Trƣớc hết, cần phải ghi nhớ rằng bản chất của điện áp nhiệt điện là hàm chênh lệch nhiệt độ, theo ví dụ đã xét ở phần trên ta thấy dòng I của đồng hồ đo tỉ lệ với điện áp nhiệt điện UAB(T,T0). Nếu phải đo nhiệt độ của điểm nóng T thì nhất thiết phải giữ điểm lạnh T0 ở một giá trị không đổi. Vì, nếu nhiệt độ điểm lạnh thay đổi nhất định sẽ gây nên sai số đo. Vả lại, chỉ có thể đo đƣợc nhiệt độ điểm nóng thông qua sự đối chiếu với nhiệt độ điểm lạnh, nếu nhiệt độ điểm lạnh bị thay đổi thì phép đo mất ý nghĩa.
Có nhiều nguyên nhân gây nên sự thay đổi của điểm lạnh, song tập trung cụ thể vào ba nguyên nhân sau.
+ Sự dẫn nhiệt dọc theo các dây dẫn.
+ Bức xạ nhiệt từ đối tƣợng có nhiệt độ cần đo.
+ Sự thay đổi của nhệt độ môi trƣờng quanh điểm lạnh.
Hai nguyên nhân đầu thật sự phải đƣợc chú ý khi khoảng cách đối tƣợng đo và thiết bị đo, nghĩa là khoảng cách giữa các điểm nóng lạnh, không xa nhau lắm. Để đạt đƣợc độ chính xác mong muốn, trong thực tế, phải đảm bảo sao cho sự thay đổi nhiệt độ của điểm lạnh là rất bé để có thể bỏ qua đƣợc khi so với chênh lệch nhiệt độ cần đo.
Có hai giải pháp tƣơng đối phổ biến để đảm bảo cho mục đích khống chế điểm lạnh.
Đặt thiết bị đo cách xa đối tƣợng đo một cách hợp lý (xa quá sẽ tổn hao nhiều trên đƣờng dẫn). Và phải đặt máy đo trong môi trƣờng nhiệt độ cố định. Nhƣ vậy sẽ
Học viên: Nguyễn Quang Định 34
tránh đƣợc bức xạ nhiệt từ đối tƣợng đo vào điểm lạnh cũng nhƣ tạo đƣợc một môi trƣờng nhiệt ổn định quanh điểm lạnh.
Điều này cần đặc biệt lƣu ý khi phải thực hiện những phép đo xa ở những điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Ở những trƣờng hợp này, hệ thiết bị đo phải đƣợc đặt cách xa đối tƣợng đo để đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị, nghĩa là điểm nguội phải đặt cách xa điểm nóng. Ví dụ, đo các đối tƣợng cháy, nổ, ô nhiễm môi trƣờng…
Giữ ổn định điểm lạnh. Duy trì nhiệt độ lạnh tại một giá trị nhất định. Để thực hiện giải pháp này, ngƣời ta có thể sử dụng một trong những phƣơng pháp cụ thể nhƣ sau.
* Phƣơng pháp cách xa hai điểm nóng và điểm lạnh bằng dây bù.
Nếu đối tƣợng đo (điểm nóng) và thiết bị đo (điểm lạnh) phải đặt cách xa nhau thì dây dẫn phải đƣợc nối dài ra. Nhƣ vậy, điện trở dây nối dài sẽ tăng lên đáng kể. Vì vật liệu làm cặp nhiệt có điện trở suất khá lớn và giá thành cũng khá đắt nên không sử dụng các vật liệu này làm dây nối dài đƣợc. Cần phải sử dụng một loại vật liệu rẻ tiền và có điện trở suất thấp để làm dây nối dài. Đƣơng nhiên khi nối thêm một vật liệu khác vào thì sẽ gặp phải hiện tƣợng phát sinh điện áp nhiệt điện phụ tải các điểm nối. Đây là một vấn đề kỹ thuật cần phải đƣợc giải quyết. Để giải quyết tốt vấn đề này, trƣớc hết hãy xét một ví dụ khái quát để hiểu rõ hơn ảnh hƣỡng của các dây nối dài có vật liệu cặp nhiệt.
Hãy xét sơ đồ mạch đo nhiệt ứng dụng cặp nhiệt có vật liệu (A,B) với các dây nối dài có vật liệu (C,D) trên hình 3.8 có dây nối dài bằng vật liệu khác biệt (CD)
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt (A, B)
Trong đó: T là nhiệt độ cần đo, A và B là vật liệu cặp nhiệt. C và D là vật liệu dây nối dài.
Học viên: Nguyễn Quang Định 35
Tn là nhiệt độ điểm nối giữa dây cặp nhiệt và dây nối dài. T0 nhiệt độ đầu nối thiết bị đo.
