cam bien nhiet do

• Tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương • Hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/ C ở 25 C.. Hình ảnh một số cảm biến khác[r]

II Cảm biến nhiệt độ

2.1 Khái niệm bản 2.2 Thang đo nhiệt độ

2.3 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo 2.4 Phân loại cảm biến đo nhiệt độ.

2.1 Khái niệm bản

• Nhiệt độ gì?

– đại lượng vật lí đặc trưng cho trạng thái cân nhiệt động hệ vĩ mô

– Là đại lượng biểu diễn mức độ nóng lạnh vật thể

Đo nhiệt độ cần thiết

2.1 Khái niệm bản

• Việc xác định xác nhiệt độ vấn đề khơng đơn giản

• Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp dựa vào phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ

2.2 Thang đo nhiệt độ

• Thang đo nhiệt độ tuyệt đối dựa vào tính chất khí lý tưởng

• Vậy khí lý tưởng gì?

– Là loại chất khí tưởng tượng

– Chứa hạt giống

– Có kích thước vơ nhỏ so với thể tích khối khí

– Khơng tương tác với nhau,

– Chúng va chạm đàn hồi với tường bao quanh khối khí

• Theo định lý Carnot:

– hiệu suất động nhiệt thuận nghịch hoạt động hai nguồn có nhiệt độ thang đo phụ thuộc vào :

   12

 

F F



1

2.2 Thang đo nhiệt độ

• Dạng hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ

• Ngược lại, chọn dạng hàm F định thang đo nhiệt độ

• Đặc , hiệu suất động nhiệt thuận nghịch viết sau:

• Trong T1 T2 nhiệt độ động học

tuyệt đối hai nguồn

1

1

T T

 

• Đối với chất khí lý tưởng, nội U phụ

thuộc vào nhiệt độ chất khí phương trình đặc trưng liên hệ áp suất p, thể tích v nhiệt độ có dạng:

• Có thể chứng minh rằng: , đó:

– R số khí lý tưởng,

– T nhiệt độ động học tuyệt đối.

 

G v

p. 

• Để gán giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ

• Gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với tượng với điều kiện tượng hồn tồn xác định có tính lặp lại

• Thang Kelvin: thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị K

– Thang đo người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước – nước đá – (ở C) giá trị số 273,15K.⁰

• Thang Celsius: thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ C.⁰

• Nhiệt độ celsius xác định qua nhiệt độ Kenvin theo biểu thức:

• Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ Trong thang đo này, nhiệt độ điểm nước đá tan 32 F điểm nước sôi ⁰

là 212 F ⁰

• Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit nhiệt độ Celsius

 C T K  273,15

T

     32

9

 



C T F

T

    32

5

 



 F T C

2.3 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo

• Nhiệt độ cần đo (Tx): nhiệt độ thực mơi trường.

• Nhiệt độ đo (Tc): nhiệt độ phận cảm nhận cảm biến.

• Xét cảm biến đo tiếp xúc (hình vẽ)

 Sai số: T = Tx - Tc 

• Sai sốT phụ thuộc:

- Trao đổi nhiệt cảm biến môi trường đo - Trao đổi nhiệt cảm biến bên

Tx T1  t     t x

• Muốn đo cần phải:

– Tăng cường trao đổi nhiệt cảm biến

môi trường đo

– Giảm trao đổi nhiệt càm biến mơi

trường bên ngồi

• Ta khảo sát trường hợp đo cảm biến tiếp

xúc

• Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào cảm biến

theo:

– Với α: hệ số dẫn nhiệt

– A: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt – t: thời gian trao đổi nhiệt

T T dt A

2.3 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo

• Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: – Với m: khối lượng cảm biến – C: nhiệt dung cảm biến

• Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt cảm biến môi trường ngồi giá đỡ, ta có:

• Đặt :hằng số thời gian nhiệt, ta có: • nghiệm phương trình có dạng:

C

mCdT dQ 

TX TC dt mCdTC

A  

 

A 

mC  dt T T dT C X C    t X

C T ke

2.3 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo • Để tăng cường trao

đổi nhiệt môi trường 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 ngồi tiếp điểm dẫn có hệ số dẫn nhiệt thấp

2.4 Phân loại cảm biến đo nhiệt độ

• Chia làm hai nhóm:

• Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm:

