Đo lường công nghiệp - Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ - Nguyễn Đức Hoàng

hệ giữa nhiệt độ và điện trở: 
T = k*R
k > 0: thermistor có hệ số nhiệt dương 
(PTC)
k < 0: thermistor có hệ số nhiệt âm 
(NTC)
Thermistor
Thermistor
Thermistor NTC được sử dụng ở 3 chế độ hoạt động khác 
nhau:
+ Chế độ điện áp – dòng điện
+ Chế độ dòng điện – thời gian
+ Chế độ điện trở - nhiệt độ
Thermistor
Chế độ điện áp – dòng điện
Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó, thiết bị
hoạt động ở chế độ điện áp – dòng điện
Ở chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của 
điều kiện môi trường, ví dụ như sự thay đổi của lưu lượng 
khí qua cảm biến
Đặc trưng dòng điện – thời gian của thermistor phụ thuộc 
vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt dung của phần tử
Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng. 
Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm
Đặc trưng này được sử dụng để làm chậm các ảnh hưởng 
của các gai áp cao
Thermistor
Chế độ dòng điện – thời gian
Ở chế độ điện trở - dòng điện, thermistor hoạt động ở điều 
kiện công suất zero, nghĩa là không xảy ra sự tự đốt nóng
Thermistor
Chế độ điện trở – nhiệt độ
Đa thức bậc 3 xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của 
thermistor là phương trình Steinhart - Hart
Thermistor
Chế độ điện trở – nhiệt độ
1
3
0 1 3ln (ln )T TT A A R A R

    
T : nhiệt độ thermistor (K)
RT : điện trở thermistor ()
A0, A1, A3 : các hệ số được nhà sản xuất cấp
Mô hình đơn giản xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của 
thermistor
Thermistor
Chế độ điện trở – nhiệt độ
0
1 1
0
B
T T
TR R e
 
 
 
T : nhiệt độ thermistor (K)
RT : điện trở thermistor () tại T
R0 : điện trở thermistor () tại T0
B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu 
BT1/T2 , ví dụ B25/85 = 3540K )
Dùng mạch cầu Wheatstone
Mạch gia công tín hiệu
Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song
Tuyến tính hóa đặc trưng R/T
Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song
Tuyến tính hóa đặc trưng R/T
Ưu nhược điểm Thermistor
Ưu điểm
+ Rất nhạy đối với thay đổi nhỏ
+ Độ chính xác cao (±0.020C)
+ Ổn định, tin cậy
Nhược điểm
+ Tầm hoạt động bị giới hạn
+ Quan hệ R-T phi tuyến
Ứng dụng Thermistor
+ Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy 
sấy tóc,
+ Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo 
dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng,
+ Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt 
độ khí thải hay lò đốt,
+ Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các 
phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,
+ Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động
Ví dụ
Cho K276 có: 
B25/100 = 3760K
R25 = 11981
Tính điện áp VNTC khi 
T = 1000C ?
Nhiệt độ của thermistor 
khi VNTC = 5V ?) 
Tính điện áp VNTC theo RT? 
1 k 5 k
Vo
+5V
1 k
Thermistor
5 k
Ví dụ
Tính điện áp V0 ?
Biết : R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, T = 80
0C
Nếu V0 = 3V, vậy nhiệt độ thermistor = ? 
Ví dụ
Tính điện áp V0 theo Rt ? 
10Vdc
00
R2
10k
R6 5k
Vo
-
+
3
2
1
R3
10k
R1
5k
+
0
Rt
R5
10k
R4
10k
-
R7 5k
Khi 2 kim loại khác nhau được nối 2 đầu, một đầu đốt 
nóng thì có một dòng điện chạy trong mạch
Thermocouple
Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt 
độ và thành phần của 2 kim loại
Thermocouple
Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính 
với nhiệt độ : eAB = T
: hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ
VD: Hiệu điện áp Thermocouple loại K tại 3000C = 12.2mV
Thermocouple
Các loại Thermocouple
Thermocouple
1.Dòng nhiệt điện không thể tạo ra trong các mạch đồng 
nhất
2. Tổng đại số sức nhiệt điện trong một mạch được cấu tạo 
từ các chất dẫn điện khác nhau bằng 0 nếu nhiệt độ tại các 
chỗ tiếp giáp như nhau
Các định luật Thermocouple
3. Nếu 2 tiếp giáp tại nhiệt độ T1 và T2 tạo ra điện áp 
Seebeck V2, tại nhiệt độ T2 và T3 tạo ra điện áp V1 thì tại 
nhiệt độ T1 và T3 tạo ra điện áp là V3 = V1 + V2 
Các định luật Thermocouple
Không thể đo trực tiếp điệp áp Seebeck vì:
Phải nối vôn kế vào Thermocouple và chính các dây dẫn 
vôn kế tạo ra một mạch nhiệt điện khác
Đo điện áp Thermocouple
Muốn tìm
nhiệt độ tại
J1 phải biết
nhiệt độ tại
J2
Lớp tiếp giáp tham chiếu
 
