Thang nhiệt độ

GVHD:Phan Duy Anh Đồ Án Tốt Nghiệp I.Thang nhiệt độ điểm chuẩn nhiệt độ: I.1 Thang nhiệt độ : Các tính chất vật lí vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ chúng Từ thay đổi nhiệt đặc trưng vật lí vật liệu cho trước người ta luôn xác định thang đo nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ đặc biệt nhận biết cân hai nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ Tuy thang nhiệt độ hoàn toàn tuỳ tiện liên quan đến tính chất đặc biệt: không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ ý nghĩa vật lí riêng Chỉ có xuất phát từ định luật nhiệt động học xác định thang nhiệt độ đặc trưng tổng quát cho trường hợp Các thang nhiệt độ tuyệt đối xác định dựa tính chất khí lí tưởng Định luật Carot nêu rõ: hiệu suất  động nhiệt thuận nghịch hoạt động nguồn ( nhiệt độ 1 2 tương ứng), thang đo bất kì, phụ thuộc vào 1 2  F (1 ) F ( ) Dạng hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại việc lựa chọn hàm F định thang đo nhiệt độ Đặt F()=T xác định T nhiệt độ động học tuyệt đối hiệu suất đông nhiệt thuận nghịch viết sau:  1 T1 T2 Trong T1 T2 nhiệt độ động học tuyệt đối hai nguồn Phương trình đặc trưng liên hệ áp suất P, thể tích V nhiệt độ  PV=G() Có thể chứng minh rằng: G()=RT Trong R số chất khí lí tưởng Giá trị M phần tử gam chất khí phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ Để gán giá trị số cần phải xác định đơn vị đo nhiệt độ Muốn cần gán cho giá trị số cho nhiệt độ tương ứng với tượng với điều kiện tượng hoàn toàn xác định có tính lặp lại I.2 Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối : - Thang Kelvin: đơn vị K Trong thang Kelvin người ta gán cho nhiệt độ điểm cân trạng thái nước-nuớc đá- giá trị số 273.15 0K - Thang Celcius: đơn vị 0C Quan hệ nhiệt độ Celcius Kelvin xác định công thức: SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 38 GVHD:Phan Duy Anh Đồ Án Tốt Nghiệp T(0C)=T(0K)-273.15 - Thang Fahrenhiet: đơn vị 0F T (0 C )  {T (0 F )  32} 9 T ( F )  T ( C )  32 I.3.Điểm chuẩn nhiệt độ : Nhiệt độ đo (nhờ điện trở hay cặp nhiệt) nhiệt độ cảm biến kí kiệu Tc Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx trao đổi nhiệt độ Nhiệm vụ người làm thực nghiệm làm để giảm hiệu số Tx-Tc xuống nhỏ Có biện pháp để giảm khác biệt Tx-Tc: - Tăng trao đổi nhiệt cảm biến môi trường đo - Giảm trao đổi nhiệt cảm biến môi trường bên II.Các Phương Pháp Đo Nhiệt Độ : Việc đo nhiệt độ tiến hành nhờ dụng cụ hổ trợ chuyên biệt như: + Cặp nhiệt điện + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Nhiệt kế xạ + IC cảm biến nhiệt II.1 Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ) Linh kiện gồm hai kim loại bán dẫn khác loại, hàn với đầu, hoạt động nhờ tượng nhiệt điện hay hiệu ứng Peltier-Seebeck Giữa hai đầu dây cặp nhiệt điện xuất sức điện động chiều có trị số phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mối hàn đầu không hàn SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 39 GVHD:Phan Duy Anh Đồ Án Tốt Nghiệp Hình II.1 : Thermocouple Ðiện phụ thuộc vào kim loại dùng nhiệt độ điểm tiếp xúc, thông thường điện biến đổi cỡ đến 75 mV ứng với độ C Khoảng nhiệt độ đo cặp nhiệt điện cao, độ bền tốt tính ổn định cao Tuy nhiên cặp nhiệt điện có số nhược điểm cần khắc phục Trước hết mức thấp cần phải có khuếch đại có hệ số lớn Thứ hai, điện áp không tuyến tính với nhiệt độ, điều giải cách dùng mạch khuếch đại có độ khuếch đại phụ thuộc giá trị tín hiệu Tuỳ thuộc vào nhiệt độ cần đo mà dùng loại cặp nhiệt điện khác nhau: - Platin- Platin Radi (1.300 oC); - Cromen - Alumen (1.000 oC); - Cromen - Copen (tới 600 oC); - Sắt - Copen (tới 600 oC) Đối với khoảng đo từ +600 trở xuống người ta sử dụng cặp nhiệt điện SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 40 GVHD:Phan Duy Anh Đồ Án Tốt Nghiệp II.2 Điện trở dò nhiệt (RTD) Ðiện trở dò nhiệt (Resistance Temperature Detector -RTD) điện trở có giá trị thay đổi theo nhiệt độ RTD cấu tạo sợi hay mỏng platin hay sợi nikel đồng (nguyên chất) Dựa nguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ ( phương trình Callendar- Van Dusen ) Cần phải có mạch điện phức tạp để giảm sai số hay dùng sơ đồ nối ba hay bốn dây để bù trừ điện trở dây nối phải nối dài cảm biến Hình II.2 : Điện trở dò nhiệt - RTD đồng sử dụng nhiệt độ 100 oC để tránh oxi hoá - RTD niken có độ phi tuyến cao , dùng nhiệt độ nhỏ 300 oC - RTD bạch kim thông dụng , có điện trở suất cao , chống oxi hoá dùng khoảng -250 oC đến +850 oC II.3 Điện trở nhiệt ( Thermistor ) Ðiện trở nhiệt cấu tạo với vật liệu oxit kim loại, mangan, nikel, colbalt… vật liệu thay đổi không tuyến tính với nhiệt độ , cho khoảng đo từ 50 đến 