MỤC LỤC trangCHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU31.1.Cặp nhiệt là gì ?31.2.Thế nào là hiệu ứng tiếp xúc ?31.3.Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện31.4.Lưỡng kim là gì ?11CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA CẶP NHIỆT VÀ LƯỠNG KIM13PHẦN I: CẢM BIÊN NHIỆT ĐỘ13PHÂN II: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT131.Cặp nhiệt điện142.Nhiệt điện trở153.Thermistors164.Bán dẫn175.Nhiệt kế bức xạ18
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHÂT LƯỢNG CAO BÀI TIỂU LUẬN VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đề 3: CẶP NHIỆT VÀ LƯỠNG KIM Giảng viên: Nhóm Học kì I năm học 2018 - 2019 MỤC LỤC trang CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .3 1.1 Cặp nhiệt ? 1.2 Thế hiệu ứng tiếp xúc ? .3 1.3 Nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện .3 1.4 Lưỡng kim ? .11 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA CẶP NHIỆT VÀ LƯỠNG KIM .13 PHẦN I: CẢM BIÊN NHIỆT ĐỘ 13 PHÂN II: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT 13 Cặp nhiệt điện 14 Nhiệt điện trở .15 Thermistors 16 Bán dẫn 17 Nhiệt kế xạ 18 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Cặp nhiệt ? Cặp nhiệt loại cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trẻn hiệu ứng nhiệt Seeback sử dụng nhiều cơng nghiệp, đo lường thí nghiệm 1.2 Thế hiệu ứng tiếp xúc ? Hiệu ứng tiếp xúc trao đổi nhiệt xảy chỗ tiếp xúc đối tượng cảm biến 1.3 Nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện - Ảnh hưởng nhiệt độ đến mối nối hai kim loại khác tạo điện áp nhỏ Một loại cảm biến nhiệt đơn giản cặp nhiệt điện, chúng hoạt động dựa vào nguyên lý gọi hiệu ứng Seeback Seeback khám phá tượng vào năm 1821, năm sau cặp nhiệt điện trở thành loại cảm biến nhiệt sử dụng rộng rãi nhất, Từ cặp nhiệt (thermnocouple) ghép từ hai từ: “thermo” có nghĩa nhiệt “couple” biểu thị hai mối nối - Một cặp nhiệt điện bình thường gồm hai loại dây dẫn khác nhau, dây chế tạo từ loại đơn chất hay hợp kim Hai dây nối lại với đầu tạo thành điễm đo, thơng thường gọi điểm nóng, phần lớn nhiệt độ đo cao nhiệt độ mơi trường Hai đầu lại dây nối tới dụng cụ đo để tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua , dụng cụ đo đo mức điện áp tạo điểm nối chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ tương ứng - Không may, điểm nối cặp nhiệt điện với thiết bị thị vòng điều khiển lại tạo mối nối khác hai kim loại khác mà chúng tạo điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ Để loại bỏ vấn đề này, mạch cặp nhiệt điện sử dụng điểm nối chuẩn kết hợp với mạch điện tử để đo hiệu chỉnh ảnh hưởng Điểm nối chuẩn thông thường mặt điện giống cặp điện 0°C Điểm chuẩn thường đặt gần chí bên thiết bị thị - Điện áp cặp nhiệt điện tạo thấp đo mV Điện áp tăng nhiệt độ tăng Giá trị điện áp tùy thuộc vào tổ hợp hai kim loại sử dụng để chế