Nhiệt kế bề mặt:
5.6 CẢM BIẾN QUANG TRONG ĐO NHIỆT ĐỘ
Tất cả các vật thể cĩ nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt. Dụng cụ đo nhiệt độ vật thể bằng bức xạ nhiệt được gọi là hỏa kế bức xạ hay một cách đơn giản là hỏa kế.
Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra từ các chất do nội năng của chúng (với bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngồi). Ta nhận thấy rằng cường độ bức xạ nhiệt của vật giảm mạnh khi nhiệt độ của vật giảm. Hỏa kế
được dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300-60000C và cao hơn. Để đo nhiệt độ đến
30000C phương pháp duy nhất là dùng hỏa kế vì nĩ khơng tiếp xúc với mơi
trường đo. Về mặt lý thuyết giới hạn đo của hỏa kế khơng hạn chế. Ta nhận thấy rằng phương pháp đo khơng tiếp xúc cĩ tính ưu việc là khơng làm sai lệch nhiệt của đối tượng đo.
Phần lớn các chất rắn và lỏng cĩ phổ đặc, nghĩa là chúng phát ra các sĩng cho chiều dài bước sĩng λ từ 0→∞. Với mắt người chỉ nhận biết các sĩng ánh sáng
cĩ chiều dài bước sĩng λ=0,40-0,75µm. Các bức xạ khơng nhìn thấy gồm các
bức xạ hồng ngoại λ=0,75 đến λ≈400 µm. Các bức xạ cĩ λ<0,4µm cũng khơng nhìn thấy, chúng là các bức xạ tử ngoại, đĩ là các tia Rơnghen và Gama.
Hỏa kế sử dụng các bức xạ nhìn thấy và hồng ngoại. Đo nhiệt độ của vật bằng bức xạ nhiệtdựa trên cơ sở các quy luật đối với vật đen tuyệt đối. Nếu trên
bề mặt của một vật được truyền đến một thơng lượng φ (năng lượng chuyển đi
trong một đơn vị thời gian) thì nĩ bị hấp thụ (φht ) phản xạ (φphx) và xuyên qua (φxq). Quan hệ giữa các thơng lượng này phụ thuộc vào các tính chất của vật và đặc biệt là trạng thái bề mặt của nĩ (độ nhám, màu sắc và nhiệt độ). Nếu vật hấp thụ tất cả các bức xạ truyền tới thì hệ số hấp thụ α=φht/φ =1 và ta gọi chúng là vật đen tuyệt đối, mà chỉ cĩ một số vật trong chúng cĩ tính chất quang học gần với vật đen tuyệt đối, ví dụ như: bồ hĩng dầu mỏ, nhựa đen, nhung đen trong miền ánh sáng nhìn thấy cĩ hệ số hấp thụ gần bằng đơn vị.
Bề mặt của vật khơng những chỉ hấp thụ mà cịn phát ra các bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ. Các đại lượng đặc trưng cho bức xạ nhiệt của vật là:
- Cường độ bức xạ đơn sắc: E∗ λ.
- Độ chĩi B (ký hiệu ∗ dùng cho vật đen tuyệt đối) ∗ = φλ
λ d
d
E BX (5-37)
φBX: thơng lượng bức xạ phát ra trên một đơn vị bề mặt nhiệt độ T trong
khoảng chiều dài bước sĩng dλ (từ λ đến λ+∆λ) (W/m3): =
∫
∞ ∗ λ λ ∗ E .d E 0 (5-38)Trong đĩ: E∗ø là bức xạ tồn phần, hay năng lượng tồn phần phát ra từ một
đơn vị bề mặt vật, nhiệt độ T trong một đơn vị thời gian đối với tất cả các bước sĩng λ=0 đến λ=∞ (W/m2). ω = ∗λ ∗ λ d dE B (5-39) B∗
λ: độ chĩi của phổ năng lượng là tỷ số giữa cường độ bức xạ đơn sắc đối
với một đơn vị gĩc khối dω (W/steradian.m3).
