NHIỆT độ các LOẠI cảm BIẾN NHIỆT độ THÔNG DỤNG

NHIỆT ĐỘ CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ THÔNG DỤNG Nhiệt độ thành phần chủ yếu hệ thống thu thập liệu Do vậy, chọn lựa thiết bò đo lường nhiệt độ xác ta tiệt kiệm chi phí lượng, tăng độ an toàn giảm thời gian kiểm tra… thiết bò đo lường nhiệt độ thường dùng cảm biến nhiệt độ Cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt, thermistors and infrared thermometers loại cảm biến nhiệt độ thông thường Việc chọn lựa thiết bò để hoạt động xác tuỳ thuộc vào nhiệt độ tối đa, tối thiểu cần đo, độ xác điều kiện môi trường Trước hết, tìm hiểu khái niệm nhiệt độ NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC THANG ĐO NHIỆT ĐỘ Galileo cho người phát minh thiết bò đo nhiệt độ, vào khoảng năm 1592 Ông ta làm thí nghiệm sau : bồn hở chứa đầy cồn, ông cho treo ống thủy tinh dài có cổ hẹp, đầu có bầu hình cầu chứa đầy không khí Khi gia tăng nhiệt, không khí bầu nở sôi sùng sục cồn Còn lạnh không khí co lại cồn dâng lên lòng ống thủy tinh Do đó, thay đổi nhiệt bầu biết cách quan sát vò trí cồn lòng ống thủy tinh Tuy nhiên, người ta biết thay đổi nhiệt độ chưa có tầm đo cho nhiệt độ Đầu năm 1700, Gabriel Fahrenheit, nhà chế tạo thiết bò đo người Hà Lan, tạo thiết bò đo xác cho phép lặp lại nhiều lần Đầu thiết bò gán độ, đánh dấu vò trí nhiệt nước đá trộn với muối (hay ammonium chloride) nhiệt độ thấp thời Đầu thiết bò gán 96 độ, đánh dấu nhiệt độ máu người Tại 96 độ mà 100 độ? Câu trả lời người ta chia tỷ lệ theo 12 phần tỷ lệ khác thời Khoảng năm 1742, Anders Celsius đề xuất ý kiến lấy điểm tan nước đá gán độ điểm sôi nước gán 100 độ, chia làm 100 phần Đầu năm 1800, William Thomson (Lord Kelvin) phát triển tầm đo phổ quát dựa hệ số giãn nở khí lý tưởng Kelvin thiết lập khái niệm độ tuyệt đối tầm đo chọn tiêu chuẩn cho đo nhiệt đại Thang Kelvin : đơn vò K Trong thang Kelvin này, người ta gán cho nhiệt độ cho điểm cân ba trạng thái: nước – nước đá – mp65t giá trò số 273.15K Từ thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối( Thang Kelvin), người ta xác đònh thang thang Celsius thang Fahrenheit( cách dòch chuyển giá trò nhiệt độ) Thang Celsius : Trong thang đo này, đơn vò nhiệt độ (°C ), độ Celsius độ Kelvin Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin xác đònh biểu thức : T(°C) = T(°K) - 273,15 Thang Fahrenheit : T(°C) =5/9 {T(°F) – 32} T(°F) =9/5 T(°C) + 32 CÁC LOẠI CẢM BIẾN HIỆN TẠI Tùy theo lónh vực đo điều kiện thực tế mà chọn bốn loại cảm biến : thermocouple, RTD, thermistor, IC bán dẫn Mỗi loại có ưu điểm khuyết điểm riêng 2.1 Thermocouple Ưu điểm • Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất • Đơn giản • Rẻ tiền • Tầm