Chương 9 Đo nhiệt độ | Môn Kỹ thuật cảm biến và đo lường - Đại học Xây Dựng Hà Nội

lOMoAR cPSD| 58970315
CHƯƠNG 9.- ĐO NHIỆT ĐỘ
9.1.- Khái niệm chung.
Nhiệt độ là một trong những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật
chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống
hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt
độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực
tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có
thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ.
Nhiệt độ là số đo cường độ chuyển động hỗn độn của các phân tử cấu tạo nên vật
thể. Nhiệt độ là một đại lượng vật lý thể khối phổ quát (extensive) như ánh sáng, nhưng
có đặc trưng quán tính, do vậy chỉ có thể xác định gián tiếp thông qua tính chất trạng
thái đã biết trước của vật chất có liên quan tới nhiệt độ. Vì nhiệt luôn luôn tự động
truyền từ vật nóng sang vật lạnh cho nên có thể coi nhiệt độ là một vật có tính chất xác
định hướng truyền nhiệt giữa vật đó với các vật khác tiếp xúc với nó.
Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang đo nhiệt độ. Thang đo nhiệt độ là hệ
thống định cỡ và tính nhiệt độ theo một quy tắc nào đó. Trong kỹ thuật, để có thể xác
định giá trị nhiệt độ một vật người ta dựa vào các quá trình có thể tái tạo lại được làm
cơ sở lập thang đo nhiệt độ. Ví như điểm đông và điểm sôi của nước được dùng làm
những điểm dẫn xuất xác định thang đo nhiệt độ Celsius (oC), chọn 0 (oC) là nhiệt độ
của đá đang tan và 100 (oC) là nhiệt độ của nước nguyên chất đang sôi dưới áp suất tiêu
chuẩn 1 (atm) hoặc 756 (mmHg). Như vây, cỡ nhiệt độ là 1/100 khoảng chênh lệch
nhiệt độ giữa nước đá đang tan và nước đang sôi.
Thang nhiệt độ : theo định luật nhiệt động học có các thang nhiệt độ sau : - Thang
nhiệt độ Fahrenheit (D.G. Fahrenheit, người Hà Lan, 1706) - thang F :
nước đá tan ở 32 oF, sôi ở 212 oF và :
ToC = (ToF – 32) hoặc ToF = ToC + 32 -
Thang nhiệt độ Celsius (Celsius Andreas, người Thụy Điển, 1742) - thang
bách phân : ToC = ToK - 273,15 1oC = 1oK -
Thang nhiệt độ Kenvil (tước hiệu của William Thomsom, người Anh,
1852) - thang nhiệt động tuyệt đối :
0oC = 273,15oK – nhiệt độ cân bằng ba trạng thái của nước.
0oK = - 273,15oC – nhiệt độ không tuyệt đối. -
Thang nhiệt độ Rankine – thang nhiệt độ tuyệt đối, trong đó hiệu nhiệt độ
giữa điểm sôi và điểm đông đặc của nước là 212oR và nhiệt độ 0 là độ không tuyệt đối. lOMoAR cPSD| 58970315
Điểm đông đặc của nước dưới áp suất tiêu chuẩn là 491,7oR. Một độ Rankine (oR) bằng một độ Fahrenheit (oF).
Nhiệt độ tác động tới vật chất và các quá trình vật lý ở mức phân tử, là biến trạng
thải vật lý được cảm biến rộng rãi nhất trong số các biến hệ thống. Nhiệt độ được định
nghĩa như là đặc trưng mức độ nóng lạnh được tham chiếu theo một thang đo đặc trưng.
Nó cũng có thể được đặc trưng như lượng nhiệt năng trong một đối tượng hoặc một hệ
vật lý. Năng lượng nhiệt tương quan trực tiếp với năng lượng phân tử (sự rung động,
ma sát và dao động của các hạt bên trong phân tử). Năng lượng nhiệt càng cao thì năng
lượng phân tử càng lớn.
Nhiệt độ của vật chất là thông số đặc trưng trạng thái cân bằng nhiệt động học
của thể tích nhất định. Quá trình cân bằng là một quá trình quán tính : ΔT = Tk - Tđ
trong đó : Tk – nhiệt độ (thực) của môi trường cần đo.
Tđ – nhiệt độ (đo) trên phần tử cảm biến nhiệt.
Nhiệt lượng truyền thụ tới cảm biến trong một đơn vị thời gian dt được xác định : dQ = α.A.ΔT.dt
trong đó : α – nhiệt dẫn xuất của vật liệu cảm biến.
A – tiết diện trao đổi nhiệt.
