Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ

Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ Lý thuyết và bài tập chương 4 Đo nhiệt độ

CHƯƠNG ĐO NHIỆT ĐỘ Chuẩn đầu chương: _ Định nghĩa lượng nhiệt ,mối quan hệ thang đo nhiệt độ lương nhiệt , phương pháp cân chuẩn thang đo nhiệt độ _ Hiểu biết cách chuyển đổi đơn vị nhiệt độ khác 0C ( Celsius ) , 0F ( Farenheit) nhiệt độ tuyệt đối K ( Kelvin ) _ Thiết kế ứng dụng cảm biến nhiệt điện trở RTD cho yêu cầu cụ thể đo nhiệt độ _ Hiểu biết nguyên lý hoạt động cảm biến cặp nhiệt điện định lý mạch cặp nhiệt _ Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt mạch bù đầu tự _ Hiểu biết phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc Hầu yêu cầu kiểm soát nhiệt độ tồn ngành công nghiệp quan trọng dầu khí , công nghiệp thực phẩm , công nghiệp nhựa , sản xuất vật liệu xây dựng ….Như , tầm nhiệt độ phù hợp cho hoạt đông sản xuất trãi rộng , từ nhiệt độ âm hàng trăm 0C đến dương hàng ngàn 0C Tương tự , phép đo đa dạng dạng tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt cần đo không tiếp xúc mà nhờ vào ảnh nhiệt để suy nhiệt độ 4.1 Mối quan hệ vật liệu nhiệt độ Các vật thể dù từ tự nhiên mà có hay tự tạo kết hợp nguyên tử Thế giới vật lý tồn dạng : chất rắn , chất lỏng chất khí tùy theo mức độ chặt chẽ liên kết nguyên tử/ phân tử cấu tạo nên chúng.Khi vật thể nhận thêm lượng từ bên , chẳng hạn nhiệt , tốc độ dao động nguyên tử /phân tử gia tăng nhanh chóng.Nếu ta lấy giá trị trung bình lượng nhiệt nguyên tử/phân tử ta nhiệt độ vật thể Khi tốc độ dịch chuyển nguyên tử/phân tử tăng lên nhiệt độ vật thể tăng lên Nếu muốn đo lường trực tiếp nhiệt mà ta nhận biết tác dụng qua thay đổi nhiệt độ.Đôi , tăng nhiệt lượng lúc làm tăng nhiệt độ Chẳng hạn nước sôi , tăng nhiệt lượng làm cho nước chuyển pha vật chất từ lỏng sang khí mà không thay đổi nhiệt độ ( nhiệt độ sôi nước ) 4.2 Nguyên lý đo nhiệt độ hiệu ứng vật lý dùng để đo nhiệt độ Từ định nghĩa nhiệt độ ,việc đo lường đại lượng lượng hóa thay đổi tương quan nguyên tử/phân tử vật thể mà ta gọi hiệu ứng vật lý dùng việc đo nhiệt độ 4.2.1 Sự dãn nở chất lỏng /chất rắn Được áp dụng cổ xưa quan trọng việc tạo nhiệt kế nhiệt kế thủy ngân có cỏ thủy tinh, nhiệt kế lưỡng kim 4.2.2 Sự thay đổi áp suất Theo định luật Charles áp suất chất khí thay đổi tuyến tính với nhiệt độ thể tích giữ không đổi Như đo áp suất gián tiếp đo nhiệt độ 4.2.3 Đo đặc trưng điện ( thay đổi điện trở ) Điện trở đặc trưng cho tính dẫn điện kim loại thường có hệ số nhiệt đô ∝ để thay đổi giá trị có thay đổi nhiệt độ 4.2.4 Hiệu ứng nhiệt điện ( Sẽ xét khảo sát cảm biến cặp nhiệt điện ) 4.2.5 Hiệu ứng xạ nhiệt ( Sẽ xét khảo sát cách đo nhiệt độ không tiếp xúc ) 4.3 Phương pháp xác định nhiệt độ thang nhiệt độ chuẩn 4.3.1 Thang nhiệt độ thực hành Các biến ngõ nhập cho hệ thống điều khiển trình áp suất , lưu lượng, mức …và hầu hết đại lượng vật lý khác thường cân chuẩn theo dạng khối lượng, chiều dài, thời gian Còn nhiệt độ,do chất tự nhiên ,không định nghĩa giống đại lương vật lý khác Theo có định hướng phụ thuộc vào đặc trưng vật liệu cộng lại hay nhân ( hay chia ) với Đôi ta nói nhiệt độ đại lượng vật lý ảo Như , để thỏa điều kiện đo lường xây dựng môt chuẩn đơn vị để dung cho việc so sánh với đại lượng cần đo đo nhiệt độ không thực Để giải điều , dựa lý thuyết nhiệt động học, người ta lập nên thang đo