3. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ
3.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp
Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở hai đầu dây của cặp nhiệt ngẫu. Độ chính xác của phép đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố. Muốn nâng cao độ chính xác cần phải:
- Giảm thiểu ảnh hưởng của tác động của môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự do.
- Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của cảm biến và mạch đo.
3.4.1. Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế
a. Sơ đồ:
Trên hình 3.13 biểu diễn sơ đồ đo thông dụng sử dụng milivôn kế từ điện.
Khi nhiệt độ hai đầu tự do (2) và (3) bằng nhau thì sức điện động trong mạch chính là sức điện động của cặp nhiệt, nếu chúng khác nhau thì trong mạch xuất hiện suất điện động ký sinh ở các mối nối và làm sai lệch kết quả đo. Để đo trực tiếp hiệu nhiệtđộ giữa hai điểmngười ta dùng sơđồđo vi sai như hình 3.14.
Trong sơ đồ này, cả hai đầu 1 và 2 của cặp nhiệt là đầu làm việc tương ứng với nhiệt độ t1 và t2. Kết quả đo cho phép ta xác định trực tiếp giá trị của hiệu số hai nhiệt độ t1- t2.
Trường hợp nhiệt độ môi trường đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt như hình 3.15. Sức điện động tổng của bộ mắc nối tiếp bằng nE AB (t, t 0 ) .
b. Bù nhiệt độ đầu tự do:
Thông thường cặp nhiệt ngẫu được chuẩn với t0 = 0oC ứng với: E AB (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 )
Nếu nhiệt độ đầu tự do bằng t '≠ 0 thì giá trị sức điện động đo được: Rút ra:
Hay:
Giá trị E AB (t, t0 ' ) là lượng hiệu chỉnh xác định từ thang chia độ của cặp nhiệt ngẫu đã dùng theo giá trị đo ở nhiệt độ đầu tự do t’0.
Dưới đây trình bày một số phương pháp bù nhiệt độ đầu tự do. - Dùng dây bù:
Để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ đối tượng đo lên đầu tự do có thể mắc dụng cụ đo theo sơ đồ hình 3.17.
E = eAB (t) − eCA (t 0 ) + eBD (t 0 ) − eCD (t 0 )
Chọn dây dẫn C và D sao cho , khi đó:
E = eAB (t) − eCD (t 0 ) Vì e(t0) = 0, nên: E = e AB (t) − e AB (t 0 )
Trên hình 3.18 giới thiệu sơ đồ dùng cầu bù tự động nhiệt độ đầu tự do.
Hình 3.18 Cầu bù nhiệt độđầu tự do
Cầu bù gồm điện trở R1, R2, R3 làm bằng manganin (hợp kim chứa 99,4%Cu, 0,6%Ni) có hệ số nhiệt điện trở bằng không, còn Rđ làm bằng đồng có hệ số nhiệt điện trở 4,25 ữ4,28.10-3oC-1. Khi nhiệt độ đầu tự do t0 = 0, cầu cân bằng UAB=0. Giả sử nhiệt độ đầu tự do tăng lên t’0, khi đó Rđ tăng lên làm xuất hiện một điện áp Ucđ. Người ta tính toán sao cho điện áp này bù vào sức điện động nhiệt một lượng đúng bằng lượng cần hiệu chỉnh, nghĩa là Ucđ = EAB(t’0,t0). Như vậy trên cửa vào của dụng cụ đo có điện áp:
E AB (t, t0 ' ) + U cd= E AB (t, t 0 )
Sai số bù của cầu tiêu chuẩn khi nhiệt độ t0 thay đổi trong khoảng 0 - 50oC là ±3oC.
c. Ảnh hưởng của điện trở mạch đo:
Xét mạch đo dùng milivôn kế điện từ (hình 3.19)
Gọi: Rt là điện trở của cặp nhiệt. Rd là điện trở dây nối.
Rv là điện trở trong của milivôn kế.
Khi đó điện áp giữ hai đầu milivôn kế xác định bởi công thức: Rút ra:
Theo biểu thức (3.17) khi Rv >> Rt+Rd thì:E AB (t, t 0 ) ≈ Vm
- Ảnh hưởng của Rt: Đối với cặp cromen/alumen hoặc cặp cromen/coben có điện trở Rt khá nhỏ nên sự thay đổi của nó ít ảnh hưởng tới kết quả đo. Đối với cặp PtRd - Pt có điện trở Rt khá lớn (~ 15Ω) nên sự thay đổi của nó ảnh hưởng đáng kể tới kết quả đo.
- Ảnh hưởng của Rd: thông thường Rd khá nhỏ nên ít ảnh hưởng tới kết quả đo.
- Ảnh hưởng của RV : Rv = Rkd + Rf .
Điện trở phụ Rf của milivôn kế thường chế tạo bằng vật liệu có αR = 0 nên không ảnh hưởng, sự thay đổi Rv khi nhiệt độ tăng chủ yếu do sự thay đổi của điện trở khung dây Rkd (chế tạo bằng đồng αR = 4,2.10-3/oC). Để giảm sai số nên chọn RP/Rkd lớn.
3.4.2. Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện thế kế
Trên hình 3.20 trình bày sơ đồ đo bằng phương pháp xung đối, dựa theo nguyên tắc so sánh điện áp cần đo với một điện áp rơi trên một đoạn điện trở.
Hình 3.20 Sơđồ đo bằng phương pháp bù Theo sơ đồ hình (3.20a) ta có:
E X = I C R AB + I P (R d + R x + R G ) I C = I 0 + I P
trên AB bằng giá trị EX cần đo. Ta có:
Nếu cố định được I0, L, R ta có Ex phụ thuộc đơn trị vào l tức là phụ thuộc vào vị trí con chạy của đồng hồ đo.
Trên sơ đồ hình (3.20b), EM là một pin mẫu, RM là một điện trở mẫu bằng manganin. Khi đóng P vào K thì điện áp rơi trên RM được so sánh với pin mẫu. Nếu kim điện kế chỉ không thì không cần điều chỉnh dòng I0, nếu kim điện kế lệch khỏi không thì dịch chuyển Rđc để kim điện kế về không. Khi đo đóng P vào D và xê dịch biến trở R để kim điện kế chỉ không, khi đó Ex = UAB.