thay đổi rộng • Tầm đo nhiệt rộng Khuyết điểm • Phi tuyến • Điện áp cung cấp thấp • Đòi hỏi điện áp tham chiếu • Kém ổn đònh • Kém nhạy 2.2 RTD (resistance temperature detector) Ưu điểm • Ổn đònh • Chính xác • Tuyến tính thermocouple Khuyết điểm • Mắc tiền • Cần phải cung cấp nguồn dòng • Lượng thay đổi ∆R nhỏ • Điện trở tuyệt đối thấp • Tự gia tăng nhiệt 2.3 Thermistor Ưu điểm • Ngõ có giá trò lớn • Nhanh • Đo hai dây Khuyết điểm • Phi tuyến • Giới hạn tầm đo nhiệt • Dễ vỡ • Cần phải cung cấp nguồn dòng • Tự gia tăng nhiệt 2.4 IC cảm biến Ưu điểm • Tuyến tính • Ngõ có giá trò cao • Rẻ tiền Khuyết điểm • Nhiệt độ đo 200°C • Cần cung cấp nguồn cho cảm biến Trong nội dung luận văn này, sử dụng Thermocouple để đo nhiệt độ 3 THERMOCOUPLE VÀ HIỆU ỨNG SEEBECK 3.1 Hiệu ứng Seebeck Năm 1821, Thomas Seebeck khám phá nối hai dây kim loại khác hai đầu gia nhiệt đầu nối có dòng điện chạy mạch Kim loại A Kim loại A Kim loại B Nếu mạch bò hở đầu thì hiệu điện mạch hở (hiệu điện Seebeck) hàm nhiệt độ mối nối thành phần cấu thành nên hai kim loại Khi nhiệt độ thay đổi lượng nhỏ hiệu điện Seebeck thay đổi tuyến tính theo : ∆eAB = α∆T với α hệ số Seebeck 3.2 Quá trình dẫn điện Thermocouple + eAB Kim loại A - Kim loại B Cặp nhiệt điện thiết bò chủ yếu để đo nhiệt độ Nó dựa sở kết tìm kiếm Seebeck(1821), cho dòng điện nhỏ chạy mạch bao gồm hai dây dẩn khác mối nối chúng giữ nhiệt độ khác mối nối chúng giữ nhiệt độ khác Suất điện động Emf sinh điều kiện gọi suất điện động Seebeck Cặp nhiệt điện sinh mạch nhiệt điện gọi Thermocouple Hình : Mối nối nhiệt điện Để hiểu hiệu dẩn điện cặp nhiệt điện Seebeck, trước hết ta nghiên cứu cấu trúc vi mô kim loại nguyên tử thành phần mạng tinh thể Theo cấu trúc nguyên tử Bohn hiệu chỉnh Schrodinger Heisenberg, điện tử xoay quanh hạt nhân Nguyên tử cân lực ly tâm nguyên tử quỹ đạo chúng với hấp dẩn điện tónh từ hạt nhân Sự phân bố lượng điện tích âm theo mức độ tăng dần tiến gần đến hạt nhân Trong hình biểu thò năm mức lượng cho nguyên tử Natri với 11 điện tử với cấu trúc quỹ đạo Những điện tử mức dầu tiên, gần hạt nhân, có lượng tónh lớn, kết hấp dẩn điện tónh lớn hạt nhân §iƯn tư ®¬n møc thø t , ë c¸ch xa hạt nhân có lượng để giử chặt, có lượng cao dể dàng tách khỏi nguyên tử Điện tử đơn mức lượng cao xem điện tử hoá trò Mét ®iƯn tư hãa trÞ cã thĨ dƠ dµng ®Ĩ l¹i nguyªn tư vµ trë thành điện tích tự mạng tinh thể Các nguyên tử có điện tích âm thoát khỏi nguyên tử gọi lổ trống dương Có thể cho điện tử mức lượng thấp chuyển lên mức lượng cao trình yêu cầu hấp thu lượng điện tử tương đương để có khác mức lượng Sự hấp thụ lương lấy từ kích thích nhiệt Ứng dụng lượng nhiệt kích thích điện tử băng hoá trò nhảy tới