nhiệt độ thực hành quốc tế ( International Practical Temperature Scale ) bao gồm điểm nhiệt độ chuẩn từ - 1830C đến 10650C Các điểm nhiệt độ tương ứng với trạng thái cân xảy trình chuyển pha vậtchất số vật liệu tiêu biểu sau : Bảng 4.1 Vật liệu Trạng thái cân chuyển pha0C Oxigen khí >>> lỏng -182.962 Nước khí >>> lỏng>>> rắn 0.01 Nước lỏng >>> khí 100.00 Kẽm rắn >>> lỏng Bạc rắn >>> lỏng 961.93 Vàng rắn >>> lỏng 1064.43 419.58 Để tiện sử dụng , số điểm nhiệt độ thứ cấp thang nhiệt độ quốc tế thực hành công nhận : Bảng 4.2 Vật liệu Hydrogen Trạng thái cân chuyển pha khí >>> lỏng Nhiệt độ 0C -252.87 Thiếc rắn >>> lỏng 231.968 Chì rắn >>> lỏng 327.502 Lưu huỳnh khí >>> lỏng 444.6 Antimoine rắn >>> lỏng 630.74 Nhôm rắn >>> lỏng 660.37 Khi nhiệt độ khoảng điểm nhiệt độ xác định ( điểm nhiệt độ sơ cấp thứ cấp ) ,nhiệt độ xác định đáp ứng cảm biến nhiệt đại diện tiêu biểu Bảng 4.3 Tầm nhiệt độ Cảm biến tiêu biểu -190  00C cảm biến Platin  6600C Nhiệt kế dùng Oxigen, nước đá ,hơi nước, lưu huỳnh Nhiệt kế dùng Nước đá, nước cảm biến Platin 660  10630C >10630C Dạng phương trình Vật liệu làm chuẩn lưu huỳnh nhiệt kế dùng cặp nhiệt Phương trình chuẩn phương trình có dạng parabol Antimoine , bạc , vàng phương trình dạng parabol Định luật Planck Quang hỏa kế 4.3.2 Quan hệ đơn vị nhiệt độ Các đơn vị nhiệt độ xuất phát từ cách cân chuẩn khác Thang nhiệt độ tương đối khác thang nhiệt độ tuyệt đối dịch điểm zero Như hai thang nhiệt độ điểm nhiệt độ zero chúng mức nhiệt zero Tương ứng hai hệ thống đơn vị nhiệt độ : 0C ( tương ứng 0F ) K ( tương ứng R) T( 0C ) = T( K ) – 273.15 T(0F) = T (R ) – 459.6 Hay : T(0 F) = 9/5 T(0C) +32 4.4 Cảm biến nhiệt có mô hình dạng thụ động 4.4.1 Cảm biến nhiệt điện trở RTD ( Resistance Temperature Detector) Kim loại kết hợp nguyên tử chất rắn theo nguyên tử riêng rẽ vị trí cân với chồng chập dao động tạo từ nhiệt Khi ta nói ,điện tử tự dễ dàng di chuyển kim loại Dẫn điện phải hiểu có điều kiện ẩn chứa điều với điều kiện nhiệt độ zero tuyệt đối.Như ,khi tồn Cách điện nhiệt kim loại nguyên tử dao động , dẫn nhiệt nguyên tử hấp thụ bớt nhiệt , hay nói cách khác vật liệu tồn điện trở cho dòng điện chạy qua Điện trở kim loại gia tăng nhiệt độ tăng Với kim loại đồng ,nickel , platin lưa chọn để sử dụng làm cảm biến nhiệt ( thay đổi điện trở có thay đổi nhiệt độ ) Tuy nhiên môi trường công nghiệp ,Platin có mối quan hệ điện trở / nhiệt độ ổn định tầm nhiệt độ từ 184.44 0C đến 644.480C Có nhiều ứng dụng đòi hỏi nhà sản xuất chế tạo loại cảm biến nhiệt Pt khác việc để trần không khí, có lúc cảm biến phải ngâm dung dịch cần đo … Bảng Loại nhiệt điện trở Phạm vi sử dụng Nhiệt điện trở cấp độ Phòng thí nghiệm Nhiệt điện trở dây quấn Pt Công nghiệp Cách dùng - 200  5000C I,A - 200  6480C I , S ,A dễ vỡ chắn I ngâm nước A không khí S đo bề mặt mica Muốn chế tạo cảm biến Pt , ta dùng dây Pt có ∅  50μm quấn lỏi ceramic hình trụ bao bọc lớp mica mõng cách điện trước cho vào vỏ kim loại Dây Pt Sứ Quan hệ điện trở/nhiệt độ Pt100 Sử dụng phương trình Callendar- VanDussen Khi tầm nhiệt độ -200 Khi tầm nhiệt độ 00   00C R(T) = [ 1+ C1T +C2T2 + C3T3 ( T-100) ] 8500C R(T) = R0 ( + C1T + C2T2 ) Các thông số : C1 = 3.908 X 10-3/0C R(T) điện trở T0 C2 = -5.775 X 10-7/0C2 C3 = -4.135 X 10-12/ C4 R0 điện trở 00C Phương trình Callendar – VanDussen dùng để tính điện trở cảm biến Pt 100 : R(T ) Ro   T  