Chương 3 Cảm biến đo nhiệt độ

Chương 3 CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 1. Khái niệm chung 2. Nhiệt kế giãn nở 3. Nhiệt kế điện trở 4. Cặp nhiệt ngẫu 5. Hỏa kế 6. Các loại nhiệt kế khác 1. Khái niệm chung 1.1. Nhiệt độ: • Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất ảnh hưởng rất lớn đến nhiều tính chất của vật chất → đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và nhiều lĩnh vực. • Đo nhiệt độ: gián tiếp, dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. 1.2. Thang đo nhiệt độ a)Thang nhiệt độ động học: do Thomson Kelvin xây dựng trên cơ sở định luật nhiệt động học thứ hai: công trong chu trình Cacnô tỷ lệ với độ chênh nhiệt độ chứ không phụ thuộc chất đo nhiệt độ. - Điểm chuẩn: điểm tan của nước đá =273,15K. - Một độ K bằng độ chênh nhiệt độ ứng với 1% công trong chu trình Cacnô giữa điểm sôi của nước và điểm tan của nước đá ở áp suất bình thường. 1.2. Thang đo nhiệt độ • Quan hệ giữa nhiệt độ và công: • Thang đo nhiệt độ tuyệt đối có tính chất thuần túy lý luận, không thể thể hiện được trên thực tế, nhưng thống nhất được đơn vị đo nhiệt độ (do không phụ thuộc chất đo). • Đối với chất khí lý tưởng: ⇒ Nhiệt kế khí độ chính xác cao. 100. QQ QT 0100 − = (K) 100. VPVP PVT 00100100 − = (K) 1.2. Thang đo nhiệt độ b) Thang Celsius : do Andreas Celsius thành lập (1742) . Đơn vị oC. điểm nước đá tan ⇒ 0oC điểm nước sôi ⇒ 100oC. • Nhận xét: - 1 oC = 1K. - T(oC) = T(K) – 273,15 • Điển chuẩn: 1.2. Thang đo nhiệt độ c)Thang Fahrenheit: do Fahrenheit thành lập (1706). Đơn vị oF. • Quan hệ giữa oF và oC: • Điểm chuẩn: Điểm nước đá tan ⇒ 32 oF Điểm nước sôi ⇒ 212oF ( ) ( ) 32CT 5 9FT oo += 1.3. Nhiệt độ cần đo & nhiệt độ đo được • Nhiệt độ cần đo (Tx): nhiệt độ thực của môi trường. • Nhiệt độ đo được (Tc): nhiệt độ bộ phận cảm nhận của cảm biến. • Xét cảm biến đo tiếp xúc (hình vẽ) ⇒ Sai số: ∆T = Tx - Tc ≠ 0. • Sai số∆T phụ thuộc: - Trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo. - Trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và bên ngoài. τ − −= t xc keTT A mc α =τVới 1.4. Phương pháp đo nhiệt độ a) Phương pháp đo tiếp xúc: khi đo, cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa trên các hiện tượng: + Giản nở của vật liệu. + Biến đổi trạng thái của vật liệu. + Thay đổi điện trở của vật liệu. + Hiệu ứng nhiệt điện. 1.4. Phương pháp đo nhiệt độ b) Phương pháp đo không tiếp xúc: khi đo cảm biến không tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt của môi trường đo vào nhiệt độ: + Đo bằng hỏa kế bức xạ. + Đo bằng hỏa kế quang. 2. Nhiệt kế giãn nở 2.1. Nguyên lý đo: dựa vào sự giãn nở (hoặc co lại) của vật liệu khi nhiệt độ tăng (hoặc giảm). • Thể tích: t - nhiệt độ • Chiều dài: ( )t1VtV v0 α+=)( ( )t1ltl l0 α+=)( 2.2. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn • Nhiệt kế gốm - kim loại (Dilatomet): • Nguyên lý: t tăng → ∆t: ∆lk >∆lg ⇒ đầu A của thanh gốm dịch chuyển sang phải: ∆l = ∆lk -∆lg = f(∆t) → đo ∆l ⇒t. 1. Thanh gốm2. Ống kim loại Thanh gốm giản nở :∆lg Ống kim loại giản nở: ∆lk 2.3. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn • Nhiệt kế kim loại - kim loại: - Nguyên lý: t tăng ∆t → các thanh giản nở với ∆l1 >∆l2 ⇒ do hai thanh liên kết với nhau → uốn cong → đầu A dịch chuyển: ∆l = ∆l1 -∆l2 = f(∆t) → đo ∆l ⇒t. 1. Kim loại 1: α1 2. Kim loại 2: α2 < α1 Cấu tạo 2.3. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn • Đặc điểm: - Cấu tạo đơn giản. - Rẻ tiền. - Tuổi thọ cao. • Ứng dụng: - Đo nhiệt độ < 700oC. - Chuyển mạch (rơle nhiệt) 2.4. Nhiệt kế giãn nở chất lỏng - Vỏ thuỷ tinh có αtt =2.10 -5/oC - Thủy ngân có αHg =18.10-5/oC Hoặc dầu, rượu, cồn …. • Khi t tăng ∆t → chất lỏng giản nở ∆V. Chất lỏng từ bình nhiệt dâng lên ống mao dẫn một khoảng: ∆h=f(∆V) = f(∆t) → đo ∆h ⇒t. 1. 2. 3. 2.4. Nhiệt kế giãn nở chất lỏng • Đặc điểm: - Cấu tạo đơn giản. - Rẽ tiền. - Độ chính xác tương đối cao. - Khó biến đổi thành tín hiệu điện. - Ứng dụng: - Đo nhiệt độ từ - 50 ÷ 600oC. - Chuyển mạch (rơle nhiệt) 3. Nhiệt kế điện trở 3.1. Nguyên lý đo: dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi: Ví dụ cảm biến kim loại: Đo R(T) ⇒ T ( ) ( )00 TTfRTR −= . ( )320 CTBTAT1R)T(R +++= 3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại a) Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại. - Loại điện trở dây quấn: 3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại • Vật liệu Thông số Pt Ni Cu W Tf (oC) 1769 1453 1083 3380 λ (WoC-1m-1) 73 90 400 120 ρ x108 (Ωm) 10,6 10 1,72 5,52 αR x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5 ρ100 / ρ0 1,385 1,617 - - Tlàm việc (oC) -200 ÷ 1000 < 250 < 180 < 1600 Tính bền nhiệt Bền Kém bền Kém bền Bền Tính ổn định Cao Thấp Thấp Thấp Độ tuyến tính - - Cao Cao 3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại Nhiệt kế bề mặt: - - 1. Điện trở 2. Tấm vật liệu cách điện Tính chất Ni Ni – Fe Pt Độ nhạy nhiệt αR.103 (oC-1) ~ 5,0 ~ 5.0 ~ 4,0 Khoảng n.độ làm việc (oC) - 195÷260 - 195÷ 260 - 260÷ 1400 3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại • Nguyên lý làm việc: dựa trên sự thay đổi điện trở: Khi biến thiên ∆T nhỏ: Hệ số: → Hệ số nhiệt điện trở ( )320 CTBTAT1RTR +++=)( ( )( )T1TRTTR Rα+=∆+ )( dT dR R 1 R .=α dT ds s 1 dT dl l 1 dT d1 dT dR R 1 R .... −+ ρ ρ ==α 3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại Đặt: Do αρ >> αl ⇒ αR ≈ αρ → sự thay đổi kích thước ảnh hưởng không đáng kể. Vậy: Khi nhiệt độ tăng điện trở suất vật liệu tăng ⇒ điện trở tăng → đo điện trở ⇒ nhiệt độ. ; dT d1 ρ ρ =αρ ;dT dl l 1 l =α ls 2dT ds s 1 α==α lllR 2dT dR R 1 α−α=α−α+α==α ρρ ..⇒ 3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại c) Đặc điểm, ứng dụng: - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo - Độ chính xác khá cao ⇒ Đo nhiệt độ thấp và trung bình (thường dưới 1000oC) môi trường khí, lỏng, rắn. ⇒ Đo nhiệt độ bề mặt. 3.3. Nhiệt kế điện trở silic a)Cấu tạo: chế tạo từ đơn tinh thể Si pha tạp loại N, kích thước cỡ 500x500x240 (µm). b)Đặc trưng: Trong khoảng nhiệt độ (-55 ÷ 200oC) hệ số nhiệt điện trở dương (~7.10-3/ oC ở 25 oC). Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ biểu diễn gần đúng theo công thức: 500µm 24 0µ m 50 0µ m ( ) ( )[ ]2000T TTBTTA1RR −+−+= 3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn a)Cấu tạo: được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp → được nén định dạng → thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000oC. Vỏ bọc bằng thủy tinh. 1. 2. 3. 3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn • Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở vào nhiệt độ theo biểu thức: Hệ số nhiệt điện trở: • Gần đúng: và Với B = 3.000 - 5.000K.         −β   = 0 2 0 0 T 1 T 1exp T TR)T(R 2R T b+β =α         −= 0 0 T 1 T 1BRTR exp)( 2R T B −=α 3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn b) Đặc điểm: - Kích thước nhỏ → có thể đo T theo điểm. - Nhiệt dung nhỏ → thời gian hồi đáp bé. - Hệ số nhiệt điện trở lớn → đo được ∆Tmin =10-4 - 10-3K. ⇒ Đo nhiệt độ trong khoảng 0 ÷ 300oC. 3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp a) Mạch đo dùng logomet: • Cấu tạo: • Nguyên lý làm việc: Khi Rt = Rt0: ⇒ I1 = I2 và: Do 2 cuộn dây bố trí đối xứng B1 = B2 ⇒ M1 = M2 ⇒ Roto đứng yên. 1. 2. 3. 4. 11pt22p RRRRR +=++ 111 iBkM ..= 222 iBkM ..= 3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp • Khi nhiệt độ tăng lên Rt > Rt0: Roto quay theo chiều của M1→ M1 giảm, M2 tăng Cho đến khi đạt cân bằng mới M1= M2: Góc quay của roto: 212111pt22p MMIIRRRRR >→>→+>++ ( )tf B Bf 1 2 =    =ϕ 11p tp2p tp2p 11p 2 1 1 2 RR RRR RRR E RR E I I B B + ++ = ++ + ==B1I1= B2I2⇒ 3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp b) Mạch đo dùng cầu cân bằng: • Sơ đồ: 3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp • Cầu cân bằng gồm 4 điện trở: R1, R2, R3 ∉ t và Rt ∈ t. - Khi t0 =0oC→ và - Khi t > t0 → Rt > Rt0 → R1 R2 < R2 Rt ⇒ Cầu mất cân bằng: Điều chỉnh R2 sao cho cầu đạt cân bằng mới, vị trí (x) của con chạy R2 : x = f(Uab) = f(Rt) = f(t) Đo dịch chuyển x ⇒ t. • Cấp chính xác: 0,5. 0t231 R.RR.R = 0Uab = 0Uab > 3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp • Cầu ba dây dẫn: khắc phục ảnh hưởng của điện trở dây dẫn. Với cầu 2 dây dẫn có kể đến điện trở dây nối: Với cầu ba dây dẫn: Do ảnh hưởng của Rd phân ra 2 vế → giảm sai số. Cấp chính xác: 0,2. ( )2d1dt231 RRR.RR.R ++= ( ) ( )1dt232d1 RR.RR.RR +=+ 3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp c) Cầu cân bằng điện từ 1. 2. 3. 3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp • Nguyên lý hoạt động: - Khi t = t0 cầu cân bằng: ∆U = 0 → động cơ (3) và con chạy của biến trở Rp đứng yên. - Khi Rt thay đổi, cầu mất cân bằng và ∆U≠0 → qua bộ khuếch đại (2) vào động cơ (3) → động cơ quay một mặt làm quay kim chỉ, một mặt làm dịch chuyển con chạy của biến trở Rp cho đến khi cầu đạt cân bằng mới. • Cấp chính xác: 0,5. 