slide bài giảng môn kỹ thuật cám biến chương 4b

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 • 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 mơi 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 Muốn đo cần phải: • Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến môi trường đo • Giảm trao đổi nhiệt cảm biến mơi trường bên ngồi Tx T1 0,63Tx  Hình 3.1 Trao đổi nhiệt cảm biến t 4.1.3 Phân loại cảm biến đo nhiệt độ Các cảm biến đo nhiệt độ chia làm hai nhóm: * Cảm biến tiếp xúc: tiếp xúc với môi trường đo, gồm: + Cảm biến giãn nở (nhiệt kế giãn nở) + Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở -RTD), C¶m biÕn nhiệt địên trở đo nhiệt độ từ 00C 6000C + Cặp nhiệt ngẫu, ®o nhiƯt ®é tõ 6000C  16000C * Cảm biến khơng tiếp xúc: hoả kế, ®o 4.2 Nhiệt kế giãn nở • Nguyên lý hoạt động nhiệt kế giãn nở dựa vào giãn nở vật liệu tăng nhiệt độ Nhiệt kế loại có ưu điểm kết cấu đơn giản, dễ chế tạo – Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn Thường có hai loại: gốm - kim loại, kim loại - kim loại a) b) Hình 3.2 Nhiệt kế giãn nở a) Nhiệt kế gốm - kim loại b) Nhiệt kế kim loại - kim loại Hình 3.2b Ứng dụng nhiệt kế giãn nở điều chỉnh nhiệt độ bàn - Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ống mao dẫn thủy tinh (2) chất lỏng (3), chất lỏng thường dùng thuỷ ngân Hệ số giãn nở nhiệt Hình 3.3 Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng - Vỏ thuỷ tinh có tt =2.10 -5/oC - Thủy ngân có Hg =18.10-5/oC Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt đặt tiếp xúc với mơi trường đo Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nở dâng lên ống mao dẫn Thang đo chia độ vỏ theo dọc ống mao dẫn Mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến DS1820 4.3.4 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  cho   Tnhiệt  biểu điện trở theo độ thức:   R(T) R   exp    T0    T T  (3.11) • 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 ngồi bọc vỏ thuỷ tinh Hình 3.7 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh 4.4 Cảm biến 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 hố 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 b Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu A t0 B t Hình Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu • Tại mặt tiếp xúc đầu đo (nhiệt độ t) xuất hiệu điện eAB(t) • 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 milivơn 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