CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
5.4 ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG CẶP NHIỆT .1 Đặc trưng chung-độ nhạy nhiệt
Cặp nhiệt có cấu tạo gồm hai dây dẫn A và B được nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T1và T2. Suất điện động E phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm các dây dẫn A, B và vào nhiệt độ T1 và T2 . Thông thường nhiệt độ của một mối hàn được giữ ở giá trị không đổi và biết trước, gọi là nhiệt độ chuẩn (T1= Tref).
Nhiệt độ T2 của mối hàn thứ hai, khi đặt trong môi trường nghiên cứu nó sẽ đạt giá trị Tc chưa biết. Nhiệt độ Tc là hàm của nhiệt độ Tx và của các quá trình trao đổi nhiệt (có thể xảy ra).
Việc sử dụng cặp nhiệt có nhiều lợi thế. Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên có thể
nhiệt dung nhỏ). Một ưu điểm quan trọng nữa là cặp nhiệt cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng.
Tuy nhiên sử dụng cặp nhiệt cũng có điều bất lợi: phải biết trước nhiệt độ so sánh Tref , và do vậy sai số Tref cũng chính là sai số của Tc .
-10 10 20 30 40 50 60 70
100 200 600 1000 1600 1800
E
J K
RS B E(mV)
T(°C) T
EJ K T
E : Chromel / Constantan J : Saét / Constantan T : Đồng / Constantan K : Chromel / Alumel
R : Platin-Rodi (13%) / Platin S : Platin-Rodi (10%) / Platin B : Platin-Rodi (30%) / Platin-Rodi (6%)
Hình 5.3 Sự thay đổi nhiệt của suất điện động E của một số loại cặp nhiệt.
Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng của nhiệt độ là hàm không tuyến tính của Tc (hình 5.3). Mỗi loại cặp nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trị của suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ) và một biểu thức diễn giải sự phụ thuộc của suất điện động vào nhiệt độ. Thí dụ, đối với cặp nhiệt platin-30%rodi/
platin-6%rodi, trong khoảng nhiệt độ từ 0 oC đến 1820 oC theo chuẩn NFC42-321 sự phụ thuộc của suất điện động E vào nhiệt độ có dạng :
∑=
=
= 8
0 i
i i iT a E
Trong đú: E đo bằng àm và T đo bằng oC. Giỏ trị cụ thể của cỏc hệ số ai trong biểu thức trên như sau:
a0 = 0 a1 = -2,4674601620.10-1
a2 =5,9102111169. 10 a3 = -1,4307123430. 10 a4 = 2,1509149750. 10-9 a5 = -3,1757800720. 10-12 a6 = 2,40103 67459. 10-15 a7 = -9,0928148159. 10-19 a8 = 1,3299505137. 10-22
Đối với một số loại cặp nhiệt khác, khoảng nhiệt độ làm việc của chúng có thể chia ra những vùng nhỏ. Trong mỗi vùng như thế, mối quan hệ giữa suất điện động và nhiệt độ được mô tả bằng một biểu thức riêng đặc trưng cho vùng.
Nói chung mỗi loại cặp nhiệt có một giới hạn của dải nhiệt độ làm việc, từ -270 oC đối với cặp nhiệt đồng/vàng-coban đến 2700 oC đối với cặp nhiệt wonfram-reni 5%/wonfram-reni 26%. Như vậy, cặp nhiệt có dải nhiệt độ làm việc rộng hơn nhiều so với nhiệt kế điện trở và đây cũng là một ưu điểm của chuùng.
Độ nhạy nhiệt (hay còn gọi là năng suất nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ Tc được xác định bởi biểu thức :
c B A
c dT
T dE
s( )= / (5-19) Trong đú: s là hàm của nhiệt độ và cú đơn vị là àV/ oC. Thớ dụ:
Cặp nhiệt Fe/constantan:
s(0 oC)=52,9àV/ oC,s(700oC)=63,8àV/ oC Cặp nhiệt Pt-Rh(10%)/Pt
s(0oC)=6,4àV/ oC,s(1400oC)=11,93àV/ oC 5.4.2 Các hiệu ứng nhiệt điện
Trong các chuỗi (dãy) dẫn điện nối tiếp dạng kim loại-chất lỏng hay kim loại- bán dẫn có các hiệu ứng nhiệt điện (thí dụ hiệu Joule). Chúng được thể hiện thông qua sự chuyển đổi giữa năng lượng của dao động nhiệt và năng lượng điện của các hạt tải chuyển động.
5.4.2.1 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 5.4a). Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ:
VM – VN = PTA/B (5-20) Đây chính là suất điện động Peliter.