– Cảm biến giãn nỡ (nhiệt kế giãn nỡ) – Cảm biến điện trở

(nhiệt điện trở) – Cặp nhiệt ngẫu

• Cảm biến khơng tiếp xúc: hỏa kế, hỏa

Nhiệt kế kim loại

2.5 Nhiệt kế giãn nỡ

• Nguyên lý hoạt động: dựa vào giãn nỡ vật liệu tăng nhiệt độ

• Ưu điểm: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

a Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn

Nhiệt kế gốm – kim loại gồm:

gốm đặt ống kim loại,

Một đầu gốm liên kết với ống kim loại,

Đầu nối với hệ thống truyền động tới phận thị

A

B

1

1 Thanh gốm Ống kim loại

Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn

• Hệ số giãn nỡ nhiệt kim loại gốm αk αg

• Do αk >αg nên nhiệt độ tăng lên lượng dt kim loại giãn thêm lượng dlk  gốm giãn thêm

dlg với dlk>dlg làm cho gốm dịch chuyển

• Nhiệt kế kim loại – kim loại gồm: kim loại có hệ số giãn nỡ nhiệt khác liên kết với theo chiều dọc

1 Kim loại 1: α1 Kim loại 2: α2 <α1

1

2

Cấu tạo

Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn

• Giả sử α1>α2, giãn nỡ nhiệt hai kim loại cong phía

• Dựa vào độ cong kim loại để xác định nhiệt độ

• Đặc điểm:

- Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền

• Ứng dụng:

- Đo nhiệt độ < 700oC

b Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất lỏng

• Cấu tạo:

– Gồm bình nhiệt, – ống mao dẫn

– chất lỏng

• Chất lỏng thường sử dụng thủy ngân có hệ số giãn nỡ nhiệt α=18.10 -5/ C ,⁰

• Vỏ nhiệt kế thủy tinh có α=2.10-5/ C.⁰

1

3

Hệ số giãn nỡ số chất rắn

Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất lỏng

• Khi đo nhiệt độ, bình

nhiệt đặt tiếp xúc với môi trường đo

• Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nỡ dâng lên ống mao dẫn

• Dải nhiệt độ làm việc

từ -50 đến 600 C tùy ⁰

theo vật liệu chế tạo vỏ bọc.

2.6 Nhiệt kế điện trở

a Nguyên lý.

• Dựa vào phụ thuộc điện trở suất vật liệu theo nhiệt độ

• Tổng quát, thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng:

– Với R0 điện trở nhiệt độ T0

– F hàm đặc trưng cho vật liệu F=1 T=T0 • Có loại điện trở thường sử dụng là: điện

trở kim loại, điện trở silic điện trở chế tạo hổn hợp oxit bán dẫn

 T R0FT T0

a Nguyên lý.

• Trường hợp điện trở kim loại, hàm có

dạng:

– Trong T đo °C ,

– T0=0 C A, B, C hệ số thực nghiệm.⁰

• Trường hợp điện trở hỗn hợp oxit bán

dẫn:

– T nhiệt độ tuyệt đối, – B hệ số thực nghiệm.

   3

0 AT BT CT

R T

R    

a Nguyên lý.

• Khi độ biến thiên nhiệt độ nhỏ điện trở coi thay đổi theo hàm tuyến tính:

– Với gọi hệ số nhiệt điện trở hay gọi độ nhạy nhiệt nhiệt độ T

– Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu nhiệt độ

• Ví dụ: 00C platin có αR =3,9.10-3 / C.⁰

• Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ mà đo

Xác định thay đổi nhỏ nhiệt độ phát được: min R R T R     R R 

 R   R

R 

a Nguyên lý.

• Ví dụ: và với phép đo quanh điểm C, vật liệu ⁰

là Platin

• Điện trở thay đổi nhiệt độ thay đổi chịu tác động

thay đổi kích thước hình học

• Đối với điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số

nhiệt độ có dạng:

– Hay – Với

– Ta có , thực tế thường nên ta coi:

6 10   R R C

T  

 min 2,6.104

dT ds s d d dT d dT dR R R 1 1           s

R   

     



 R 2



 

R      

b Nhiệt kế điện trở kim loại

• Vật liệu:

– Có điện trở suất đủ lớn để điện trở ban đầu R0

lớn mà kích thước nhiệt kế nhỏ

– Hệ số nhiệt trở tốt luôn không đổi dấu, không triệt tiêu

– Có đủ độ bền cơ, hóa nhiệt độ làm việc

– Dể gia cơng có khả

b Nhiệt kế điện trở kim loại

Bảng: thông số số vật liệu làm điện trở kim loại

Thông số Pt Ni Cu W

Tf (oC) 1769 1453 1083 3380

 (WoC-1m-1) 73 90 400 120

 x108 (m) 10,6 10 1,72 5,52 R x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5