4. Cặp nhiệt ngẫu 4.1. Hiệu ứng nhiệt điện Hiện tượng: Xét một mạch kín gồm 2 dây dẫn (A) và (B) khác nhau về bản chất hóa học hàn nối với nhau bằng các mối hàn, khi nhiệt độ hai mối hàn là (t) và (t0) khác nhau thì trong mạch xuất hiện một sức điện động EAB phụ thuộc độ chênh nhiệt độ giữa hai mối hàn → Hiệu ứng nhiệt điện. 4.1. Hiệu ứng nhiệt điện • Giải thích: - Ở đầu có nhiệt độ (t0)nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) . Giả sử NA(t0) > NB(t0) → trên tiếp giáp, (e) khuếch tán từ A → B hình thành hiệu điện thế eAB(t0). - Ở đầu có nhiệt độ (t) tương tự có: eAB(t) NA(t0) NB(t0) + + + - - - EAB(t0) NA(t) NB(t) + + + - - - EAB(t) 4.1. Hiệu ứng nhiệt điện - Giữa hai đầu mỗi dây dẫn có chênh lệch nồng độ: (e) → khuếch tán → hình thành eA(t,t0) và eB(t,t0). - Trong mạch kín: Giữ t0 = const ⇒ )t,t(e)t,t(e)t(e)t(eE 0B0A0BAABAB +++= )t,t(e)t,t(e)t(e)t(eE 0B0A0ABABAB +−−= )t(e)t(eE 0ABABAB −≈ )t(fC)t(eE ABAB =+= 4.1. Hiệu ứng nhiệt điện - Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba và giữ cho nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. 4.2. Cấu tạo và vật liệu 1. 2. 3. 4. Sứ cách điện 5. Bộ phận lắp đặt 6. Vít nối dây 7. Dây nối 8. Đầu nối dây 4.2. Cấu tạo và vật liệu Vật liệu chế tạo: Yêu cầu: • Sức điện động đủ lớn (để dễ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp). • Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc. • Dễ kéo sợi. • Có khả năng thay lẫn. • Giá thành rẽ. 4.2. Cấu tạo và vật liệu Vật liệu Thành phần Tlv.nh (oC) E đ.Tmax (mV) Tlv. dh (oC) Platin-Rođi / Platin (+) 90%Pt+10%Rd (-) Pt < 1600 16,77 <1300 Chromel / Alumel (+) 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe (-) 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si) <1100 46,16 < 900 Chromel / Coben (+) 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe (-) 56%Cu + 44% Ni <800 66,00 <600 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp a) Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Nguyên tắc làm việc: EAB(t,t0) → (i) → làm khung dây của milivôn kế quay đi một góc (ϕ): i.Si. k k 2 1 ==ϕ B.l.r.e.n.ck 11 =Với k2 - hệ số phụ thuộc vào độ cứng của lò xo cản 2 1 k kS = độ nhạy của milivôn kế Thang đo của milivôn kế khắc độ theo nhiệt độ và đồng hồ của cặp nhiệt nào đi theo đồng hồ đo của cặp nhiệt đó 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Sai số khi đo: - Do ảnh hưởng của nhiệt độ đầu tự do t’o ≠ to = 0oC. - Do ảnh hưởng của điện trở mạch đo: Rt, Rd, Rv. 