Dựa trên vật lý thống kê người ta định nghĩa nhiệt độ của một vật thể là số đo động
năng tịnh tiến trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật. Kích thước và nhiều tính chất
khác của vật như tính chất cơ học, điện học, quang học … của vật liệu và vật thể phụ
thuộc vào nhiệt độ. Chính từ sự phụ thuộc đó mà người ta đã chế tạo ra những phần tử
cảm biến và đo lường nhiệt độ. Do bản chất vật lý thể khối phổ quát của nhiệt độ, chỉ
có thể xác định nhiệt độ vật chất thông qua tính chất trạng thái biết trước của vật chất
phụ thuộc vào nhiệt độ (ví như tính dãn nở trong nhiệt kế lương kim, tính phụ thuộc
nhiệt độ của điện trở trong nhiệt điện trở kim loại hay tia bức xạ nhiệt trong hỏa kế bức xạ.
Trong nhiều khả năng khác nhau, nhiệt độ được biến đổi bởi các phần tử cảm biến
thành đại lượng điện như : điện áp, dòng điện, điện trở hay điện dẫn. Trong đó các phần
tử điện trở kim loại hay bán dẫn, các phần tử nhiệt ngẫu … đóng vai trò quan trọng
trong kỹ thuật đo lường và điều khiển.
Để đo nhiệt độ có hai phương pháp đo : -
Phương pháp đo tiếp xúc nhiệt : đòi hỏi cảm biến phải tiếp xúc vật lý trực tiếp
với môi trường hay đối tượng đo. Phương pháp này dùng kiểm tra nhiệt độ chất rắn,
chất lỏng hay chất khí trong một phạm vi nhiệt độ rất rộng. lOMoAR cPSD| 58970315 -
Phương pháp đo không tiếp xúc : cảm nhận năng lượng bức xạ của nguồn nhiệt
ở dạng năng lượng thu nhận được trong phần hồng ngoại của phổ điện từ. Phương pháp
này có thể dùng để kiểm tra các chất rắn và chất lỏng, nhưng không có tác dụng với các
chất khí bởi bản chất trong suốt tự nhiên của chúng.
9.2.- Phương pháp đo tiếp xúc.
9.2.1.- Nhiệt kế theo nguyên lý dãn nở.
9.2.1.1.- Nhiệt kế dãn nở.
Là dụng cụ đo nhiệt độ được chế tạo dựa trên tính chất dãn nở khi nhiệt độ tăng và co
lại khi nhiệt độ giảm của một chất hoặc hai chất khác nhau (có thể là hai chất rắn : nhiệt
kế lưỡng kim , hoặc có thể là giữa chất lỏng và chất rắn như thủy tinh và thủy ngân
hoặc giữa một chất rắn và một chất khí). a.- Nhiệt kế dãn nở chất lỏng.
Là dụng cụ đo nhiệt độ được dùng sớm nhất và rất thông dụng hiện nay. + Nguyên tắc
làm việc : dựa trên tính dãn nở của chất lỏng khi bị đốt nóng và co lại khi làm nguội, tức là : V = f ( t )
Nếu chọn to = 0 thì có công thức sau : Vt = Vo ( 1 + αt )
Phạm vi đo nhiệt độ từ -200 ÷ 1200 oC. + Cấu tạo :
Hình 9.1.- Cấu tạo nhiệt kế dãn nở chất lỏng.
1.- Bầu chứa chất lỏng ; 2.- Ống thủy tinh hình trụ ; 3.- Chất lỏng dãn nở ; + Ưu điểm :
- Đơn giản, độ chính xác tương đối cao. lOMoAR cPSD| 58970315
- Không cần thiết bị hỗ trợ.
- Không cần năng lượng để hoạt động. + Nhược điểm :
- Dễ vỡ, dễ nhòe, đọc kết quả tại chỗ. - Quán tính nhiệt lớn.
- Không tự ghi kết quả, truyền kết quả đi xa.
Trong công nghiệp phần lớn được sản xuất loại nhiệt kế dùng chất lỏng Thủy
ngân (Hg). Tuy Hg có α không lớn nhưng nó có nhiều tính chất thích hợp, như : Ít lẫn
tạp chất, dẫn nhiệt tốt và nhanh chóng đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt, không bám vào
thủy tinh, khó bị ôxy hóa, dễ chế tạo, nguyên chất, giữ dạng lỏng trong khoảng nhiệt độ
thông thường (Hg đông đặc ở -39 oC và sôi ở 357 oC), phạm vi đo nhiệt độ rộng. Ở nhiệt
độ < 200 oC thì đặc tính dãn nở của Hg và t là quan hệ đường thẳng nên nhiệt kế thủy
ngân được dùng nhiều hơn các loại khác.
Nhiệt kế thủy ngân nếu đo nhiệt độ < 100 oC thì trong ống thủy tinh không cần
nạp khí, khi đo ở nhiệt độ cao hơn và nhất là khi muốn nâng cao giới hạn đo trên thì
phải nâng cao điểm sôi của nó bằng cách nạp khí trơ (N2) vào. Khí nén Nitơ có áp suất
cao đảm bảo cho Hg không bị bốc hơi bám dính vào thành ống thủy tinh khi nhiệt độ
vượt quá độ sôi của bản thân nó. Nhưng do Hg bị đông đặc ở -39 oC nên muốn đo nhiệt
độ thấp hơn thường thay Hg bằng những chất lỏng khác có nhiệt độ đông đặc thấp hơn.