tạo cặp nhiệt điện Hình 2.1: Cơng nghệ cặp nhiệt điện Chuyển đổi cặp điện áp sinh - Những cặp nhiệt điện cho biết khác nhiệt độ điểm đo điểm chuẩn (Thực tế, đo giá trị tuyệt đối; việc làm so sánh đại lượng biết với đại lượng chưa biết) Nếu biết nhiệt độ chuẩn, tính nhiệt độ q trình cách đo điện áp nhiệt độ chưa biết = (điện áp/hệ số Seeback) + nhiệt độ chuẩn -Nhiệt độ q trình suy từ giá trị điện áp đo cách dựa vào đồ thị xác hơn, cách dựa vào bảng tham chiếu cặp nhiệt điện mà liệt kê điện áp tương ứng với nhiệt độ loại cặp nhiệt điện Không may, quan hệ điện áp theo nhiệt độ đường thẳng, hệ số Seeback số, Với số cặp nhiệt điện toàn dải đo nó, ví dụ loại K tồn dải đo từ đến 1000°C, hệ số Seeback tương đối số (khoảng 40µV/°C), thơng thường thay đổi theo nhiệt độ Điều khứ dẫn đến loại cặp nhiệt điện có thang đo cần thiết phải sử dụng bảng đặc tuyến để chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ Ngày nay, khả nhớ vi xử lý giải tất vấn đề này, công việc nhạt nhẽo tốn thời gian trước giải nhanh chóng dể dàng - Nói tóm lại, tính chất khơng tuyến tính tự nhiên cặp điện khơng vấn đề Hình 2.2: Quan hệ điện áp - nhiệt độ TC Một vấn đề tín hiệu cặp nhiệt điện nhỏ Như trình bày hình 2.3, cặp nhiệt điện plantinum tạo điện áp khoảng 10µV/°C Hay nói cách khác, chí với transmitter cơng nghiệp tốt có dải đo nhỏ 1mV sai số tuyệt đối nhỏ khoảng 0.01 mV, nghĩa 10µV Vì khó khăn để thực phép đo sử dụng transmitter công nghiệp cặp nhiệt điện plantinum mà thay đổi điện áp độ C nhỏ sai số transmitter Điều chấp nhận dải nhiệt độ cao, chấp nhận dải nhiệt độ đo hẹp Vì vậy, cặp nhiệt điện không khuyến cáo sử dụng trường hợp dải đo hẹp phép đo sai lệch nhiệt độ nhỏ Hình 2.3: Hệ số Seeback Chuyển đổi mV nhiệt độ Để áp dụng hệ số hiệu chỉnh mối nối chuẩn mV đo từ đồng hồ đo điện áp, ta thực sau: Từ bảng tham chiếu cặp nhiệt điện thích hợp, lấy giá trị mV (mối nối chuẫn 0°C) tương ứng với nhiệt độ thực mối nối chuẩn Cộng đại số giá trị vừa lấy bước với giá trị mV đọc vơn kế Điện áp hiệu chỉnh chuyển đổi trực tiếp sang nhiệt độ từ bảng tham chiếu cho Chuyển đổi nhiệt độ mV Để xác định xác điện áp ngõ vào cần thiết cho việc hiệu chuẩn dụng cụ đo, xử lý sau: Từ bảng tra cứu thích hợp, lấy giá trị mV (dựa vào mối nối chuẩn 32°F) tương ứng với nhiệt độ thực ngõ vào dụng cụ đo cần kiểm tra Cũng từ bảng tra vừa rồi, lấy giá trị mV (dựa vào mối nối chuẩn 32°F) tương ứng với nhiệt độ cần kiểm tra Giá trị điện áp bước trừ đại số điện áp bước Bù điểm lạnh - Khi sử dụng thiết bị đo, chuyển đổi điện áp tạo chênh lệch nhiệt độ điểm nóng điểm lạnh để ghi nhận để hiển thị nhiệt độ điểm nóng Để ngăn ngừa sai số điện áp tạo thay đổi nhiệt độ điểm lạnh bên thiết bị đo, điện áp phải bù Một phương pháp giữ nhiệt độ điểm lạnh nhiệt độ cố định, ví dụ thực phòng thí nghiệm vói chậu nước đá (hình 2.4) Có thể sử dụng lò, việc giữ nhiệt độ lò giá trị số vấn đề Hình 2.4 Trong mơi trường cơng nghiệp khơng sử dụng chậu nước đá khơng dùng lò Trong transmitter nhiệt độ sử dụng cơng nghiệp q trình, chậu nước chuẩn phải thay mối nối chuẩn theo thay đổi mơi trường Điều đạt cách thực hai thay đổi từ hình 2.4 Thay đổi chèn thêm vào đoạn dây đồng ngắn đầu nối vôn kế cặp nhiệt điện đặt mối nối khối cách nhiệt (hình 2.5) Sự thay đổi loại bỏ mối nối J J4 trình bày hình 2.5, ảnh hưởng chúng bị loại bỏ chúng ngược chiều nhiệt độ Sự thay đổi thứ hai không đặt điểm chuẩn chậu nước đá mà đặt khối cách nhiệt Lúc vôn kế đo điện áp cặp nhiệt điện mối nối chuẩn nhiệt độ TREF, sử dụng thiết bị đo nhiệt khác để đo nhiệt độ điểm chuẩn Khi nhiệt độ TREF đo xác, phần mềm liên quan xác định lượng mV mà cặp nhiệt điện tạo điểm nóng nhiệt độ T REF điểm lạnh đặt chậu nước đá Cộng hai giá trị điện áp nội suy từ bảng tra thích hợp ta giá trị nhiệt độ tương ứng Nhiệt độ nhiệt độ q trình cẩn đo Hình 2.5 Hình 2.6: Sơ đồ kết nối TC cơng nghiệp Các loại cặp nhiệt điện Có nhiều loại cặp nhiệt điện, loại chế tạo từ kim loại khác Việc lựa chọn loại cặp nhiệt điện thông thường dựa vào: Các điều kiện trình điểu khiển Dải nhiệt độ cần đo Cấp xác yêu cầu Mỗi loại cặp nhiệt điện ký hiệu chữ nhận diện chúng màu dây Bảng sau trình bày số loại cặp nhiệt điện thông dụng, dải nhiệt độ ký hiệu màu dây chúng Kiểu E J Kim loại sử dụng Chromel (+) Constantan (-) Iron (+) Mã màu (+) Đỏ tía (-) Đỏ (+) Trắng Dải nhiệt độ đo -200°C đến 900°C 0°C đến 760° C K R S T Constantan (-) (-) Đỏ Chromel (+) Alumel (-) Plamtinum-13% Rhodium(+) Platinum(-) (+) Vàng (-) Đỏ Khơng có -200°C đến 1250°C 0°C đến 1450°C Platinum10%Rhodium(+) Platinum(-) Copper(+) Constantan(-) Khơng có 0°C đến 1450°C (+) Xanh da trời -200°C đến (-) Đỏ 350°C Với loại cặp nhiệt điện, điện áp điểm đo sinh ứng với nhiệt độ ghi lại thành bảng chuyển đổi Bảng chuyển đổi cho biết chênh lệch điện áp mối nối đo mối nối chuẩn mà mối nối chuẩn trì bù mặt điện 0°C Tất mối nối hai kim loại khác mạch sử dụng cặp nhiệt điện phải tính tới để biết xác điện áp đo mối nối đo lường tạo Xem xét kỹ bảng chuyển đổi loại cặp nhiệt ta thấy mối quan hệ điện áp theo thay đổi nhiệt độ khơng tuyến tính Ở bảng chuyển đổi cặp nhiệt điện loại K, điện áp 0.397 mV nhiệt độ mối nối đo lường 10°C Nếu quan hệ nhiệt độ điện áp thật tuyến tính 40°C, điện áp phải 4*0.397=1.588 mV Tuy nhiên giá trị thực tra bảng 1.612 mV Trong vòng điều khiển, mạch điện tử tự động bù lại tính chất khơng tuyến tính Khi nhiệt độ mối nối đo lường 0°C, điện áp dây dương cao điện áp dây âm Khi nhiệt độ mối nối đo lường thấp 0°C, dây dương trở thành âm điện áp hiển thị máy đo âm Khi nhiệt độ mối nối đo lường 0°C, với nhiệt độ mối nối chuẩn, điện áp đo Hình 2.7 sau cho thấy điện áp cặp nhiệt điện hai trường họp: nhiệt độ điểm đo cao nhiệt độ điểm chuẩn ngược lại Kết nối