PowerPoint - Chương 3: Cảm biến nhiệt độ

LOGO PowerPoint Chương 3 Cảm biến nhiệt độ 3.1.Khái niệm cơ bản Nhiệt độ là một trong số những đại lượng ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Nhiệt độ chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. 3.1.1.Thang đo nhiệt độ Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối: Thang Kelvin (K) Điểm cân bằng của ba trạng thái nước-nước đá-hơi = 273,15 K Thang Celsius: (0C) 1 0C = 1K T (0C)=T(K) - 273,15 Thang Fahrenheit (0F) T (0C)=(T(0F) – 32).(5/9) T(0F) = 9/5. T (0C) +32 Xuất xứ: dựa trên 3 điểm cân bằng: NH4Cl+nước đa = 00F; nước + nước đá = 32 0F; nhiệt độ cơ thể người =96 0F 3.1.2.Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo Giả sử : Tx :Nhiệt độ thực của môi trường đo. Tc :Nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Khi đó Tx gọi là nhiệt độ cần đo,Tc gọi là nhiệt đọ đo được. Điều kiện để đo đúng : Tx =Tc tuy nhiên do nhiều nguyên nhân luôn tồn tại 1 chênh lệch Tx –Tc nhất định.Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx –Tc hiệu số ngày càng bé thì độ chính xác càng cao.Muốn vậy khi đo cần phải: -Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa 2 bề mặt cảm biến và môi trường đo. -Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trương bên ngoài. Khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc.Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến : Với : -hệ số dẫn nhiệt A-diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. T- Thời gian trao đổi nhiệt. ( )dQ A T T dtx c   Lượng nhiệt hấp thụ: Với : m-Khối lượng cảm biến. C-Nhiệt lượng của cảm biến. Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ,ta có : Đặt ,gọi là hằng số thời gian nhiệt,ta có : Nghiệm của phương trình có dạng : Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và CB ta dùng cảm biến có tỉ nhiệt thấp,hệ số dẫn nhiệt cao,để hạn chế tổn từ CB ra bên ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp dQ mCdTc ( )A T T dt mCdtx c   mC A  dT dtc T Tx c    1 T T kec x     3.1.3.Phân loại cảm biến đo nhiệt độ Các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm 2 nhóm : -Cảm biến tiếp xúc :cảm biến tiếp xúc môi trường đo,gồm : +Cảm biến giãn nở(nhiệt kế giãn nở). +Cảm biến điện trở(nhiệt điện trở). +Cặp nhiệt ngẫu. -Cảm biến không tiếp xúc : hỏa kế. Dưới đây là một số loại cảm biến cơ bản: 3.2.Nhiệt kế giãn nở. Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế giãn nở dựa vào sự co giãn nở của vật liệu khi tăng nhiệt độ.Nhiệt kế này kết cấu đơn giản,dễ chế tạo. 3.2.1.Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn Thường có 2 loại :gốm và kim loại,kim loại và kim loại. -Nhiệt kế gốm-kim loại: gồm 1 thanh gốm đạt trong ống kim loại,1 đầu thanh gốm liên kết với thanh kim loại,1 đầu nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị +Nguyên tắc : Hệ số giãn nở nhiệt do đó lượng giãn nở dlk >dlg làm thanh gốm dịch chuyển sang phải.Di chuyển thanh gốm phụ thuộc dlk –dlg do đó phụ thuộc vào nhiệt độ. -Nhiệt kế kim loại-kim loại : gồm 2 thanh kim loại (1) va (2) có hệ số giãn nở khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc. +Nguyên tắc : giả sử khi đó 2 thanh bị cong về phía thanh 2.Dựa vào độ cong của kim loại để xác định nhiệt độ. Dùng để đo nhiệt đọ dưới 7000 C g kl  1 2  3.2.2.Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng 1)Bình nhiệt 2)Mao dẫn 3)Chất lỏng Chất lỏng thường là thủy ngân Vỏ nhiệt kế bằng thủy tinh có 5 018.10 / C  5 02.10 / C  3.3.Nhiệt kế điện trở Nguyên lý chung : Dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Trong trương hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng: Điện trở kim loại : R(T) = Ro(1 + AT + BT 2 + CT3) T ®o b»ng oC vµ To = 0 oC Điện trở là các oxyt bán dẫn : T- Nhiệt đọ tuyệt đối,B thực nghiệm Khi T nhỏ,R thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ : R(T) = Ro F(T - To) Ro - ®iÖn trë ë nhiÖt ®é To F - hµm ®Æc tr­ng cho vËt liÖu, F= 1 khi T = To              o o TT BexpR)t(R 11 )T).(T(R)TT(R R 1 dT dR )T(RR 1  R –hệ số nhiệt độ của R (độ nhạy nhiệt),phụ thuộc vật liệu và T Ở 0oC: - Platin (Pt): R = 3,9. 10-3 / oC, - Một số kim loại nhiệt điện trở: R = 5,2 .10-2/oC R phụ thuộc: - Điện trở suất  - kích thước hình học dT ds sdT d dT d dT dR RR 1111       , dT d    1 , dT d     1 , dT ds s   21  R C/o310  C/o510  R   3.3.2.Nhiệt kế điện trở kim loại a)Vật liệu: Yêu cầu chung: -  đủ lớn để R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ. -hệ số nhiệt điện trở tốt nhất là luôn đổi dấu,không triệt tiêu. -dễ gia công và có khả năng thay lẫn. Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni.Ngoài ra còn dùng Cu,W. Pt :99,999% -> tăng độ chính xác khi chế tạo R không lớn,R(1000 C)=1,4R(00 C),T làm việc -2000 C – 10000 C Ni : : R(1000 C)=1,6R(00 C) hoạt tính hóa học cao -> dễ bị oxy hóa,nhiệt độ làm việc <2500 C Cu : Độ tuyến tính cao,hoạt tính hóa học lớn,nhiệt độ làm việc <1800 C nhỏ ->tăng kích thước điện trở W : cao hơn platin,nhiệt độ làm việc cao,độ tuyến tính tố hơn Pt lớn –> giám kích thước của R ứng suất khó bị triệt tiêu bằng ủ nhiệt -> kém ổn định R R  R  b) Cấu tạo nhiệt trở Tránh sự là, nóng đầu do dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn.Muốn vậy thì phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây.Nhưng tăng tiết diện thì độ bền thấp,tăng chiều dài gây tăng điện trở của dây.Do đó phải chọn R hợp lý. -Nhiệt kế công nghiệp : Vỏ bọc tốt chống va đập và rung động mạnh,điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bọc bằng thép Nhiệt kế CN dùng điện trở platin -Nhiệt kế bề mặt : Dung để đo nhiệt độ trên bề mặt vật rắn.Thường chế tạo bằng phương pháp quang hóa và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni,Fe-Ni hoặc Pt.Chiều dày lớp kim loại cỡ vài µm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2 . Nhiệt kế bề mặt +Độ nhạy nhiệt : -5.10-3 /0 C (Ni,Fe-Ni). -4.10-3 /0 C (Pt). +Dải nhiệt sử dụng : -1950 C -2600 C (Ni,Fe-Ni). -2600 C -14000 C (Pt) Lưu ý : Sử dụng nhiệt kế bề mặt cần để ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo. 3.3.3.Nhiệt kế sử dụng silic Si tinh khiết hoặc đơn tinh thể có hệ số điện trở âm. Nhiệt kế sử dụng Si chế tạo bằng công nghệ khuếch tán. Hệ số nhiệt có gái trị dương. Sự thay đổi nhiệt của nhỏ,phụ thuộc vào nồng độ pha tạp. +Khi T<1200 C, tăng theo T: µ giảm mà nồng độ không đổi (do pha tạp mạnh ) + Khi T>1200 C , giảm khi T tăng : ion hóa mạnh nồng độ hạt dẫn tăng lớn hơn nồng độ pha tạp Nhiệt độ làm việc -500 C – 1200 C.    3.3.4.Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn a)Vật liệu chế tạo Chế tạo từ hỗn hợp các oxyt bán dẫn đa tinh thể như : MgO,NiO MgAl2O4 ,Mn2O3 .. Sự phụ thuộc nhiệt độ : Trong đó : R0( ) là điện trở ở T0(K) Độ nhạy nhiệt : Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên : Và độ nhạy nhiệt : B( 3.000-5.000 K). 2 1 1( ) exp0 0 0 TR T R T T T                         2 b R T     1 1exp0 0 R T R B T T                 2 B R T   b)Cấu tạo,chế tạo -Hỗn hợp oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp. -Nén định dạng. - Thiêu kết ~ 10000 C. -phủ kim loại lên 2 mặt. -Hàn dây dẫn tại 2 điểm trên bề mặt phủ kim loại làm vỏ bọc. Có độ nhạy nhiệt rất cao có thể phát hiện biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 – 10-3 K. 3.4.Cảm biến nhiệt ngẫu 3.4.1.Hiệu ứng nhiệt điện a.Hiệu ứng Peltier Hiệu điện thế (sđđ Peltier ) Sđđ Peltier phụ thuộc : -Bản chất vật dẫn. -Nhiệt độ. T B/ANM PVV  b. Hiệu ứng Thomson Vật dẫn đồng chất A TM ≠ TN -> sđđ Thomson Sđđ Thomson phụ thuộc: -Bản chất vật dẫn. - TM ,TN  M N NM T T A TT A dThE c.Hiệu ứng Seebeck Mạch kín từ 2 vật dẫn A,B ->mạch sẽ tạo thành 1 cặp nhiệt điện dThe T T Aab  2 1 2T B/Abc Pe  dThe T T Bcd  1 2 1T A/Bda Pe  Sđđ Seebeck bằng tổng các suất điện đông thành phần dT)hh(PPE T T BA T B/A T B/A TT B/A   2 1 1212 3.4.2.Cấu tạo cặp nhiệt a)Vật liệu chế tạo Có thể dùng nhiều loại kim loại và hợp kim khác nhau Tuy nhiên phải đảm bảo yêu cầu sau : -Sức điện động đử lớn. -Đủ độ bền cơ học và háo học ở nhiệt độ làm việc. -Dễ kéo sợi. -Có khả năng thay lẫn. -Giá thành rẻ. Cặp platin-platin : Cực (+) la hợp kim Platin(90%) và rôđi(10%), cực (-) là platin sạch. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phep 16000 C,Eđ =16,77mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn <1030 C Đường đặc tính có dạng bậc 2,E≈0 (0-3000 C). Môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000-11000 C. Đường kính thường chế tạo =0.5mm Thường dùng làm cạp nhiệt chuẩn.  Cặp nhiệt Chromel/Alumel: Cực (+) là Chromel,hợp kim gồm 80%Ni+10%Cr+10%Fe.Cực (-) là Alumen,hợp kim gồm 95%Ni+5%(Mn+Cr+Si). Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~11000 C,Eđ =46,16mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn <9000 C. Đường kính cực : =3mm.\ Căp nhiệt Chromel/Coben: Cực (+) là Chromel,cực âm là coben,hợp kim gồm 56%Cu+44%Ni. Nhiệt đọ làm việc ngắn hạn 8000 C,Eđ =66mV Nhiệt độ làm việc dài hạn <6000 C. Căp nhiệt đồng /Coben : Cực (+) là đồng sạch,cực (-) là coben. Nhiệt độ làm việ ngắn hạn 8000 C. Nhiệt độ làm việc dài hạn <3000 C.  Sự phụ thuộc E=F(T) của một số cặp nhiệt Sự phụ thuộc E=F(T) của một số cặp nhiệt b)Cấu tạo. 3.4.3.