Rượu được dùng nhiều nhất nhưng phải được nhuộm màu để dễ quan sát.
- Nếu nạp N2 với áp suất 20 bar thì đo đến 500 oC.
- Nếu nạp N2 với áp suất 70 bar thì đo đến 750 oC.
Người ta dùng loại này làm nhiệt kế chuẩn có độ chia nhỏ, vạch chia độ thường
đến 0,1 oC (loại chính xác cao còn có vạch chia đến 0,01 oC) và thang đo từ 0 ÷ 50° ;
50 ÷ 100 o và có thể đo đến 600 oC. + Phân loại :
Nhiệt kế chất nước có rất nhiều hình dạng khác nhau nhưng :
- Xét về mặt thước chia độ thì có thể chia thành 2 loại chính (hình 9.2) : . Hình chiếc đũa.
. Loại thước chia độ trong. lOMoAR cPSD| 58970315 Hình 9.2.-
- Xét về mặt sử dụng thì có thể chia thành các loại sau :
. Nhiệt kế kỹ thuật : khi sử dụng phần đuôi phải cắm ngập vào môi trường cần đo
(có thể hình thẳng hay hình chữ L). Khoảng đo - 30 ÷ 50°C ; 0 ÷ 50 ... 500
Độ chia : 0,5 oC , 1oC. Loại có khoảng đo lớn độ chia có thể 5 oC
. Nhiệt kế phòng thí nghiệm : có thể là 1 trong các loại trên nhưng có kích thước nhỏ hơn.
Chú ý : Khi đo ta cần nhúng ngập đầu nhiệt kế vào môi chất đến mức đọc. *
Loại có khoảng đo ngắn độ chia 0,0001 ÷ 0,02 oC dùng làm nhiệt
lượng kế để tính nhiệt lượng. *
Loại có khoảng đo nhỏ 50 oC do đến 350 oC chia độ 0,1 oC. *
Loại có khoảng đo lớn 750 oC đo đến 500 oC chia độ 2 oC.
Ngoài ra : ta dùng nhiệt kế không dùng thủy ngân thang đo - 190 oC ÷100 oC và
loại nhiệt kế đặc biệt đo đến 600 oC
Trong tự động còn có loại nhiệt kế tiếp điểm điện. Các tiếp điểm làm bằng bạch kim (hình 9.3). lOMoAR cPSD| 58970315 Hình 9.3.-
Trong CN phải đặt nơi sáng sủa sạch sẽ ít chấn động thuận tiện cho đọc và vận hành.
Nhiệt kế có đường kính đoạn ống hình trụ càng nhỏ thì độ nhay càng cao. Ngoài
ra độ nhạy còn phụ thuộc vào hệ số dãn nở thể tích của chất lỏng. Có thể tăng độ nhạy
bằng cách tăng thể tích bình chứa chất lỏng nhưng cũng chỉ đến giới hạn nhất định, ít
khi được chế tạo nhiệt kế có thể tích bình chứa chất lỏng đến 1 cm3.
Do sản xuất hàng loạt lớn nên giá rẻ, độ nhạy và độ chính xác đáp ứng yêu cầu đo trong
công nghiệp nên nhiệt kế thủy tinh chất lỏng được sử dụng rộng rãi. Nhưng do thủy tinh
rất giòn nên có hệ số dãn nở nhiệt thấp nên khi sử dụng cần tránh đưa vào nơi có nhiệt
độ thay đổi đột ngột, trước khi đưa vào vị trí hay môi trường cần hơ nóng trước. Khi sử
dụng tránh va chạm hoặc làm rơi, sử dụng xong phải cho ngay vào ống hoặc hộp bảo vệ.
b.- Nhiệt kế dãn nở chất rắn.
Bất kỳ một vật chất khi bị đốt nóng thì nở ra. Ở đây không sử dụng sự thay đổi thể tích
vì rất khó xác định đối với chất rắn mà sử dụng độ dãn dài của chất rắn khi nhiệt độ thay đổi, tức là :
Lt = Lto [ 1 + α ( t - to ) ] trong đó
: Lt và Lto - là độ dài của vật ở nhiệt độ t và to .
α - gọi là hệ số dãn nở dài của chất rắn.
Hệ số dãn nở dài của một số vật liệu : lOMoAR cPSD| 58970315 Vật liệu
Hệ số dãn nở dài α (1/độ) Nhôm (Al) 0 ,238 . 10 4 ÷ 0,310 . 10 4 Đồng (Cu) ,183 . 0 10 4 ÷ 0,236 . 10 4 Cr - Mn 0 ,123 . 10 4 Thép không rỉ 0 ,009 . 10 4
H.kim Inva (64% Fe & 36% N) 0 ,00001 . 10 4
Đối với chất rắn ít dùng một kim loại mà dùng hai kim loại gọi là lưỡng kim, tức
là sử dụng hai kim loại khác nhau có độ dãn dài theo nhiệt độ là khác nhau.