100  T  T  100   T      T          100  100  100   100    Với : ∝ , β , δ hằn số cân chuẩn sau : _ ∝ xác định đo Pt100 1000C _ { ∝ = 0.00390C-1 } β xác định đo Pt -182.960C β = nhiệt độ dương _  xác định đo Pt 444.70C {  = 1.49 } Hệ số nhiệt điện trở kim loại Tính chất điện trở kim loại thể phụ thuộc cho đặc trưng biến đổi theo nhiệt đô tùy theo hệ số nhiệt độ = R R  100 C  R  100 0 R100 điện trở 1000C Các chuẩn áp dụng cho cảm biến Pt 100 : 1) Với chuẩn ITS-90 2) Với chuẩn công nghiệp 3) Với chuẩn IEC 751 Độ nhạy cảm biến nhiệt điện trở  = 0.003925 0C-1  = 0.003902 0C-1  = 0.0038500 0C-1 R0 điện trở 00C Theo định nghĩa độ nhạy độ dốc màm quan hệ điện trở /nhiệt độ : S =  R0 Trong công nghiệp , thường sử dụng cảm biến nhiệt điện trở tầm đo nhiệt độ trãi dài từ 00C đến vài trăm 0C ,khi mối quan hệ điện trở /nhiệt độ thường cho phương trình tuyến tính hóa khoảng nhiệt độ T1 T2 viết : R (T ) = R (T0) { + 0T } Với T1 < T < T2 T = T – T0 , R (T) điện trở nhiệt độ T , R(T0) điện trở nhiệt độ T0 0 tỉ số thay đổi điện trở cho 0C T0 0 = R(T R R    )T T  2 Thí dụ : Cảm biến nhiệt điện trở có bảng đặc tính sau : T(0F) R(Ω) Cảm biến có đặc tính tuyến tính khoảng từ 650F 60 106.06 65 107.14 70 108.22 Tính điện trở 200 75 109.30 Giải 80 110.38 85 111.46 90 112.53 đến 750F biểu diễn : R(T) = 108.22 [ + 0.002(T – 700F)] Chuyển đổi 200C thành 680F R(680F) = 108.22 [ + 0.022( 68-70)] = 107.79 Ω Các thông số ảnh hưởng đế tính xác RTD dùng đo nhiệt độ Ảnh hưởng tự đốt nóng Do có đặc trưng điện trở ( mô hình thụ động ) ,khi sử dụng RTD phải cấp nguồn từ bên Dòng điện chảy vào RTD biến thành nhiệt làm tăng nhiệt độ RTD chưa tiếp xúc với nguồn nhiệt cần đo ,dẫn đến sai số Vì , để khắc phục điều RTD phải sử dụng để đo nguồn nhiệt có nhiệt độ thường cao nhiệt độ môi trường Đặc trưng khả tiêu tán nhiệt xác định số tiêu tán nhiệt γ γ( mW/0C) = PD T Thí dụ : Một cảm biến nhiệt điện trở có điện trở ban đầu 100 Ω số tiêu tán nhiệt γ= 6mW/0C đặt không khí 100mW/0C ngâm nước Hãy tính dòng điện tối đa cho phép chảy qua cảm biến cho sai số tự đốt nóng nhỏ 0.10C Giải Với số tiêu tán nhiệt γ có tang nhiệt độ tự nhiên so với nhiệt độ môi trường phải tiêu tán công suất PD T = PD   R I2  Vậy dòng điện tối đa tương ứng với nhiệt độ cho sẵn : T   R I Khi cảm biến đặt không khí : (0.1 C )(0.006W / C ) I 100 Khi cảm biến ngâm nước : (0.1 C )(0.1W / C ) I 100 0 = 2.4 mA = 10 mA Thời gian đáp ứng RTD Đáp ứng động RTD hàm bậc lọc thông thấp quán tính lớn nhiệt độ Thời RTD khoảng 0.5  giây Tuy nhiên đ85c trưng phụ thuộc vào cách truyền nhiệt cảm biến môi trường chẳng hạn ngâm nước thời lên đến giây Ảnh hưởng dây nối dài cảm biến Trong thực tế , cảm biến RTD không gắn trực tiếp Board điều khiển mà thường có khoảng cách từ vài mét đến hàng trăm mét Do cảm biến phải nối dài dây dẫn điện Thường kích cỡ dây nối có đường kính từ 14 đến 20 mm có điện trở dây nối từ  Ω/km ( 0.002 Ω  0.003 Ω/m ) Như điện trở cảm biến công thêm giá trị tương đối đáng kể so với thay đổi theo đại lượng đo dẫn đến sai số Mạch gia công dùng cho RTD Phương pháp dùng nguồn dòng điện Mạch tạo nguồn dòng I nhờ OP AM , áp chuẩn Vr Rr Vr + Khi RTD thay đổi nhiệt độ tạo nên áp v0 = I RRTD _ I Thí dụ : RTD V0 Nhiệt độ cần đo từ 200C  1000C với độ phân giải 0.10C Cảm biến RTD có R0 =100 Ω , =0.00385/0C 00C Rr γ= 40mW/0C ngâm nước có vận tốc 0.4 m/s Tính chọn Rr sử dụng