếu tố quan trọng LM35 và IC1 có mối liên hệ nhiệt, với tín hiệu đầu ra của bộ so sánh giảm xuống mức thấp khi nhiệt độ vượt quá giới hạn được xác định bởi R1, R2 và điện áp tham chiếu Hệ thống được thiết kế để quạt hoạt động khi nhiệt độ vượt quá 80 độ C và tự động tắt khi nhiệt độ giảm xuống dưới 60 độ C.
Nhiệt điện trở NTC 15 1.6 Nhiệt trở PTC 20
NTC (Negative Temperature Conficient) là nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm: giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng NTC giảm từ 3 đến 5, 5 % / 1 độ.
NTC là hỗn hợp đa tinh thể của nhiều oxit gốm đã được nung chảy ở nhiệt độ cao (1000 0 C 1400 0 C) như Fe 2O3, Zn2TiO4, MgCr2O4, TiO2 hay NiO và CO với
Li2O được xử lý bằng các phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo để đảm bảo các NTC có đặc trưng kỹ thuật ổn định trong thời gian dài Đặc tính cảm biến nhiệt NTC là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
RNTC 5, 5 kW ở nhiệt độ môi trường 20 °C.
NTC có công suất khoảng 400 W khi nhiệt độ môi trường đạt 100 °C Đặc tính dòng/áp của NTC cung cấp thông tin chi tiết hơn so với đặc tính điện trở nhiệt độ, và đặc tính này có thể áp dụng trong trường hợp có dòng điện đi qua.
NTC có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường, và đặc tuyến tĩnh của nó thể hiện điện áp rơi chỉ được ghi nhận khi đạt trạng thái cân bằng giữa điện năng cung cấp và nguồn nhiệt, thường ở nhiệt độ 25 °C trong điều kiện lặng gió Đặc tuyến này được chia thành 3 vùng.
Vùng bắt đầu đặc tuyến của NTC được xác định trong khu vực 10 mW, nơi năng lượng điện cung cấp cho NTC và lượng nhiệt sinh ra do dòng điện là không đáng kể Trong vùng này, điện trở của NTC chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, cho thấy độ nhạy đáng kể khi sử dụng NTC làm cảm biến nhiệt độ.
Vùng 2 của NTC cho thấy rằng khi dòng điện tăng lên, nhiệt độ của NTC cũng tăng cao hơn so với nhiệt độ môi trường Hiện tượng tự làm nóng dẫn đến việc điện trở của NTC giảm đáng kể Ở một giá trị dòng điện nhất định, áp suất sẽ đạt mức tối đa.
Nếu dòng điện tiếp tục tăng, điện áp rơi sẽ giảm Cuối đường đặc tuyến, điện trở của NTC chủ yếu do năng lượng điện chuyển đổi, trong khi chỉ một phần nhỏ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.
Một số thông số của NTC
R20 hay R25: điệntrở nguội hay điện trở biểu kiến là giá trị nhiệt độ của NTC ở
20 0 C hoặc 25 0 C (tuy nhiên sai số từ 5% đến 25%.
Tmin, Tmax: giới hạn nhiệt độ hoạt động của NTC.
Pmax công suất lớn nhất cho phép chuyển đổi ra nhiệt trong NTC Ứng dụng
NTC có nhiều ứng dụng, chia làm 2 loại: Bổ chính, đo lường và làm bộ trễ.
Bổ chính và đo lường
Khi đo lường và tác động bù, cần tránh hiện tượng tự sinh nhiệt do dòng qua NTC lớn Do đó, NTC hoạt động chủ yếu trong vùng tuyến tính, nơi điện trở của NTC được xác định bằng nhiệt độ môi trường Phạm vi ứng dụng chính của NTC là đo nhiệt độ, kiểm tra, điều khiển, đồng thời cũng được sử dụng để bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở, giúp ổn định nhiệt cho các mạch điện tử dùng bán dẫn.
NTC có tính chất trễ, giúp giảm điện trở khi dòng điện qua nó lớn do quá trình tự tỏa nhiệt Khi tải càng lớn, điện trở NTC càng giảm mạnh, tạo ra tác dụng trễ trong các mạch điện tử Ứng dụng của NTC bao gồm triệt dòng đỉnh trong mạch đèn chiếu sáng loại có tim, mạch động cơ công suất nhỏ, mạch đốt tim các bóng điện tử và mạch có tính dung kháng như tụ điện.