Nhiệt kế dãn nở chất rắn thường có các dạng sau : - Nhiệt kế kiểu đũa.
Cấu tạo là một ống kim loại có α1 nhỏ và một chiếc đũa có α2 lớn (hình 9.4).
Hình 9.4.- Nhiệt kế đũa.
- Nhiệt kế lưỡng kim (hình 9.5).
Hình 9.5.- Nhiệt kế lưỡng kim.
Giả sử : một nhiệt kế được chế tạo bởi hai lá kim loại có hệ số dãn nở dài khác
nhau như hợp kim của Inva và Đồng. Hai lá kim loại được ghép liền với nhau bằng cách
hàn hoặc cán đặc biệt thành một thanh lưỡng kim. Một đầu thanh lưỡng kim được giữ
cố định, đầu còn lại để tự do và gắn với một tiếp điểm (hình 9.5). Khi nhiệt độ tăng, do
sự dãn nở dài khác nhau của hai kim loại (Inva và đồng) nên thanh lưỡng kim bị cong
về một phía. Nhiệt độ càng tăng thì độ uốn cong càng lớn. Nếu bố trí trên đầu tự do một lOMoAR cPSD| 58970315
kim chỉ thị và một bảng chia độ đã được xác định bằng thực nghiệm ta sẽ đọc được
chính xác trị số nhiệt độ theo mũi tên của nhiệt kế.
Ngoài ra, nhiệt kế lưỡng kim còn được chế tạo dưới dạng thanh uốn theo hình
xoắn ốc, đầu trong được bắt cố định vào thân dụng cụ đo, còn đầu tự do được gắn liền
với đuôi mũi tên chỉ nhiệt độ, mũi tên này quay trên một trục như kim đồng hồ (hình 9.6).
Hình 9.6.- Nhiệt kế lưỡng kim kiểu xoắn ốc.
Ưu điểm : sử dụng đơn giản, độ chính xác đáp ứng được yêu cầu của công nghiệp
nhưng không nhạy bằng nhiệt kế chất lỏng.
Ví dụ : một thanh kim loại, có chiều dài lo , ở nhiệt độ ban đầu to , sẽ bị dài ra một đoạn
∆l khi nhiệt độ tăng lên một lượng ∆t . Độ tăng ∆l của thanh kim loại phụ thuộc vào
chiều dài ban đầu lo của thanh kim loại, độ tăng nhiệt độ ∆t và một hệ số đặc trưng cho
mỗi kim loại theo quan hệ : ∆l = δ . lo . ∆t
trong đó : δ là hệ số đặc trưng cho từng kim loại, ở một nhiệt độ nhất định thì δ là
hằng số. Khi đó, chiều dài thanh kim loại ở nhiệt độ nào đó có thể tính một cách đơn giản sau :
lt = lo + δ . lo . ∆t = lo . [ 1 + δ . ( t - to ) ]
∆t = t - to là độ chênh lệch giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ thanh kim loại khi tăng nhiệt độ.
Nếu chọn to = 0 oC thì hệ thức trên có dạng đơn giản quen thuộc : lt = lo ( 1 + δ . t ) lOMoAR cPSD| 58970315
khi đó δ chính là hệ số dãn nở dài của kim loại trên đơn vị chiều dài và đơn vị nhiệt độ.
Với một khoảng chênh lệch nhiệt độ lớn thì hệ số δ không thể coi như không đổi, vì
thế thay bằng hệ số dãn nở dài trung bình trong khoảng nhiệt độ (to , t1) là : tb tt l 1o ol 1t1 lto o
Hệ số này phụ thuộc vào tính chất của kim loại. thực nghiệm đã đo được các giá trị của
hệ số dãn nở dài trung bình của một số kim loại thường gập ở nhiệt độ từ 0 ÷ 100 oC như sau : Inva 1.10-6/oC Platin 8,8.10-6/oC Thép cacbon 11,7.10-6/oC Niken 13,3.10-6/oC Vàng 1404.10-6/oC Thép không rỉ 16.10-6/oC Bạc 19,19.10-6/oC Kẽm 32.10-6/oC
9.2.1.2.- Nhiệt kế áp lực.
a.- Cơ sở lý thuyết.
Thông qua việc đo áp suất P trong môi trường kín tức là khi : V = const thì P = f ( t )
Nhiệt kế áp lực có các loại : chất lỏng, chất khí, hơi bão hòa.
Đối với nhiệt kế áp lực chất lỏng thì toàn bộ hệ thống được đổ đầy chất lỏng, thường là Hg.
Đối với nhiệt kế áp lực hơi thì hệ thống ống kín đựng đầy chất lỏng dễ bay hơi như
rượu êtylíc, ête êtylíc …
Đối với nhiệt kế áp lực khí thì trong nạp khí Nitơ hoặc Hêli.
