tài liệu cảm biến nhiệt

Chương III CẢM BIẾN NHIỆT Chương III CẢM BIẾN NHIỆT I. Thang nhiệt độ I. Thang nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng vật lý: - Có một vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất → được quan tâm nhiều nhất. - Làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó (áp suất, thể tích của chất khí hay sự thay đổi pha của điểm Curie của vật liệu từ tính). Tuy nhiên, để đo chính xác trị số của nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Phần lớn các đại lượng vật lý là đại lượng mở rộng: được xác định bằng bội hoặc ước của đại lượng chuẩn (đại lượng so sánh). Nhiệt độ là một đại lượng gia tăng. Việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có ý nghĩa vật lý rõ ràng. => Cần nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang đo nhiệt độ là điều cần làm trước khi nói đến việc đo nhiệt độ. CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT Xuất phát từ những định luật nhiệt động học, người ta mới có thể xác định thang đo nhiệt độ có đặc trưng tổng quát trong mọi trường hợp. Các thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự nhau và dựa trên các tính chất của chất khí lý tưởng. 1. Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối: - được gọi là thang Kelvin, - đơn vị nhiệt độ là K - Nhiệt độ cân bằng của ba trạng thái nước – nước đá – hơi: 273,16K. CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT Từ thang Kelvin, người ta xác định các thang mới: thang Celsius, thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ. 2. Thang Celsius: - Đơn vị nhiệt độ: ( 0 C); 1 0 C = 1K. - Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin: T( 0 C) = T(K) – 273,15 3. Thang Fahrenheit: - Đơn vị nhiệt độ: ( 0 F) - T( 0 C) = [T( 0 F) – 32].(5/9) - T( 0 F) = (9/5).T( 0 C) + 32 CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( 0 C) Fahrenheit ( 0 F) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp nước-nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước-nước đá -hơi nước 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212 Một số nhiệt độ quan trọng ở các thang đo khác nhau CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng ở các thang đo khác nhau được cho ở bảng sau:  Có nhiều cách đo nhiệt độ khác nhau: ♦ Phương pháp quang: ▪ Dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler). ♦ Phương pháp điện: ▪ Dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck), ▪ Dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh. ♦ Phương pháp cơ: ▪ Dựa trên sự giản nở của vật rắn, lỏng, hoặc khí, ▪ Dựa trên tốc độ âm. CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT II. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo II. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo 1. Nhiệt độ đo được - Nhiệt độ đo được chính bằng nhiệt độ của cảm biến T C . - Nó phụ thuộc vào: ▪ Nhiệt độ môi trường T X ▪ Sự trao đổi nhiệt trong môi trường cần đo. - Khi làm thực nghiệm cần làm hiệu số T X - T C giảm xuống nhỏ nhất. CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT  Có hai cách để làm giảm sự cách biệt giữa T X và T C : ▪ Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo. ▪ Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài. 2. Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn  Đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, cần thực hiện: • Từ bề mặt của vật, người ta khoan một lỗ nhỏ có đường kính và độ sâu L. • Qua lỗ này, người ta đưa cảm biến vào sâu trong vật rắn. CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT  Để tăng độ chính xác của kết quả, cần phải bảo đảm hai điều kiện: • L ≥ 10d • Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến: * Giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. * Khoảng trống giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt. CẢM BIẾN NHIỆT CẢM BIẾN NHIỆT [...]