150 oC Do tính chất phi tuyến cuả , người ta không dùng Thermistor để đo nhiệt độ mà dùng mạch cảnh báo nhiệt hay mạch bù nhiệt Trong trường hợp cần đặc tuyến tuyến tính theo nhiệt độ phải dùng thêm số mạch tuyến tính hoá Thermistor gồm có loại : SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 41 GVHD:Phan Duy Anh Đồ Án Tốt Nghiệp - PTC :điện trở tăng theo nhiệt độ - NTC :điện trở giảm theo nhiệt độ Trong NTC thông dụng Hình II.3 : Điện trở nhiệt II.4.Cảm biến vật liệu bán dẫn Nguyên lí loại dựa nguyên tắc mức lượng cần thiết để điện tử vượt qua vùng nghèo thay đổi nhiệt độ chuyển tiếp thay đổi Vì mức áp rơi mối nối P-N thay đổi nhiệt độ thay đổi Cùng với mạch điện tử tích hợp thích hợp người ta chế tạo nhiều loại cảm biến có ngõ khác Nhưng chúng có hạn chế chung nhiệt độ hoạt động chúng không cao giới hạn sức chịu đựng vật liệu chế tạo II.5 IC Cảm biến nhiệt : IC đo nhiệt độ mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dạng dòng điện hay điện áp Dựa vào đặc tính nhạy bán dẫn với nhiệt độ, tạo điện áp dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Đo tín hiệu điện ta biết giá trị nhiệt độ cần đo Sự tác động nhiệt độ tạo điện tích tự lổ trống chất bán dẫn Bằng phá vỡ phân tử, bứt electron thành dạng tự di chuyển qua SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 42 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD:Phan Duy Anh vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo xuất lỗ trống Làm cho tỉ lệ điện tử tự lổ trống tăng lên theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ Sau số loại IC cảm biến nhiệt thông dụng thị trường: AD590: Ngõ dòng điện Độ nhạy:1 mA/ 0K Nguồn cung cấp Vcc: 430 VDC Độ xác: 4K Phạm vi hoạt đông: -55 0C 1500C LX5700: Ngõ điện áp Độ nhạy: -10mV/0C Phạm vi hoạt động: -550C  1500C Loại dùng độ xác thấp LM335: Ngõ điện áp Độ nhạy 10mV/0K Dòng làm việc 400uA đến 5mA Nguồn cung cấp Vcc: 2.5 V Phạm vi hoạt động: -200C  1000C Sai số khoảng 10C khoảng 1000C LM134, LM234, LM334: Ngõ dòng điện Làm việc với khoảng điện áp rộng từ đến 40 VDC LM35: Ngõ điện áp Độ nhạy 10 mV/0C Phạm vi hoạt động: -550C  1500C Ở nhiệt độ 250C sai số không 1% Dòng làm việc 400uA đến 5mA Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ phương pháp thông dụng , đơn giản chúng em sử dụng đồ án SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 43 GVHD:Phan Duy Anh Đồ Án Tốt Nghiệp III Hệ thống đo lường: III.1.Giới Thiệu : Để thực phép đo đại lượng tuỳ thuộc vào đặc tính đại lượng cần đo,điều kiện đo,cũng độ xác theo yêu cầu phép đo mà ta thực đo nhiều cách khác sỡ hệ thống đo lường khác Sơ đồ khối hệ thống đo lường tổng quát : Chuyển đổi Tính toán Chỉ thị - Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp đại lượng vật lý đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi đại lượng thành đại lượng vật lý thống ( dòng điện hay điện áp) để thuận lợi cho việc tính toán - Khối tính toán : tùy theo việc sử dụng chip khai báo ADC mà có phép tính phù hợp - Khối thị :làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận từ mạch đo để thể III.2.Hệ thống đo lường số : Hệ thống đo lường số áp dụng có đặc điểm : tín hiệu tương tự qua biến đổi thành tín hiệu số có giá trị trạng thái 0, giới hạn nhiều mức tín hiệu gây sai số Mặt khác, hệ thống tương thích với liệu máy tính, qua giao tiếp với máy tính ứng dụng rộng rãi kỹ thuật SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 44 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD:Phan Duy Anh III.3.Hoạt động : Đối tượng cần đo đại lượng vật lý,dựa vào đặc tính đối tượng cần đo mà ta chọn loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo thành đại lượng điện, đưa vào mạch chế biến tín hiệu(gồm:bộ cảm biến, hệ thống khuếch đại, xử lý tín hiệu) Bộ chuyển đổi tín hiệu sang số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số kết nối với vi xử lý Bộ vi điều khiển có nhiệm vụ thực phép tính xuất lệnh sở trình tự lệnh chấp hành thực trước SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa Trang 45 ... vào đặc tính nhạy bán dẫn với nhiệt độ, tạo điện áp dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Đo tín hiệu điện ta biết giá trị nhiệt độ cần đo Sự tác động nhiệt độ tạo điện tích tự lổ trống... Giảm trao đổi nhiệt cảm biến môi trường bên II.Các Phương Pháp Đo Nhiệt Độ : Việc đo nhiệt độ tiến hành nhờ dụng cụ hổ trợ chuyên biệt như: + Cặp nhiệt điện + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện... vào kim loại dùng nhiệt độ điểm tiếp xúc, thông thường điện biến đổi cỡ đến 75 mV ứng với độ C Khoảng nhiệt độ đo cặp nhiệt điện cao, độ bền tốt tính ổn định cao Tuy nhiên cặp nhiệt điện có số