Nhiệt kế áp lực hơi nước làm việc dựa vào sự thay đổi của áp suất hơi bão hòa theo
nhiệt độ. Việc đo nhiệt độ chính là đo áp suất và khoảng chênh lệch của áp suất lớn hơn
khoảng thay đổi nhiệt độ nhiều. Nhiệt kế loại này rất nhạy và vạch khắc độ trên thang lOMoAR cPSD| 58970315
chia độ theo một đường cong và khoảng cách các vạch chia càng lớn dần khi nhiệt độ càng cao.
Đối với nhiệt kế áp lực chất lỏng hoặc chất khí thì mối quan hệ giữa áp suất (P) và
nhiệt độ (t)o của môi trường đo với chất lỏng hoặc chất khí được diễn tả theo phương trình :
Pt - Po = β . Po . ( t - to )
trong đó : to = 20 oC po = 10 ÷ 30 Kg/cm2
Phương trình liên hệ giữa P và to của hơi bão hòa với môi trường là : dP L dt T( h l)
trong đó : L nhiệt hóa hơi γh
trọng lượng riêng của hơi γl
trọng lượng riêng của lỏng.
b.- Cấu tạo : Xem hình 9.7
Hình 9.7.- Nhiệt kế áp lực. trong đó :
1.- Bầu nhiệt, chế tạo bằng hợp kim.
2.- Ống mao dẫn, chế tạo bằng đồng thau.
3.- Ống lò xo, chế tạo bằng đồng thau, có tiết diện enlíp. lOMoAR cPSD| 58970315 4.- Thanh kim loại kép ;
5.- Hệ truyền động cơ học. 6.- Kim chỉ thị.
Toàn bộ 1, 2, 3 hợp thành một hệ thống kín hoàn toàn.
c.- Nguyên lý làm việc.
Khi cần đo nhiệt độ môi trường nào đó thì bầu nhiệt 1 được đặt trong môi trường đó.
Giả sử, nhiệt độ môi trường tăng lên, áp suất P trong hệ thống kín tăng lên. Do cấu tạo
của ống lò xo 3 có tiết diện enlíp nên ống 3 có su hướng biến thành tiết diện tròn khi áp
suất tăng, dẫn đến lò xo 3 sẽ cong hơn trước để giữ vững chiều dài trong và ngoài tức
là để bảo vệ chiều dài của lò xo 3, đầu tự do của lò xo 3 sẽ thay đổi vị trí của nó theo
chiều cong của lò xo và sẽ tác động lên hệ truyền động cơ học 5, làm cho kim chỉ thị 6 quay.
Sự thay đổi hình dáng của lò xo sẽ cho biết khi lực cản do biến dạng của lò xo cân bằng
với sự thay đổi áp suất tác động lên lên nó, lúc đó bộ phận chỉ thị se cho giá trị nhiệt độ đo được.
Do hệ thống được chế tạo khi nhiệt độ môi trường là 20 oC nên khi nhiệt độ môi trường
thay đổi, tức là khác so với điều kiện nhiệt độ khi chế tạo thì thanh kim loại kép 4, sẽ
bù lại sự biến dạng do sự thay đổi của nhiệt độ môi trường khác với khi chế tạo.
9.2.2.- Nhiệt kế điện trở.
Thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành các
tín hiệu điện gọi là cảm biến. Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu không điện, qua cảm biến nó
sẽ trở thành 1 dạng tín hiệu khác (điện áp, điện trở…). Sau đó các bộ phận xử lí trung
tâm sẽ thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử lí.
Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính
xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Điều đó
nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít
thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần
tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay rẻ cũng do nguyên nhân này quyết định). Đồng thời
cũng rút ra 1 nguyên tắc khi sử dụng cảm biến nhiệt đó là : Phải luôn đảm bảo sự trao
đổi nhiệt giữa môi trường cần đo với phần tử cảm biến.
Một trong những tính chất lý học được ứng dụng rộng rãi để đo nhiệt độ là tính
chất của các dây dẫn và bán dẫn thay đổi điện trở theo nhiệt độ, tùy chất liệu kim loại
sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Bộ phận cơ bản của dụng cụ
đo dựa theo nguyên tắc trên gọi là nhiệt kế điện trở.
Nguyên lý : Dựa trên sự thay đổi điện trở (trở kháng) của vật liệu theo nhiệt độ.
Giã sử nhiệt kế điện trở có quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là : lOMoAR cPSD| 58970315
Rt = Rto [ 1 + α( t - to )] trong
đó : α - Hệ số nhiệt điện trở ;
Rt và Rto - điện trở ở nhiệt độ t và to.
Đó chính là một điện trở (bằng dây dẫn hay bán dẫn) mà sự phụ thuộc của điện
trở vào nhiệt độ ta đã biết trước. Khi đo, chỉ việc nhúng nhiệt kế điện trở vào môi trường
đo và tiến hành đo điện trở của nó là xác định được nhiệt độ môi trường.