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu tự do: • Khi t’o=to=0oC: • Khi t’o ≠ to = 0oC: ⇒Khắc phục bằng cách bù nhiệt độ đầu tự do )t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0AB −= )t(e)t(e)t,t(E '0ABAB ' 0AB −= )t,t(E)t,t(E)t,t(E 0 ' 0AB ' 0AB0AB += [ ])t(e)t(e)t,t(E)t,t(E 0AB'0AB'0AB0AB −+= EAB(t’0,to) 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Phương pháp bù nhiệt độ đầu tự do: v Dùng dây bù: C, D là dây bù: v Chọn C, D sao cho: Khi đó: ⇒ )t(e)t(e)t(e)t(eE 0CD ' 0BD ' 0CAAB −+−= )t(e)t(e '0DB ' 0CA = )t(e)t(eE 0CDAB −= )t(e)t(eE 0ABAB −= 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Dùng cầu bù: v Khi t0 = 0oC, cầu cân bằng Ucd = 0. • Khi t’0 ≠ 0oC: Rd tăng → cầu mất cân bằng: Ucd ≠ 0. )t,t(EU)t,t(E 0ABcd ' 0AB =+ • 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Ảnh hưởng của điện trở mạch đo: ⇒ Khi Rv >> Rt+Rd, ta có: • Rv = Rkd + Rf để tăng ∑ ++= Vdt RRRR Vdt V 0ABm RRR R)t,t(EV ++ = )t,t(EV 0ABm≈ Rv thường chọn RP>>Rkd để giảm ảnh hưởng của Rkd. Rt ít ảnh hưởng (trừ cặp PtRd/Pt) 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp b) Sơ đồ mạch đo xung đối • Sơ đồ 1: Nguyên lý hoạt động: khi • Khi đo điều chỉnh con chạy của R sao cho IP = 0 ⇒ )RRR(IRIE GxdPABCX +++= )RRR(IR)II(E GxdPABP0X ++++= 00 = +++ − = GXdAB ABX P RRRR RIEI R L lIRIE ABX 00. == ⇒Cố định I0 → Ex = F(l) tức là phụ thuộc vào vị trí con chạy của biến trở R. EX = I0RAB 4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Sơ đồ 2: v Trước khi đo điều chỉnh I0: đóng P→K, điều chỉnh Rđc để (G) chỉ không. v Khi đo đóng P→D, điều chỉnh R để (G) chỉ không. R L lIRIE ABX 00. == 5. Hoả kế 5.1. Hoả kế bức xạ toàn phần: a) Nguyên lý chế tạo: dựa trên định luật Kiêc- khôp: (σ là hệ số bức xạ) b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 4TE σ= 5.1. Hoả kế bức xạ toàn phần Đặc điểm: v Đo không tiếp xúc → giảm nhẹ điều kiện lao động. v Đo được nhiệt độ cao >1000oC, sai số ±27oC. v Loại hội tụ tổn thất năng lượng lớn (30 - 40%) nhưng ít chịu ảnh hưởng của bụi và ẩm. v Loại phản xạ tổn thất năng lượng bé (~ 10%) nhưng chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm. 5.1. Hoả kế bức xạ toàn phần Điều kiện đo: v Vật đo phải có độ đen xấp xỉ bằng 1. v Tỉ lệ D/L không nhỏ hơn 1/16. Khoảng cách đo tốt nhất là 1 ± 0,2 mét. v Nhiệt độ môi trường 20 ± 2oC. Hiệu chỉnh kết quả đo khi ε <1: TTT đhđo ∆+= 5.2. Hoả kế quang a) Nguyên lý đo: dựa trên định luật Plank     −λ =λ 1e CI RT C 5 1 2T IλT - cường độ bức xạ đơn sắc ứng với bước sóng λ ở nhiệt độ T(k). R: hằng số khí lý tưởng. C1, C2 : Hằng số. ⇒ Hai vật có độ sáng ứng với một bước sóng nhất định bằng nhau thì có nhiệt độ bằng nhau. b) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Vách ngăn 7. 8. 5.2. Hoả kế quang Khi đo hướng ống kính về phía vật đo và đóng khóa (K) cấp điện nung dây tóc bóng đèn mẫu. Điều chỉnh biến trở Rb để điều chỉnh nhiệt độ dây tóc cho đến khi độ sáng của dây tóc bóng đèn bằng độ sáng của vật. Tdây Tvật 5.2. Hoả kế quang c) Đặc điểm: • Đo không tiếp xúc. • Đo nhiệt độ cao (> 1.000oC) • Kết quả đo phụ thuộc vào khả năng nhận xét màu. • Ảnh hưởng của khoảng cách đo nhỏ. • Khi ε <1 → sai số, công thức hiệu chỉnh: TTT đhđo ∆+=