Cảm biến công ngiệp-chuong 3

• Đo nhiệt độ: gián tiếp, dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ... Thang đo nhiệt độaThang nhiệt độ động học: do Thomson Kelvin xây dựng trên cơ sở định luật nhiệt độ

Chương 3

CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

1 Khái niệm chung

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

Q Q

Q T

P

PV T

0 0 100

100 

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  32oF

Điểm nước sôi  212oF

  T C 32

5

9 F

T o  o 

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

c T ke T

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:

V t

V ( )  0  v

l t

l ( )  0  l

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

A

B 2

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

A

2.4 Nhiệt kế giãn nở chất lỏng

- Vỏ thuỷ tinh có tt =2.10 -5/oC

- Thủy ngân có Hg =18.10-5/oC

Hoặc dầu, rượu, cồn …

• Khi t tăng t  chất lỏng giản nở

1 Bình nhiệt

2 Ống mao dẫn

3 Chất lỏng

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:

)T(

3.2 Nhiệt kế điện trở kim loại

a) Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại.

- Loại điện trở dây quấn:

2 1

3

3

2 1

3

1 Vỏ 2 Dây điện trở 3 Lõi cách điện

3.2 Nhiệt kế điện trở kim loại

Độ tuyến tính - - Cao Cao

3.2 Nhiệt kế điện trở kim loại

3.2 Nhiệt kế điện trở kim loại

• Nguyên lý làm việc: dựa trên sự thay đổi điện

T

R( )    

 T 1 T 

R T

T

R(   )   R

dT

dR R

1 dT

dl l

1 dT

d

1 dT

dR R

3.2 Nhiệt kế điện trở kim loại

l

dT

dR R

3.2 Nhiệt kế điện trở kim loại

3.3 Nhiệt kế điện trở silic

a)Cấu tạo: chế tạo từ đơn

tinh thể Si pha tạp loại N, kích

0

T R 1 A T T B T T

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,

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:

1 exp

T

T R

) T ( R

1 B R

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.

p t

2 2

1 1

1 k B i

2 2

2 k B i

3.5.Mạch đo và dụng cụ thứ cấp

• Khi nhiệt độ tăng lên Rt > Rt0:

Roto quay theo chiều của M 1  M1 giảm, M 2 tăng

Cho đến khi đạt cân bằng mới M 1 = M 2 :

Góc quay của roto:

2 1

2 1

1 1

p t

2 2

p R R R R I I M M

 t

f B

B f

t p

2 p

t p

2 p

1 1

2

1 1

2

R R

R R

R R

R R

E

R R

E I

I B

Cầu hai dây dẫn Cầu ba dây dẫn

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.

 t d1 d2 

2 3

1 R R R R R

 R1  Rd2  R3  R2  Rt  Rd1 

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 Rpcho 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

t0

t

2 1

Sơ đồ nguyên lý

4.1 Hiệu ứng nhiệt điện

- -

-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 ( e

EAB  AB  BA 0  A 0  B 0

) t , t ( e )

t , t ( e )

t ( e

) t ( e

EAB  AB  AB 0  A 0  B 0

) t ( e

) t ( e

EAB  AB  AB 0

)t(fC

)t(e

EAB  AB  

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

t1B

Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba

4.2 Cấu tạo và vật liệu

1 3

2 4

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

( o C)

E đ.Tmax (mV)

Tlv dh ( o C)

Platin-Rođi / Platin (+) 90%Pt+10%Rd

(-) Pt < 1600 16,77 <1300Chromel / 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

 Nguyên tắc làm việc: EAB(t,t0)  (i)  làm

khung dây của milivôn kế quay đi một góc ():

4.3 Mạch đo và dụng cụ thứ cấp

- Do ảnh hưởng của nhiệt độ đầu tự do

t’o ≠ to = 0oC.

Rd, Rv.

) t ( e

) t , t (

EAB 0  AB  AB 0

) t ( e

) t ( e

) t , t (

EAB '0  AB  AB '0

) t , t ( E

) t , t ( E

) t , t (

) t , t ( E )

t , t

C A

D B E

t 0

) t ( e ) t ( e ) t ( e ) t ( e

mV

) t ( e ) t (

eCA '0  DB '0

) t ( e ) t ( e

E  AB  CD 0

) t ( e ) t ( e

E  AB  AB 0

A Bt

a

b

) t , t ( E

U )

t , t (

EAB '0  cd  AB 0

• Chọn sao cho: Ucd = EAB(t’0,t0)



V 0

AB m

R R

R

R )

t , ( E

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:

Rx

R

) R R

R ( I R

I

) R R

R ( I R

) I I

d AB

AB

X P

R R

R R

R I

E I

R L

l I R

l I R

I

E X  0 AB  0

3 4

1) Nguồn bức xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ 4) Bộ phận thu năng lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp

5.1 Hoả kế bức xạ toàn phần

Đặc điểm:

• Đo không tiếp xúc  giảm nhẹ điều kiện lao động

• Đo được nhiệt độ cao >1000oC, sai số ±27oC

• Loại hội tụ tổn thất năng lượng lớn (30 - 40%) nhưng ít chịu ảnh hưởng của bụi và ẩm

• 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:

• Vật đo phải có độ đen xấp xỉ bằng

1

• Tỉ lệ D/L không nhỏ hơn 1/16

Khoảng cách đo tốt nhất là 1  0,2

mét

• Nhiệt độ môi trường 20  2oC

Hiệu chỉnh kết quả đo khi  <1:

T T

C I

RT

C 5

1 2 T

IT - cường độ bức xạ đơn sắc ứng với bước sóng  ở nhiệt độ T(k).

Sự phụ thuộc của I vào  và T

 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:

 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 T

dây = Tvật Tdây > Tvật

5.2 Hoả kế quang

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  <1  sai số, công thức hiệu chỉnh:

TT

Tđo  đh  