Cặp nhiệt điện

Hình 4.4 Cấu tạo cặp nhiệt điện.

a. Đặc trưng chung

Cặp nhiệt có cấu tạo gồm hai 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 làm các dây A, B và vào nhiệt độ T1, T2. Thông thường nhiệt độ của một mối hàn được giữ ở giá trị không đổi và biết trước, gọi là nhiệt độ chuẩn (T1 = Tref). Nhiệt độ T2 của mối hàn thứ hai khi đặt trong môi trường nghiên cứu nó sẽ đạt tới giá trị Tc chưa biết. Nhiệt độ Tc là hàm của nhiệt độ Tx và các quá trình trao đổi nhiệt (có thể xảy ra).

Việc sử dụng cặp nhiệt có nhiều lợi thế. Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng nghiên cứu và tăng tốc độ đáo ứng (do nhiệt dung nhỏ). Một ưu điểm quan trọng nữa là cặp nhiệt cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng.

Tuy nhiên sử dụng cặp nhiệt cũng có bất lợi là phải biết trước nhiệt độ so sánh Tref và do vậy sai số Tref cũng chính bằng sai số Tc.

56

Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng của nhiệt độ là hàm không tuyến tính của Tc. Mỗi loại cặp nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trị của suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ) và một biểu thức diễn giải sự phụ thuộc của suất điện động vào nhiệt độ. Ví dụ, đối với cặp nhiệt platin – 30% rođi/platin – 6% rođi, trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến 18200C theo chuẩn NF C 42-321 sự phụ thuộc của suất điện động E vào nhiệt độ có dạng:

𝐸 = ∑𝑖=8𝑎_𝑖𝑇𝑖

𝑖=0 (4.13)

Trong đó E đo bằng µV và T đo bằng 0C. Giá trị cụ thể của các hệ số ai trong biểu thức trên như sau:

a0 = 0 a1 = -2,4674601620.10-1

a2 = 5,9102111169.10-3 a3 = -1,4307123430.10-6

a4 = 2,1509149750.10^-9 a5 = -3,1757800720.10^-12 a6 = 2,4010367459.10-15 a7 = -9,0928148159.10-19

a

= 1,3299505137.10

Đối với một số loại cặp nhiệt khác, khoảng nhiệt độ làm việc của chúng có thể chia ra thành những vùng nhỏ. Trong mỗi vùng như thế, mối quan hệ giữa suất điện động và nhiệt độ được mô tả bằng một biểu thức riêng đặc trưng cho vùng.

Nói chung mỗi loại cặp nhiệt có một giới hạn của dải nhiệt độ làm việc, từ -2700C đối với cặp nhiệt đồng/vàng – coban đến 27000C đối với cặp nhiệt (wonfram - reni 5%) / (wonfram - reni 26%). Như vậy, cặp nhiệt có dải nhiệt độ làm việc rộng hơn nhiều so với nhiệt kế điện trở và đây cũng là một ưu điểm.

Độ nhạy nhiệt (năng suất nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ Tc được xác định bởi biểu thức:

𝑠(𝑇_𝑐) = ^{𝑑𝐸𝐴/𝐵}

𝑑𝑇_𝑐 (4.14) Trong đó s là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là µV/0C. Ví dụ:

57

s (00C) = 52,9 µV/0C, s (7000C) = 63,8 µV/0C Cặp nhiệt Pt – Rh 10% / Pt:

s (0⁰C) = 6,4 µV/⁰C, s (1400⁰C) = 11,93 µV/⁰C b. Các hiệu ứng nhiệt điện và định luật

- Hiệu ứng Peltier:

Ở tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng cùng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc. Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ:

𝑉_𝑀− 𝑉_𝑁 = 𝑃_𝐴/𝐵^𝑇 (4.15) Đây chính là suất điện đông Peltier.