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 bốn vật dẫn A, B, C, D mắc nối tiếp (hình 5.4b), tổng suất điện động sẽ bằng 0:
PTA/B + PTB/C + PTC/D + PTD/A = 0 (5-21) Nếu tổng suất điện động trong mạch khác không thì sẽ có dòng điện chạy trong mạch và xảy ra sự tổn hao năng lượng do hiệu ứng Joule, điều này trái với định luật Carnot nói rằng trong một hệ ở cùng nhiệt độ sẽ không tạo ra năng lượng.
Như vậy có thể kết luận, khi hai vật dẫn A và D được phân cách bởi các vật trung gian và toàn hệ thống được 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 (A và D) tiếp xúc trực tiếp với nhau.
5.4.2.2 Hiệu ứng Thomson
Trong một vật dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động (hình 5.4c). Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ TM, TN của hai điểm M và N:
= ∫M
N N M
T
T A T
T
A h dT
E (5-22)
Trong đó hA là hệ số Thomson.
M A N
(T) (T)
c) EATMTN
A
D
C
B
b)
M (T) a)
A (T)
PA/BT
N B
A
B (T)
(T1)
(T2)
a d
c b
Hình 5.4 Các hiệu ứng nhiệt điện a)hiệu ứng Pleitier b)hiệu ứmg Volta
c)hiệu ứng Thomson d)hiệu ứng Seebeck.
.
5.4.2.3 Hiệu ứng Seebeck
Giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A B và hai chuyển tiếp của chúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2 (hình 5.4d), khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này sẽ gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. Suất điện động đó gọi là suất điện động Seebeck.
Thật vậy, suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và a lần lượt bằng:
∫
= 2
1
T
T A
ab h dT
e 2/
T B A
bc P
e = = ∫2
1
T
T B
cd h dT
e 2/
T A B
da P
e =
Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động thành phần Peltier và Thomson ở trên:
= − +∫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 (5-23)
Nếu chọn nhiệt độ T1 làm nhiệt độ so sánh và lấy T1=0oC, khi đó đối với một cặp vật dẫn A và B cho trước, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2.
5.4.3 Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo 5.4.3.1 Chế tạo ccởp 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 dây, nhiễm bẩn hoá học, bức xạ hạt nhân (biến đổi nguyên tố). Mối hàn cũng phải nhỏ tới mức tối đa, bởi vì nếu vùng hàn có kích thước lớn thì giữa các điểm khác nhau có thể nhiệt độ sẽ khác nhau tạo ra suất điện động ký sinh.
Có ba kỹ thuật chính thường được sử dụng để hàn cặp nhiệt:
- Hàn thiếc khi nhiệt độ sử dụng không quá cao.
- Hàn xì bằng đèn xì axêtylen.
- Hàn bằng tia lửa điện.
Để tránh mọi tiếp xúc ở ngoài mối hàn, dây được đặt sứ cách điện. Sứ cách điện phải trơ về hoá học và có điện trở lớn. Cấu trúc cặp nhiệt-sứ cách điện thường không bền vững cơ học, bởi vậy để bảo vệ, người ta còn trang bị thêm một lớp vỏ bọc bên ngoài. Vỏ bọc này đảm bảo kín để khí không lọt qua và
chống được thăng gián nhiệt độ đột ngột. Nó thường được làm bằng sứ hoặc bằng thép. Nếu vỏ bằng thép thì mối hàn có thể thì mối hàn có thể tiếp xúc với vỏ thép để giảm thời gian hồi đáp.
5.4.3.2 Sơ đồ đo
Trên hình 5.5 biểu diễn sơ đồ đo thông dụng của cặp nhiệt . Điều kiện lắp ráp từng đôi cùng nhiệt độ:
- Các mối hàn A/M1 và B/M1 của cặp nhiệt.
- Các mối hàn của các dây kim loại trung gian M1/ M2vàM2/ M3
Khi đó trong mạch chỉ có suất điện động Seebeck của cặp nhiệt. Thực vậy, tổng suất điện động trong trường hợp này được viết dưới dạng biểu thức:
∫
∫
∫
∫
∫
∫
∫
+ +
+ +
+ +
+ +
+ +
+ +
+
=
c
ref ref ref
á á
á
à à
à
à à à
á á
á
ref ref
c c
T
T A T
A M T
T M T
M M T
T M T
M M
T
T M T
M M T
T M T
M M T
T M T
T B T
B A
dT h P
dT h P
dT h P
dT h P
dT h P
dT h dT h P
e
/ 1 1
1 / 2 2
2 / 3
3 3
/ 2 2
2 / 1 1
/
Tc B Tref