băng kế tiếp, lỗ trống dương trở thành điện tử dẫûn điện trình truyền điện 3.3 Cách đo hiệu điện Không thể đo trực tiếp hiệu điện Seebeck nối volt kế với thermocouple vô tình Cu + v3 J3 Cu Cu + v1 Cu J3 + v + v1 Constantan J2 Cu J1 +v Constantan J2 J1 - - Cu Volt kế Cu Cu + v1 +v Constantan J2 lại tạo thêm mạch Ví dụ ta nối thermocouple loại T (đồng-constantan) Khi , ta có mạch tương đương sau : J1 Cái mà muốn đo hiệu điện v1 nối volt kế vào thermocouple lại tạo hai mối nối kim loại : J J3 Do J3 mối nối đồng với đồng nên không phát sinh hiệu điện thế, J mối nối đồng với constantan nên tạo hiệu điện v Vì kết đo hiệu v1 v2 Điều nói lên biết nhiệt độ J1 nhiệt độ J 2, tức để biết nhiệt độ đầu đo cần phải biết nhiệt độ môi trường Một cách để xác đònh nhiệt độ J ta tạo mối nối vật lý nhúng vào nước đá, tức ép nhiệt độ 0°C thiết lập J2 mối nối tham chiếu + v Cu - Cu Cu + v1 +v Constantan Cu J2 Volt kế J1 + v - Cu + v1 +v Constantan T J1 J2 T = 0°C Lúc hai mối nối volt kế đồng – đồng nên không xuất hiệu điện Seebeck Số đọc v volt kế hiệu v v2 : v = (v1 – v2) ≈ α (tJ1 – tJ2) ta dùng ký hiệu TJ1 để nhiệt độ theo độ Celsius : TJ1 (°C) + 273,15 = tJ1 v trở thành : v = v1 – v2 = α [(TJ1 + 273,15) – (TJ2 + 273,15)] = α (TJ1 – TJ2) = α (TJ1 – 0) ⇒ v = αTJ1 Bằng cách thêm hiệu điện mối nối 0°C, giá trò hiệu điện đọc lúc so với mốc 0°C Phương pháp xác nên điểm 0°C xem điểm tham chiếu chuẩn nhiều bảng tra giá trò điện áp thermocouple Ví dụ xét trường hợp đặc biệt, mà dây kim loại thermocouple trùng với kim loại làm nên volt kế (đồng) Nhưng ta dùng loại thermocouple khác đồng (như loại J : sắt – constantan) sao? Đơn giản thêm dây kim loại sắt hai đầu volt kế đồng – sắt nên hiệu điện sinh triệt tiêu lẫn J3 + v Cu Fe - Cu Volt kế Fe + v1 J1 +v Constantan J4 J2 Nếu hai đầu nối volt kế không nhiệt độ hai hiệu điện sinh không triệt tiêu lẫn nhau, xuất sai lệch Trong phép đo lường cần xác, người ta gắn chúng khối đẳng nhiệt Khối cách điện dẫn nhiệt tốt nên xem J J4 có nhiệt độ (bằng không quan trọng hai hiệu điện sinh đối nên triệt tiêu không phụ thuộc giá trò nhiệt độ) 3.4 Bù nhiệt môi trường Như phân tích, dùng thermocouple giá trò hiệu điện thu bò ảnh hưởng hai loại nhiệt độ : nhiệt độ cần đo nhiệt độ tham chiếu Cách gán 0°C cho nhiệt độ tham chiếu thường làm thí nghiệm để rút giá trò thermocouple đưa vào bảng tra Thực tế sử dụng nhiệt độ tham chiếu thường nhiệt độ môi trường nơi mạch hoạt động nên biết nhiệt độ vấn đề bù trừ nhiệt độ đặt để cho ta thu hiệu điện phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo mà Bù trừ nhiệt độ nghóa ta ước lượng trước nhiệt độ môi trường đọc giá trò hiệu điện trừ giá trò mà ta ước lượng Cách làm hoàn