Định luật Voltar:

Trong một chuỗi cách nhiệt được cấu thành từ những vật dẫn khác nhau, tổng suất điện đông Peltier bằng 0. Ví dụ trong một chuỗi gồm 4 vật A B C D mắc nối tiếp thì tổng suất điện động bằng 0:

𝑃_𝐴/𝐵^𝑇 + 𝑃_𝐵/𝐶^𝑇 + 𝑃_𝐶/𝐷^𝑇 + 𝑃_𝐷/𝐴^𝑇 = 0 (4.16)

𝑃_𝐴/𝐵^𝑇 + 𝑃_𝐵/𝐶^𝑇 + 𝑃_𝐶/𝐷^𝑇 = −𝑃_𝐷/𝐴^𝑇 (4.17)

𝑃_𝐴/𝐵^𝑇 + 𝑃_𝐵/𝐶^𝑇 + 𝑃_𝐶/𝐷^𝑇 = 𝑃_𝐴/𝐷^𝑇 (4.18) Như vậy có thể kết luận khi hai vật dẫn A và D được phân cách bởi các vật dẫn trung gian và toàn hệ là đẳng nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và D ở đầu mút chính bằng hiệu điện thế nếu A và D tiếp xúc trực tiếp với nhau.

- Hiệu ứng Thomson:

Trong một vật dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khấc nhau sẽ sinh ra một suất điện động. Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ TM, TN của hai điểm M và N:

𝐸_𝐴^𝑇𝑀𝑇𝑁 = ∫^𝑇𝑀ℎ_𝐴𝑑𝑇

𝑇𝑁 (4.19) Trong đó hA là hệ số Thomson.

58

Định luật Magnus:

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 điện động Thomson bằng 0.

- Hiệu ứng Seebeck:

Giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A, B và hai chuyển tiếp của chúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2. Khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. Suất điện động đó là suất điện động Seebeck.

Suất điện động Seebeck bằng tổng của các suất điện động thành phần Peltier và Thomson:

𝐸_𝐴/𝐵^𝑇2𝑇1 = 𝑃_𝐴/𝐵^𝑇2 − 𝑃_𝐴/𝐵^𝑇1 + ∫ (ℎ^𝑇2 _𝐴− ℎ_𝐵)𝑑𝑇

𝑇1 (4.20) Nếu chọn T1 là nhiệt độ so sánh và T1 = 00C, khi đó đối với một cặp vật dẫn A B cho trước, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2.

c. Phương pháp đo

Suất điện động Seebeck đo được giữa hai đầu của cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo. Chúng chỉ có thể được xác định chính xác nếu ta giảm tới mức tối thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy trong các phần tử cặp nhiệt và dây dẫn.

Người ta thường áp dụng hai phương pháp đo suất điện động:

- Sử dụng milivôn kế có điện trở trong rất lớn để giảm sụt thế trong dây dẫn. Giả sử: Rt là điện trở của cặp nhiệt,

Rl là diện trở dây nối,

RV là điện trở trong của milivôn kế.

Khi đó điện áp giữa hai đầu của milivôn kế được biểu diễn bởi biểu thức:

𝑉_𝑚 = 𝐸_𝐴/𝐵^{𝑇𝑐𝑇𝑟𝑒𝑓 𝑅𝑉}

𝑅_𝑡+𝑅_𝑙+𝑅_𝑉 (4.21) Nghĩa là

𝐸_𝐴/𝐵^{𝑇𝑐𝑇𝑟𝑒𝑓} = 𝑉_𝑚[1 +^𝑅𝑡+𝑅_𝑙

59

Vì điện trở của cặp nhiệt và dây nối chưa biết nên để giảm sai số ta chọn sao cho:

𝑅_𝑉 ≫ 𝑅_𝑡 + 𝑅_𝑙 (4.23) - Sử dụng phương pháp xung đối để dòng chạy qua cặp nhiệt bằng 0.

Nguyên tắc của phương pháp xung đối là đấu với suất điện động cần đo một điện áp đối V sao cho điện áp này đúng bằng giá trị của suất điện động. Giá trị của V có thể đo được chính xác, thông thường đây là điện áp rơi trên một điện trở có dòng điện chạy qua.