Nhiệt kế điện trở dùng đo nhiệt độ có thể đo được từ -200 oC ÷ 1000 oC với độ chính
xác cao. Thực tế, khi nhiệt độ đo cao hơn 500 oC thường dùng cặp nhiệt điện. Như vậy,
chỉ cần căn cứ vào điện trở của nhiệt kế là có thể xác định được nhiệt độ. Để đảm bảo
việc xác định nhiệt độ chính xác và chắc chắn thì vật liệu sử dụng để chế tạo nhiệt kế
cần phải đáp ứng được một số yêu cầu cơ bản sau :
- Hệ số nhiệt điện trở phải lớn. Hệ số này tốt nhất là không đổi hoặc thay đổi theo nhiệt
độ một cách đều đặn, không có đột biến. Trong khoảng nhiệt độ làm việc, hệ số nhiệt
điện trở không được phép triệt tiêu hoặc đổi dấu.
- Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở phải có điện trở suất (ρ) lớn để đảm bảo có điện trở ban
đầu Ro khá lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ.
- Vật liệu chế tạo nhiệt kế điện trở cần chịu được tác động của môi trường xung quanh,
ở nhiệt độ cao không thay đổi cơ tính, đặc biệt là diện tích.
- Dễ chế tạo, thay thế, dễ gia công cơ khí.
Chọn vật liệu làm NKĐT : ít chọn hợp kim vì hệ số nhiệt điện trở của nó nhỏ,
ngoài ra Ni và Fe mặc dù điện trở suất và α lớn nhưng đường đặc tính nhiệt độ điện trở
phức tạp. Thường sử dụng Cu, Pt đường đặc tính nhiệt điện trở của chúng có dạng đường thẳng.
Đồng (Cu) có khoảng đo từ -50 ÷ 80 oC,
Platin (Pt) có khoảng đo từ - 200 ÷ 1000 oC. Ngoài ra còn sử dụng chất bán dẫn.
a.- Nhiệt kế điện trở Platin.
Platin là kim loại quý, bền hóa học, dễ chế tạo, nguyên chất.
Điện trở suất của Pt : ρo = 0,0981.10-6 Ωm
Platin cho phép nung đến 1200 oC mà không bị ôxy hóa hay nóng chảy. Platin có độ
nhạy cao, dải đo nhiệt độ được dài. Phương trình chuyển đổi (quan hệ nhiệt độ - điện
trở) của nhiệt kế điện trở Platin phi tuyến và có dạng : -
Trong khoảng nhiệt độ từ 0 ÷ 660 oC : Rt = Ro ( 1 + A.t + B.t2 ) lOMoAR cPSD| 58970315 -
Trong khoảng nhiệt độ từ -180 ÷ 0 oC :
Rt = Ro [ 1 + A.t + B.t2 + C.( 100 - t )3 ] trong
đó : Ro là điện trở ở 0 oC.
A, B, C là các hằng số, và có các giá trị : A = 3,97.10-3 1/oC B = -5,85.10-7 1/oC C = -4,22.10-22 1/oC
Đường kính dây Platin được sử dụng để chế tạo nhiệt kế là : d = 0,05 ÷ 0,07 mm, tương
ứng có ρ = 0,1 Ωmm2/m. Nhiệt độ đo cực đại là tmax = 500 oC. Nếu đo nhiệt độ lớn hơn
thì đường kính dây phải khác.
Độ nguyên chất Pt được xác định bằng tỷ số
Thường sử dụng Pt có độ nguyên chất 1,3925 ÷ 1,390 để làm nhiệt kế điện trở.
Nhiệt kế điện trở Pt trong công nghiệp được sản xuất và chia độ theo tiêu chuẩn
và lấy Ro ở nhiệt độ 0 oC của Pt.
Ro = 1 ; 5 ; 10 ; 50 ; 100 ; 200 ; 500 ; 1000 Ω. Điện trở càng cao độ nhạy càng cao. Ưu điểm của Platin : -
Không bị ăn mòn, dẻo nên cho phép tạo thành những sợi mảnh đến 1,25
μm mà không có vật liệu nào có thể thay thế được. -
Quan hệ Rt = f ( t ) phi tuyến nhưng ổn định cao.
Platin không dùng được trong các môi trường khử ôxy (than, hơi Silic, Kali, Natri …).
b.- Nhiệt kế điện trở đồng.
Cu là vật liệu dẫn điện tốt. Điện trở suất ρo = 0,0155.10-6 Ωm
Dễ kiếm, nguyên chất, dễ gia công, rẻ nhưng ở nhiệt độ cao dễ bị oxy hóa.
Đồng thu được bằng phương pháp điện phân cho phép đốt nóng đến 180 oC
(không bị ôxy hóa) và đó cũng là giới hạn sử dụng trên của nhiệt kế điện trở đồng.