toàn không thu kết hai lý : • Nhiệt độ môi trường đại lượng cố đònh mà thay đổi theo thời gian theo qui luật trước • Nhiệt độ môi trường nơi khác có giá trò khác Bù nhiệt môi trường vấn đề thực tế phải xét đến cách nghiêm túc Có nhiều cách khác nhau, phần cứng lẫn phần mềm, nhìn chung phải có thành phần cho phép xác đònh nhiệt độ môi trường từ tạo giá trò để bù lại giá trò tạo thermocouple 3.5 Các loại thermocouple Về nguyên tắc người ta hoàn toàn tạo thermocouple cho giá trò có nhiều tổ hợp hai số kim loại hợp kim có Tuy nhiên để có thermocouple dùng cho đo lường người ta phải xét đến vấn đề : độ tuyến tính, tầm đo, độ nhạy, … có số loại dùng thực tế sau : Loại J : kết hợp sắt với constantan, sắt cực dương constantan cực âm Hệ số Seebeck 51µV/°C 20°C Loại T : kết hợp đồng với constantan, đồng cực dương constantan cực âm Hệ số Seebeck 40µV/°C 20°C Loại K : kết hợp chromel với alumel, chromel cực dương alumel cực âm Hệ số Seebeck 40µV/°C 20°C Loại E : kết hợp chromel với constantan, chromel cực dương constantan cực âm Hệ số Seebeck 62µV/°C 20°C Loại S, R, B : dùng hợp kim platinum rhodium, có loại : S) cực dương dùng dây 90% platinum 10% rhodium, cực âm dây platinum R) cực dương dùng dây 87% platinum 13% rhodium, cực âm dùng dây platinum B) cực dương dùng dây 70% platinum 30% rhodium, cực âm dùng dây 94% platinum 6% rhodium Hệ số Seebeck 7µV/°C 20°C 3.6 Một số nhiệt độ chuẩn Sau thiết kế mạch xong người ta cần số nhiệt độ chuẩn dùng cho cân chỉnh Bảng sau đưa số loại nhiệt độ chuẩn : Loại Điểm sôi oxygen Điểm thăng hoa CO2 Điểm đông đá Điểm tan nước Điểm sôi nước Điểm tan axit benzoic Điểm sôi naphthalene Điểm đông đặc thiếc Điểm sôi benzophenone Điểm đông đặc cadmium Điểm đông đặc chì Điểm đông đặc kẽm Điểm sôi sulfur Điểm đông đặc antimony Điểm đông đặc nhôm Điểm đông đặc bạc Điểm đông đặc vàng Nhiệt độ -183,0 °C - 78,5 °C °C 0,01°C 100,0 °C 122,4 °C 218 °C 231,9 °C 305,9 °C 321,1 °C 327,5 °C 419,6 °C 444,7 °C 630,7 °C 660,4 °C 961,9 °C 1064,4 °C -297,3°F -109,2°F 32 °F 32 °F 212 °F 252,3°F 424,4°F 449,4°F 582,6°F 610 °F 621,5°F 787,2°F 832,4°F 1167,3°F 1220,7°F 1763,5°F 1948 °F Điểm đông đặc đồng Điểm đông đặc palladium Điểm đông đặc platinum 1084,5 °C 1554 °C 1772 °C 1984,1°F 2829 °F 3222 °F [...]...nên không thể biết nhiệt độ này là bao nhiêu và do đó vấn đề bù trừ nhiệt độ được đặt ra để sao cho ta thu được hiệu điện thế chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo mà thôi Bù trừ nhiệt độ không có nghóa là ta ước lượng trước nhiệt độ môi trường rồi khi đọc giá trò hiệu điện thế thì trừ đi giá trò mà ta đã ước lượng Cách làm này hoàn toàn không thu được kết quả gì bởi hai lý do : • Nhiệt độ môi trường