   
1 2 1
1 1
1 2
0: , :
J J J
J J
V V V t t T
t K T C
     
Lớp tiếp giáp tham chiếu
 1 REFV T T 
Mạch tham chiếu
Thay khối Ice Bath 
bởi khối Isothermal
Mạch tham chiếu
Áp dụng định luật 2
Mạch tham chiếu
Mạch tương đương
 1 REFV T T 
Đo RT  TREF  VREF
Đo VV1=V+VREF TJ1
Ưu nhược điểm Thermocouple
Ưu điểm
+ Giá thành thấp
+ Ổn định cơ học
+ Tầm hoạt động rộng (-200 0C ÷ 2000 0C)
Nhược điểm
+ Độ nhạy thấp (V/ 0C)
+ Cần phải biết nhiệt độ tham chiếu
+ Yêu cầu calib định kì
Ví dụ
Cho Thermocouple loại J có độ nhạy  = 53V/0C
Khi nhiệt độ đo T = 100 thì vôn kế chỉ bao nhiêu?
Nếu vôn kế chỉ 0.507mV thì nhiệt độ đo T = ?
Ví dụ
Tính điện áp V1 và V2 ? Thermocouple loại K có  = 
40V/0C, Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K. Cho 
nhiệt độ Thermocouple 5000C, nhiệt độ tham chiếu 35 0C
Ví dụ
Tính điện áp tại chân AN0 và AN1? Thermocouple loại K 
có  = 40V/0C, Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, 
Zener có VZ = 2.5V. Cho nhiệt độ Thermocouple 500
0C, 
nhiệt độ tham chiếu 35 0C
Ví dụ
Tính điện áp Vout ? Thermocouple loại K có  = 40V/0C, 
Thermistor có R25 = 1.0K, B25/100 = 4000K, Zener có VZ = 
2.5V. Cho nhiệt độ Thermocouple 5000C, nhiệt độ tham 
chiếu 35 0C
Khuếch đại công cụ
RTD (Resistance Temperature Detector) là cảm biến nhiệt 
dựa vào hiện tượng điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng
Ví dụ: RTD platin 100.
RTD
Dây platin co hệ số nhiệt 
 = 0.0039 //0C 
RTD platin 100  có điện 
trở tại 00C = 100  và hệ số
nhiệt  = 0.39 /0C 
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của RTD được biểu 
diễn bằng phương trình đơn giản sau:
RTD
Để đo nhiệt độ có tầm đo lớn hay độ chính xác cao ta sử
dụng phương trình Calendar Van – Dusen như sau:
RTD
Sử dụng RTD platin 100  để đo nhiệt độ. Nếu điện trở
hiện tại của platin là 110  thì nhiệt độ đo được bằng bao 
nhiêu? (so sánh kết quả khi sử dụng 2 phương trình trên)
Ví dụ RTD
Có 3 pp nối dây được sử dụng
PP nối dây RTD
Ưu nhược điểm RTD
Ưu điểm
+ Rất chính xác
+ Ổn định
+ Tuyến tính
Nhược điểm
+ Độ nhạy thấp
+ Cần mạch kích dòng
+ Giá thành cao
Mạch kích dòng RTD
Mạch ứng dụng RTD
Hầu hết các cảm biến nhiệt IC sử dụng tính chất cơ bản
của các lớp tiếp xúc bán dẫn PN là hàm của nhiệt độ.
Các cảm biến nhiệt IC thông dụng:
+ LM135, LM235, và LM335: 10mV/K output
+ LM35 : 10mV/0C output
+ LM34 : 10mV/0F output
+ AD590 : 1 μA/K output
Cảm biến nhiệt IC
Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM135, LM235, LM335.
Điều chỉnh biến trở để hiệu chỉnh điện áp ngõ ra tại nhiệt
độ đã biết (vd: 2.982V tại 25 0C)
Nối dây cảm biến nhiệt IC
Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM34, LM35, LM45.
Nối dây cảm biến nhiệt IC
Ưu nhược điểm cảm biến nhiệt IC
Ưu điểm
+ Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác
+ Giá thành thấp
+ Kích thước gọn nhẹ
+ Ngõ ra có thể điện áp, dòng điện hoặc số
và tỷ lệ với độ K, F, C 
Nhược điểm
+ Tầm nhiệt độ thấp (-55 0C ÷ 150 0C)
+ Cần mạch kích
Ví dụ
Cho IC LM35 có ngõ ra 10mV/0C. 
Tính độ nhạy ngõ ra Vout.
Ví dụ
Tính điện áp ngõ ra khi nhiệt độ đo là 5000C, biết nhiệt độ
cảm biến nhiệt IC là 300C.
Ví dụ
Bài tập RTD
Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và hệ số tiêu tán nhiệt  = 
6mW/K khi ở trong không khí và  = 100mW/K khi nhúng 
trong nước. Tính dòng điện tối đa qua cảm biến để giữ sai 
số do đốt nóng dước 0.10C.
Giải: 
Nhiệt độ tăng khi tiêu tán lượng công suất PD là:
Dòng tối đa: 
2
DP I RT
 