áp chuẩn Vr =5 V Giải Độ phân giải nhiệt độ cần đo bị giới hạn tự đốt nóng thay đổi công suất tiêu tán dẫn đế thay đổi điện trở Nếu muốn : R I2     r   VR r  R   T  0.1 0C Do cảm biến cung cấp nguồn dòng ,công suất tiêu tán tối đa 1000C (trị tối đa mà cảm biến đo) Vậy điều kiện đầy đủ : Rr Biết : Vậy : V R100 r  (0.1 C ) R100 = (100Ω)[ + (0.00385/0C ) ( 1000C – 00C)] = 138.5 Ω Rr  (5V ) 138.5  930 (40mW / C )(o.1 / C ) 0 Phương pháp dùng cầu điện trở ( Cầu Wheatstone) Căn vào độ nhạy RTD : S = R0 với α = 0,0039 Ω /0C R0 = 100 Ω Pt100 S R1 Vr a R3 trở < 1Ω cần có độ phân giải < 10C phải dùng phương R2 Va-Vb 0.4 Ω /0C Sự thay đổi điện b RTD pháp đo đặc biệt dạng vi sai hay dạng cầu điện trở Thông thường mạch gồm nhánh có nhánh điện trở có giá trị không đổi ,còn nhánh lại cảm biến RTD Khi nhiệt độ thay đổi , điều mong muốn tạo thay đổi dạng điện áp tỉ lệ với thay đổi nhiệt độ mà theo mạch điện V0 = Va-Vb Điện áp gọi điện áp cân đường chéo cầu mạch hoạt động theo chế độ cầu cân giai đoạn khởi động ( đại lượng vật lý cần đo chưa thay đổi ) Lúc ,ta thấy áp ngõ cầu đo đạt giá trị zero ( cầu cân hoàn toàn ) Độ phân giải cầu đo Để xác định tình trạng hoàn toàn cân cầu , thiết bị đo dòng điện có độ nhạy cao ( có khả phát dòng điện chạy qua tầm A ) gọi Galvanometer mắc vào hai điểm a b ( đường chéo cầu) Khi có điện áp lệch ( offset) xảy , nguyên nhân có thay đổi điện trở nhánh cầu hay gọi độ phân giải cầu Thí dụ sử dụng Galvanometer có độ nhạy 100 μV xác định thay đổi giá trị điện trở tối thiểu biến đổi RTD để tạo áp offset V = Va – Vb = V  R RTD ( R  R )( R  RTD ) R2 R3 Thí dụ ; Cầu đo có áp Vr = 10 V , R1 = R2 = R3 = R0 = 120Ω ( R0 điện trở nhiệt độ ban đầu ) Cầu chỉnh cho hoàn toàn cân ( áp zero) Giả sử dung Galvanometer có độ nhạy 10 mV để tách cân cầu Hãy tính độ phân giải điện trở cảm biến RTD ? Giải Áp dụng ; V = 10mV = (120)(10V ) RTD(10V )  120  120 120  RTD Vật liệu A Sử dụng hai vật liệu kim loại A B ( có độ dẫn điện Áp Seebeck Mối nối Vật liệu B khác ) tạo thành mối nối ( học xoắn chúng lại với dùng hồ quang nung chảy để tạo tính dẫn điện tốt ) Do hiệu ứng khuếch tán , cácđiện tử tự vật liệu có mật độ cao chảy bên vật liệu có mật độ điện tử tự thấp tạo định hướng dòng electron hay dòng điện Nếu đặt Volt kế đầu lại đọc đươc điện áp Điện áp điện áp mối nối hay sức điện động nhiệt điên Seebeck mối nối có nhiệt độ T V T2 A A A T1 T1 T2 B B   Đồng V Đồng Khối đẳng nhiệt Có hai cách tạo thành cảm biến cặp nhiệt : a ) Dùng hai mối nối cặp nhiệt đấu chung đầu vật liệu , đầu để hở nối vào Volt kế để đo sức điện động nhiệt điện b ) Chỉ dùng mối nối cặp nhiệt , đầu lại phải tạo thành mạch kín với Volt kế có dây dẫn vật liệu ( dây đo đồng ) Hơn hai mối nối vào Volt kế phải giữ nhiệt độ thông qua khối đẳng nhiệt ( isothermal block) 4.5.2 Các định luật dùng cho cặp nhiệt điện Các định luật sau đực áp dụng cảm biến mắc vào mạch điện thân cảm biến có đặc trưng mô hình nguồn áp ( sức điện động nhiệt điên ) Một mạch cặp nhiệt phải gồm hai vật dẫn điện khác A tạo thành hai mối nối Sức điện động nhiệt sinh ký hiệu E T1T I B T T2 E 01 B thường hàm phi tuyến theo chênh lệch nhiệt độ T1 T2 Theo chiều dòng điện chọn : T1T eB/A hiệu điện mối nối cho E = eB/AT1 + eA/BT2 A/ B n đơn vị nhiệt độ dòng điện chảy từ B sang A Tương tự eA/B hiệu điện mối nối cho đơn vị nhiệt độ dòng điện chảy từ A sang B Ta có : eB/ A = - eA/B T T1 Vậy : E = eB/A ( T1 – T2 ) A/ B Cách sử dụng cảm biến : Nhiệt độ T1 nhiệt độ cần đo để cảm biến tiếp xúc , nhiệt độ T2 nhiệt độ cố định biết Với eB/A số Seebeck phụ thuộc vào cấu tạo hai vật liệu A/B Định luật T T1 Sức điện động cặp nhiệt E mạch cặp nhiệt phụ thuộc A/ B A T3 T1 điểm nhiệt độ khác mạch điện Điều có nghĩa IT B T4 vào chênh lệch nhiệt độ hai mối độc lập với T2 B sức điện động tạo cặp nhiệt không phụ thuộc vào chiều dài T T1 E0 A/ B dây dẫn phân bố nhiệt độ suốt dọc đoạn dây dẫn Định luật A Ti C T1 Tj Khi xen vào hai mối nối vật liệu thứ ba để tạo thành I hai mối nối có nhiệt độ Ti Tj , giữ cho Ti = Tj sức B B T2 điện động toàn mạch không thay đổi T T1 E0 A/ B Định luật C Tj A Ti T1 I A Khi xen vào hai nhánh cặp nhiệt kim loại T2 khác tạo thành hai mối nối giả sử nhiệt độ Ti Tj T T1 E0 A/ B Nếu chọn điều kiện Ti = Tj sức điện động toàn mạch không đổi T T1 Chứng minh : E0 A/ B  e B / AT  e A/C T i  eC / AT j  e A/ B T = eA/B( T2 – T1) + eA/C (Ti – Tj) Vì Ti = Tj T T1 E0 A/ B  e A/ B (T  T 1) Định luật5 A A T3 T1 = T2 + T2 T1 B B A B B T 3T1 T T1 E0 A/ B E0 A/ B T T1 E0 A/ B  T 3T E0 A/ B  T3 B B T 3T E0 A/ B T T1 E0 A/ B Thí dụ : Áp dụng định luật để dung bảng tra sức điện động cặp nhiệt theo nhiệt độ cho loại cặp nhiệt cho sẵn Biết bảng tra đầu chuẩn cặp nhiệt 00C Khi đo sức điện động cặp nhiệt sắt- constantan với đầu chuẩn nhiệt độ môi trường 350C ta giá trị E 35 T X Hãy dùng bảng tra để tính TX?  8.335mV Áp dụng định luật : E 0/ T X E E / 35 35 T X tra bảng để có E0/35 = 5.768 mV E0/TX = 8.335 mV + 5.768mV = 13.703 mV Tra bảng có TX Định luật A B A T1T T1T C C T1T E0 A/ C E0 A/ B B T T1 E0 A/ C  T T1 E0 A/ B  T T1 E0 B /C B C E0 B /C C Áp dụng định luật chế tạo loại cặp nhiệt tùy theo yêu cầu có bảng đặc tính sức điện động vật liệu có đầu vật liệu chuẩn Pt Vật liệu Độ nhạy ( V/0C ) Constantan - 35 Đồng +6.5 Nickel -15 Vàng +6.5 Alumel -13.6 Sắt +18.5 Chromel +25.8 Platin Nhôm +3.5 Chì +4 Bạc +6.5 4.5.3 Các phương pháp tạo điểm nhiệt độ chuẩn Nhiệt độ đầu tự quan trọng việc sử dụng cảm biến cặp nhiệt để đo nhiệt độ ,vì nhiệt độ phải giữ số Có ba cách để tạo nhiệt độ chuẩn : a) Nhiệt độ chuẩn giữ 00C Đây cách tốt để có ổn định trị xác sức A điện động nhiệt cảm biến dung bảng tra để đọc t tiếp giá trị nhiệt độ tương ứng điểm cần đo Tuy nhiên phương pháp đòi hỏi việc bão dưỡng thường xuyên đắt tiền B B Nước đá tan b) Nhiệt độ chuẩn giữ nhiệt độ môi trường cố định có giá trị lớn nhiều so với nhiệt độ cần đo Tương tự phương pháp giữ điểm nhiệt độ chuẩn 00C , dung điều khiển nhiệt độ kết hợp lò nhiệt để tạo nhiệt độ điểm chuẩn mong muốn với điều kiện lớn nhiệt độ cần đo c/Nhiệt độ chuẩn nhiệt độ môi trường Do nhiệt độ môi trường ,sự thay đổi liên tục tao làm thay đổi giá trị điểm nhiệt độ chuẩn ,từ gần xác định trị xác cho sức điện động cặp nhiệt Tuy nhiên điều kiện thực tế tất phép đo dùng cặp nhiệt để khắc phục việc ta phải áp dụng phương pháp bổ thay đổi nhiệt độ đầu tự Nguyên lý bù điện áp thay đổi đầu tự Ta có : Mạch bù o cT C Eo A/ B TaTc A E0 A/ B B E 0/ T a vTa 0c T c E0 A/ B A/ B  0c T a E0 A/ B  TaTc E0 A/ B TaTc Để E không phụ thuộc thay đổi Ta A/ B TaTc đọc trực tiếp từ bảng tra E A/ B  0c T a 0c T c E hay E A/ B A/ B E 0 0c T a Vậy mạch bù có nhiệm vụ tạo điện áp bù vTa Dây đồng A B Ta A/ B Cảm biến nhiệt điện trở Dây đồng V Mạch cầu điện trở có