T ỔNG QUAN VỀ HỆ HỐNG BƠI RƠN VÀ HỆ HỐNG
2.2.2.1. Nhiệt độ đo được
Nhiệt độđo được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chính bằng nhiệt độ
của cảm biến kí hiệu là Tc. Nĩ phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường Tx và sự trao đổi nhiệt trong đĩ. Nhiệm vụ của người làm thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số
Tx-Tc xuống nhỏ nhất. Cĩ hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa Tx và Tc. -Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và mơi trường đo.
-Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và mơi trường bên ngồi.
2.2.2.2. Đo nhiệt độ trong lịng vật rắn.
Thơng thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngồi. Để đo nhiệt
độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoan một lỗ
nhỏ với đường kính r và bằng độ sâu L. Lỗ này dùng đểđưa cảm biến vào sâu bên trong vật rắn. Để tăng độ chính xác của kết quả, phải đảm bảo hai điều kiện:
-Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn mười lần đường kính của nĩ. -Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng 2 cách: giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan, khoảng trống giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt.
2.2.3.1. Điện trở kim loại
a) Chọn kim loại
Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác người ta thường làm điện trở bằng Pt, Ni. Đơi khi cịn dùng Cu, W để chế tạo điện trở.
Platin cĩ thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao. Điều này cho phép tăng
độ chính xác của các tính chất điện của vật liệu. Ngồi ra tính trơ về hố học và sự ổn định trong cấu trúc mạng tinh thể của Pt đảm bảo sựổn định trong cấu trúc tinh thể của Pt đảm bảo sựổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này. Các điện trở làm bằng Pt hoạt động trong một dải nhiệt độ khá rộng T= -200oC đến 1000oC nếu như vỏ bảo vệ của nĩ cho phép.
Niken cĩ độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với Pt. Điện trở của nikel ở 100oC lớn gấp 1.617 lần so với giá trị ở 0oC. Đối với Pt sự chênh lệch của điện trởở hai nhiệt độ này chỉ bằng 1,385. Tuy vây nikel là chất cĩ hoạt tính hố học cao, nĩ sẽ bị
ơxy hố nếu nhiệt độ tăng. Điều này làm giảm tính ổn định của nĩ và dải nhiệt độ
làm việc của điện trở. Thơng thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt
độ thấp hơn 250oC.
Đồng được sử dụng trong một số trường hợp vì sự thay đổi nhiệt của các điện trở chế tạo đồng cĩ độ tuyến tính cao. Tuy nhiên, hoạt tính hĩa học của đồng quá lớn nên các điện trở loại này chỉ sử dụng ở nhiệt độ T< 180oC. Ngồi ra,do điện trở
suất của đồng nhỏ nên muốn cĩ điện trở trị số cao phải tăng chiều dài của dây làm tăng kích thước của điện trở.
Wonfram cĩ độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nĩ cĩ thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn. Từ wonfram cĩ thể chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở cĩ trị số cao, kích thước nhỏ.
b) Chế tạo nhiệt kế
Sự thay đổi nhiệt của một điện trở DR = RaRDT sẽ gây nên một điện áp
Vm=DR.i, trong i là dịng điện chạy qua điện trở. Thơng thường i được giới hạn ở
một giá trị vài mA để tránh làm nĩng đầu đo. Để cĩ độ nhạy cao phải sử dụng các
điện trở tương đối lớn. Muốn vậy phải:
- Giảm tiết diện dây, tuy nhiên dây càng nhỏ thì càng dễđứt.
- Tăng chiều dài dây, việc này nĩ lại làm tăng kích thước của điện trở.
Giải pháp nhân nhuợng:
Một giải pháp nhân nhượng thường được áp dụng: ấn định giá trị R ~ 100W ở 0oC. Khi đĩ, nếu dùng platin thì kích thước dây khoảng ~ 10cm, sau khi cuốn lại sẽ
nhận được nhiệt kế cĩ chiều dài cỡ 1cm. Trên thực tế, các sản phẩm thương mại cĩ
điện trở là 50W, 500W, 1000W. Các điện trở lớn thường sử dụng ở dải nhiệt độ thấp,
ởđĩ chúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt.
