Nhiệt độ có thể đo được do có hiện tượng trao đổi nhiệt giữa các vật thể có trạng thái nhiệt khác nhau và do có sự thay đổi tính chất vật lí của vật thể khi nhiệt độ thay đổi. Có khá nhiều phương pháp đo nhiệt độ với độ chính xác và dải đo khác nhau. Dựa vào phương thức truyền nhiệt từ vật cần đo đến đầu cảm biến của thiết bị đo, có thể chia thiết bị đo làm hai loại: dựa vào truyền nhiệt tiếp xúc và dựa vào truyền nhiệt bức xạ.
Trong động cơ đốt trong, thường phải đo và kiểm soát nhiệt độ của môi chất công tác (khí nạp, khí tăng áp sau tua bin, khí thải, nhiên liệu, nước làm mát...) ngoài ra khi nghiên cứu và phát triển động cơ còn cần đo nhiệt độ công tác của chi tiết quan trọng như nắp máy, ống lót xi lanh, pít tông... Do xu hướng điện tử hóa các hệ thống đo lường, điều khiển nên hiện nay chủ yếu đo nhiệt độ bằng phương pháp điện (dùng nhiệt kế kiểu cặp nhiệt, kiểu điện trở). Các phương pháp khác ít dùng do các nguyên nhân khác nhau (đo nhiệt cơ
học có độ chính xác thấp, đo nhiệt độ theo màu và nóng chảy có tính không liên tục...).
Do giới hạn của luận án chỉ đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt nên ở đây chỉ giới thiệu nguyên lí và đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt.
Nếu có hai kim loại khác nhau A và B được kết nối (thông thường là hàn cứng) với nhau sẽ xuất hiện một điện thế tiếp xúc qua mối nối. Điện thế tiếp xúc này phụ thuộc vào mối tiếp xúc giữa kim loại A và B với nhiệt độ T của mối nối. Năng lượng của hệ thống tiếp xúc tuân theo công thức sau:
E ^ T = a T + a T ^ a T + &T ••• (4.1) Các giá trị của hằng số ai, a2, a3, a4... phụ thuộc vào kim loại A và B. Ví dụ: kim loại A là sắt và kim loại B là constantan (loại 5) thì điện thế tiếp xúc được tính như sau, [^V]:
ETJ = 5,07.10\T + 3,043.10-2.T2 - 8,567.10-5T + 1,335.10-7T \..
Cặp nhiệt gồm hai dây kim loại A và B khác nhau một đầu được nối lại với nhau bằng phương pháp hàn và được tạo thành mạch kín. Nếu có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai chỗ nối của hai kim loại và đầu còn lại thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện (do số điện tử tự do của hai kim loại khác nhau khuếch tán vào nhau). Sự chênh lệch nhiệt độ sẽ quyết định suất điện động xuất hiện trong mạch và được lợi dụng để đo nhiệt độ (Hình 4.1).
t
Hình 4.1. Nguyên lí đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt [24]
1- M ối hàn nhúng; 2, 3 - M ối hàn tự do; A, B -dây kim loại làm cặp nhiệt (vật liệu khác nhau); C - D ây dẫn tới thiết bị đo; t0 - N hiệt độ môi trường bên ngoài;
Điện thế của hai điểm được xác định theo công thức sau [6]:
eAt, = E A - E Ạ = a (T - T2) + a (T12 - t 2 ) + a (T13 - T Ỉ) (4.2)
Các quy luật nhiệt trong hệ thống cảm biến nhiệt A Quy lu ật 4 T1 Quy lu ật 5 Quy luật 1 T3 T1 T5 Qu y luật 2 A ■71, T2 ^71, T2 T1 = T2 T2 T3 C T2 B t 3 A T |< C > . B A A < Q > „ . < ộ > B pẢB C ET ,T B C T2 + T1 T T A A < C > T3 + T “ 0 > 2 B B 77ẢB T7Ả B E „ rp E T T 1 , T 2
Trên Hình 4.2 mô t ả 5 quy luật thông dụng chi phối các cặp nhiệt, trong đó A, B, C là các kim loại khác nhau.