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp a)Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế -Sơ đồ : -Nhiệt độ 2 đầu tự do (2)và (3) bằng nhau sđđ trong mạch là sđđ của cạp nhiệt,khác nhau trong mạch xuất hiện suất điện động kí sinh ở mối nối và làm sai lệch kết quả đo. Sơ đồ mạch đo Để đo trực tiếp hiệu nhiệt độ giữa 2 điểm người ta dùng sơ đồ đo vi sai : Trong sơ đồ này ,cả 2 đầu căp nhiệt 1 và 2 tương ứng với nhiệt độ t1 và t2 .Khi đó cho ta đo được t1 – t2 Trường hợp nhiệt độ môi trường không khac nhiều nhiệt độ đầu tự do để tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp. -Bù nhiệt đầu tự do: EAB(t,t0’ ) :lượng hiệu chỉnh nhiệt xác định tù thang chia độ của cặp nhiệt ngẫu nhiên đã dùn theo t’0 , , ( , )0 0 0E t t E t t E t tAB AB AB               Phương pháp bù nhiệt độ đầu tự do : -Dùng dây bù : E=eAB (t) –eAB(t0) -Dùng bù cầu : EAB(t,t0 ) + Ucd =EAB(t,t0) Ảnh hưởng của điên trở mạch đo Rt :điện trở cập nhiệt. Rđ :điện trở dây nối. Rv :điện trở trong của minivôn kế Khi đó điện áp giữa 2 đầu vôn kế -> Khi Rv >>Rt +Rd thì EAB ≈ Vm Rt : ảnh hưởng đáng kể tới kết quả đo. Rd : ít ảnh hưởng đến kết quả đo. Rv= =Rkd +Rf .Trong đó Rf không ảnh hưởng, sự thay đổi của Rv khi nhiệt độ tăng chủ yếu do sự thay đổi Rkd .Để giảm sai số nên chọn Rf/Rkd lớn. ( , )0 RVV E t tm AB R R Rt Vd    ( , ) 10 R Rt dE t t VmAB RV              b)Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện kế thế Sơ đồ a : Ex =Ic RAB +Ip (Rd +Rx +RG ) Ic =I0 +Ip Ex=(I0 +Ip) )RAB +Ip (Rd +Rx + RG) Nếu Ex =I0 RAB thì Ip =0 ->RAB =(1/L)R,Ex =I0 (1/L)R nếu cố định được I0 ,L,R ta có Ex phụ thuộc vào con chạy của đồng hồ. Sơ đồ b : Ex =UAB 0E I Rx ABI p R R R RxAB Gd      3.5.Hỏa kế. Các cảm biến quang thuộc 2 loại cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc,gồm : Hỏa kế bức xạ toàn phần,hỏa kế quang học . 3.5.1.Hỏa kế bức xạ toàn phần Nguyên lý : Dựa trên định luật năng lượng bức xạ toàn phần E= T4 hằng số,T : nhiệt độ tuyệt đối của vật đen Sơ đồ a) ánh sáng từ(1) qua(2) ->(4)- >(5) Sơ đồ b) ánh sáng từ (1) đập tới (3) hội tụ năng lượng tia bức xạ -> (5)   Bộ phận thu năng lượng có thể là một vi kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiêt Thỏa mãn : +tlamviec =100-1500 C +Có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3-5s +Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đó Khi đo nhiệt độ bàng hỏa kế bức xạ sai số thường không vượt quá 270 C,trong điều kiện : +Vật có độ đen xấp xỉ bằng 1. +Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cach đo(D/L) không nhỏ hơn 1/16 +Nhiệt độ môi trường 20 +- 200 C Thực tế :độ đen của vật <1.Thông thường xác định Tđo =Tđọc + T T phụ thuộc Tđọc và độ đen của vật 3.5.2.Hỏa kế quang điện Dự trên định luật Plăng : :bước sóng, C1,C2 là hằng số CT hiệu chỉnh :Tđo =Tđọc + T T cho theo đồ thị   5 1 CI c RTe                1ln 2 Tdo C      Nguyên tắc đo nhiệt độ : So sánh cường độ sáng của vật cần đo và độ sáng của 1 đèn mẫu ở trong cùng 1 bước sóng nhất định và theo cùng một hướng.Khi độ sáng của chúng bằng nhau.Thường lấy bước sóng ở 0,65µm. Sai số khi đo : Độ đen của vật <1.Khi đó :