Cặp nhiệt nối tiếp với một điện kế G và được đấu song song với một điện trở chuẩn Rc. Dòng điện I chạy qua điện trở Re có thể điều chỉnh được để sao cho kim điện kế chỉ số 0. Ta có:

𝐸_𝐴/𝐵^{𝑇𝑐𝑇𝑟𝑒𝑓} = 𝑅_𝑒𝐼 (4.24) Dòng điện I có thể điều chỉnh bằng một biến trở con chạy Rh (nối tiếp với nguồn điện) và được đo bằng một miliampe kế. Cũng có thể điều chỉnh và đo I nhờ một pin mẫu đấu thheo hình . Trong trường hợp đó:

𝐸_𝑐 = 𝑅′𝐼 (4.25) Do đó:

𝐸_𝐴/𝐵^{𝑇𝑐𝑇𝑟𝑒𝑓} =^𝑅𝑒

𝑅′𝐸_𝑒 (4.26) d. Các loại cặp nhiệt điện thường dùng trong thực tế

Dải nhiệt độ làm việc đối với một cặp nhiệt điện thường bị hạn chế. Ở nhiệt độ thấp, năng suất nhiệt điện của nó giảm đi. Ở nhiệt độ cao cặp nhiệt có thể bị nhiễm bẩn do môi trường đi hoặc xảy ra hiện tượng bay hơi một trong các chất thành phần của hợp kim làm cặp nhiệt, hoặc là bị tăng kích thước hạt tinh thể dẫn đến làm tăng độ dòn cơ học, thậm chí có thể bị nóng chảy. Bảng sau liệt kê một số loại cặp nhiệt điện thường gặp trong thực tế.

60

Bảng 4.2 Một số loại cặp nhiệt điện thông dụng Cặp nhiệt điện Nhiệt độ

làm việc (0C) E (mV) Độ chính xác Đồng/Constantan Φ = 1,63 mm -270 ÷ 370 -6,258 đến 19,027 (-1000C -400C): ±2% (-400C 1000C): ±0,8% (100⁰C 350⁰C): ±0,75% Sắt/Constantan Φ = 3,25 mm -210 ÷ 800 -8,096 đến 45,498 (00C 4000C): ±30C (400⁰C 800⁰C): ±0,75% Chromel/Alumel Φ = 3,25 mm -270 ÷ 1250 -5,354 đến 50,633 (00C 4000C): ±30C (400⁰C 1250⁰C): ±0,75% Chromel/Constantan Φ = 3,25 mm -270 ÷ 870 -9,835 đến 66,473 (00C 4000C): ±30C (400⁰C 1250⁰C): ±0,75% Platin-Rođi(10%)/ Platin Φ = 0,51 mm -50 ÷ 1500 -0,236 đến 15,576 (00C 6000C): ±2,5% (600⁰C 1500⁰C): ±0,4% Platin-Rođi(13%)/ Platin Φ = 0,51 mm -50 ÷ 1500 -0,226 đến 17,445 (0⁰C 538⁰C): ±1,4% (5380C 15000C): ±0,75% Platin-Rođi(30%)/ Platin-Rođi(6%) Φ = 0,51 mm 0 ÷ 1700 0 đến 12,426 (8700C 17000C): ±0,5% Wonfram-Reni(5%)/ Wonfram-Reni (26%) 0 ÷ 2700 0 đến 38,45

61

Để đảm bảo độ ổn định của suất điện động, phải ấn định nhiệt độ sử dung cao nhất cho cặp nhiệt có tính đến các điều kiện thực tế. Dây càng nhỏ thì nhiệt độ cực đại càng thấp. Bảng trình bày ví dụ cho cặp nhiệt Chromel/Constantan.

Bảng 4.3 Thông số cặp nhiệt Chromel/Constantan

Đường kính dây (mm) 3,25 1,63 0,81 0,33

Nhiệt độ cực đại (

C) 870 650 540 430