Như vậy, ta có thể đo được hiệu điện thế phụ thuộc vào T1, T2 của cả hai mối nối ghép. Coi T 1 là nhiệt độ cần đo còn T2 sẽ là nhiệt độ tham chiếu. Điều đó có nghĩa là Ti sẽ thu từ mục tiêu cần đo nhiệt độ, còn T2 là nhiệt độ đã và phải biết.
Loại cặp nhiệt tuân theo quy luật 1 là các trạng thái của suất điện động cặp nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của mối tiếp xúc và phụ thuộc vào nhiệt độ của dây dẫn nối vào mối tiếp xúc. Điều này rất quan trọng đối với việc lắp đặt cảm biến đo lường nhiệt độ trong công nghiệp, nơi mà đầu nối của cảm biến đo bị bộc lộ ra ngoài và nhiệt độ trên chúng bị ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh.
Các trạng thái của quy luật 2 sẽ chi phối cặp nhiệt nếu như kim loại C được chèn vào A hoặc B, tạo ra hai mối tiếp xúc mới và có chung một nhiệt độ khu vực là T3. Khi đó suất điện động nhiệt không thay đổi.
Các trạng thái của quy luật 3 sẽ chi phối cặp nhiệt nếu kim loại C được chèn vào giữa kim loại A và B. Khi đó ta có hai mối tiếp giáp mới là AC và BC, chúng đều chung một nhiệt độ là T 1 hoặc T2, lúc này cũng xuất hiện một suất điện động không thay đổi. Điều đó có nghĩa là ở mối tiếp xúc của đầu đo có thể hàn điện hoặc hàn hơi cùng kim loại thứ ba mà không có biến động về suất điện động của cặp nhiệt.
Quy luật 4 (đối với kim loại trung gian) s ẽ được chi phối khi sử dụng một số mối ghép cặp nhiệt tương tự như sắt - constantan (CB) và nhóm copper - constantan (AC).
Quy luật 5 là quy luật của nhiệt độ trung gian được sử dụng trong quá trình đo các suất điện động ngắt đoạn. Đối với các cặp nhiệt kim loại ta có:
E T1 ,T2 = E T ,T3 + E T3 ,T2 (43)
Điều đó cho phép ta có khả năng đo nhiệt độ T10C của chất lỏng bên trong bình chứa truyền nhiệt với cặp nhiệt crôm - nhôm. Mối tiếp xúc đo nhiệt độ trong bình chứa và điểm tiếp xúc nhau chiếm nhiệt độ bên ngoài bình chứa, nơi nhiệt độ đo được trong khoảng 200C. Khi đó suất điện động nhiệt điện đo được sẽ nằm trong khoảng 5,3 mV.
Giá trị của Er,0 + ETi 0thu được khoảng 0,8 mV bằng cách sử dụng bảng tính. Bảng này cho phép tra được các suất điện động E t10 cho các loại cặp nhiệt thông dụng với điểm đo tiếp xúc từ T10C với điểm tham chiếu 00C. Từ đó ta có: E t10 = 5,3 + 0,8 = 6,1 mV. Khi đó ta có: T1 = 1490C tương đương với 6,1 mV.
Vòng lặp của hệ thống truyền nhiệt độ được mô tả như Hình 4.3.
Cảm biến Cầu đo Khuếch đại
H ình 4.3. Sơ đồ vòng lặp của hệ thống truyền nhiệt độ [6]
Thông thường dòng điện - tín hiệu nằm trong vùng tiêu chuẩn, nghĩa là khoảng 4 ^ 10 mV, khi đo ta có hệ thức sau:
ET ữ = ữT2 ®2T\ a T ^ ... (4.5)
Theo trình tự xác định được độ chính xác của T1 từ ET10 là một hàm phi tuyến mà có thể xử lí trên máy tính được.
