Chương 13: CẢM BIẾN QUANG TRONG ĐO NHIỆT ĐỘ Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt. Dụng cụ đo nhiệt độ vật thể bằng bức xạ nhiệt được gọi là hỏa kế bức xạ hay một cách đơn giản là hỏa kế. Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra từ các chất do nội năng của chúng (với bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngoài). Ta nhận thấy rằng cường độ bức xạ nhiệt của vật giảm mạnh khi nhiệt độ của vật giảm. Hỏa kế được dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300-6000 0 C và cao hơn. Để đo nhiệt độ đến 3000 0 C phương pháp duy nhất là dùng hỏa kế vì nó không tiếp xúc với môi trường đo. Về mặt lý thuyết giới hạn đo của hỏa kế không hạn chế. Ta nhận thấy rằng phương pháp đo không tiếp xúc có tính ưu việc là không làm sai lệch nhiệt của đối tượng đo. Phần lớn các chất rắn và lỏng có phổ đặc, nghóa là chúng phát ra các sóng cho chiều dài bước sóng từ 0 . Với mắt người chỉ nhận biết các sóng ánh sáng có chiều dài bước sóng =0,40- 0,75 m. Các bức xạ không nhìn thấy gồm các bức xạ hồng ngoại =0,75 đến 400 m. Các bức xạ có <0,4m cũng không nhìn thấy, chúng là các bức xạ tử ngoại, đó là các tia Rơnghen và Gama. Hỏa kế sử dụng các bức xạ nhìn thấy và hồng ngoại. Đo nhiệt độ của vật bằng bức xạ nhiệtdựa trên cơ sở các quy luật đối với vật đen tuyệt đối. Nếu trên bề mặt của một vật được truyền đến một thông lượng (năng lượng chuyển đi trong một đơn vò thời gian) thì nó bò hấp thụ ( ht ) phản xạ ( phx ) và xuyên qua ( xq ). Quan hệ giữa các thông lượng này phụ thuộc vào các tính chất của vật và đặc biệt là trạng thái bề mặt của nó (độ nhám, màu sắc và nhiệt độ). Nếu vật hấp thụ tất cả các bức xạ truyền tới thì hệ số hấp thụ = ht / =1 và ta gọi chúng là vật đen tuyệt đối, mà chỉ có một số vật trong chúng có tính chất quang học gần với vật đen tuyệt đối, ví dụ như: bồ hóng dầu mỏ, nhựa đen, nhung đen trong miền ánh sáng nhìn thấy có hệ số hấp thụ gần bằng đơn vò. Bề mặt của vật không những chỉ hấp thụ mà còn phát ra các bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ. Các đại lượng đặc trưng cho bức xạ nhiệt của vật là: - Cường độ bức xạ đơn sắc: E . - Cường độ bức xạ toàn phần: E . - Độ chói B (ký hiệu dùng cho vật đen tuyệt đối) d d E BX (5-37) BX : thông lượng bức xạ phát ra trên một đơn vò bề mặt nhiệt độ T trong khoảng chiều dài bước sóng d (từ đến +) (W/m 3 ): d.EE 0 (5-38) Trong đó: E ø là bức xạ toàn phần, hay năng lượng toàn phần phát ra từ một đơn vò bề mặt vật, nhiệt độ T trong một đơn vò thời gian đối với tất cả các bước sóng =0 đến = (W/m 2 ). d dE B (5-39) B : độ chói của phổ năng lượng là tỷ số giữa cường độ bức xạ đơn sắc đối với một đơn vò góc khối d (W/steradian.m 3 ). Khi đo nhiệt độ bằng hỏa kế thì độ chói của phổ năng lượng là một đại lượng cơ bản. Độ nhạy cảm của mắt người tỷ lệ trực tiếp cường độ bức xạ đơn sắc. B =k .d E (5-40) k là hệ số, k =1/. Theo đònh luật Kirchoff khả năng bức xạ của vật tỷ lệ với hệ số hấp thụ của vật đen