TÌM HIỂU VỀ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA KIM LOẠI. HIỆN TƯỢNG GIÃN NỞ NHIỆT VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG TIẾP XÚC. ỨNG DỤNG LƯỠNG KIM, LƯỠNG KIM NHIỆT, NGẪU NHIỆT ĐIỆN, CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN NGÀY NAY TRONG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-🙦🙤🕮🙦🙤 -

MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA KIM LOẠI HIỆN TƯỢNG GIÃN NỞ NHIỆT VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG TIẾP XÚC ỨNG DỤNG LƯỠNG KIM, LƯỠNG KIM NHIỆT, NGẪU NHIỆT ĐIỆN, CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN NGÀY NAY TRONG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ

GVHD: Phạm Xuân Hổ

SVTH:

1 Nguyễn Minh Chiến 21151198

2 Trần Minh Hoàng 21151236

3 Nguyễn Phước Hưng 21151247

4 Nguyễn Sơn Tùng 21151381

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 23 Tháng 10 năm 2022

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Điểm: ………

KÝ TÊN

A LỜI MỞ ĐẦU 1

B NỘI DUNG 2

CHƯƠNG 1: PHẦN LÝ THUYẾT _ 2 1.1 Tính chất nhiệt của kim loại 2

1.1.1 Khả năng dẫn nhiệt 2

1.1.2 Nhiệt dung riêng 2

1.1.3 Điểm nóng chảy 2

1.2 Hiện tượng giản nở nhiệt 3

1.2.1 Giãn nở thể tích 3

1.2.2 Các yếu tố khác 4

1.3 Hiện tượng sức điện động tiếp xúc 5

1.3.1 Hiện tượng tiếp xúc và sức nhiệt điện động 5

1.3.2 Thí nghiệm về hiện tượng nhiệt điện 5

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lưỡng kim nhiệt 7

1.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ngẫu nhiệt điện 7

CHƯƠNG 2: PHẦN ỨNG DỤNG 9 2.1 Lưỡng kim nhiệt 10

2.1.1 Đồng hồ đo nhiệt độ lưỡng kim 10

2.1.2 Bộ điều chỉnh nhiệt độ 11

2.1.3 Nhiệt kế 12

2.1.4 Thiết bị điện 12

2.1.5 Kiểm soát nhiệt độ 13

2.2 Ứng dụng của cảm biến nhiệt điện trong tự động điều khiển và bảo vệ 13

2.2.1 Cảm biến nhiệt độ nước 13

2.2.2 Cảm biến loadcell 14

2.2.3 Cảm biến IC 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

1

A LỜI MỞ ĐẦU

Kim loại và hợp kim của chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, cũng như các thiệt bị, đồ dùng trong cuộc sống Tuy nhiên trong sản xuất cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp, đảm bảo chất lượng và kinh tế của sản phẩm Muốn vậy phải nắm bắt được các tính chất cơ bản của chúng Trong đó có tính nhiệt rất quan trọng ảnh hưởng tới quá trình lâu bền của kim loại hôm nay nhóm minh sẽ trình bày cho các bạn biết thế nào là tính nhiệt trong kim loại cũng như 2 ứng dụng ngẫu nhiệt điện và lưỡng kim điện

2

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: PHẦN LÝ THUYẾT

1.1 Tính chất nhiệt của kim loại

1.1.1 Khả năng dẫn nhiệt

Khi các phần khác nhau trong một chất ở nhiệt độ khác nhau thì sẽ có hiện tượng truyền nhiệt từ nơi ở nhiệt cao tới nơi có nhiệt độ thấp hơn Nhiệt được truyền theo ba cách khác nhau: khuếch tán nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt Khuếch tán nhiệt là sự truyền nhiệt

do chuyển động nhiệt của các phân tử vật chất Khi chuyển động các phân tử va chạm lẫn nhau, năng lượng từ các phân tử chuyển động nhanh ở vùng nóng hơn được chuyển bớt cho các phân tử chuyển động chậm ở vùng lạnh hơn, tạo nên sự truyền nhiệt Đó là cơ chế truyền nhiệt chính trong chất rắn Trong chất khí và chất lỏng thì nhiệt chủ yếu được truyền

do các luồng khí hay dòng chảy, còn gọi là đối lưu Cuối cùng, các vật cũng có thể được sưởi ấm do sóng điện từ phát ra từ một nguồn nóng, gọi là bức xạ nhiệt Khác với hai cơ chế trên, bức xạ nhiệt có thể truyền qua chân không chứ không đòi hỏi một môi trường truyền nhiệt nào cả Trong bài này này chúng ta chỉ xét riêng hiện tượng khuếch tán nhiệt, mặc dù trên thực tế ít khi quan sát được khuếch tán nhiệt riêng lẻ, vì nó thường đi kèm với hiện tượng đối lưu