Những sợi dây kim loại dùng làm cặp nhiệt được hàn bằng các phương pháp khác nhau (hàn thiếc, hàn đồng, hàn hồ quang) phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo. Kim loại dùng để hàn không có ảnh hưởng đến điện thế nhiệt sinh ra trong mạch đo. Vì cặp nhiệt chỉ hiệu số nhiệt độ nên nhiệt độ của đầu còn lại phải được biết trước. Nhiệt độ của đầu biết trước gọi là nhiệt độ so sánh (luôn luôn không đổi) và đầu nối có nhiệt độ so sánh gọi là vị trí so sánh. Thông thường, sử dụng nhiệt độ của nước đá đang tan làm nhiệt độ so sánh (Hình 4.4). Trong trường hợp nhiệt độ cần đo gần với nhiệt độ tan của nước đá thì nhiệt độ so sánh cần được chọn cao hơn để đảm bảo có sự chênh lệch lớn giữa nhiệt độ của điểm đo và của vị trí so sánh.
о — п
mv А
V
Vị trí đo Vị trí so sánh
H ình 4.4. Cặp nhiệt và vị tr í so sánh có nhiệt độ cố định [24]
Nếu vị trí đặt thiết bị chỉ thị và vị trí đo cách xa nhau, nhất là khi sử dụng các cặp nhiệt bằng kim loại quý, cần có cách lắp ghép hợp lý để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Có thể nối dụng cụ chỉ thị và cặp nhiệt bằng dây dẫn kim loại nguyên chất (thường dùng dây đồng). Dây dẫn này cần có điện trở nhỏ nên phải có tiết diện lớn.
Hình 4.5. Sơ đồ mắc cặp nhiệt ngẫu vào thiết bị đo, [24].
1- V ỏ bảo vệ; 2- Cặp nhiệt ngẫu; 3- Đầu nhiệt kế; 4- D ây cân bằng; 5- Thiết bị ổn định nhiệt; б- D ây nối ngoài (tới thiết bị đo); 7- Thiết bị đo.
Trong một số trường hợp vị trí nối của cặp nhiệt với dây dẫn không thể thực hiện được ở vị trí so sánh (ví dụ khi vật liệu cặp nhiệt là kim loại rất quý và đắt, nên càng ngắn càng tốt). Cặp nhiệt sẽ được nối dài thêm đến vị trí so sánh bằng một dây dẫn khác gọi là dây cân bằng (Hình 4.5). Dây cân bằng thường được làm từ hợp kim đặc biệt. Nó bảo đảm cho điện thế nhiệt bằng điện thế nhiệt của cặp nhiệt ngẫu kim loại quý khi nhiệt độ lên đến 2000C. Loại dây này thường được tiêu chuẩn hoá, rẻ tiền và có điện trở nhỏ.
Vật liệu làm cặp nhiệt phải đáp ứng các yêu cầu sau: điện thế nhiệt phải lớn; điện thế nhiệt tăng liên tục theo nhiệt độ (quan hệ điện thế nhiệt với nhiệt độ tốt nhất là quan hệ bậc nhất); dễ kéo thành sợi nhỏ và có khả năng biến dạng tốt; có độ bền nhiệt cao (không bị cháy, bay hơi). Trong Bảng 4.1 là đặc tính của các loại cặp nhiệt [6], [43].
Bảng 4.1. Đặc tính của các loại cặp nhiệt Loại cặp nhiệt FT1 /V ^ J_1 • ^
Tên vật liệu Dải nhiệt độ, [0C]
B Platinum30% Rhodium (+) Platinum 6% Rhodium (-) 1370-1700 C W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) W26Re Tungsten 26% Rhenium (-) 1650-2315 E Chromel (+) Constantan (-) 95-900 J Sat (+) Constantan (-) 95-760 K Chromel (+) Alumel (-) 95-1260 N Nicrosil (+) Nisil (-) 650-1260 R Platinum 13% Rhodium (+) Platinum (-) 870-1450 S Platinum 10% Rhodium (+) Platinum (-) 980-1450 T Đồng (+) Constantan (-) -200-400
Đối với quá trình đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt, chúng ta cần quan tâm đến các quy luật hoạt động của một cặp nhiệt, qua đó lựa chọn được một cảm biến nhiệt phù hợp với quá trình cháy nổ, đó là sự xuất hiện các pick nhiệt.