Giả thiết rằng thiết bị đo là một vật ngắn mạch nhiệt, ngoài ra, nhiệt độ các điểm nối giữa dây cặp nhiệt với dây nối dài đều đƣợc giữ ở giá trị Tn. Khi ấy, dƣới tác dụng của chênh lệch nhiệt độ T- Tn, điện áp nhiệt điện của cặp nhiệt tạo ra từ các vật liệu A và B sẽ là:
UT1 = UAB (T; Tn)
Dƣới tác dụng của chênh lệch nhiệt độ Tn – T0, điện áp nhiệt điện của dây nối dài tạo bởi các vật liệu C và D sẽ là:
UT2 = UCD (Tn; T0) Tổng điện áp nhiệt điện sẽ bằng.
UT = UT1 + UT2 = UAB (T;Tn) + UCD (Tn;T0)
Nhƣ vậy, điện áp nhiệt điện tổng UT cũng phụ thuộc vào nhiệt độ trung gian Tn. Điều này không đƣợc phép xảy ra vì mục đích nối dài dây là để đảm bảo cho phép đo không bị phụ thuộc vào vị trí lân cận của điểm đo. Vì vậy, cần phải sử dụng các dây nối dài C và D sao cho trong một khoảng nhiệt độ (Tn;T0) cần thiết, chúng có thể tạo ra đƣợc một điện áp nhiệt điện có độ lớn đúng bằng độ lớn của điện áp nhiệt điện do cặp nhiệt A và B tạo ra cùng trong khoảng nhiệt độ cần thiết đó. Cặp dây nối dài thoả mãn đƣợc điều kiện này đƣợc gọi là cặp dây bù.
Dạng toán học của điều kiện có đƣợc cặp dây bù thể hiện bằng biểu thức. UCD (Tn;T0) = UAB (T;T0)
Khi sử dụng cặp dây bù, điện áp nhiệt điện tổng đƣợc xác định bằng biểu thức. UT = UAB (T;Tn) + UAB (Tn;T0) = UAB (T;T0)
Nhƣ vậy, điện áp nhiệt điện đã không còn bị lệ thuộc vào nhiệt độ trung gian. Cần phải ghi nhớ rằng sử dụng các dây bù để có thể làm giảm đƣợc sai số của phép đo khi và chỉ khi nhiệt độ môi trƣờng xung quanh thiết bị đo (xung quanh diểm lạnh) T0 phải đƣợc giữ cố định.
* Phƣơng pháp ổn định điểm lạnh
Trong thực tế, thƣờng phải đối mặt với những trƣờng hợp mà nhiệt độ môi trƣờng quanh thiết bị đo dao động mạnh đến mức gây lên sai số lớn vƣợt khỏi giới hạn cho
Học viên: Nguyễn Quang Định 36
phép. Trong những trƣờng hợp nhƣ vậy, nhất thiết có giải pháp ổn định nhiệt độ điểm lạnh của cặp nhiệt.
Hình 3.9 Phương pháp ổn định điểm lạnh
UT = UAB (T;T0)
Một số phƣơng pháp ổn định điểm lạnh đã đƣợc sử dụng tƣơng đối phổ biến sẽ tiếp tục đƣợc giới thiệu sau đây. Hình 3.9 đã thể hiện một phƣơng pháp ổn định điểm lạnh bằng cách nối trực tiếp thiết bị đo vào cặp nhiệt. Đối với giải pháp này, nếu thấy thật sự cần thiết (khi biến động của nhiệt độ môi trƣờng quá lớn), thì phải giữ ổn định nhiệt độ T0 của các đầu nối và cả dây nối giữa máy đo với cặp nhiệt. Giới thiệu một phƣơng pháp duy trì điểm lạnh đã ổn định nhiệt với các dây nối bằng Teflon Neoflon PFA. Trong phƣơng pháp này, điểm cần phải giữ ổn định nhiệt độ Tn chính là các điểm nối giữa các dây Teflon Neoflon PFA với dây cặp nhiệt.
Hình 3.10 Ổn định điểm lạnh được duy trì bởi cặp dây Teflon Neoflon
Nhƣ vậy, có thể sử dụng cặp dây nối dài bằng Teflon Neoflon PFA khi nhiệt độ điểm lạnh đã đƣợc ổn định với khoảng cách giữa vị trí đo và thiết bị đo tƣơng đối thích hợp. Đƣơng nhiên khoảng cách này chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm tại hiện trƣờng (trong những trƣờng hợp đo cụ thể tại môi trƣờng cụ thể). Không đƣợc phép sử dụng các dây bù Teflon Neoflon PFA làm cặp nhiệt vì nhiệm vụ của chúng khác nhau.
Học viên: Nguyễn Quang Định 37
Trong trƣờng hợp này, ở biểu thức tính điện áp nhiệt điện, không có vai trò của nhiệt độ T0.