Mạch ứng dụng với NTC
Cảm biến hoạt động dựa trên sự khác biệt về khả năng làm mát giữa chất lỏng và không khí hoặc hơi nước Khi NTC được đặt trong chất lỏng, nó nhanh chóng bị làm mát, dẫn đến việc điện áp rơi trên NTC tăng lên Nhờ hiệu ứng này, NTC có khả năng phát hiện sự tồn tại của chất lỏng tại một vị trí nhất định.
Bộ điều khiển nhiệt độBộ điều khiển nhiệt độ
NTC thường được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển nhiệt độ, hoạt động bằng cách sử dụng một nhiệt điện trở trong mạch so sánh cơ bản Khi nhiệt độ vượt quá mức cài đặt, ngõ ra của mạch sẽ chuyển từ trạng thái tắt (off) sang trạng thái bật (on).
Nhiều chất bán dẫn và IC cần có sự bù nhiệt để có sự hoạt động ổn định trên
Nhiều chất bán dẫn và IC yêu cầu bù nhiệt để duy trì hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ rộng Với hệ số nhiệt độ dương, NTC trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc bù nhiệt, giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử trong nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau.
Rơ le thời gian dùng NTCRơ le thời gian dùng NTC
Rơle thời gian hiện nay có độ chính xác cao nhờ vào việc sử dụng phần tử RC và công tắc điện tử Tuy nhiên, trong trường hợp không cần độ chính xác cao, có thể sử dụng NTC với hai mạch điện cơ bản dưới đây.
Mạch A hoạt động như một rơle thời gian đóng chậm Khi kết nối nguồn với S1, dòng điện sẽ đi qua cuộn dây rơle, nhưng bị hạn chế bởi điện trở nguội lớn của NTC Sau một thời gian, nhờ vào quá trình tự gia nhiệt do dòng điện đi qua, điện trở của NTC giảm, dẫn đến việc dòng điện tăng lên và kích hoạt rơle.
Mạch B là rơle thời gian mở chậm, hoạt động khi đóng S2 để dòng điện qua nhiệt điện trở bắt đầu quá trình tự gia nhiệt Khi điện áp rơi qua RS tăng lên, sau một khoảng thời gian, rơle sẽ không còn đủ dòng để duy trì hoạt động và sẽ bị ngắt Thời gian trễ của rơle phụ thuộc vào môi trường tỏa nhiệt của NTC.
Nhiệt điện trở PTC (Hệ số nhiệt điện trở dương) là loại điện trở có đặc tính tăng giá trị khi nhiệt độ tăng lên Trong một khoảng nhiệt độ nhất định, PTC sở hữu hệ số nhiệt độ αR rất cao, cho phép ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ.
Thực hành với cảm biến nhiệt độ 23 1.8 Thực hành với cảm biến LM35 31
Bo dieu khien - hien thi nhiet do
- Kiểu gia nhiệt: 2 chiều lạnh và nóng, cho phép điều chỉnh ΔT = 65 độ C, T = 65 độ C, cho phép điều chỉnh nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ môi trường.
- Làm mát: kiểu đối lưu cưỡng bức sử dụng quạt gió
- Công suất quạt làm mát: 3.5W
- Công suất bộ gia nhiệt: 300W
+ Tín hiệu của cảm biến nhiệt độ
+ Tín hiệu điều khiển bộ gia nhiệt
+ Tín hiệu điều khiển quạt làm mát
- Thông số cảm biến nhiệt độ
+ Dải đo của cảm biến: 0 ~ 400 độ C
Module bộ hiển thị - điều khiển nhiệt độ
- Điện áp hoạt động: AC220V,50Hz
- Kiểu hiển thị: Led 7 thanh
- Các tham số hiển thị đươc:
+ Nhiệt độ đặt xuống bộ điều khiển (nhiệt độ mong muốn của người sử dụng)
- Các loại cảm biến có thể tương thích được:
+ Điện trở nhiệt: Pt100, JIS Pt100
- Công suất đầu ra bộ gia nhiệt: 400W
- Công suất đầu ra điều khiển quạt làm mát: 60W
- Kiểu điều khiển: On/Off, P, PI, PD, PID
- A, B, C: Đầu ra cảm biến nhiệt độ.
- 3, 4, 5: Đầu vào bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S.