nhiều cặp nhiệt điện Thỉnh thoảng nhiều cặp nhiệt điện nối với để lấy giá trị nhiệt độ trung bình vài điểm đo Hình 2.8 sau ví dụ ba cặp nhiệt điện loại J nối song song với để lấy nhiệt độ trung bình giường sưởi nóng qua Đồng hồ đo điện áp hình vẽ giá trị 11.889 mV, giá trị trung bình ba điện áp ba cặp nhiệt điện Điện áp cụ thể điểm đo sau: MJ1 = 200°C = 10.779 mV MJ2 = 220°C = 11.889 mV MJ3 = 240°C = 13.000 mV Hình 2.8: Đo nhiệt độ nhiều TC Cấu trúc cặp nhiệt điện Thường dây cặp nhiệt điện đặt ống thép không rỉ mỏng lớp vỏ để bảo vệ chúng khỏi bị ăn mòn hóa học bị phá hủy vật lý Chiều dài ống vỏ thay đổi từ vài in đến 30 feet Đường kính thơng thường ¼ in, nhiên, ống chứa nhiều cặp nhiệt điện, kích thước lên tới in Ống bảo vệ thường lót lớp gốm sứ để giữ cho dây cặp nhiệt điện khỏi chạm với phần tử khác Điều quan trọng phải nhớ cặp nhiệt điện đo nhiệt độ điểm nối hai dây kim loại Với cặp nhiệt điện đơn, điểm đo nằm đầu mút Khi sử dụng nhiều cặp nhiệt điện, chúng lắp đặt đầu mút ống bảo vệ để thực nhiều phép đo giá trị; chúng đặt dọc ống bảo vệ Hình 2.9 sau trình bày cấu trúc cặp nhiệt điện vỏ bọc bảo vệ Những ưu điểm giới hạn cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện rẻ tiền, kích thước nhỏ, chắn, tiện lợi linh hoạt, dải đo rộng, khả ổn định chấp nhận, tái sản xuất, xác nhanh Điện áp chúng tạo độc lập với chiều dài đường kính dây Trong RTD xác ổn định hơn, nhiệt trở nhạy hơn, cặp nhiệt điện cảm biến kinh tế chúng đo nhiệt độ cao Nhược điểm cặp nhiệt điện tín hiệu nhỏ Điều làm cho nhạy với nhiễu điện bị giới hạn ứng dụng dải đo tương đối rộng Nó khơng tuyến tính, việc chuyển đổi điện áp ngõ thành giá trị nhiệt độ không đơn giản 10 thiết bị đo trực tiếp Các cặp nhiệt điện luôn cần đến khuếch đại, việc hiệu chuẩn chúng thay đổi nhiễm bẩn, thay đổi thành phần q trình ơxi hóa bên Cặp nhiệt điện sử dụng trạng thái dây trần chất lỏng dẫn điện, dây khơng đồng nhất, điều tạo điện áp mà khó phát Nhìn chung, nên sử dụng cặp nhiệt điện có kích thước dây lớn có thể, tránh sức căng rung động, sử dụng transmitter tích hợp (và mặt khác sử dụng dây bọc xoắn với vỏ bọc nối phận bảo vệ chuyển đổi tương tự-số tích hợp), lựa chọn cẩn thận ống bao vật liệu 1.4 Lưỡng kim ? Lưỡng kim kim loại cấu tạo từ hai loại kim loại khác ứng dụng công nghiệp sản xuất để đo điều khiển nhiệt độ Lưỡng kim dùng để chế tạo lưỡng kim nhiệt, role nhiệt, v.v Lưỡng kim nhiệt loại đồng hồ đo nhiệt độ sử dụng hai kim loại có độ giãn nở khác (trong nhiệt độ) ép vào thành Khi nhiệt độ thay đổi, kim loại bị cong nhiều, từ làm thay đổi vị trí kim thị Và người sử dụng biết nhiệt qua quan sát mặt đồng hồ Nguyên lý hoạt động đồng hồ đo nhiệt độ dạng “lưỡng kim” Chính hai kim loại độ giãn nở khác nên nhiệt độ thay đổi chúng bị uốn cong bên (kim loại có độ giãn nở thay đổi nhiệt thấp uốn cong bên đó) Lá kim loại có đầu cố