Hình 2.5. Nhiệt kế cơng ngiệp dùng Pt
Để sử dụng cho mục đích cơng nhiệp, các nhiệt kế phải cĩ vỏ bọc tốt chống
được va chạm và rung động. Trong trường hợp này điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm đặt trong vỏ kín bằng thép.
Khi chọn vật liệu chế tạo cần chú ý đến hệ số dãn nở nhiệt của các vật liệu cấu thành để tránh ứng suất trong quá trình làm việc. Độ kín của vỏ bọc cần bảo đảm
một cách tuyệt đối. Ngồi ra vật liệu bọc dây điện trở phải cĩ độ cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân cĩ thể dẫn đến làm hỏng kim loại. Vì lý do này mỗi loại vật liệu chỉđược dùng trong một khoảng nhiệt độ nhất định: dưới 500oC dối với thủy tinh và dưới 1000oC đối với gốm.
Nhiệt kế bề mặt:
Nhiệt kế bề mặt dùng đểđo nhiệt độ trên bề mặt vật rắn. Nĩ được chế tạo bằng phương pháp quang hĩa và vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni, Pt. Chiều dày lớp kim loại cỡ một vài mm và kích thước cỡ 1 cm2.
Hình 2.6: Nhiệt kế bề mặt.
Khi sử dụng, nhiệt kếđược dán trên bề mặt cần đo. Tỉ lệ bề mặt/thể tích cao và trở kháng nhhiệt nhỏ của đế đảm bảo thời gian hồi đáp đạt cỡ vài mili giây. Tuy nhiên cần phải lưu ý là nhiệt kế bề mặt rất nhạy với độ biến dạng của cấu trúc bề
mặt được dán nhiệt kế. Nếu khơng thể dán nhiệt kế trên vùng khơng cĩ biến dạng thì tốt nhất là dán nĩ trên vùng chịu biến dạng nén.
2.2.3.2. Nhiệt điện trở
Một tính chất quan trọng của loại điện trở này là cĩ độ nhạy rất cao khoảng 10 lớn hơn so với độ nhạy của điện trở kim loại. Ngồi ra hệ số nhiệt của chúng cĩ giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ.
Nhiệt điện trở được làm từ các hỗn hợp oxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.
Để chế tạo điện trở, các bộ oxít được trộn với nhau theo một tỉ lệ thích hợp, sau đĩ chúng được nén định dạng và thiêu kết ở 1000 oC. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại. Các nhiệt
điện trởđược chế tạo với hình dáng khác nhau và phần tử nhạy cảm cĩ thể bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần. Các vật liệu thường sử dụng cĩ điện trở suất cao cho phép chế tạo những điện trở cĩ giá trị thích hợp với một lượng vật chất nhỏ và kích thước tối thiểu. Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độở từng điểm đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn.
Độ ổn định của một điện trở phụ thuộc và việc chế tạo nĩ và điều kiện sử
dụng. Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nĩ khơng bị phá huỷ hố học tăng độổn
định khi làm việc. Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở càng phải tránh nhhững thăng giáng nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này cĩ thể dẫn đến làm rạn nứt vật liệu. Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, dải nhiệt độ làm việc cĩ thể thay đổi từ một vài độ
tuyệt đối đến khoảng 300 oC. Cĩ thể mở rộng dải nhiệt độ này nhưng khi đĩ trị số
của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao..
Độ dẫn của một chất bán dẫn được biểu diễn dưới cơng thức:
s = q(mnn + mpp)
2.2.3.3. Điện trở silic
Đây là một điện trở bán dẫn, nĩ khác với những nhiệt điện trở nĩi trên ở
những điểm sau:
-Hệ số nhiệt độ của điện trở suất cĩ giá trị dương, cỡ 0.7% ở 25 oC. Sự thay
đổi nhiệt của nĩ tương đối nhỏ nên cĩ thể tuyến tính hố đặc tuyến của cảm biến trong vùng nhiệt độ làm việc bằng cách mắc thêm một điện trở phụ.