Phương trình chuyển đổi của nhiệt kế điện trở đồng trong khoảng nhiệt độ từ 50<
t < 180°C thực tế là tuyến tính, có dạng :
Rt = Ro ( 1 + α.t ) trong đó : α là hệ số
nhiệt độ của nhiệt điện trở và : α = 4,3.10-3 1/oC t là nhiệt độ
Ro là điện trở ở 0 oC. lOMoAR cPSD| 58970315
Độ nguyên chất của Cu dùng làm NKĐT là = 1,426 , nó có đặc điểm chỉ đo
nhiệt độ môi trường không ăn mòn và không có hơi ẩm để tránh oxy hóa. Độ sai số cho phép là 1%.
Khi điện trở Ro chưa biết, dùng biểu thức sau : t R ) 2 = R1 . ( 2 t1
trong đó : R1 , R2 là điện trở của nhiệt kế điện trở ở t1 , t2
τ = 1 là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, đối với đồng thì τ = 234 oC.
Để tính toán điện trở R2 ở nhiệt độ t2 bất kỳ theo công thức trên chỉ cần biết điện trở R1 ở nhiệt độ t1 .
Đồng có điện trở suất nhỏ hơn Platin và ρ = 0,017 Ωmm2/m, do đó khi chế tạo nhiệt
kế điện trở phải có chiều dài khá lớn.
Độ bền cơ học của đồng cũng nhỏ hơn Platin nên đường kính dây phải lớn (thường d = 0,1 mm).
Đồng rẻ, dễ kéo dây, dễ chế tạo nguyên chất.
c.- Nhiệt kế điện trở Niken.
Niken thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ 250 ÷ 300 oC. Ở nhiệt độ cao hơn,
đặc tính Rt = f ( t ) không đơn trị.
Trong khoảng nhiệt độ từ 0 ÷ 100 oC đặc tính như của đồng, ứng với : α = 5.10-3 1/oC
Các tính chất của Niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất, quá trình thoái nhiệt.
Ưu điểm của Niken : điện trở suất cao (gấp 5 lần đồng), hệ số nhiệt độ lớn cho phép sử
dụng trong các việc chế tạo loại nhiệt kế điện trở có kích thước nhỏ.
d.- Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn.
Nguyên lý : sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ tức là
dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường.
Quan hệ nhiệt độ - điện trở : RT = A.e /T trong đó : A - hằng số phụ thuộc
vào tính chất vật lý của bán dẫn, kích thước và hình dáng của điện trở. lOMoAR cPSD| 58970315
β - hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán dẫn.
T - nhiệt độ tuyệt đối.
e - cơ số logarit tự nhiên.
A và β đều không ổn định nên ta có thể tính theo α = ( -2,5% + -4%)/oC.
Thiết bị cảm biến nhiệt bán dẫn là các loại cảm biến được chế tạo từ những chất
bán dẫn (hình 9.8). Có các loại như : Diode, Transistor, IC.
Ưu điểm : Chất bán dẫn có độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch điện xử lý đơn
giản, kích thước của đầu nhiệt kế điện trở nhỏ, dễ chế tạo, rẻ tiền nên được sử dụng ngày càng nhiều.
Nhược : Khi cấu tạo đòi hỏi nguyên chất cao (vì tránh sai số lớn), không chịu
được nhiệt độ cao và kém bền.
Hình 9.8.- Thiết bị cảm biến nhiệt bán dẫn.
Ứng dụng nhiều trong việc đo nhiệt độ không khí. Sử dụng trong các thiết bị đo
và trong bảo vệ các mạch điện tử. Tầm đo : - 50 ÷ < 150 oC. Lưu ý khi sử dụng : -
Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn
kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến. -
Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài
dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này
để đạt được sự chính xác. -
Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt : Ẩm cao,
hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.
+ Mạch đo và chống sai số (hình 9.9) : lOMoAR cPSD| 58970315
Hình 9.9.- Mạch đo và cách chống sai số của nhiệt điện trở bán dẫn. + Ứng dụng và sai số : -
Sai số của nhiệt điện trở bán dẫn chủ yếu là do sự thay đổi điện trở đường
dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi. -
Điện trở đường dây có thể đạt tới 5 Omh trong khi điện trở của chuyển đổi từ vài trăm Omh. -
Ngoài ra dòng điện chạy qua điện trở gây nóng cũng làm cho điện trở tăng
và gây ra sai số. Thường chọn dòng khoảng vài mA. -
Ứng dụng của nhiệt điện trở bán dẫn (loại NTD, RTD …) chủ yếu đo nhiệt
độ, đo các đại lượng không điện như : đo sự di chuyển, áp suất, nồng độ một số chất khí.
đ.- Cảm biến nhiệt điện trở oxit kim loại (Thermistor).