1.1.2 Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần phải cung cấp cho một đơn vị đo lường chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên một độ trong quá trình truyền nhiệt

Trong hệ thống đo lường quốc tế, đơn vị đo của nhiệt dung riêng là Joule trên kilôgam

trên Kelvin, J·kg−1·K−1 hay J/(kg·K), hoặc Joule trên mol trên Kelvin Kí hiệu là: c

Người ta sử dụng nhiệt dung riêng để tính toán nhiệt lượng khi gia công nhiệt cho vật liệu xây dựng và lựa chọn vật liệu trong các trạm nhiệt

Công thức: c = Q/m∆t

1.1.3 Điểm nóng chảy

3

Khi một kim loại ở trạng thái rắn được nung nóng cho đến khi đạt được nhiệt độ nhất định mà nó bắt đầu hóa lỏng, nghĩa là chuyển từ thể rắn sang thể lỏng thì đây được gọi

là điểm nóng chảy của kim loại

Tại thời điểm của sự nóng chảy, gia tăng nhiệt độ sẽ dừng lại cho đến khi toàn bộ kim loại hóa lỏng hoàn toàn Nhiệt độ nóng chảy là khác nhau giữa các kim loại

Nhiệt độ nóng chảy còn có tên gọi khác là điểm nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy giúp các nhà khoa học dễ dàng xác định được loại kim loại

Bên cạnh đó, khi nhận biết được nhiệt độ nóng chảy của kim loại, hợp kim, phi kim còn có thể giúp ứng dụng nhiều vào các ngành công nghiệp như chế tạo, gia công cơ khí, đúc kim loại, làm khuôn, ngành y tế hoặc phục vụ cho nghiên cứu

1.2 Hiện tượng giản nở nhiệt

1.2.1 Giãn nở thể tích

Tương tự như chất lỏng và chất khí, khối lượng chất rắn cũng phụ thuộc vào nhiệt độ hiện tại của chúng Hầu hết các chất rắn đều tăng thể tích khi nhiệt độ tăng, và sự gia tăng thể tích ΔV này (với một số sơ suất) tỷ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ Δt và thể tích ban đầu V0 Mối quan hệ này có thể được mô tả về mặt toán học là

Δ V≐βV0Δ t (1) trong đó hằng số β là hệ số nở nhiệt thể tích, một tính chất của các chất

4

Trong các bảng, chúng ta thường thấy đối với chất rắn, hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính của chúng là α, và nó xấp xỉ đối với các chất đẳng hướng mà β≐3 α Thể tích V sau khi nung nóng bằng thể tích ban đầu V0 và độ tăng thể tích Δ V cho theo quan hệ (1):

V≐V0+βV0Δ t=V0 (1+βΔ t) (2)

Sơ suất được mô tả ở trên hạn chế tính hợp lệ của mối quan hệ (2) với chênh lệch nhiệt

độ "nhỏ" trong đó β Δ t ≪1 Nếu điều kiện này không được đáp ứng đầy đủ, chúng ta cần sử dụng quan hệ (2) ở dạng tổng quát hơn của nó:

V≐V0 (1+βΔ t+1

3 β2Δt2) (3) Trong thí nghiệm sau đây, chúng ta sẽ thấy sự tăng lên của một quả cầu kim loại sau khi nung nóng nó đến vài trăm độ C

1.2.2 Các yếu tố khác

Khi một bộ phận được đo cũng có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ và do đó, kích thước của bộ phận đó Ví dụ, một bộ phận mới cắt có thể nóng hoặc lạnh và do đó có kích thước hơi khác so với khi nó được đo sau đó trong Đảm bảo chất lượng (QA) hoặc khi được

kiểm tra khi đến địa điểm sản xuất của khách hàng

Áp suất khí quyển cũng có thể có tác động rất nhỏ đến phép đo các bộ phận, với việc kim loại nở ra khi chúng chịu áp suất thấp hơn Điều đó có nghĩa là nếu bạn cắt và kiểm tra một

bộ phận ở mực nước biển và sau đó chuyển nó đến Denver, bạn có thể nhận được một phép

đo hơi khác ở độ cao lớn hơn - tất nhiên, chỉ được nhìn thấy khi đo kích thước nhỏ nhất và dung sai hẹp nhất

