Cảm biến công nghiệp : Cảm biến đo nhiệt độ part 2 ppsx

- 54 - + Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. + Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. + Hệ số nhiệt điện trở ở 0 o C bằng 3,9.10 -3 / o C. + Điện trở ở 100 o C lớn gấp 1,385 lần so với ở 0 o C. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200 o C ữ 1000 o C. - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10 -3 / o C. + Điện trở ở 100 o C lớn gấp 1,617 lần so với ở 0 o C. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250 o C. Đồng đợc sử dụng trong một số trờng hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thờng không vợt quá 180 o C. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thớc điện trở. Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo đợc các điện trở cao với kích thớc nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất d sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở. Bảng 3.2 Thông số Cu Ni Pt W T f ( o C) 1083 1453 1769 3380 c (J o C -1 kg -1 ) 400 450 135 125 (W o C -1 m -1 ) 400 90 73 120 l x10 6 ( o C) 16,7 12,8 8,9 6 x10 8 (m) 1,72 10 10,6 5,52 x10 3 ( o C -1 ) 3,9 4,7 3,9 4,5 b) Cấu tạo nhiệt kế điện trở Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thờng 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. - 55 - Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thớc điện trở. Để hợp lý ngời ta thờng chọn điện trở R ở 0 o C có giá trị vào khoảng 100 , khi đó với điện trở platin sẽ có đờng kính dây cỡ vài à m và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận đợc nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm thơng mại thờng có điện trở ở 0 o C là 50 , 500 và 1000 , các điện trở lớn thờng đợc dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp. - Nhiệt kế công nghiệp : Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống đợc va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại đợc cuốn và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 3.4 là các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin. - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thờng đợc chế tạo bằng phơng pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng nh hình vẽ 3.5. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài à m và kích thớc nhiệt kế cỡ 1cm 2 . 8 Hình 3.4 Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ố ng platin 4) Dây nối 5) Sứ cách điện 6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng 1 23 4 5 1 7 6 6 9 Hình 3.5 Nhiệt kế bề mặ t - 56 - Đặc trng chính của nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10 -3 / o C đối với trờng hợp Ni và Fe-Ni ~4.10 -3 / o C đối với trờng hợp Pt. - Dải nhiệt độ sử dụng: -195 o C ữ 260 o C đối với Ni và Fe-Ni. -260 o C ữ 1400 o C đối với Pt. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lu ý đến ảnh hởng biến dạng của bề mặt đo. 3.3.3. Nhiệt kế điện trở silic Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi đợc kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dơng, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/ o C ở 25 o C. Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic đợc chế tạo có kích thớc 500x500x240 à m đợc mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc. 3.3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn a) Vật liệu chế tạo Nhiệt điện trở đợc chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể nh: MgO, MgAl 2 O 4 , Mn 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Co 2 O 3 , NiO, ZnTiO 4 . Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức: = 0 2 0 0 T 1 T 1 exp T T R)T(R (3.11) Trong đó R 0 () là điện trở ở nhiệt độ T 0 (K). Độ nhạy nhiệt có dạng: Trong dải nhiệt độ làm việc ( -55 ữ 200 o C) có thể lấ y g ần đún g g iá trị điện tr ở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: () ( ) [ ] 2 000T TTBTTA1RR ++= Trong đó R 0 và T 0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn. Sự tha y đổi nhiệt của điện trở tơn g đối nhỏ nên có thể tu y ến tính hoá bằn g cách mắc thêm một điện trở phụ. T o C 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 -50 0 50 100 R( ) Hình 3.6 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic - 57 - 2 R T b+ = Vì ảnh hởng của hàm mũ đến điện trở chiếm u thế nên biểu thức (3.11) có thể viết lại: = 0 0 T 1 T 1 BexpR)T(R (3.12) Và độ nhạy nhiệt: 2 R T B = Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K. b) Cấu tạo Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10 -4 -10 -3 K. Kích thớc cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300 o C. 3.4. Cảm biến nhiệt ngẫu 3.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện Phơng pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Ngời ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau đợc nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t 0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế. Hiện tợng trên có thể giải thích nh sau: Hình 3.7 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh Hỗn hợ p bột ox y t đợc trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó đợc nén định dạn g và thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000 o C. Các dâ y nối kim loại đợc hàn tại hai điểm trên bề mặt và đợc p hủ bằn g một lớ p kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ tinh. - 58 - Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ. Thông thờng khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng. Tơng tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t 0 ) cũng xuất hiện một hiệu điện thế e AB (t 0 ). Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế tơng ứng trong A là e A (t,t 0 ) và trong B là e B (t,t 0 ). Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau: )t,t(e)t,t(e)t(e)t(eE 0B0A0BAABAB + + += (3.13) Vì e A (t 0 ,t) và e B (t,t 0 ) nhỏ và ngợc chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có: )t(e)t(eE 0BAABAB += Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t 0 khi đó sức điện động tổng: 0)t(e)t(eE 0BA0ABAB = += Hay: )t(e)t(e 0AB0BA = (3.14) Nh vậy: )t(e)t(eE 0ABABAB = (3.15) Phơng trình (3.15) gọi là phơng trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ phơng trình (3.15) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t 0 = const thì: )t(fC)t(eE ABAB = + = (3.16) Hình 3. 8 Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu t 0 t AB 2 1 Giả sử ở nhiệt độ t 0 nồn g độ điện t ử trong A là N A (t 0 ), trong B là N B (t 0 ) và ở nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là N A (t), trong B là N B (t), nếu N A (t 0 ) > N B (t 0 ) thì nói chung N A (t) > N B (t). Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do N A (t) > N B (t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A B và ở chổ tiế p xúc xuất hiện một hiệu điện thế e AB (t) có tác dụn g cản trở sự khuếch tán. Khi đạt cân bằng e AB (t) sẽ không đổi. - 59 - Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t 0 = const biết trớc làm nhiệt độ so sánh và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định đợc nhiệt độ t ở mối hàn thứ hai. Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba (hình 3.9) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. Thật vậy: - Trong trờng hợp a: )t(e)t(e)t(e)t,t(E 0CA0BCAB0ABC + += Vì: 0)t(e)t(e)t(e 0CA0BC0AB = ++ Nên: )t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0ABC = - Trờng hợp b: )t(e)t(e)t(e)t(e)t,t,t(E 1CB1BC0ABAB01ABC + + = Vì: )t(e)t(e 1CB1BC = Nên: )t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0ABC = Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh. 3.4.2. Cấu tạo cặp nhiệt a) Vật liệu chế tạo Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Hình 3.9 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba t 2 3 t 0 t 0 A B C 1 a) 2 3 t 0 t 1 A B C 1 t 4 t 1 B b) . chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300 o C. 3.4. Cảm biến nhiệt ngẫu 3.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện Phơng pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu. nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10 -4 -10 -3 K. Kích thớc cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ nhiệt có dạng: Trong dải nhiệt độ làm việc ( -55 ữ 20 0 o C) có thể lấ y g ần đún g g iá trị điện tr ở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: () ( ) [ ] 2 000T TTBTTA1RR ++= Trong