tuyệt đối bằng 1 nên nó có khả năng bức xạ cực đại. Các vật thể thực ở nhiệt độ như nhau có khả năng bức xạ khác nhau. Việc đánh giá được so sánh với khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối: E E B B E E (5-41) Hệ số của phổ bức xạ (mức đen của tia đơn sắc) là hàm số của bước sóng và nhiệt độ T, là hệ số bức xạ toàn phần. Nhờ đònh luật Kirchhoff đối với tất cả các vật thể thực: = và = . Ở đây, và là hệ số hấp thụ của bức xạ toàn phần và đơn sắc. Để đo độ chói của vật mang nhiệt độ người ta dùng hỏa kế quang học và hỏa kế quang điện. Hỏa kế quang học được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm và sản xuất để đo nhiệt độ lớn hơn 800 0 C. Nguyên lý hoạt động của hỏa kế quang học dựa trên cơ sở so sánh độ chói quang phổ của vật đo với độ chói chuẩn bằng mắt thường để xác đònh sự trùng của độ chói đo với độ chói chuẩn. Phổ biến nhất là hỏa kế quang học dây tóc (hình 5.12). Để đo nhiệt độ của vật, người ta hướng vật kính (1) của dụng cụ đo tới vật đo sao cho có thể quan sát từ thò kính (7) sợi tóc của đèn (4). So sánh độ chói của vật đo và dây tóc đèn (4) thường thực hiện khi bước sóng bằng 0,65 m. Để thực hiện điều đó, ta đặt trước thò kính một thiết bò lọc ánh sáng đỏ (6). Sự chọn lọc bộ lọc ánh sáng đỏ tạo cho mắt người cảm nhận qua bộ lọc này chỉ một phần quang phổ đi qua gần với tia đơn sắc. Ngoài ra việc sử dụng bộ lọc ánh sáng đỏ cho phép giảm giới hạn dưới của hỏa kế. Thành ngăn (đầu vào 3 và đầu vào 5) giới hạn góc vào và ra của hỏa kế. Giá trò tối ưu của nó cho phép bảo đảm sự chỉ thò của dụng cụ đo không phụ thuộc vào khoảng cách đo. Chúng ta có thể quan sát hình ảnh của sợi tóc bóng đèn trên phông của vật đo: phông chiếu sáng-dây tóc tối (hình 5.12a), phông tối-dây tóc sáng (hình 5.12c), nhờ có biến trở Rb ta có thể thay đổi cường độ dòng điện đi qua đèn cho đến khi mà độ sáng của dây tóc bằng độ sáng của vật đo. Khi đó kim chỉ của mA với sự chia độ theo ánh sáng phụ thuộc vào nhiệt độ sẽ cho biết nhiệt độ tương ứng của vật. a1 b1 c1 T°>T H mA Rb 1 2 3 4 5 6 7 T°=T H T°<TH Hình 5.12 Sơ đồ hỏa kế quang học. Dây tóc của đèn làm bằng vonfram, có thể chòu được nhiệt độ cao hơn 1400 0 C. Để đo nhiệt độ cao hơn, người ta đặt trước đèn một thiết bò lọc ánh sáng hấp thụ (2) để giảm độ chói và có thể nhìn thấy được dây tóc, giữ cho nó không nung nóng quá mức, bảo đảm sự ổn đònh chia độ của hỏa kế. Hiện nay hỏa quang kế dùng để đo nhiệt độ từ 800-6000 0 C có nhiều loại với các phạm vi đo khác nhau. Cấp chính xác của hỏa quang kế từ 1,5-4,0. Khác với hỏa kế quang học, hỏa kế quang điện là dụng cụ đo tự động. Phần tử thu năng lượng bức xạ có thể là tế bào quang điện, điện trở quang điện hay diot quang điện. Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang điện cũng dựa trên cơ sở sự phụ thuộc quang phổ độ chói của vật vào nhiệt độ của nó. Theo nguyên lý hoạt động, hỏa kế quang điện được phânthành hai loại: - Dụng cụ nhận năng lượng bức xạ truyền tới phần tử thu và làm thay đổi các tham số của nó (dòng quang điện, điện trở). - Đo năng lượng bức xạ bằng phương pháp bù. Ở đây, phần tử nhạy cảm làm việc ở chế độ chỉ thò không. Cường độ bức xạ phát ra từ vật đo được so sánh với bức xạ của một nguồn ổn đònh (một đèn sợi đốt nhỏ). Loại hỏa kế quang điện thứ hai phức tạp hơn, nhưng chính xác hơn vì sự chỉ thò của nó không phụ thuộc vào đặc tính của phần tử thu và đặc tính của mạch điện tử. Chúng ta hãy khảo sát loại hỏa kế này (hình 5.13). 1 2 3 5 6 7 8 9 10 U CQ 4 Hình 5.13 Sơ đồ hỏa kế quang điện. Ống kính của dụng cụ ngắm vào vật đo sao cho quang thông truyền tới vật kính (2) đi qua màng ngăn (3) và lỗ trên của màng chắn (5) và được làm giảm bằng bộ lọc màu đỏ (6), sau đó đến phần tử thu quang điện (7). Ở lỗ phía dưới của tấm chắn (5), người ta truyền một quang thông từ nguồn sáng (1), cung cấp dòng điện từ bộ nguồn (9) và được điều khiển bằng khuyếch đại điện tử (8). Đầu vào là dòng quang điện cấp từ tế bào quang điện. Quang thông truyền đến tế bào quang điện (7) theo pha ngược lại. Điều này được thực hiện nhờ cửa điều tiết (4) nó lần lượt cắt các lỗ của màng ngăn (5). Hình dáng của cửa điều tiết và lỗ của tấm chắn (5) thực hiện sao cho mỗi khi quang phổ truyền tới tế bào quang điện sẽ tạo ra một dòng điện hình sin đảo pha. Do đó khi quang phổ của đèn và của vật đo là như nhau hay chính xác hơn: độ chói như nhau, tác dụng đảo pha sẽ tạo ra trên tế bào quang điện một dòng điện một chiều. Nếu cường độ quang thông của chúng khác nhau, ví dụ khi nhiệt độ thay đổi, thì trong mạch tế bào quang điện sẽ xuất hiện thành phần dòng quang điện xoay chiều, nó được khuyếch đại lên bằng bộ khuyếch đại (8) và đưa qua tần nhạy pha của khối (9). Kết quả làm thay đổi dòng nung nóng đèn (1) cho đến khi quang thông của chúng cân bằng. Nói một cách chính xác: quang thông của đèn đôi khi không bằng quang thông của vật đo. Do đó việc cân bằng quang thông được thực hiện theo sơ đồ bù tự động tỷ lệ. Nhưng nhờ có hệ số khuyếch đại lớn nên sai số cân bằng tónh của hệ thống nhỏ. Như vậy dòng điện của đèn có liên hệ đơn trò với độ chói, do đó ta có thể dùng nó để đo nhiệt độ của vật. Ta có thể dùng một điện thế kế đo điện áp rơi trên điện trở (10), thang đo của điện thế kế chia vạch tương ứng của nhiệt độ. Hỏa kế quang điện có thể đo được nhiệt độ từ 800-2000 0 C có cấp chính xác 1 và 1,5. . hạn dưới của hỏa kế. Thành ngăn (đầu vào 3 và đầu vào 5) giới hạn góc vào và ra của hỏa kế. Giá trò tối ưu của nó cho phép bảo đảm sự chỉ thò của dụng cụ đo không phụ thuộc vào khoảng cách đo kế này (hình 5 .13) . 1 2 3 5 6 7 8 9 10 U CQ 4 Hình 5 .13 Sơ đồ hỏa kế quang điện. Ống kính của dụng cụ ngắm vào vật đo sao cho quang thông truyền tới vật kính (2) đi qua màng ngăn (3) và lỗ trên. dùng hỏa kế quang học và hỏa kế quang điện. Hỏa kế quang học được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm và sản xuất để đo nhiệt độ lớn hơn 800 0 C. Nguyên lý hoạt động của hỏa kế quang học