Cấu tạo : Thông thường được chế tạo từ hốn hợp các oxit kim loại : Mangan,
Nickel, Cobalt … (MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZntiO4). lOMoAR cPSD| 58970315
Được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và
khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Mức độ dẫn điện
của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Các dây nối bằng kim loại được hàn
tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại (hình 9.10). -
Có hai loại thermistor : Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt
độ; Hệ số nhiệt âm NTC - điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC. -
Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50 ÷ 150 oC, do
vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích
bảo vệ, ngắt nhiệt. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ. Lưu ý khi sử dụng : -
Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu
ý hai loại PTC và NTC (PTC là thường đóng/ NTC là thường hở ). Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM. -
Nên ép chặt vào bề mặt cần đo. -
Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ. -
Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây.
Hình 9.10.- Thiết bị cảm biến nhiệt Thermistor.
Nguyên lý : thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
Hình dáng của nhiệt kế điện trở ôxýt cho trên hình 9.11. -
Ưu điểm : Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. -
Khuyết điểm : Dãy tuyến tính hẹp. - Dải đo : 50oC -
Ứng dụng : Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. lOMoAR cPSD| 58970315
Hình 9.11.- Hình dáng nhiệt kế điện trở oxit và mạch đo.
e.- Chế tạo nhiệt kế điện trở.
Đối với các loại nhiệt kế điện trở trên thường đã chế tạo có điện trở ban đầu Ro
lớn, chính là để giảm sai số trong quá trình đo vì khi đo nhiệt kế điện trở được nối với
mạch đo bằng dây dẫn đồng, bản thân dây dẫn đồng cũng có sự thay đổi điện trở theo
sự thay đổi của nhiệt độ.
Mặt khác, khi chế tạo mà có điện trở ban đầu quá lớn thì hạn chế được sai số nhưng
đòi hỏi dây phải nhỏ để không làm tăng kích thước, nhưng như vậy sẽ làm giảm độ bền
cơ học của cuộn dây và cuộn dây dễ bị nung nóng bởi dòng điện lại gây sai số phụ. lOMoAR cPSD| 58970315
Hình 9.12.- Dạng nhiệt kế điện trở.
Vì vậy để đảm bảo kết hợp các yêu cầu trên, thường chế tạo các nhiệt kế điện trở
có điện trở ban đầu :
- Với đồng : Ro = 53 và 100 Ω
- Với Platin : Ro = 46 và 100 Ω.
Bộ phận chủ yếu của nhiệt kế điện trở là lõi. Lõi có hai dạng cơ bản là : loại dây
quấn và loại màng mỏng (hình 9.12 và 9.13). a) b) c)
Hình 9.13.- Các dạng nhiệt kế điện trở. lOMoAR cPSD| 58970315
a) Cấu tạo nhiệt kế điện trở (bộ phận cảm biến) ; b) Lõi màng mỏng ; c) Lõi dây quấn.
l) Miếng ngăn mica ; m) Ống silica ; n) Lõi mica ; o) Dây chì ; p) Dây Platin.
1) Dây platin ; 2) Gốm cách điện ; 3) ống platin ; 4) Dây nối ; 5) Sứ cách điện ; 6) Trục gá ; 7)
Cách điện ; 8) Vỏ bọc ; 9) Xi măng.
Lõi dạng dây quấn là một trụ tròn trên đó quấn cuộn dây điện trở. Lõi phải có
tính cách điện cao, độ bền cơ học lớn, chịu nóng và không gây ảnh hưởng có hại đến điện trở.
Lõi dạng màng mỏng được chế tạo thành những phiến mỏng, loại trên đó gắn
cuộn dây điện trở hoặc trên rìa có răng cưa để quấn dây điện trở.
Lõi thường được chế tạo bằng : - Mica khi t < 500 oC.
- Thủy tinh khi t > 500 oC. - Nhựa khi t < 100 oC.
Các dây dẫn nối dây điện trở ở đầu nhiệt kế không được gây ảnh hưởng có hại
đối với vật liệu làm điện trở, không được phát sinh suất điện động với dây điện trở.
Chiều dài của nhiệt kế điện trở tùy thuộc vào kích thước cụ thể của nơi cần đo
nhiệt độ, nhưng chiều sâu nhúng vào môi trường đo đối với tất cả các loại nhiệt kế điện
trở không nhỏ hơn 150 mm.
Không đặt nhiệt kế ở nơi có chấn động, rung động, va chạm. Vị trí đặt tốt nhất là
theo hướng thẳng đứng. Khi buộc phải đặt theo hướng ngang thì phải quay ổ đấu dây
xuống dưới để tránh nước lọt vào. Khi đo ở đường ống có dòng khí hoặc nước chảy
qua thì vị trí đầu đo cần đặt quá tâm ống từ 50 ÷ 70 mm (hình 9.14).
Bao nhiệt phải đặt ở tâm dòng chất lỏng với độ sâu quy định.
Nếu đường kính ống đựng môi chất lớn thì ta đặt nhiệt kế thẳng đứng.
Nếu đo môi chất có nhiệt độ và áp suất cao thì cần phải có vỏ bảo vệ.
Nếu nhiệt độ t < 150 oC thì ta bơm dầu vào vỏ bảo vệ.
Nếu nhiệt độ cao hơn thì ta cho mạt đồng vào.