- 1, 2, 6, 7, 8: Tiếp điểm điều khiển (đã đấu nối bên trong)
- Cool/Heat: Đảo chiều tấm gia nhiệt
- Sv2: Điều khiển động cơ khuấy.
- VR: Điều chỉnh tốc độ động cơ khuấy
- Heat, Stop, Cool: Led hiển thị trạng thái.
Khi cấp nguồn cho modul tấm gia nhiệt, nhiệt độ trong bình sẽ tăng lên Cảm biến nhiệt độ sẽ hiển thị thông số trên bộ điều khiển TZN4S Tốc độ động cơ khuấy có thể được điều chỉnh bằng biến trở VR, trong khi nhiệt độ trong bình được điều chỉnh bằng cách đảo chiều tấm gia nhiệt.
Giới thiệu bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S
TZN: Điều khiển nhiệt độ PID 2- Số chữ số:
S: W48× H48mm (Loại có đế kết nối) SP: W48× H48mm (Loại có chân cắm tròn)
ST: W48× H48mm (Loại có đế kết nối)
1: Ngõ ra Event1 2: Ngõ ra Event1 + Event2 R: Ngõ ra Event1 + Transmission (PV4-20mADC) 5- Nguồn cấp:
Nguồn cung cấp 100-240VAC 50/60Hz
Công suất tiêu thụ 5VA
Cách thức hiển thị 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
Can nhiệt K (CA), J(IC), R(PR), E(CR), T(CC), S(PR),
N(NN), W(TT)
RTD Pt100Ω, JIS Pt100Ω, loại 3 dây
Ngõ Relay 250VAC 3A 1c ra SSR 12VDC ±3V 30mA max
Loại điều khiển Điều khiển ON/OFF, P, PI, PD, PIDF, PIDS Hiển thị chính xác F.S ±0.3% hoặc 3 o C
Thời gian lấy mẫu 0.5 giây
Cài đặt cạnh xung Cạnh lên, cạnh xuống 1~99 phút Định dạng mặt trước và các phím chức năng
1: PV: Hiển thị giá trị xử lý (màu đỏ)
2: SV: Hiển thị giá trị cài đặt (màu xanh)
3: Chỉ thị họat động của SV2
4: AT: chỉ thị hoạt động tự động
5: Phím AT: chỉ thị chế độ tự động
7: EV1: Chỉ thị ngõ ra Event1
8: OUT: Chỉ thị ngõ ra chính
Để cài đặt, bạn hãy ấn phím thông số đã chọn để nó nhấp nháy, sau đó chọn chế độ và ấn phím dữ liệu để thay đổi Sau khi ấn, thiết bị sẽ trở lại chế độ RUN, nếu không có thao tác nào, nó sẽ tự động chuyển sang chế độ RUN sau 60 giây.
: đầu vào cảm biến, lựa chọn 19 loại : Event1, lựa chọn 9 loại
: Đầu ra cảnh báo, lựa chọn 4 loại : Tự động bật turn1 hoặc turn2 : Chọn PIDF hoặc PIDS
Để thiết lập hệ thống, bạn cần chọn chức năng heat hoặc cool, xác định đơn vị nhiệt độ là độ C hoặc độ F, và đặt giá trị giới hạn cao và thấp cho nhiệt độ Ngoài ra, hãy lựa chọn vị trí điểm thập phân cho đầu vào analog và cho phép chức năng Ramp được bật hoặc tắt.
: Dữ liệu không thể thay đổi kihi phím khóa là ON
Thay đổi giá trị cài đặt
1 Trong trường hợp thay đổi giá trị cài đặt ở trạng thái RUN, ấn phím số tại SV sẽ nhấp nháy
2 Ấn phím số tại SV sẽ lần lượt nhấp nháy
3 Ấn phím hoặc tại số nhấp nháy để thay đổi giá trị cài đặt
4 Ấn phím khi hoàn thành cài đặt Nó sẽ ngừng nhấp nháy và sau đó trở lại chế độ RUN
Bước 1: Cài đặt thông số cho bộ hiển thị.
Bước 2: Đấu nối giữa lò nhiệt và module cảm biến nhiệt độ.
Bước 3: Cấp nguồn cho mudule lò nhiệt và cảm biến nhiệt độ Chú ý: tránh điện giật, chập điện…
Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ trên màn hình là bước quan trọng, bao gồm việc quan sát các đèn báo ổn định, đèn báo quá nhiệt và đèn báo nhiệt độ thấp Cần chú ý đến các đèn báo Alm1, out1, out2 trong chế độ làm nóng/lạnh, cũng như các đèn Alm1, Alm2, out1 trong chế độ điều khiển tiêu chuẩn trên module cảm biến nhiệt độ.