100 / 0 1,385 1,617 -

-Tlàm việc (oC) -200  1000 < 250 < 180 < 1600

Tính bền nhiệt Bền Kém bền Kém bền Bền

Tính ổn định Cao Thấp Thấp Thấp

b Nhiệt kế điện trở kim loại

• Vật liệu thường chế tạo Pt Ni Ngồi cịn dung Cu, W

• Cấu tạo:

2

3

1

3

2

1

3

b Nhiệt kế điện trở kim loại

– Điện trở giới hạn giá trị vài mA – Điện trở có độ nhạy nhiệt cao

– Điện trở phải có giá trị đủ lớn để tránh làm nóng đầu dịng diện chạy qua

 Giảm tiết diện dây tăng chiều dài dây.

b Nhiệt kế điện trở kim loại

• Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R C có ⁰

giá trị khoảng 100Ω

• Khi với điện trở platin có – Đường kính dây cỡ vài μm – Chiều dài dây khoảng 10cm,

– sau quấn lại nhận nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm

• Các sản phẩm thương mại thường có điện trở C ⁰

là 50 Ω, 500 Ω, 1000 Ω,

Nhiệt kế cơng nghiệp

• Có vỏ bọc tốt chống va chạm mạnh rung động,

• Điện trở kim loại bao bọc thủy tinh gốm đặt vỏ bảo vệ thép.

Nhiệt kế bề mặt

• Dùng để đo nhiệt độ bề mặt vật rắn

• Được chế tạo phương pháp quang hóa sử dụng vật liệu làm điện trở Ni, Fe – Ni, Pt

• Chiều dày lớp kim loại cỡ vài μm kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2

• Cấu tạo

• Vật liệu

1 Điện trở Tấm vật liệu

cách điện

2

Tính chất Ni Ni – Fe Pt

Độ nhạy nhiệt αR.103 (oC-1) ~ 5,0 ~ 5.0 ~ 4,0

Nhiệt kế bề mặt

Đặc trưng chính:

• Độ nhạy nhiệt:

~5.10-3/0C trường hợp Ni Fe – Ni

~4.10-3/ trường hợp Pt

• Dải nhiệt độ sử dụng:

-195 C đến 260 C Ni Fe – Ni.⁰ ⁰

-260 C đến 1400 C Pt.⁰ ⁰

c Nhiệt kế điện trở silic

• Silic tinh khiết đơn tinh thể Silic có hệ số nhiệt điện âm

• Tuy nhiên kích tạp loại n khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương • Hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/ C 25 C.⁰ ⁰

c Nhiệt kế điện trở silic

• Trong dải nhiệt độ làm việc từ -55 C đến 200 C, giá trị gần điện

⁰ ⁰

trở cảm biến nhiệt độ theo cơng thức:

• Trong R0 T0 điện trở

nhiệt độ điểm chuẩn

• Sự thay đổi nhiệt độ điện trở tương đối nhỏ nên tuyến tính hóa cách mắc thêm điện trở phụ

500m 240m

50

0



m

ToC

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

-50 0 50 100

R()

   

 

0

0

T R A T T B T T

d Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn • Hỗn hợp bột oxit

được trộn theo tỉ lệ thích hợp

 nén định dạng

thêu kết nhiệt độ ~1000 C.⁰

• Các dây nối kim loại hàn hai điểm bề mặt phủ lớp kim loại

1

2 3

Cấu tạo

1 Vỏ bọc Điện trở

d Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn

• Sự phụ thuộc điện trở nhiệt điện trở vào

nhiệt độ theo biểu thức:

Hệ số nhiệt điện trở:

• Gần đúng: và

Với B = 3.000 - 5.000K

                       0 T T exp T T R ) T ( R R T b                     0 0 T 1 T 1 B R T

R( ) exp R 2

T B

d Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn

• Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt cao nên dùng để phát biến thiên nhiệt độ nhỏ cỡ 10-4

đến 10-3K

• Kích thước cảm biến nhỏ  đo nhiệt độ điểm

• Nhiệt dung cảm biến nhỏ  thời gian hồi đáp nhỏ

• Dải nhiệt độ cảm biến nhiệt điện trở từ C đến ⁰

Hình ảnh số cảm biến khác

Hình ảnh số cảm biến khác