Ngoài ra, sự nở vì nhiệt của kim loại còn phụ thuộc vào độ lớn của kích thước chi tiết Ví dụ, dung sai ảnh hưởng đến hệ số giãn nở, trong đó sự khác biệt về phép đo có nhiều khả năng xảy ra khi dung sai rất chặt được liên kết với các bộ phận lớn hơn, chẳng hạn như một bộ có chiều dài bằng foot trở lên so với một bộ có chiều dài 0,001 (0,0254 mm) về chiều dài

5

Điều đó có nghĩa là sẽ khó hơn để giữ một dung sai chặt chẽ trên một thanh có chiều dài, ví dụ, 2 '(60,96 cm), với bất kỳ sự thay đổi nào rõ ràng hơn Ngoài ra, đường kính càng lớn, càng khó giữ một dung sai chặt chẽ

Một yếu tố khác là nhiều vật liệu có thể được sử dụng trong một sản phẩm bao gồm các bộ phận được lắp ráp khác nhau và mỗi vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt riêng Những bộ phận khác nhau này - có lẽ một số được làm từ các kim loại khác nhau và một

số từ nhựa, thủy tinh hoặc các vật liệu khác - sẽ nở ra với tốc độ khác nhau Do đó, các hệ

số giãn nở khác nhau cần được xem xét khi quyết định về dung sai trên các bộ phận khác nhau

1.3 Hiện tượng sức điện động tiếp xúc

1.3.1 Hiện tượng tiếp xúc và sức nhiệt điện động

Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng có một hiệu thế tiếp xúc, nguyên nhân sinh ra hiệu thế tiếp xúc là do công thoát của mỗi kim loại khác nhau nên số electron tự do trong mỗi kim loại khác nhau sẽ không bằng nhau

\ Hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng sản sinh ra suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín khi giữa hai đầu vật kim loại hoặc hợp kim có sự chênh lệch về nhiệt độ Hiểu một cách đơn giản hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng một dòng điện được sinh ra trong mạch kín, khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa hai đầu dây dẫn

1.3.2 Thí nghiệm về hiện tượng nhiệt điện

6

Thực hiện lắp một mô tơ cánh quạt chạy bằng điện 1 chiều với hai thanh kim loại Sau đó tiến hành nhúng 2 thanh kim loại đó vào hai cốc khác nhau, một cốc chứa không khí, một cốc chứa nước Quan sát thí nghiệm chúng ta không thấy sự thay đổi nào (cánh quạt không quay), điều này chứng tỏ không có dòng điện nào được sản sinh ra bên trong mạch điện

Bước tiếp theo các bạn tiến hành đổ nước có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn nước

ở cốc đựng nước ban đầu vào trong cốc chứa không khí Chúng ta đợi một lúc, sẽ thấy cánh quạt bắt đầu quay Điều này chứng tỏ bên trong mạch lúc này đã xuất hiện dòng điện

Sau đó chúng ta tiến hành làm tăng sự chênh lệch nhiệt độ của hai cốc nước và tiếp tục quan sát Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy nhiệt độ của hai thanh kim loại có sự chênh lệch càng lớn thì cánh quạt quay càng nhanh Điều này chứng tỏ rằng độ mạnh của dòng điện sinh ra trong mạch phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ của hai thanh kim loại

Hiện tượng sinh ra dòng điện trong thí nghiệm trên chính là hiện tượng nhiệt điện

Và dòng điện được sản sinh suất điện động nhiệt điện

Lý giải về thí nghiệm: Khi nhiệt độ của vật dẫn có sự chênh lệch về nhiệt độ, mật

độ các hạt tải điện tại nơi có nhiệt độ cao hơn sẽ lớn hơn so với mật độ hạt tải điện tại nơi

có nhiệt độ thấp Do đó có sự dịch chuyển thành dòng của các hạt tải điện từ nơi có nhiệt

độ cao hơn về nơi có nhiệt độ thấp hơn, đồng thời tạo nên sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu của vật dẫn Nếu chúng ta tiến hành nối thành mạch kín sẽ hình thành nên suất điện động nhiệt điện và sinh ra dòng điện giúp cánh quạt có thể quay