nhánh cảm biến nhiệt điện trở tạo điện áp vTa thay đổi theo nhiệt độ môi trường Ta công vào với sức điện động theo chiều ngược lại để làm tác dụng bù nhiệt độ Ta thay đổi Mạch bù sử dụng dây nối dài cho cặp nhiệt Khi cần nối dài cặp nhiệt đoạn dây nối kim loại dẫn điện nên tự phối hợp với cặp nhiệt sử dụng tạo thành cặp nhiệt phụ dẫn đến sai số A A’ Dây đồng V B B’ Dây đồng 0c T c Khi cặp nhiệt A/B muốn kéo dài đến mạch đo để có vm = E mà phải nối dài đoạn A/ B dây A’B’ phải thỏa điều kiện : a) Các mối nối A/A’ B/B’ phải có nhiệt độ T2 b) Cặp nhiệt tạo A’/B’ phải có sức điện động nhiệt với cặp nhiệt A/B nhiệt 0c T độ T2 E0 A/ B  0c T E0 A' B ' 4.5.4 Mạch gia công dùng cho cặp nhiệt điện Mạch cặp nhiệt có mô hình điện tác động sinh nguồn sức điện động thường có giá trị đặc trưng cho độ nhạy cảm biến thường tầm vài μV/0C đến vài chục V/0C tùy loại thí dụ loại thường sử dụng Chromel/ Alumel ( C/A ) có độ nhạy 40 μV/0C Như việc xử lý tín hiệu điện dạng loại mạch KĐ tín hiệu DC có biên độ nhỏ Đặc trưng cho loại mạch KĐ sử dụng mạch OP-AMP phải sử dụng loại chuyên dụng có mức offset thấp độ trôi nhiệt phải nhỏ Lý tín hiệu cần KĐ ( V DC ) mức nhiểu nguồn cung cấp cho OP-AMP Có giải pháp cho việc : 1) Chọn loại OP-AMP chuyên dụng nhà sản xuất Analog Device , Burn Brown 2) Chọn loại OP-AMP dành riêng cho chức có tên gọi mạch KĐ dụng cụ ( Instrumentation Amplifier ) IA105 … 3) Tự thiết kế OP-AMP chất lượng cao OP07 … Tuy nhiên với công nghệ vi mạch , giải pháp tối ưu không nên tìm giải pháp thiết kế cho loại mạch gia công mà nên chọn mua linh kiện cho phù hợp mua mạch KĐ tích hợp Mạch ổn áp REF 3040 tạo nguồn áp chuẩn 4.096 V cung cấp cho D1 dùng cảm biến nhiệt bán dẫn với độ nhạy -2mV/0C qua điện trở R1 ,R2 R3 tạo nên áp bổ nhiệt độ cho đầu chuẩn Mạch KĐ dụng cụ OPA335 có độ lợi G = R8/R7 R6 dùng chỉnh Zero cho áp Tên gọi cặp nhiệt Vật liệu ( + ) Vật liệu ( - ) Pt – 6% Rh B Pt- 30%Rh R Pt – 13% Rh Pt S Pt - 10% Rh Pt K Ni – 10% Cr N Ni – 14% Cr- 1.5% Si Ni -4.5%Si – 0.1%Mg E Ni -10% Cr Ni 45% - 55% Cu J Fe Ni 45% - 55% Cu Ni – 5% vật liệu khác C 4.6 Cảm biến IC nhiệt + LM _ 35DT +Vc + _ +Vs GND Vout V0=10mV/0C 8.8mV/0C Cảm biến IC nhiệt LM35 dựa nguyên lý phụ thuộc điện áp mối nối P-N theo nhiệt độ sau KĐ lên theo sơ đồ để có độ nhạy 10mV/0C Cách sử dụng đơn giản với dạng vỏ TO 220 có ba chân hình vẽ Ta việc cấp nguồn có điện áp rat hay đổi theo nhiệt độ Vs (4:10V) LM35 +Vs V0 V0 = 1500mV 1500C LM35 10mV/0C = 250 mV 250C R=-Vs/50  A -Vs =-500 mV -500C Vs (6 :20V) LM35 455K 10K V0 = 1mV/0F 26.4K 18K 1M 4.7 Đo nhiệt độ không tiếp xúc Theo số yêu cầu công nghiệp vùng đo nhiệt độ có diện tích rộng ( đo nhiệt độ cho băng chuyền nướng bánh công nghiệp thực phẩm , đo nhiệt độ vách lò nung có kích thước lớn công nghệ nung clinke ) , thường phải áp dụng cách đo nhiệt độ không tiếp xúc theo nguyên lý xạ nhiệt hồng ngoại từ nguồn nhiệt Ánh sáng phát từ nguồn nhiệt khảo sát dạng sóng điện từ 3011Hz đến 3014 Hz hay dạng hạt ánh sáng hồng ngoại có độ dài song từ  14 μm Nguyên lý hoạt động thiết bị đo nhiệt độ ảnh nhiệt hình vẽ Các vật thể có nhiệt độ lớn 00C xạ nguồn nhiệt nôi sinh xuyên qua không khí để hội tụ nhờ hệ thống quang học lọc ánh sang ,sau nhờ cảm biến quang có phổ ánh sang thích hợp chuyển đổi thành tín hiệu điện xử lý tín hiệu phương pháp xử lý ảnh hiển thị BÀI TẬP CHƯƠNG ( ĐO NHIỆT ĐỘ ) Bài