UT = UAB (T;Tn)
Phƣơng pháp ở hình 3.11 dƣới đây cho thấy nhiệt độ đƣợc giữ ổn định chính là nhiệt độ tại các điểm nối giữa thiết bị đo và dây bù (nhiệt độ T0). Nhờ tác động của cặp nhiệt dây bù nên không cần phải ổn định nhiệt cho các điểm nối giữa cặp nhiệt và dây bù (Tn). Tuy nhiên phải luôn để ý, đảm bảo duy trì chúng tại nhiệt độ đồng nhất.
Trong trƣờng hợp này, ở biểu thức tính điện áp nhiệt điện không có vai trò của nhiệt độ Tn.
UT = UAB (T;T0)
Hình 3.11 Ổn định điểm lạnh được duy trì với cặp dây bù Teflon Neoflon PFA
Qua hai phƣơng pháp trên đây ta thấy sử dụng dây bù bằng Teflon Neoflon PFA vừa nêu, ta có thể thấy rõ rằng mỗi khi điểm lạnh đã đƣợc giữ ổn định thì có thể duy trì đƣợc nhiệt độ điểm lạnh đó trong một khoảng cách nhất định nhờ các điểm cặp dây nối dài này. Tuy nhiên, phải căn cứ vào điều kiện cụ thể để chọn cặp dây nối dài cho phù hợp thực tế.
Đối với hệ đo nhiệt có sử dụng cặp nhiệt bằng kim loại thƣờng (là các cặp nhiệt mang ký hiệu J, K, T) thì các dây nối dài đƣợc chế tạo từ các vật liệu đã tạo nên cặp nhiệt. Nếu cặp nhiệt đƣợc chế tạo từ những vật liệu quí hiếm (thƣờng mang ký hiệu R) thì vật liệu dây nối dài là dây đồng – Niken. Những vật liệu này có tính chất nhiệt điện gần giống với tính chất nhiệt điện của bạch kim và bạch kim- Rhodium tuy nhiên có giá rẽ hơn rất nhiều.
Một phƣơng pháp thiết lập và giữ ổn định điểm lạnh mang tính kinh điển, thể hiện hình 3.12. Đây là phƣơng pháp rất phổ biến, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật đo lƣờng nhiệt bằng cặp nhiệt nhiệt điện. Thực chất của phƣơng pháp này là đấu
Học viên: Nguyễn Quang Định 38
ngƣợc (mạch trừ) hai cặp nhiệt đồng nhất (có cùng chất liệu, kích thƣớc và đặc tính kỹ thuật) với nhau. Một cặp nhiệt đƣợc đặt vào trƣờng nhiệt nhiệt độ chuẩn Tr. Vật liệu của dây nối là Teflon Neoflon PFA.
Vấn đề kỹ thuật quan trọng cần phải giải quyết thấu đáo là phải giữ cho đƣợc sự đồng nhất nhiệt độ Tn tại bốn đầu ra của hai cặp nhiệt này. Nhờ đó, sẽ tạo đƣợc ngắn mạch nhiệt của hai cặp nhiệt trên cùng một nhiệt độ. Và nhƣ vậy không cần thiết phải ổn định nhiệt độ Tn.
Căn cứ vào sơ đồ mạch thay thế Thevenin trên hình 3.12.b trên, sẽ tính đƣợc tổng điện áp nhiệt điện bằng biểu thức:
UT = UAB (T;Tn) - UAB (Tr;Tn) = UAB (T;Tn) + UAB (Tr;Tn) = UAB (T;Tn) Cặp nhiệt đƣợc đặt trong môi trƣờng nhiệt độ ổn định (môi trƣờng chuẩn) đƣợc gọi là cặp nhiệt chuẩn. Cách gọi này xuất pháp từ biểu thức trên, ở đó điện áp nhiệt điện tại nhiệt độ cần đo T đƣợc đối chiếu với điện áp nhiệt điện tại nhiệt độ điểm lạnh chuẩn T. Theo quan điểm về đo lƣờng thì Tr chính là nhiệt độ chuẩn. Đƣơng nhiên, cặp nhiệt đƣợc đặt trong vùng nhiệt độ cần đo đƣợc gọi là cặp nhiệt đo.
Hình 3.12.a Sơ đồ nguyên lý liên kết giữa các cặp nhiệt đo (T) và chuẩn Tn Hình 3.12.b Nguyên lý ổn định điểm lạnh cho một hệ đo nhiệt độ bằng các
Học viên: Nguyễn Quang Định 39
Bảng 3.1 Các loại cặp nhiệt và khoảng nhiệt độ đo được
J 0oC ÷ 760oC R 500oC ÷ 1750oC K 0oC ÷ 1400oC S 500oC ÷ 1750oC T -100oC ÷ 400oC B 500oC ÷ 1800oC
E -100oC