7

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lưỡng kim nhiệt

Lưỡng kim nhiệt cấu tạo gồm hai thanh kim loại khác nhau có độ giãn nở nhiệt khác nhau, thông thường là thép và đồng, hoặc thép và đồng thau hai thanh kim loại này được ghép dính lại với nhau dọc theo chiều dài bằng cách ghép đinh tán, hàn vảy, hoặc hàn nóng chảy lực tác động gây ra bởi sự giãn nở vì nhiệt khiến thanh lưỡng kim bị uốn cong theo một chiều khi bị nung nóng và uốn theo chiều ngược lại khi làm lạnh kim loại có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn sẽ nằm ở phía ngoài của thanh lưỡng kim khi bị nung nóng và nằm bên trong khi bị làm lạnh thanh lưỡng kim thường được dùng ở dạng thẳng hoặc uốn thành cuộn tròn để thu gọn hơn khi uốn thành cuộn tròn, độ nhạy của thanh lưỡng kim sẽ tăng lên

Trong hình minh họa bên cạnh, hai thanh kim loại có

chiều dài bằng nhau (1) Khi nhiệt độ tăng lên, hai thanh kim loại

sẽ thay đổi chiều dài (2) Khi ghép hai thanh kim loại lại với

nhau, sự chênh lệch chiều dài này sẽ tạo ra ứng suất nội và làm

uốn cong thanh lưỡng kim (3) Khi bị kẹp ở một đầu có thể tính

được độ uốn cong của thanh lưỡng kim theo nhiệt độ (4)

1.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ngẫu nhiệt điện

Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

Nguyên lý: Cảm biến nhiệt độ thermocouple (thermo => Nhiệt độ; couple = cặp) còn được gọi là cặp nhiệt điện, dùng để đo nhiệt độ; hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện” Hiệu ứng này xảy ra khi hai kim loại khác nhau được nối lại với nhau một đầu

sẽ sinh ra một dòng điện rất nhỏ được tính bằng milivon (mV) Khi nhiệt độ tại điểm nối này thay đổi sẽ làm cho dòng điện bên trong thay đổi => dựa vào tín hiệu điện này sẽ đọc được giá trị nhiệt độ

8

• Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

• Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

• Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén, …

• Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C

Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh

Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp

Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chỗ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó (offset trên

bộ điều khiển)

Lưu ý khi sử dụng: Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là khôngnên nối thêm dây (vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều) Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng (đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo) Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị

Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp (có cực âm và dương) do vậy cần chú ý kí hiệu

để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng

9

1 Measuring junction: gồm 2 thanh kim loại được làm từ chất liệu khác nhau và được hàn một đầu với nhau Đây được xem là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện

2 Thermocouple wires: là bộ phận dây kết nối để nối giữa phần đo nhiệt và bộ điều khiển

3 Ceramic insulators: là phần sứ cách nhiệt được dùng để giữ dây cặp nhiệt ngẫu cách điện dọc theo chiều dài của đầu dò

4 Protective sheath: là phần vỏ bảo vệ bên ngoài của thermocouple Lớp vỏ này thường được làm bằng inox đối với loại 1200ºC trở xuống, còn đối với loại cao hơn 1200ºC thì phần vỏ này được làm bằng sứ

5 Connection head: là phần chứa dây kết nối cũng như bộ chuyển đổi của cặp nhiệt điện Khi ta dùng các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA thì sẽ được cho vào đây

CHƯƠNG 2: PHẦN ỨNG DỤNG

10

2.1 Lưỡng kim nhiệt

2.1.1 Đồng hồ đo nhiệt độ lưỡng kim

Là một dòng đồng hồ đo nhiệt độ sử dụng nguyên lý hoạt động nhờ sự giãn nở vì nhiệt của kim loại Nhờ sự giãn nở không đồng đều của hai miếng kim loại sẽ giúp chỉ thị

ra số đo nhiệt độ cần đọc của đồng hồ

Cơ chế đồng hồ cơ rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ vì mỗi bộ phận có dung sai rất nhỏ và dẫn đến sai sót trong việc giữ thời gian Một dải lưỡng kim được sử dụng để

bù hiện tượng này trong cơ chế của một số đồng hồ

Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng cấu trúc lưỡng kim cho vành tròn của bánh

xe cân bằng Những gì nó làm là di chuyển một trọng lượng theo cách xuyên tâm nhìn vào mặt phẳng tròn xuống bằng bánh xe cân bằng, sau đó thay đổi, động lượng quán tính của bánh xe cân bằng

Khi lò xo điều khiển cân bằng trở nên yếu hơn khi nhiệt độ tăng, cân bằng trở nên nhỏ hơn đường kính để giảm động lượng quán tính và giữ cho chu kỳ dao động (và do đó chấm công) không đổi