tập thiết kế: Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ có tầm đo từ   2000C cho ngõ có dạng điện áp từ 2V Mạch sử dụng cặp nhiệt điện phải có bổ cho thay đổi nhiệt độ môi trường Hướng dẫn Do yêu cầu cụ thể độ xác hệ thống đo nên việc thiết kế tập trung vào : _ Chọn cảm biến ; với yêu cầu dùng cặp nhiệt , tầm 2000C chọn cặp nhiệt loại J ( sắtconstantan ) có độ tuyến tính thích hợp _ Mạch bù nhiệt cho đầu tự chọn LMXX có áp thay đổi theo nhiệt độ mV/C Với cặp nhiệt loại J dùng bảng tra có đầu chuẩn 00C đầu đo 2000C có áp 10.78mV độ nhạy 50V/0C Vậy độ lợi toàn mạch : G = 2.00 V / 0.01078 V = 185.5 Để thiết kế mạch bù đầu tự với LM35 có độ nhạy 10mV/0C (8mV/0C /50μV/0C = 160 ) lần lớn độ nhạy cặp nhiệt Vậy phải KĐ điện áp từ cặp nhiệt lên 160 lần trước đưa vào mạch vi sai để cộng lại với Cuối để thỏa điều kiện G =185.5 phải thêm tầng KĐ có hệ số 185.5/160 = 1.159 Biểu thức cho điện áp ngõ : V0 = 1.159 [ 160 VTC + VC ) VTC áp cặp nhiệt , VC áp LMxx 10K 11.59K 320K LMxx 2K _ _ 10K + + 2K 320K 11.59K Bài : Mạch bổ dùng điện trở tự chế tạo với vật liệu đồng R3 R2 Giả sử ta muốn tạo mạch bù đầu tự cho cặp nhiệt loại S có độ nhạy nhiệt 5.5V/0C quanh _ VC 2.5V + điểm 00C Vì đầu tự nhiệt độ môi trường 250C nên phần tử bù phải có nhiệt R1 độ Như nhiệt độ môi trường tăng R4 lên 10C , áp phần tử bù phải giảm 5.5V Chọn phần tử bù vật liệu đồng có hệ số nhiệt độ 0.0041/0C có dòng điện ban đầu chạy qua 1mA ,nếu điện trở có trị số 1Ω có áp ngang qua 1mV.Vậy thay đổi ( tăng áp theo nhiệt độ tăng ) cho 10C ( 0.0041/0C)( 1mV) = 4.1V/0C Áp bù cần đòi hỏi 5.5V/0C nên cần hệ số : 5.5 / 4.1 = 1.34 Với mạch thiế kế đơn giản ,các phần tử chọn : _ Chọn áp nguồn chuẩn 2.5 V _ Các điện trở R1 ,R2 , R4 làm Manganin có hệ số nhiệt độ zero R1=R2 có trị số 2.5K R4 = 1.34 Ω _ Điện trở R3 làm phần tử bù làm đồng có trị số 1.34 Ω Lúc , áp bổ VC = -5.5V/0C nối vào mạch cộng với điện áp từ cặp nhiệt Bài tập : -12V Mạch bù đầu tự dùng IC nhiệt AD590/592 10K 10K AD590 _ 5.5Ω + -2.5V 1K -2.5mV 1Ω tĩnh 25 0C 298.2 A Mắc nối tiếp với AD590 điện trở 5.5Ω tạo áp cần bù 5.5V/0C Với nhiệt độ môi trường 250C, tạo áp ( 5.5Ω)(298.2A) 10K 10M AD 590 có độ nhạy 1A/0K dòng điện 3.3K 1.640 mV mức offset mạch KĐ Điện trở 5.5Ω manganin +5V -15V 10K -4.956V 202.7Ω 100Ω 12.27K 1K 240K _ 10K + 1K Mạch thiết kế với yêu cầu sau : _ Tầm đo nhiệt độ từ 5000C đến 7000C _ Điện áp từ 0: 2.5 VDC _ Sử dụng cặp nhiệt loại K có độ nhạy 50V/0C _ IC bù nhiệt có độ nhạy 12mV/0C Hãy kiểm tra lại giá trị chọn xem có xác không ? _ + 10K 10K _ + [...]... ở nhiệt độ môi trường cố định và có giá trị lớn hơn nhiều so với nhiệt độ cần đo Tương tự phương pháp giữ điểm nhiệt độ chuẩn ở 00C , dung bộ điều khiển nhiệt độ kết hợp lò nhiệt để tạo ra nhiệt độ điểm chuẩn mong muốn với điều kiện lớn hơn nhiệt độ cần đo c /Nhiệt độ chuẩn đang ở nhiệt độ môi trường bất kỳ Do là nhiệt độ môi trường ,sự thay đổi liên tục được tao ra làm thay đổi giá trị điểm nhiệt độ. .. dụng cảm biến : Nhiệt độ T1 là nhiệt độ cần đo để cảm biến tiếp xúc , nhiệt độ T2 là nhiệt độ cố định đã biết Với eB/A là hằng số Seebeck phụ thuộc vào cấu tạo của hai vật liệu A/B Định luật 2 T 2 T1 Sức điện động cặp nhiệt E 0 của mạch cặp nhiệt chỉ phụ thuộc A/ B A T3 T1 điểm nhiệt độ nào khác trong mạch điện Điều này cũng có nghĩa IT 3 B T4 vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối và độc lập với bất... quang học và bộ lọc ánh sang ,sau đó nhờ cảm biến quang có phổ ánh sang thích hợp chuyển đổi thành tín hiệu điện được xử lý tín hiệu bằng phương pháp xử lý ảnh và hiển thị BÀI TẬP CHƯƠNG 4 ( ĐO NHIỆT ĐỘ ) Bài tập thiết kế: Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ có tầm đo từ 0   2000C sao cho ngõ ra có dạng điện áp từ 0 2V Mạch sử dụng cặp nhiệt điện và phải có sự bổ chính cho sự thay đổi của nhiệt độ môi trường... phải áp dụng cách đo nhiệt độ không tiếp xúc theo nguyên lý bức xạ nhiệt hồng ngoại từ nguồn nhiệt Ánh sáng phát ra từ nguồn nhiệt được khảo sát dưới dạng sóng điện từ 3011Hz đến 30 14 Hz hay dưới dạng hạt của ánh sáng hồng ngoại có độ dài song từ 9  14 μm Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo nhiệt độ bằng ảnh nhiệt như hình vẽ Các vật thể có nhiệt độ lớn hơn 00C đều có thể bức xạ nguồn nhiệt nôi sinh... : a) Các mối nối A/A’ và B/B’ phải có cùng nhiệt độ T2 b) Cặp nhiệt tạo ra bởi A’/B’ phải có cùng sức điện động nhiệt với cặp nhiệt A/B tại nhiệt 0c T 2 độ T2 E0 A/ B  0c T 2 E0 A' B ' 4. 5 .4 Mạch gia công dùng cho cặp nhiệt điện Mạch cặp nhiệt có mô hình điện tác động sinh ra nguồn sức điện động thường có giá trị đặc trưng cho độ nhạy của cảm biến thường ở tầm vài μV/0C đến vài chục V/0C tùy loại... rat hay đổi theo nhiệt độ Vs (4: 10V) LM35 +Vs V0 V0 = 1500mV tại 1500C LM35 10mV/0C = 250 mV tại 250C R=-Vs/50  A -Vs =-500 mV tại -500C Vs (6 :20V) LM35 45 5K 10K V0 = 1mV/0F 26.4K 18K 1M 4. 7 Đo nhiệt độ không tiếp xúc Theo một số yêu cầu trong công nghiệp như khi vùng đo nhiệt độ có diện tích quá rộng ( đo nhiệt độ cho băng chuyền nướng bánh trong công nghiệp thực phẩm , đo nhiệt độ vách lò nung... ,vì nhiệt độ này phải được giữ luôn là hằng số Có ba cách để tạo ra nhiệt độ chuẩn : a) Nhiệt độ chuẩn được giữ ở 00C Đây là cách tốt nhất để có sự ổn định và trị chính xác của sức A điện động nhiệt của cảm biến và có thể dung bảng tra để đọc t tiếp giá trị nhiệt độ tương ứng của điểm cần đo Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi việc bão dưỡng thường xuyên và đắt tiền B B Nước đá đang tan b) Nhiệt độ. .. một mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến RTD có tầm đo từ 200C đến 1000C , biết cảm biến được chọn là Pt 100 có hệ số tiêu tán nhiệt γ = 28 mW/0C , sao cho sai số do việc tự đốt nóng phải nhỏ hơn 0.050C và ngõ ra có điện áp từ 0  10VDC Hướng dẫn : Mạch thiết kế có dạng sau , hãy tính chọn các linh kiện _ + _ _ + + CHƯƠNG 4/ 2 ĐO NHIỆT ĐỘ 4. 5 Cảm biến nhiệt có mô hình tác động 4. 5.1 Cảm biến cặp nhiệt điên... bằng chọn tiếp R1 = 220 Ω và dung biến trở chỉnh cho R3 ở 141 Ω Để tính các giá trị điện áp lệch của cầu khi RTD thay đổi : Tại 500C , V = 5 Tại 800C , V = 5 Tại 1000C , V = 141 141 5 0 220  141 220  141 ( đã điều chỉnh ) 159 141   0. 144 7V 220  159 220  141 5 171 141 5  0.2338V 220  171 220  141 Vậy ta sẽ cần KĐ điện áp ra ở 800C lên 2V với độ lợi là (2 / 0. 144 7 ) = 13.8 Do cầu điện... cặp nhiệt tùy theo yêu cầu khi có được bảng đặc tính về sức điện động của các vật liệu có cùng đầu vật liệu chuẩn là Pt Vật liệu Độ nhạy ( V/0C ) Constantan - 35 Đồng +6.5 Nickel -15 Vàng +6.5 Alumel -13.6 Sắt +18.5 Chromel +25.8 Platin 0 Nhôm +3.5 Chì +4 Bạc +6.5 4. 5.3 Các phương pháp tạo điểm nhiệt độ chuẩn Nhiệt độ của đầu tự do rất quan trọng trong việc sử dụng cảm biến cặp nhiệt để đo nhiệt độ