Bài giảng kỹ thuật cảm biến phần 3 : Cảm biến nhiệt điện

Bài giảng môn Kỹ Thuật Cảm Biến (sensor) 1 Hoang Si Hong ----2011---- Faculty of Electrical Eng, Hanoi Univ of Science and Technology (HUST), Hanoi, VietNam Hoang Si Hong-HUST Phần 2 Nội dung môn học và mục đích Nội dung ● Chapter 1: Khái niệm chung về Cảm biến (2b) ● Chapter 2: Cảm biến điện trở (2b) ● Chương 3: Cảm biến nhiệt điện (2b) ● Chương 4: Cảm biến quang (2b) ● Chương 5: Cảm biến tĩnh điện (2b) ● Chương 6: Cảm biến Hall và hoá điện ● Chương 6: Cảm biến và PLC(1b) Mục đích: nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp và đời sồng Nắm được xu thế phát triển chung của công nghệ cảm biến trên thế giới Hoang Si Hong-HUST 2 Đặc tính động của cảm biến Hoang Si Hong-HUST 3 - Kn: Khi cho tín hiệu đo vào chuyển đổi thường xuất hiện quá trình quá độ Quá trình này có thể nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào dạng chuyển đổi Đặc tính này được gọi là độ tác động nhanh Độ tác động nhanh của cảm biến có ảnh hưởng đến sai số của phép đo và ảnh hưởng đến tốc độ của phép đo - Một số dạng đáp ứng Trở kháng của cảm biến Hoang Si Hong-HUST 4 ZinZout CB Zout Zin CB - Cảm biến có kiểu ra là dòng -> Zout >> Zin - Cảm biến có kiểu ra là áp -> Zout công suất ra càng lớn - Trở kháng vào càng lớn-> khuyếch đại công suất càng lớn Cảm biến và mạch đo Hoang Si Hong-HUST 5 Giới hạn làm việc của cảm biến Hoang Si Hong-HUST 6 Chuẩn cảm biến Hoang Si Hong-HUST 7 - Chuẩn trực tiếp: dùng các đại lượng mẫu để kiểm tra cảm biến, từ kết quả thu được sẻ chỉnh cảm biến - Chuẩn gián tiếp: dùng cảm biến có đặc tính chuẩn và so sánh kết quả với bộ cảm biến cần định chuẩn trong cùng một điều kiện - Chuẩn nhiều lần: khi cảm biến có chứa các phần tử có độ trể thì giá trị của đáp ứng của chúng sẻ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Vì vậy phải thực hiện chuẩn nhiều lần Thường áp dụng cho cảm biến có độ trễ lớn Hoang Si Hong-HUST 8 - Nhiễu nội tại: phát sinh do sự không hoàn thiện cấu trúc thiết kế, chế tạo hoặc vật liệu cảm biến Vì vậy đáp ứng cảm biến sai lệch so với đáp ứng chuẩn - Nhiễu do truyền dẫn: gây ra do các nguồn nhiểu như từ trường, nguồn nuôi, trường điện từ tần số radio, sự thay đổi của nhiệt độ, lực hấp dẩn, bức xạ ion, độ ẩm môi trường, các tạp chất hoá học Nhiễu trong các bộ cảm biến và truyền dẫn Hoang Si Hong-HUST 9 - Nhiễu do nối nhiều đất khác nhau - Nhiễu xung điện áp khi tắt bật động cơ hoặc thiết bị điện - Nhiễu thế nhiệt điện gây ra do hiệu ứng nhiệt điện (seebeek) - Nhiễu phóng gây ra do các phần tử transistor, mạch tích hợp và thiết bị bán dẫn - Nhiễu thế hoá điện Một số nhiễu điện điển hình Hoang Si Hong-HUST 10 - Chống nhiễu: chuẩn hoá về công nghệ mạch in, sử dụng kỹ thuật vi sai trong truyền dẫn, truyền dòng điện, môi trường truyền dẫn cáp quang, sử dụng nối đất, mạch lọc tương tự, lọc số… - Lọc tương tự dùng phần tử thụ động - Lọc tương tự dùng phần tử chủ động Một số phương pháp chống nhiễu Hoang Si Hong-HUST 11 Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ Nội dung ● Khái niệm chung ● Nhiệt kế giản nở ● Cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouple) ● Cảm biến nhiệt điện trở ● Cảm biến nhiệt độ dựa trên tính chất của diot và tranzito ● Hoả kế Bao nhiêu độ ? Hoang Si Hong-HUST 12 Khái niệm Hoang Si Hong-HUST 13 Khái niệm Hoang Si Hong-HUST 14 Nhiệt kế giản nở dùng chất rắn Hoang Si Hong-HUST 15 Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng Hoang Si Hong-HUST 16 Cảm biến cặp nhiệt điện Nguyên lý: - Hiệu ứng thomson: với vật liệu đồng nhất A, trên nó có hai điểm phân biệt khác nhau là M và N có nhiệt độ tương ứng là t1 và t2, thì giữa chúng sẻ xuất hiện một suất điện động emn = tích phân (từ t1->t2) của δdt, trong đó δ là hệ số vât liệu thomson cho trước - Hiệu ứng Peltier: hai vật liệu Avà B khác nhau tiếp xúc với nhau tại một điểm nào đó thì xuất hiện một suất điện động eAB(t) M (t1) N (t2) A A Bt Hoang Si Hong-HUST 17 Cảm biến cặp nhiệt điện Nguyên lý: - Hiệu ứng seebeck: kết hợp hai hiệu ứng nói trên -> xuất hiện suất điện động nhiệt điện eT(t) = tích phân từ t1 đến t2 của (δA – δB) dt + eKM(t)– eJN(t) - Trong đó δA , δB là hệ số vật liệu thomson của hai vật liệu A, B tương ứng t1 < t2 là nhiệt độ tương ứng tại hai điểm khác nhau - Nếu giữ nhiệt độ một đầu không đổi bằng không độ C (0oC) (nhiệt độ đầu tự do) thì xuất hiện suất điện động ra một chiều ở đầu còn lại (đầu làm việc, nhiệt độ t) tỉ lệ với nhiệt độ : ET (t) = f(t) t1 M K N J t2 Hoang Si Hong-HUST 18 Vật liệu chế tạo Hoang Si Hong-HUST 19 Cấu tạo (hàn điểm và cách li hình vây cá) Hoang Si Hong-HUST 20 Cấu tạo Hoang Si Hong-HUST 21 Chủng loại Hoang Si Hong-HUST 22 Chủng loại Hoang Si Hong-HUST 23 Đặc tính Hoang Si Hong-HUST 24 Các nguyên nhân gây sai số - Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi Khi khắc độ, đầu tự do được đặt ở môi trường không độ C, nhưng trong thực tế nhiệt độ đầu tự do khác không độ C - Sai số do sự thay đổi điện trở đường dây, cặp nhiệt hoặc chỉ thị - Sai số do đặt không đúng vị trí, hướng - ứng dụng: đo nhiệt độ, đo dòng ở tần số cao, hướng chuyển động, lưu tốc, áp suất nhỏ Hoang Si Hong-HUST 25 Mạch đo Hoang Si Hong-HUST 26 Mạch đo Hoang Si Hong-HUST 27 Mạch đo Hoang Si Hong-HUST 28 Bù nhiệt độ đầu tự do Hoang Si Hong-HUST 29 Bù nhiệt độ đầu tự do Hoang Si Hong-HUST 30 Ảnh hưởng của điện trở mạch đo Hoang Si Hong-HUST 31 Ảnh hưởng của điện trở mạch đo