... mà sử dụng loại cảm biến Cảm biến điện trở bằng đồng chỉ đo được đến 180 0 CẢM BIẾN NHIỆT -nhiệt điện trở 1.2 Nhiệt điện trở a Cấu trúc: -Nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3,Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 -Nó thường có dạng thanh (khối), tròn (khối), vòng đệm, đĩa và màng Cấu trúc này phụ thuộc vào yêu cầu của đối tượng đo CẢM BIẾN NHIỆT -nhiệt điện trở... của bán dẫn CẢM BIẾN NHIỆT -nhiệt điện trở T: nhiệt độ của điện trở, tính theo nhiệt độ tuyệt đối Nếu bỏ qua sự phụ thuộc của B vào nhiệt độ thì độ nhạy nhiệt có dạng: α = -B/T2 c Mạch đo: + Thường dùng mạch cầu, và nhiệt điện trở là một R4 R1 nhánh của mạch cầu U ⇒Kết quả đo tương đối chính xác R2 R3 R4: biến trở để cân bằng mạch cầu CẢM BIẾN NHIỆT -nhiệt điện trở d Ứng dụng: -Đo nhiệt độ, -Đo các... cùng nhiệt độ, • Nhiệt độ ở đầu nối không làm việc phải cố định và thường là 00 • Chọn dây nối thích hợp để tín hiệu tiêu hao trên đường dây là ít nhất CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt ♣ Chú ý: - Khi đo nhiệt độ của các vật rắn, để nâng cao độ chính xác, cặp nhiệt cần đặt sâu trong môi trường - Khi đo nhiệt độ mặt ngoài → đặt cặp nhiệt trên mặt đẳng nhiệt         Đo nhiệt độ bề mặt vật rắn bằng cặp nhiệt CẢM... suất giảm khi nhiệt độ tăng ⇒ Hệ số nhiệt có giá trị âm và không phụ thuộc vào pha tạp CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt 2 Cặp nhiệt 2.1 Cấu tạo và đặc điểm chung Nếu tạo nên một mạch bằng hai vật dẫn khác nhau A, B Chúng được nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ t1 và t2 Trong mạch sẽ xuất hiện một suất điện động gọi là suất điện động nhiệt: e = f(t1) – f(t0) A B e CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt Một mạch... gọi là cặp nhiệt ♦ Những vật dẫn hình thành cặp nhiệt gọi là cực nhiệt điện ♦ Chỗ nối chúng với nhau gọi là đầu nối Nếu giữ một đầu ở nhiệt độ không đổi (t0 = const), suất điện động nhiệt là một hàm của t1: e = f(t1) - C ♦ Đầu nối có nhiệt độ không đổi t1: đầu nối không làm việc ♦ Đầu nối đặt vào môi trường cần đo nhiệt độ: đầu nối làm việc CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt Từ suất điện động nhiệt = >nhiệt độ... điểm sau: ♦ Hệ số nhiệt có giá trị dương → ở nhiệt độ 1200C,... hưởng của dòng ngược Độ nhạy nhiệt: S = d(V1 – V2)/dt Hay tính bằng số: S = 86,56log(I1/I2) CẢM BIẾN NHIỆT- diode,transistor ♦ Nhận xét: • Độ nhạy nhiệt này lớn hơn nhiều so với dùng cặp nhiệt, nhưng nhỏ hơn so với nhiệt điện trở • Đặc biệt: không cần nhiệt độ chuẩn • Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế bởi sự thay đổi tính chất điện của cảm biến ở các nhiệt độ giới hạn • Dải nhiệt độ làm việc: 500C – 1500C... bằng cặp nhiệt CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt 2.3 Các ứng dụng - Đo nhiệt độ, - Khống chế tự động nhiệt độ, - Đo lưu tốc của dòng khí Nguyên lý đo: Trong một bình khí kín chứa một sợi dây Sợi dây được cung cấp một dòng không đổi Cặp nhiệt đo nhiệt độ của dây Nhiệt độ của dây phụ thuộc vào áp suất của chất khí trong bình => Đo áp suất trong chân không thấp, đo lưu tốc của chất khí ~ CẢM BIẾN NHIỆT- diode,transistor... cặp nhiệt trong một dải rộng của nhiệt độ là hàm không tuyến tính theo t 1 Mỗi loại cặp nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trị của suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ) và một biểu thức diễn giải sự phụ thuộc của suất điện động vào nhiệt độ Độ nhạy nhiệt hay còn gọi là năng suất nhiệt điện của cặp ở nhiệt độ t1 được xác định bởi biểu thức: f(t1) = dEA/B/dt f: hàm của nhiệt độ và có đơn vị: μV/0C CẢM BIẾN... nồng độ, độ dẫn nhiệt, truyền nhiệt, … -Sử dụng để bù nhiệt trong mạch điện tử giúp mạch làm việc ổn định trong điều kiện nhiệt độ biến đổi Ưu: -Có kích thước nhỏ → đo nhiệt độ ở từng điểm -Có điện dung nhỏ → tốc độ hồi đáp cao CẢM BIẾN NHIỆT- điện trở Silic 1.3 Điện trở Silic -Là một điện trở bán dẫn, -Được chế tạo bằng công nghệ khuếch tán tạp chất vào đơn tinh thể Silic ☻Nó khác với nhiệt điện trở