Khi đo nhiệt độ bằng hỏa kế thì độ chĩi của phổ năng lượng là một đại lượng cơ bản. Độ nhạy cảm của mắt người tỷ lệ trực tiếp cường độ bức xạ đơn sắc.
B∗
λ=kλ.d E∗
λ (5-40)
kλ là hệ số, kλ =1/π.
Theo định luật Kirchoff khả năng bức xạ của vật tỷ lệ với hệ số hấp thụ α của vật đen tuyệt đối bằng 1 nên nĩ cĩ khả năng bức xạ cực đại. Các vật thể thực ở nhiệt độ như nhau cĩ khả năng bức xạ khác nhau. Việc đánh giá được so sánh với khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối:
∗ ∗ ∗ λ λ ∗ λ λ λ = ε = = ε E E B B E E (5-41)
Hệ số ελ của phổ bức xạ (mức đen của tia đơn sắc) là hàm số của bước sĩng λ
và nhiệt độ T,ε là hệ số bức xạ tồn phần. Nhờ định luật Kirchhoff đối với tất cả các vật thể thực:
ε = α và ελ = α.λ
Ở đây, α và αλ là hệ số hấp thụ của bức xạ tồn phần và đơn sắc.
Để đo độ chĩi của vật mang nhiệt độ người ta dùng hỏa kế quang học và hỏa kế quang điện.
Hỏa kế quang học được sử dụng rộng rãi trong phịng thí nghiệm và sản xuất
để đo nhiệt độ lớn hơn 8000C. Nguyên lý hoạt động của hỏa kế quang học dựa
trên cơ sở so sánh độ chĩi quang phổ của vật đo với độ chĩi chuẩn bằng mắt thường để xác định sự trùng của độ chĩi đo với độ chĩi chuẩn. Phổ biến nhất là hỏa kế quang học dây tĩc (hình 5.12).
Để đo nhiệt độ của vật, người ta hướng vật kính (1) của dụng cụ đo tới vật đo sao cho cĩ thể quan sát từ thị kính (7) sợi tĩc của đèn (4). So sánh độ chĩi của
vật đo và dây tĩc đèn (4) thường thực hiện khi bước sĩng bằng 0,65µm. Để thực
hiện điều đĩ, ta đặt trước thị kính một thiết bị lọc ánh sáng đỏ (6). Sự chọn lọc bộ lọc ánh sáng đỏ tạo cho mắt người cảm nhận qua bộ lọc này chỉ một phần quang phổ đi qua gần với tia đơn sắc. Ngồi ra việc sử dụng bộ lọc ánh sáng đỏ cho phép giảm giới hạn dưới của hỏa kế. Thành ngăn (đầu vào 3 và đầu vào 5) giới hạn gĩc vào và ra của hỏa kế. Giá trị tối ưu của nĩ cho phép bảo đảm sự chỉ thị của dụng cụ đo khơng phụ thuộc vào khoảng cách đo. Chúng ta cĩ thể quan sát hình ảnh của sợi tĩc bĩng đèn trên phơng của vật đo: phơng chiếu sáng-dây tĩc tối (hình 5.12a), phơng tối-dây tĩc sáng (hình 5.12c), nhờ cĩ biến trở Rb ta cĩ thể thay đổi cường độ dịng điện đi qua đèn cho đến khi mà độ sáng của dây tĩc bằng độ sáng của vật đo. Khi đĩ kim chỉ của mA với sự chia độ theo ánh sáng phụ thuộc vào nhiệt độ sẽ cho biết nhiệt độ tương ứng của vật.
a1 b1 c1 T°>TH mA Rb 1 2 3 4 5 6 7 T°=TH T°<TH
Hình 5.12 Sơ đồ hỏa kế quang học.
Dây tĩc của đèn làm bằng vonfram, cĩ thể chịu được nhiệt độ cao hơn 14000C. Để đo nhiệt độ cao hơn, người ta đặt trước đèn một thiết bị lọc ánh sáng hấp thụ (2) để giảm độ chĩi và cĩ thể nhìn thấy được dây tĩc, giữ cho nĩ khơng nung nĩng quá mức, bảo đảm sự ổn định chia độ của hỏa kế. Hiện nay hỏa
quang kế dùng để đo nhiệt độ từ 800-6000 C cĩ nhiều loại với các phạm vi đo khác nhau. Cấp chính xác của hỏa quang kế từ 1,5-4,0.