định vài thành ống bảo vệ đầu lại cố định vào trục thiết kế truyền động với kim loại thị đồng hồ Khi nhiệt độ thay đổi hai kim loại có độ giãn nở khác làm xoay trục kim thị Tất chuyển động tnh1 toán hợp lý để kim thị đến vạch nhiệt độ đo xác Với mong muốn giảm ảnh hưởng 11 hóa học tác động rung từ mơi trường nên ngồi hai kim loại thiết kế xoắn lại theo dạng lò xo đặt bên ống bảo vệ kim loại, thông thường thép không gỉ - Rơle nhiệt loại khí cụ điện tự động đóng cắt tiếp điểm nhờ co dãn nhiệt kim loại - Rơle nhiệt thường dùng để bảo vệ tải cho thiết bị điện Trong công nghiệp công rơle nhiệt lắp kèm với tắc tơ - Nguyên lý làm việc rơle nhiệt: - Phần tử rơ le nhiệt phiến kim loại kép cấu tạo từ hai kim loại, hệ số giãn nở bé (thường dùng invar có 36% Ni, 64% Fe) hệ số giãn nở lớn (thường đồng thau hay thép crom – niken, đồng thau giãn nở gấp 20 12 lần invar) Hai phiến ghép lại với thành phương pháp cán nóng hàn Khi đốt nóng dòng I phiến kim loại kép uốn phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơn, dùng trực tiếp cho dòng điện qua dây điện trở bao quanh Để độ uốn cong lớn yêu cầu phiến kim loại phải có chiều dài lớn mỏng Nếu cần lực đẩy mạnh chế tạo phiến rộng, dày ngắn CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA CẶP NHIỆT VÀ LƯỠNG KIM Trước tiên, cảm biến gì? - Cảm biến thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành tín hiệu điện Ví dụ: Nhiệt độ đại lượng không liên quan đến điện phải chuyển đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợp với cấu điện tử - Các cảm biến thường dùng HVAC: Cảm biến nhiệt, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, đo nồng độ hóa chất nước, CO2, khói, … Phần I: CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ - Nhiệt độ từ môi trường cảm biến hấp thu, tùy theo cấu cảm biến biến đại lượng nhiệt thành đại lượng điện Như yếu tố quan trọng “ nhiệt độ môi trường cần đo” “nhiệt độ cảm nhận cảm biến” Cụ thể điều là: Các loại cảm biến mà bạn trơng thấy vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên vỏ ( bán dẫn, lưỡng kim….) việc đo có xác hay khơng tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất ( yếu tố định giá cảm biến nhiệt ) - Một nguyên tắc đặt là: Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến môi trường cần đo PHẦN II: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ) Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ) 13 Thermistor Bán dẫn ( Diode, IC ,….) Ngồi có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ) Dùng hồng ngoại hay lazer CẶP NHIỆT ĐIỆN ( Thermocouples ) Cấu tạo: Gồm chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính đầu Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho sức điện động thay đổi ( mV) Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy khơng cao Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… Tầm đo: -100 D.C