Nhiệt kế điện trở Nhiệt kế điện trở Bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Nguyên lý Nguyên lý chung đo nhiệt độ điện trở dựa vào phụ thuộc điện trở suất vật liệu theo nhiệt độ Trong trường hợp tổng quát, thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng: R0 điện trở nhiệt độ T0, F hàm đặc trưng cho vật liệu F = T = T0 Hình 3.3: Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng Hiện thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ là: điện trở kim loại, điện trở silic điện trở chế tạo hỗn hợp oxyt bán dẫn Trường hợp điện trở kim loại, hàm có dạng: Trong nhiệt độ T đo oC, T0=0oC A, B, C hệ số thực nghiệm 1/7 Nhiệt kế điện trở Trường hợp điện trở hỗn hợp oxyt bán dẫn: T nhiệt độ tuyệt đối, B hệ số thực nghiệm Các hệ số xác định xác thực nghiệm đo nhiệt độ biết trước Khi biết giá trị hệ số, từ giá trị R người ta xác định nhiệt độ cần đo Khi độ biến thiên nhiệt độ ΔT (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở coi thay đổi theo hàm tuyến tính: Trong đó: gọi hệ số nhiệt điện trở hay gọi độ nhạy nhiệt nhiệt độ T Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu nhiệt độ, ví dụ 0oC platin (Pt) có aR=3,9.10-3/oC Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ mà đo , xác định thay đổi nhỏ nhiệt độ phát được: Ví dụ với phép đo quanh điểm 0oC, vật liệu platin 2/7 Nhiệt kế điện trở Thực ra, điện trở không thay đổi nhiệt độ thay đổi thay đổi điện trở suất mà chịu tác động thay đổi kích thước hình học Bởi điện trở dây có chiều dài l tiết diện s, hệ số nhiệt độ có dạng: Trên thực tế thường αρ >> α1 nên coi αR = αρ Nhiệt kế điện trở kim loại Vật liệu Yêu cầu chung vật liệu làm điện trở: - Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế nhỏ - Hệ số nhiệt điện trở tốt luôn không đổi dấu, không triệt tiêu - Có đủ độ bền cơ, hoá nhiệt độ làm việc - Dễ gia công có khả thay lẫn Các cảm biến nhiệt thường chế tạo Pt Ni Ngoài dùng Cu, W - Platin : + Có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99,999%) tăng độ xác tính chất điện + Có tính trơ mặt hoá học tính ổn định cấu trúc tinh thể cao đảm bảo tính ổn định cao đặc tính dẫn điện trình sử dụng + Hệ số nhiệt điện trở 0oC 3,9.10-3/oC 3/7 Nhiệt kế điện trở + Điện trở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với 0oC + Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -200oC ÷1000oC - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, 4,7.10-3/oC + Điện trở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với 0oC + Dễ bị oxy hoá nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định + Dải nhiệt độ làm việc thấp 250oC Đồng sử dụng số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao điện trở theo nhiệt độ Tuy nhiên, hoạt tính hoá học đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt 180oC Điện trở suất đồng nhỏ, để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở Wonfram có độ nhạy nhiệt độ tuyến tính cao platin, làm việc nhiệt độ cao Wonfram chế tạo dạng sợi mảnh nên chế tạo điện trở cao với kích thước nhỏ Tuy nhiên, ứng suất dư sau kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn cách ủ giảm tính ổn định điện trở Cấu tạo nhiệt kế điện trở Để tránh làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn giá trị vài mA điện trở có độ nhạy nhiệt cao điện trở phải có giá trị đủ lớn Muốn phải giảm tiết diện dây tăng chiều dài dây Tuy nhiên giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R 0oC có giá trị vào khoảng 100?, với điện trở platin có đường kính dây cỡ vài μm chiều dài khoảng 10cm, sau quấn lại nhận nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm Các sản phẩm thương mại thường có điện trở 0oC 50?, 500? 1000?, điện trở lớn thường dùng để đo dải nhiệt độ thấp - Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống va chạm mạnh rung động, điện trở kim loại bao bọc thuỷ tinh gốm đặt vỏ bảo vệ thép Trên hình 3.4 nhiệt kế dùng công nghiệp điện trở kim loại platin 4/7 Nhiệt kế điện trở Hình 3.4: Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống platin 4) Dây nối 5) Sứ cách điện 6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ bề mặt vật rắn Chúng thường chế tạo phương pháp quang hoá sử dụng vật liệu làm điện trở Ni, Fe-Ni Pt Cấu trúc nhiệt kế bề mặt có dạng hình vẽ 3.5 Chiều dày lớp kim loại cỡ vài àm kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2 Hình 3.5: Nhiệt kế bề mặt Đặc trưng nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC trường hợp Ni Fe-Ni ~4.10-3/oC trường hợp Pt - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ÷ 260oC Ni Fe-Ni -260oC ÷1400oC Pt 5/7 Nhiệt kế điện trở Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng bề mặt đo Nhiệt kế điện trở silic Silic tinh khiết đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, nhiên kích tạp loại n khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC 25oC Phần tử cảm nhận nhiệt cảm biến silic chế tạo có kích thước 500x500x240 μm mạ kim loại phía phía bề mặt tiếp xúc Trong dải nhiệt độ làm việc (-55 ÷200oC) lấy gần giá trị điện trở cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: Trong R0 T0 điện trở nhiệt độ tuyệt đối điểm chuẩn Sự thay đổi nhiệt điện trở tương đối nhỏ nên tuyến tính hoá cách mắc thêm điện trở phụ Hình 3.6: Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở silic Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn Vật liệu chế tạo Nhiệt điện trở chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 6/7 Nhiệt kế điện trở Sự phụ thuộc điện trở nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho biểu thức: Trong R0(?) điện trở nhiệt độ T0(K) Độ nhạy nhiệt có dạng: Vì ảnh hưởng hàm mũ đến điện trở chiếm ưu nên biểu thức (3.11) viết lại: Và độ nhạy nhiệt: Với B có giá trị khoảng 3.000 - 5.000K Cấu tạo Hỗn hợp bột oxyt trộn theo tỉ lệ thích hợp sau nén định dạng thiêu kết nhiệt độ ~1000oC Các dây nối kim loại hàn hai điểm bề mặt phủ lớp kim loại Mặt bọc vỏ thuỷ tinh Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt cao nên dùng để phát biến thiên nhiệt độ nhỏ cỡ 10-4 -10-3K Kích thước cảm biến nhỏ đo nhiệt độ điểm Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC Hình 3.7: Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh 7/7 ... ZnTiO4 6/7 Nhiệt kế điện trở Sự phụ thuộc điện trở nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho biểu thức: Trong R0(?) điện trở nhiệt độ T0(K) Độ nhạy nhiệt có dạng: Vì ảnh hưởng hàm mũ đến điện trở chiếm... αR = αρ Nhiệt kế điện trở kim loại Vật liệu Yêu cầu chung vật liệu làm điện trở: - Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế nhỏ - Hệ số nhiệt điện trở tốt luôn... giảm tính ổn định điện trở Cấu tạo nhiệt kế điện trở Để tránh làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn giá trị vài mA điện trở có độ nhạy nhiệt cao điện trở phải có giá trị