Khác với hỏa kế quang học, hỏa kế quang điện là dụng cụ đo tự động. Phần tử thu năng lượng bức xạ cĩ thể là tế bào quang điện, điện trở quang điện hay diot quang điện. Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang điện cũng dựa trên cơ sở sự phụ thuộc quang phổ độ chĩi của vật vào nhiệt độ của nĩ. Theo nguyên lý hoạt động, hỏa kế quang điện được phânthành hai loại:
- Dụng cụ nhận năng lượng bức xạ truyền tới phần tử thu và làm thay đổi các tham số của nĩ (dịng quang điện, điện trở).
- Đo năng lượng bức xạ bằng phương pháp bù. Ở đây, phần tử nhạy cảm làm việc ở chế độ chỉ thị khơng. Cường độ bức xạ phát ra từ vật đo được so sánh với bức xạ của một nguồn ổn định (một đèn sợi đốt nhỏ).
Loại hỏa kế quang điện thứ hai phức tạp hơn, nhưng chính xác hơn vì sự chỉ thị của nĩ khơng phụ thuộc vào đặc tính của phần tử thu và đặc tính của mạch điện tử. Chúng ta hãy khảo sát loại hỏa kế này (hình 5.13).
1 2 2 3 5 6 7 8 9 10 UCQ 4
Hình 5.13 Sơ đồ hỏa kế quang điện.
Ống kính của dụng cụ ngắm vào vật đo sao cho quang thơng truyền tới vật kính (2) đi qua màng ngăn (3) và lỗ trên của màng chắn (5) và được làm giảm bằng bộ lọc màu đỏ (6), sau đĩ đến phần tử thu quang điện (7). Ở lỗ phía dưới của tấm chắn (5), người ta truyền một quang thơng từ nguồn sáng (1), cung cấp dịng điện từ bộ nguồn (9) và được điều khiển bằng khuyếch đại điện tử (8). Đầu vào là dịng quang điện cấp từ tế bào quang điện. Quang thơng truyền đến tế bào quang điện (7) theo pha ngược lại.
Điều này được thực hiện nhờ cửa điều tiết (4) nĩ lần lượt cắt các lỗ của màng ngăn (5). Hình dáng của cửa điều tiết và lỗ của tấm chắn (5) thực hiện sao cho mỗi khi quang phổ truyền tới tế bào quang điện sẽ tạo ra một dịng điện hình sin đảo pha.
Do đĩ khi quang phổ của đèn và của vật đo là như nhau hay chính xác hơn: độ chĩi như nhau, tác dụng đảo pha sẽ tạo ra trên tế bào quang điện một dịng điện một chiều. Nếu cường độ quang thơng của chúng khác nhau, ví dụ khi nhiệt độ thay đổi, thì trong mạch tế bào quang điện sẽ xuất hiện thành phần dịng quang điện xoay chiều, nĩ được khuyếch đại lên bằng bộ khuyếch đại (8) và đưa qua tần nhạy pha của khối (9). Kết quả làm thay đổi dịng nung nĩng đèn (1) cho đến khi quang thơng của chúng cân bằng. Nĩi một cách chính xác: quang thơng của đèn đơi khi khơng bằng quang thơng của vật đo. Do đĩ việc cân bằng quang thơng được thực hiện theo sơ đồ bù tự động tỷ lệ. Nhưng nhờ cĩ hệ số khuyếch đại lớn nên sai số cân bằng tĩnh của hệ thống nhỏ.
Như vậy dịng điện của đèn cĩ liên hệ đơn trị với độ chĩi, do đĩ ta cĩ thể dùng nĩ để đo nhiệt độ của vật. Ta cĩ thể dùng một điện thế kế đo điện áp rơi trên điện trở (10), thang đo của điện thế kế chia vạch tương ứng của nhiệt độ.
Hỏa kế quang điện cĩ thể đo được nhiệt độ từ 800-20000C cĩ cấp chính xác 1