Các điện trởđược chế tạo bằng cách khuếch tán tạp chất vào đơn tinh thể silic phụ thuơc vào nồng độ pha tạp và vào nhiệt độ.
Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 1200C (dải nhiệt độ làm việc của điện trở silic), điện trở
suất tăng khi nhiệt độ tăng do độ linh động của hạt tải giảm mà nồng độ của chúng trên thực tế là khơng đổi. Nồng độ khơng đổi được tạo ra do pha tạp, nĩ lớn hơn rất nhiều so với nồng độ gây nên bởi ion hố (hình thành cặp điện tử –lỗ trống). Hệ số
nhiệt độ của điện trở càng nhỏ khi pha tạp càng mạnh.
Trong trường hợp nhiệt độ lớn hơn 120oC, điện trở suất giảm khi nhiệt độ
tăng. Quá trình ion hố do nhiệt (chuyển mức của điện tử từ vùng hố trị lên vùng dẫn) chiếm ưu thế làm cho nồng độ hạt tải tăng lên lớn hơn nồng độ pha tạp. Hệ số
nhiệt độ của điện trở suất trong vùng này khơng phụ thuộc vào pha tạp: đây là trường hợp bán dẫn riêng.
2.2.4. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt.
2.2.4.1. Đặc trưng chung – độ nhạy nhiệt.
Cặp nhiệt cĩ cấu tạo gồm hai dây dẫn A và B được nối với nhau bởi hai dây nối hàn cĩ nhiệt độ T1 và T2. Suất điện động E phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm các dây dẫn A, B và nhiệt độ T1, T2. Thơng thường nhiệt độ của mối hàn được giữở
giá trị khơng đổi và biết trước, gọi là nhiệt độ chuẩn (T1 = Tref). Nhiiệt độ T2 của mối hàn thứ hai, khi đặt trong mơi trường nghiên cứu nĩ sẽđạt tới giá Tc chưa biết. Nhiệt độ Tc là hàm của nhiệt độ Tx và của các quá trình trao đổi nhiệt.
Việc sử dụng cặp nhiệt cĩ nhiều lợi thế. Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên cĩ thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng nghiên cứu và tăng tốc độ hồi đáp (do nhiệt dung nhỏ). Một ưu điểm quan trọng nữa là cặp nhiệt cung cấp suất điện động nên khi đo khơng cần cĩ dịng điện chạy qua và do vậy khơng cĩ hiệu ứng đốt nĩng.
Tuy nhiên việc sử dụng cặp nhiệt cũng cĩ nhiều bất lợi: phải biết trước nhiệt
Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng của nhiệt độ là hàm khơng tuyến tính của Tc. mỗi loại cặp nhiệt cĩ một bảng chuẩn ( ghi giá trị của suất điện
động phụ thuộc vào nhiệt độ) và một biểu thức diễn dải sự phụ thuộc của suất điện
động vào nhiệt độ.
Mỗi cặp nhiệt cĩ một giới hạn của dải nhiệt độ làm việc từ –270 0C đối với cặp nhiệt đồng/vàng-coban đến 2700 0C đối với cặp nhiệt wonfram-reni 5%/wonfram-rêni 26%. Như vậy, cặp nhiệt cĩ dải nhiệt độ làm việc rộng hơn nhiều so với nhiệt kếđiện trở và đây cũng là một ưu điểm của chúng.
Độ nhạy nhiệt (hay cịn gọi là năng suất nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt
độ Tcđược xác định bởi biểu thức: c B A dT dE T s( )= /
trong đĩ s là hàm của nhiệt độ và cĩ đơn vị là :V/ 0C. Thí dụ:
Cặp nhiệt: Fe/constntan: s(00C) = 52,9 :V/oC, s (700oC)=63,8 :V/ oC Cặp nhiệt: Pt-Rh(10%)/ Pt : s(00C) = 6,4 :V/oC, s (1400oC) = 11,93 :V/ oC.