không... luật không biết trước • Nhiệt độ môi trường tại những nơi khác nhau có giá trò khác nhau Bù nhiệt môi trường là một vấn đề thực tế và phải xét đến một cách nghiêm túc Có nhiều cách khác nhau, về phần cứng lẫn phần mềm, nhưng nhìn chung đều phải có một thành phần cho phép xác đònh nhiệt độ môi trường rồi từ đó tạo ra một giá trò để bù lại giá trò tạo ra bởi thermocouple 3.5 Các loại thermocouple Về nguyên... nhiều tổ hợp của hai trong số các kim loại và hợp kim hiện có Tuy nhiên để có một thermocouple dùng được cho đo lường thì người ta phải xét đến các vấn đề như : độ tuyến tính, tầm đo, độ nhạy, … và do đó chỉ có một số loại dùng trong thực tế như sau : Loại J : kết hợp giữa sắt với constantan, trong đó sắt là cực dương và constantan là cực âm Hệ số Seebeck là 51µV/°C ở 20°C Loại T : kết hợp giữa đồng với... dương dùng dây 70% platinum và 30% rhodium, cực âm dùng dây 94% platinum và 6% rhodium Hệ số Seebeck là 7µV/°C ở 20°C 3.6 Một số nhiệt độ chuẩn Sau khi đã thiết kế mạch xong thì người ta cần một số nhiệt độ chuẩn dùng cho cân chỉnh Bảng sau đây đưa ra một số loại nhiệt độ chuẩn : Loại Điểm sôi của oxygen Điểm thăng hoa của CO2 Điểm đông đá Điểm tan của nước Điểm sôi của nước Điểm tan của axit benzoic Điểm... là cực âm Hệ số Seebeck là 40µV/°C ở 20°C Loại K : kết hợp giữa chromel với alumel, trong đó chromel là cực dương và alumel là cực âm Hệ số Seebeck là 40µV/°C ở 20°C Loại E : kết hợp giữa chromel với constantan, trong đó chromel là cực dương và constantan là cực âm Hệ số Seebeck là 62µV/°C ở 20°C Loại S, R, B : dùng hợp kim giữa platinum và rhodium, có 3 loại : S) cực dương dùng dây 90% platinum và... benzophenone Điểm đông đặc của cadmium Điểm đông đặc của chì Điểm đông đặc của kẽm Điểm sôi của sulfur Điểm đông đặc của antimony Điểm đông đặc của nhôm Điểm đông đặc của bạc Điểm đông đặc của vàng Nhiệt độ -183,0 °C - 78,5 °C 0 °C 0,01°C 100,0 °C 122,4 °C 218 °C 231,9 °C 305,9 °C 321,1 °C 327,5 °C 419,6 °C 444,7 °C 630,7 °C 660,4 °C 961,9 °C 1064,4 °C -297,3°F -109,2°F 32 °F 32 °F 212 °F 252,3°F 424,4°F ... sử dụng nhiệt độ tham chiếu thường nhiệt độ môi trường nơi mạch hoạt động nên biết nhiệt độ vấn đề bù trừ nhiệt độ đặt để cho ta thu hiệu điện phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo mà Bù trừ nhiệt độ. .. giá trò nhiệt độ) 3.4 Bù nhiệt môi trường Như phân tích, dùng thermocouple giá trò hiệu điện thu bò ảnh hưởng hai loại nhiệt độ : nhiệt độ cần đo nhiệt độ tham chiếu Cách gán 0°C cho nhiệt độ tham... lên biết nhiệt độ J1 nhiệt độ J 2, tức để biết nhiệt độ đầu đo cần phải biết nhiệt độ môi trường Một cách để xác đònh nhiệt độ J ta tạo mối nối vật lý nhúng vào nước đá, tức ép nhiệt độ 0°C thiết