1.8 Thực hành với cảm biến LM35
Với IC LM35 điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang đo Celsius Thực tế ICLM35 có 4 dạng như sau :
- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.22 thang đo + 2 0 C đến 150 0 C
+ Sử dụng Milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT
- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.23 thang đo - 55 0 C đến 150 0 C
Giá trị R1 được chọn tuỳ thuộc vào –VS ; R1 = - VS/50 A.
+ Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT
- Lắp mạch như hình vẽ 1.24 thang đo từ -55 0 C đến 150 0 C
+ Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT
- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.25
Trong mạch này, giá trị điện áp ra (VOUT) tỉ lệ thuận với nhiệt độ đo được theo thang đo Fahrenheit Để đo VOUT, bạn cần sử dụng một milivôn kế Sau đó, tính toán nhiệt độ t dựa trên giá trị điện áp đã đo Cuối cùng, hãy đưa cảm biến lại gần nguồn nhiệt để theo dõi sự thay đổi của VOUT.
Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở 33
Sự thay đổi điện trở có thể xảy ra do nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc do quá trình tự nóng và làm lạnh theo tải điện khác nhau Đường đặc tính của điện trở NTC được biểu diễn bằng hàm số mũ, và nó phụ thuộc vào loại vật liệu, cấu trúc và sự thay đổi nhiệt độ.
Bỏ qua sự thay đổi điện trở do môi trường vì trong phòng thí nghiệm không có dụng cụ này.
Lắp thí nghiệm theo mạch đã chỉ định và tiến hành đo dòng điện qua điện trở NTC tại các điện áp được cung cấp trong bảng dưới đây Để đảm bảo trạng thái nhiệt độ ổn định khi thay đổi điện áp, các phép đo cần được thực hiện cách nhau 30 giây Để xây dựng đặc tính R = f(θ), cần xác định giá trị điện trở của điện trở NTC dựa trên các giá trị dòng điện đã đo và các điện áp đã cho trong bảng.
Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC 35
Sự thay đổi điện trở có thể xảy ra do biến động nhiệt độ môi trường hoặc do quá trình tự nóng và làm lạnh theo tải điện Đường đặc tính của điện trở PTC được biểu diễn bằng hàm số mũ, phụ thuộc vào loại vật liệu, cấu trúc và sự thay đổi nhiệt độ Trong môi trường phòng thí nghiệm, chúng ta có thể bỏ qua sự thay đổi điện trở do nhiệt độ môi trường vì nhiệt độ được coi là không đổi.
Lắp thí nghiệm theo mạch hình để đo dòng điện qua điện trở PTC với các điện áp đã cho Để đạt được trạng thái nhiệt độ ổn định khi thay đổi điện áp, các phép đo cần được thực hiện cách nhau 30 giây Để xây dựng đặc tính của R = f(θ), cần xác định các giá trị điện trở của điện trở NTC dựa trên các giá trị dòng điện đã đo và các điện áp trong bảng dưới đây.
BÀI 2: CẢM BIẾN TIỆN CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH
2.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)
2.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor). Đặc điểm
Cảm biến tiệm cận điện cảm là thiết bị chuyên dụng để phát hiện các vật thể kim loại, trong khi không có khả năng nhận diện các đối tượng không phải kim loại.
Hình 2.4 Vài loại cảm biến tiệm cận điện cảm của Siemens
Cảm biến tiệm cận điện cảm có đa dạng kích thước và hình dạng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Loại cảm biến này chuyên dùng để phát hiện các đối tượng kim loại, nhưng không có khả năng nhận diện các vật thể không phải kim loại.
Hình 2.5 Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện cảm
- Cuộn dây và lõi ferit
Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm
Hình 2.6 Nguyên lý làm việc của cảm biến điện cảm
Cảm biến tiệm cận điện cảm hoạt động bằng cách tạo ra một vùng điện từ trường Khi một vật kim loại xâm nhập vào khu vực này, nó sẽ kích thích sự xuất hiện của dòng điện xoáy, hay còn gọi là dòng điện cảm ứng, trong chính vật thể kim loại đó.
