2.2. Nguyên lý làm việc chung
2.2.5. Cảm biến nhiệt độ
2.2.5.3. Khống chế nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu
Cặp nhiệt điện là loại cảm biến đo nhiệt độ, nó có tác dụng chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp dựa trên hiện t−ợng nhiệt điện. Quá trình xảy ra hiện t−ợng này nh− sau: nếu ta lấy hai dây dẫn khác nhau về bản chất kim loại và hai sợi dây này đ−ợc hàn chặt hai đầu, khi đốt nóng một đầu thì
trong vòng dây sẽ xuất hiện dòng điện gọi là dòng nhiệt điện. Sự xuất hiện dòng nhiệt điện này chỉ có thể giải thích bằng hiện t−ợng khuếch tán các điện tử tự do. ở đây tồn tại hai hiện t−ợng đó là hiện t−ợng khuếch tán điện tử tự do giữa hai dây dẫn tại điểm tiếp xúc và hiện t−ợng khuếch tán điện tử trong mỗi dây dẫn khi có sự chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu dây dẫn.
Cặp nhiệt điện có cấu tạo gồm hai loại dây dẫn A và B khác nhau về bản chất đ−ợc nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T1 và T2. Khi đó tại điểm
tiếp xúc có sự khuếch tán điện tử tự do bởi số l−ợng các điện tử ở đây khác nhau, làm xuất hiện suất điện động tại điểm tiếp xúc mà điện trường của nó chống lại sự khuếch tán điện tử từ phía dây có số l−ợng điện tử tự do nhiều sang dây có ít hơn. Giá trị suất điện động tiếp xúc phụ thuộc vào bản chất của hai dây dẫn và nhiệt độ tiếp xúc. Mặt khác, nếu đốt nóng một đầu của dây dẫn thì hoạt tính của điện tử tự do ở đầu đốt sẽ tăng lên, giữa hai đầu dây cũng suất hiện suất điện động, do đó dòng điện tử khuếch tán từ đầu nóng sang đầu lạnh, hình 2.16 mô tả sự hình thành suất điện động trong vòng dây A-B với điều kiện số l−ợng điện tử tự do của dây A(NA) lớn hơn số l−ợng điện tử của dây B(NB), nhiệt độ đầu tiếp xúc là t và đầu kia là t0 và t > t0.
Hình 2.16. Sơ đồ sức điện động
Theo định luật Kêichôp, sức điện động trong vòng dây đ−ợc xác định là:
E = eAB(t) - eA(t,t0) - eAB(t0) + eB(t,t0) (2-15)
Sức điện động này sẽ sinh ra dòng điện chạy trong vòng dây. Trong thực tế, giá trị eA(t,t0) và eB(t,t0) rất nhỏ so với eAB(t) và eAB(t0) nên có thể bỏ qua.
Khi đó sức điện động là:
E = eAB(t) - eAB(t0) (2-16)
Nh− vậy, sức điện động sinh ra trong các vòng dây tỷ lệ với hiệu nhiệt
độ ở hai đầu dây. Nghĩa là thông qua giá trị suất điện động E đo đ−ợc thì ta sẽ biết được hiệu nhiệt độ ở hai đầu dây. Trong thực tế, cặp nhiệt điện thường
được sử dụng để đo một môi trường hay vật thể. Nhiệt độ của một đầu được eA(t,t0)
eB(t,t0)
eAB(t) eAB(t0)
giữ cố định, đầu này đ−ợc gọi là đầu tự do hay đầu lạnh, đầu còn lại đ−ợc đặt vào môi trường đo nhiệt độ và được gọi là đầu làm việc.
Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện làm cảm biến đo nhiệt độ có dạng nh− sau:
E = f(T) (2-17)
ở điều kiện chuẩn khi chia độ các cặp nhiệt quy định T0 = 00C. Việc sử dụng cặp nhiệt điện có rất nhiều −u điểm nh−: kích th−ớc cặp nhiệt nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối t−ợng nghiên cứu và tăng tốc độ hồi đáp.
một −u điểm nổi bật nữa là cặp nhiệt điện cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng.
Suất điện động của cặp nhiệt trong mỗi dải rộng của nhiệt độ là hàm không tuyến tính của nhiệt độ cần đo. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi suất điện
động E phụ thuộc vào nhiệt độ của một số loại cặp nhiệt nh− hình 2.17.
Hình 2.17. Sự thay đổi nhiệt của suất điện động E của một số loại cặp nhiệt điện
+ Sơ đồ đo: để đo sức điện động E thì phải ghép đ−ợc thiết bị đo (TBD) vào trong mạch của cặp nhiệt điện. Việc ghép nối này phải đảm bảo không làm thay đổi giá trị sức điện động sinh ra trong cặp nhiệt điện. Trong thực tế
thường có hai cách ghép nối cặp nhiệt điện đó là: ghép nối qua đầu tự do và ghép nối qua một điện cực nhiệt.
• Ghép nối qua đầu tự do đ−ợc mô tả nh− hình sau:
Hình 2.18. Sơ đồ nối thiết bị đo qua đầu tự do của cặp nhiệt điện a) Mạch điện b) Sơ đồ tương đương Từ mạch tương đương, theo định luật Kiechôp có:
E = eAB(t) – eAC(t0) + eBC(t0) (2-18)
Khi t=t0 trong vong dây không tồn tại dòng điện, khi đó E=0.
(2-18) => 0 = eAB(t0) – eAC(t0) + eBC(t0) (2-19) => eAB(t0) = eAC(t0) + eBC(t0) (2-20) Nh− vËy ta cã:
E = eAB(t) - eAB(t0) (2-21)
Nghĩa là thiết bị đo không làm thay đổi suất điện động sinh ra trong vòng dây.
• Ghép nối TBĐ trong điện cực nhiệt đ−ợc mô tả nh− hình sau:
Hình 2.19. Sơ đồ nối TBĐ trong điện cực nhiệt a) Mạch điện b) Sơ đồ tương dương
Theo định luật Kiechôp áp dụng đối với sơ đồ mạch tương đương có:
E = eAB(t) – eAB(t0) – eBC(t1) + eBC(t1) (2-22)
Hay E = eAB(t) – eAB(t0) (2-23)
Vậy từ hai cách ghép nối trên thấy E = eAB(t) – eAB(t0), nghĩa là thiết bị
đo không có ảnh hưởng đến tính chất của cặp nhiệt điện và ngược lại.
Trong thực tế thì một số cặp nhiệt điện có dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế, chẳng hạn nh− ở nhiệt độ thấp năng suất nhiệt điện của nó giảm đi làm cho tính chính xác trong phép đo bị hạn chế. ở nhiệt độ cao có thể xảy ra hiện tượng tăng kích thước hạt tinh thể làm tăng độ dòn cơ học, thậm chí có thể bị nóng chảy hoặc có thể xảy ra hiện t−ợng bay hơi một trong các thành phần trong hợp kim làm cặp nhiệt điện.