  
T
I
R


Bài tập RTD
RTD trong tầm tuyến tính:
: còn gọi là độ nhạy tương đối và phụ thuộc t0 tham chiếu 
 0 01R R T T    
 
100 0
0
0100
R R
C R



: hệ số nhiệt (TCR) được tính từ 2 R tại 2 t0 tham chiếu
Bài tập RTD
VD: Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và có  = 0.00389//K 
tại 00C. Tính độ nhạy và hệ số nhiệt tại 250C và 500C? 
Hệ số nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng
0 0 25 25 50 50S R R R    Giải:
 
0.00389 /
* 100 0.389 /S K
K
 
   
 
 0 0 0 025 0 0
25 0 0
0.00355 / /
1 25 0
R R
K
R R C C
 


    
   
 50 0.00326 / /K   
Bài tập Thermistor
VD: Tính độ nhạy Thermistor có B = 4200K tại 00C và 500C 
2
T
T
dR dT B
R T
   
Hệ số nhiệt (TCR) hay độ nhạy tương đối Thermistor
0
50
0.0563 /
0.0402 /
K
K


 
 
Bài tập Thermistor
ĐS: Dòng điện tối đa tại 00C (Rmax = 13640). I < 0.8 mA 
Thermistor 2322 640 90007 có R25 = 12k, R90 = 1.3k và  = 
10mW/K trong nước. Cảm biến này được sử dụng đo nhiệt 
độ nước từ 00C và 1000C. Tính dòng điện tối đa qua cảm 
biến để giữ sai số do đốt nóng dước 0.50C.
Bài tập Thermistor
ĐS: 17.8K, 27.13K, 16.43K.
Mạch khuếch đại DC có 3 độ lợi khác nhau tại 3 nhiệt độ 
khác nhau. Thermistor NTC có R20 = 30K và B = 4000K. 
Tính các giá trị điện trở: Rs , Rp , RG để tại các nhiệt độ 15
0C, 
250C và 350C mạch có độ lợi tương ứng: 0.9, 1.0, 1.1 ?
Bài tập Thermistor
Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 200C đến 1000C với 
độ phân giải 0.10C, Pt100 có điện trở 100 và có  = 
0.00385//K tại 00C và  = 40mW/K. Tính Rr nếu Vr = 5V. 
 
2
2
0
100
0
100
0.1
* 0.1
138.5 930
r r
r
r r
r
I R V R
T C
R
R
R V
C
R R
 

 
    
 
 
   
Bài tập Thermistor
Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 200C đến 1000C với 
độ phân giải 0.10C, Pt100 có điện trở 100 và có  = 
0.00385//K tại 00C và  = 40mW/K. Tính Rr để ngõ ra có độ 
nhạy 1mV/0C. Vr = 5V. 
 0 0
0
0
0
1
1925
r
r
r
r
r
r
V
v R T
R
dv V
S R
dT R
V R
R
S



 
  
   
Bài tập Thermistor
Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 00C đến 500C với độ 
phân giải 0.250C, Pt1000 có điện trở 1000 và có  = 
0.00375//K tại 250C. Tính R1 , R2 , Rp và Vref ngõ để dòng 
qua cảm biến 50V và áp ra 0 đến 2V.