Hình 2.8: Hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm
Dòng điện xoáy gây tiêu hao năng lượng do điện trở của kim loại, ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động Khi tín hiệu đạt đến một trị số nhất định, nó sẽ được ghi nhận.
Mạch phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức
ON (hình 2.8) Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường.
Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm
Cảm biến tiệm cận điện cảm được chia thành hai loại chính: loại được bảo vệ (shielded) và loại không được bảo vệ (unshielded) Trong đó, cảm biến không được bảo vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn so với loại được bảo vệ.
Hình 2.9 Các loại cảm biến tiệm cận điện cảm
Cảm biến tiệm cận điện cảm shielded được thiết kế với một vòng kim loại bao quanh, giúp hạn chế vùng diện từ trường ở bên ngoài Đặc biệt, cảm biến này có thể lắp đặt ngang bằng với bề mặt làm việc, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sử dụng.
Cảm biến tiệm cận điện cảm unshielded không có vòng kim loại bảo vệ và không thể lắp đặt ngang bằng bề mặt làm việc bằng kim loại Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần có một vùng xung quanh cảm biến không chứa kim loại, như minh họa trong hình 2.11 của Siemens.
Hình 2.10: Cảm biến tiệm cận điện cảm loại shielded
Cảm biến tiệm cận điện cảm loại unshielded, như hình 2.11, yêu cầu có một bề mặt kim loại đối diện để hoạt động hiệu quả Để đảm bảo cảm biến không bị ảnh hưởng, bề mặt kim loại này cần được bố trí hợp lý.
Cảm biến tiệm cận điện cảm loại shielded và unshielded yêu cầu khoảng cách tối thiểu gấp 3 lần tầm phát hiện để hoạt động hiệu quả Mỗi loại cảm biến này có những ưu nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa.
Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm
Không có bộ phận chuyển động.
Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm.
Không phụ thuộc vào màu sắc.
Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật khác.
Không có “khu vực mù” (blind zone: cảm biến không phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến).
Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại.
Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh.
Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác.
Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm
(xác định vị trí của van) Công nghiệp đóng gói
2.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor). Đặc điểm
Cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến tiệm cận điện cảm có kích thước, hình dáng và cơ chế hoạt động tương tự nhau Tuy nhiên, điểm khác biệt chính là cảm biến điện dung tạo ra vùng điện trường, trong khi cảm biến điện cảm tạo ra vùng điện từ trường Đặc biệt, cảm biến tiệm cận điện dung có khả năng phát hiện cả đối tượng kim loại và không kim loại.
Hình 2.13 Cảm biến tiệm cận điện dung Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện dung
Hệ thống điều khiển kiểm tra vị trí của các thanh thép trước khi đưa vào máy hàn
Xác định vị trí của thang máy
Cũng giống như cảm biến tiệm cận điện cảm, cảm biến tiệm cận loại điện dung có 4 phần:
Hình 2.14 Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện dung
Bộ phận cảm biến (các bản cực(điện cực) cách điện) (hình 2.16)
Mạch ghi nhận tín hiệu
Mạch điện ở ngõ ra Hình 2.15 Bộ phận cảm biến
Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung
Tụ điện được cấu tạo từ hai bản cực và một chất điện môi ở giữa Khoảng cách giữa hai điện cực quyết định khả năng tích trữ điện tích, trong đó điện dung là đại lượng biểu thị khả năng này của tụ điện.
Cảm biến tiệm cận loại điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung khi có vật thể xuất hiện trong vùng điện trường Sự thay đổi này cho phép xác định trạng thái tín hiệu ngõ ra là “On” hoặc “Off” Trong cấu tạo của cảm biến, một bản cực là thành phần chính, trong khi bản cực còn lại là đối tượng cần phát hiện.
Hình 2.18: Sóng dao động ở mạch dao động của cảm biến điện cảm và điện dung
Cảm biến tiệm cận điện dung có khả năng phát hiện các đối tượng có hằng số điện môi lớn hơn không khí, với khả năng phát hiện càng cao khi hằng số điện môi của vật liệu càng lớn Chẳng hạn, cảm biến dễ dàng nhận biết nước (hằng số điện môi = 80) nhưng không thể phát hiện không khí (hằng số điện môi = 1) Đối với các chất kim loại, khả năng phát hiện của cảm biến là đồng nhất, trong khi với các vật liệu khác, phạm vi phát hiện sẽ khác nhau tùy thuộc vào từng loại chất.