2.2.4.2. Các hiệu ứng nhiệt điện
Trong các chuỗi dẫn điện nối tiếp dạng kim loại - chất lỏng hay kim loại - bán dẫn cĩ các hiệu ứng nhiệt điện. Chúng được thể hiện thơng qua sự chuyển đổi giữa năng lượng của dao động nhiệt và năng lượng điện của các hạt tải chuyển động.
a) 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 (Hình 2.7a). Hiệu điện thế này chỉ phụ
thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ:
VM – VN = PTA/B
Định luật Volta phát biểu như sau: trong một chuỗi cách nhiệt được cấu thành từ những vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0. Thí dụ, trong một chuỗi gồm 4 vật dẫn A B C D mắc nối tiếp (Hình2.7b), tổng suất điện động bằng khơng. 0 / / / / + + + T = A D T C D T C B T B A P P P P Nếu tổng suất điện động trong mạch khác 0 thì sẽ cĩ dịng điện chạy trong mạch và xảy ra sự tổn hao năng lượng do hiệu ứng Joule, điều này trái với định luật Carnot nĩi rằng một hệở cùng nhiệt độ sẽ khơng thể tạo ra năng lượng.
Biểu thức trên cĩ thể viết lại: T A D T C D T C B T B A P P P P / + / + / =- / nghĩa là : T D A T C D T C B T B A P P P P / + / + / = /
Như vậy cĩ thể kết luận, khi hai vật dẫn A và D được phân cách bởi các vật dẫn trung gian và tồn hệđược cách nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và D
ở đầu mút cũng chính bằng hiệu điện thế nếu như chúng tiếp xúc trực tiếp nhau.
b) Hiệu ứng Thomson
Trong một vật dẫn dồng nhất A, giữa hai điểm M và N cĩ nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động (Hình 2.7.c). Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ TM, TN của hai điểm M, N. ị = M N N M T T A T T A h dT E trong đĩ hA là hệ số Thomson.
Suất điện động Thomson là hàm của nhiệt độ. Định luật Magnus phát biểu, nếu hai đầu ngồi 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 khơng.
Hình 2.7. Các hiệu ứng nhiệt điện: a) hiệu ứngPeltier, b) định luật Volta
c) hiệu ứng Thomson d) hiệu ứng Seeback
c) Hiệu ứng seebeck
Giả sử cĩ một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A, B và hai chuyển tiếp của chúng được giữở nhiệt độ T1 và T2 (Hình 2.7d), khi đĩ 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 đĩ gọi là suất điện động Seebeck. ị - + - = 2 1 1 2 1 2/ / / ( ) T T B A T B A T B A T T B A P P h h dT E Nếu chọn T1 là nhiệt độ so sánh và lấy T1 = 0 oC, khi đĩ đối với một cặp vật dẫn A, B cho trước, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2.
2.2.4.3. Phương pháp chế tạo và sơđồđo
a) Chế tạo cặp nhiệt và vỏ bảo vệ
Trong khi chế tạo cặp nhiệt cần phải tránh tạo ra những cặp nhiệt ký sinh. Nguyên nhân gây ra cặp nhiệt ký sinh là do gấp khúc, nhiễm bẩn hố học, bức xạ
hạt nhân. Mối hàn cũng phải nhỏ đến mức tối đa, bởi vì nếu vùng hàn cĩ kích thước lớn thì giữa các điểm khác nhau cĩ thể cĩ nhiệt độ khác nhau tạo ra suất điện động ký sinh.
Cĩ ba kỹ thuật chính thường được sử dụng để hàn cặp nhiệt : - Hàn thiếc khi nhiệt độ sử dụng khơng quá cao.
- Hàn xì bằng đèn axetylen. - Hàn bằng tia lửa điện.
Để tránh mọi tiếp xúc ở vùng ngồi mối hàn, dây được đặt trong sứ cách điện sứ cách điện phải trơ về mặt hố học và cĩ điện trở lĩn. Cấu trúc cặp nhiệt- sứ cách
điện thường khơng bền vững cơ học, bởi vậy để bảo vệ, người ta cịn trang bị thêm một lớp vỏ bọc ngồi. Vỏ bọc này đảm bảo kín để khí khơng lọt qua và chống được thăng giáng nhiệt độđột ngột, nĩ thường được làm bằng sứ hoăc thép. Nếu vỏ bằng