chương 4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Chương CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 4.1 Khái niệm Nhiệt độ số đại lượng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật chất Bởi nghiên cứu khoa học, công nghiệp đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ cần thiết Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp dựa vào phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ 4.1.1 Thang đo nhiệt độ Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ Thang nhiệt độ tuyệt đối thiết lập dựa vào tính chất khí lý tưởng • Theo định lý Carnot: hiệu suất η động nhiệt thuận nghịch hoạt động hai nguồn nhiệt có nhiệt độ θ θ thang đo phụ thuộc vào θ θ : F( θ ) η= F( θ ) Hiệu suất nhiệt động nhiệt thuận nghịch viết sau: T1 η = 1− T2 với : F(θ) = T • Đối với chất khí lý tưởng, quan hệ áp suất p, thể tích v nhiệt độ có dạng: p.v=G(θ) Người ta chứng minh rằng: G(θ)=RT Trong đó: R số khí lý tưởng, T nhiệt độ động học tuyệt đối • Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ K Trong thang đo người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước - nước đá - giá trị số 273,15 K • Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ oC độ Celsius độ Kelvin Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 • Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ oF Trong thang đo này, nhiệt độ điểm nước đá tan 32oF điểm nước sôi 212oF Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit nhiệt Celssius: ( ) {( ) ( ) ( ) } o T C = T F − 32 o o T F = T C + 32 o 4.1.2 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực Tx, đo ta nhận nhiệt độ Tc nhiệt độ phần tử cảm nhận cảm biến Tx nhiệt độ cần đo, Tc gọi nhiệt độ đo Điều kiện để đo nhiệt độ phải có cân nhiệt môi trường đo cảm biến Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, tồn chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc định Độ xác phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc, hiệu số bé, độ xác phép đo cao Muốn đo cần phải: • Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến môi trường đo • Giảm trao đổi nhiệt cảm biến môi trường bên Chúng ta khảo sát trường hợp đo Cảm biến tiếp xúc Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào cảm biến xác định theo công thức: dQ = αA ( Tx − Tc ) dt Với: α - hệ số dẫn nhiệt A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt t - thời gian trao đổi nhiệt Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: dQ = mCdT Với: m - khối lượng cảm biến C - nhiệt dung cảm biến Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt cảm biến, ta có: αA ( Tx − Tc ) dt = mCdT Cảm biến nhiệt Tx T1 0,63Tx τ t Hình 3.1 Trao đổi đổi nhiệt cảm biến môi Để tăng cường trao nhiệt trường có nhiệt độ cần đo cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến Hình 3.5b Điện trở chuẩn hóa R0=100 Ω 00C Tính chất Ni Ni – Fe Pt Độ nhạy nhiệt αR.103 (oC-1) ~ 5,0 ~ 5.0 ~ 4,0 Khoảng n.độ làm việc (oC) - 195÷ 260 - 195÷ 260 - 260÷ 1400 Hình 3.5c Cấu tạo nhiệt kế bề mặt 4.3.3 Nhiệt kế điện trở silic Đó điện trở bán dẫn có đặc điểm sau: - Hệ số nhiệt điện trở có giá trị dương, - Sự thay đổi nhiệt tương đối bé tuyến tinh hóa đặc tuyến cảm biến vùng nhiệt độ làm việc, - Khoảng nhiệt độ sử dụng hạn chế dải từ -50 oC đến 120 Oc Các điện trở silic chế tạo công nghệ khuếch tán tạp chất vào đơn tinh thể silic Sự thay đổi điện trở suất phụ thuộc vào nồng độ pha tạp nhiệt độ • Điện trở silic phụ thuộc vào nhiệt độ R(Ω) 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 -50 50 100 ToC Hình 3.6 Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở silic Đầu bịt Nút đậy Đầu dây bên Ống cách nhiệt chặn cuối mối hàn ống bảo vệ Phần tử điện trở Mối hàn Cấu tạo bên Cấu tạo bên Hình 3.b Cấu tạo nhiệt kế điện trở bán dẫn 4.4 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn - NTC a) Vật liệu chế tạo • Nhiệt kế điện trở chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 • Sự phụ thuộc điện trở nhiệt kế điện trở theo nhiệt độ cho biểu thức:   1  T  R(T) = R   expβ −  T0    T T  (3.11) • Trong R0(Ω) điện trở nhiệt độ T0(K) b) 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 Hình 3.7 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh 4.4 Cảm biên nhiệt ngẫu a Nguyên lý: Để đo nhiệt độ cảm biến nhiệt ngẫu dựa sở hiệu ứng nhiệt điện Người ta nhận thấy hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có chất hoá học khác nối với mối hàn thành mạch kín nhiệt độ hai mối hàn t t0 khác mạch xuất dòng điện Sức điện động xuất hiệu ứng nhiệt điện gọi sức điện động nhiệt điện * Nếu đầu cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, đầu thứ hai để hở hai cực xuất hiệu điện b Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu A t0 B t Hình Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu • Tại mặt tiếp xúc đầu tự (nhiệt độ t0) xuất hiệu điện eAB(t0) • Sức điện động tổng sinh hiệu ứng nhiệt điện xác định công thức sau: E AB = e AB (t ) + eBA (t0 ) Sức điện động cặp nhiệt không thay đổi nối thêm vào mạch dây dẫn thứ ba (hình 3.9) nhiệt độ hai đầu nối dây thứ ba giống t0 C t0 t0 2 B t1 A B A t1 1 t a) C B t b) Hình 3.9 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba Cấu tạo điển hình cặp nhiệt công nghiệp Hình 3.12 Cấu tạo cặp nhiệt 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện 5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế Trên hình 3.13 biểu diễn sơ đồ đo thông dụng sử dụng milivôn kế từ điện Vật liệu cặp nhiệt ngẫu Vật liệu Thành phần Tlv.nh (oC) E đ.Tmax (mV) Tlv dh (oC) Platin-Rođi / Platin (+) 90%Pt+10%Rd (-) Pt < 1600 16,77