1. Đặc điểm
Cặp nhiệt cấu tạo gồm 2 loại dây dẫn A và B được nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T1 và T2. Suất điện động E phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ T1, T2.
Thông thường một mối hàn được giữ ở nhiệt độ có giá trị không đổi và biết trước gọi là nhiệt độ chuẩn Tref. Khi đặt mối hàn thứ hai vào môi trường đo nhiệt độ sẽ đạt đến giá trị Tc chưa biết.
Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng đo và tăng tốc độ đáp ứng. Cặp nhiệt cung cấp suất điện động nên khi đo không có dòng điện chạy qua, do đó không có hiệu ứng đốt nóng.
Tuy nhiên, phải biết trước nhiệt độ chuẩn Tref, sai số Tref chính là sai số của Tc. Suất điện động là hàm không tuyến tính. Mỗi loại cặp nhiệt có suất điện động phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ.
Mỗi loại cặp nhiệt có có dải nhiệt độ làm việc khác nhau từ -270°C đến 2700°C, đây là ưu điểm so với nhiệt kế điện trở.
Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ:
o A / B c c dE S(T ) ( V / C) dT = µ Cặp nhiệt Fe/Constantan: S(0°C) = 52,9 µV/°C ; S(700°C) = 63,8 µV/°C Cặp nhiệt Pt – Rh (10%)/Pt: S(0°C) = 6,4 µV/°C ; S(1400°C) = 11,93 µV/°C
2. Các hiệu ứng nhiệt điện
- Hiệu ứng Peltier:
Ở điểm tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng ở cùng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc. Hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ, gọi là suất điện động Peltier.
Định luật Volta phát biểu:
Trong một chuỗi cách nhiệt được tạo thành từ các vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0.
Vậy, khi hai vật dẫn được phân cách bởi các vật dẫn trung gian và toàn hệ đẳng nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn đầu mút cũng chính là hiệu điện thế nếu như chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau.
- Hiệu ứng Thomson:
Trong một vật dẫn đồng nhất, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động. Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ của hai điểm M và N.
Định luật Magnus phát biểu:
Nếu hai đầu ngoài của một mạch chỉ gồm một vật dẫn duy nhất và đồng chất được duy trì ở cùng một nhiệt độ thì suất hiện động Thomson bằng không.
- Hiệu ứng Seebeck:
Một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A và B và hai tiếp điểm của chúng chúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2, khi đó mạch tạo thành cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện tạo nên suất điện động do kết quả của hai hiệu ứng Peltier
và Thomson gọi là suất điện động Seebeck.
Nếu chọn nhiệt độ chuẩn T1 = 0°C, khi đó suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2.
3. Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo a. Chế tạo a. Chế tạo
Khi chế tạo cặp nhiệt cần tránh những cặp nhiệt ký sinh do gấp khúc dây, nhiễm bẩn hóa học, bức xạ hạt nhân. Kích thước mối hàn nhỏ tối đa tránh hiện tượng có nhiệt độ khác nhau giữa các điểm trên mối nối tạo ra sức điện động ký sinh.
Có 3 kỹ thuật hàn: - Hàn thiết.
- Hàn xì, bằng axêtylen. - Hàn bằng tia lửa điện.
Dây được đặt trong sứ cách điện trơ về hóa học và có điện trở lớn.
Vỏ bọc bảo vệ bên ngoài làm bằng sứ hoặc thép, không cho khí lọt qua, chống tăng giảm nhiệt độ đột ngột.
b. Sơ đồ đo
Suất điện động:
c. Sơ đồ vi sai
Đo nhiệt độ giữa hai điểm đặt hai mối hàn A/B của cặp nhiệt. Điều kiện các mối hàn A/M1, M1/M2, M2/M3 đặt ở cùng nhiệt độ.
4. Phương pháp đo
Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua suất điện động Seebeck đo được giữa hai đầu cặp nhiệt. Suất điện động được xác định chính xác nếu giảm tối thiểu sự sụt áp trong các thành phần (cặp nhiệt, dây dẫn).
Thường áp dụng hai phương pháp đo sau:
- Dùng milivon kế có điện trở suất lớn để giảm sụt áp.
- Dùng phương pháp xung đối để dòng điện chạy qua cặp nhiệt bằng không. • Dùng milivon kế:
Rt: điện trở cặp nhiệt Rl: điện trở dây nối Rv: điện trở milivon kế
Vì không thể xác định được điện trở cặp nhiệt và dây nối (thay đổi theo nhiệt độ) để giảm sai số người ta chọn sao cho Rv >> Rt + Rl.
• Phương pháp xung đối
Đấu suất điện động cần đo với điện áp V đúng bằng giá trị suất điện động. Giá trị V có thể đo chính xác, là điện áp rơi của một điện trở có dòng điện chạy qua.
Cặp nhiệt nối tiếp với một điện kế G và đấu song song với điện trở chuẩn Re. Điều chỉnh dòng điện I sao cho dòng điện chạy qua điện kế bằng 0. Ta có:
Dòng điện I có thể được điều chỉnh bằng biến trở Rh. Hoặc điều chỉnh nhờ một pin mẫu.
Dải nhiệt độ làm việc của cặp nhiệt thường bị hạn chế. Ở nhiệt đô thấp năng suất nhiệt điện giảm. Ở nhiệt độ cao cặp nhiệt kế có thể bị nhiễm bẩn hoặc xảy ra hiện tượng bay hơi các chất trong hợp kim, tăng độ giòn cơ học, thậm chí bị nóng chảy.
Do đó khi sử dụng phải biết được nhiệt độ sử dụng cao nhất của cặp nhiệt. Dây càng nhỏ thì nhiệt độ cực đại càng thấp.