thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy trộn, chương 8 potx

Các điện trở làm bằng platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng với T=-2000C10000C nếu như vỏ bảo vệ của nó cho phép.. Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở n

Chương 8: ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG ĐIỆN TRỞ

5.3.1 Độ nhạy nhiệt

Trong trường hợp tổng quát, giá trị của một điện trở phụ thuộc

vào nhiệt độ:

R(T) = R0F(T-T0)

(5-6)

R0 là điện trở ở nhiệt độ T0 và F là hàm đặc trưng cho vật liệu,

F=1 khi T=T0

Trường hợp kim loại :

R(T) = R0(1+AT+BT 2 + CT3)

(5-7)

Trong đó T đo bằng độ oC và T0 =0 oC

Trường hợp nhiệt điện trở (hỗn hợp của các oxit bán dẫn):

R(T) = R0.exp{B[

0

1 1

T

T  ]}

(5-8)

Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối

Các hệ số được xác định chính xác bằng cách đo những nhiệt

độ đã biết trước Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị

của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo

Khi độ biến thiên nhiệt độ T (xung quanh giá trị T) nhỏ,

nhiệt độ có thể thay đổi theo hàm tuyến tín:

R(T+ T)=R(T).(1+RT)

(5-9)

R =

dT

dR T

R )(

1

(5-10)

R là hệ số nhiệt độ của điện trở hay độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ

T Hệ số R phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ Thí dụ, ở nhiệt

độ 0 oC:

-Platin (Pt) có hệ số R = 3,9.10-3/ oC

-Một số loại nhiệt điện trở có R = 5,2.10-2/oC

Chất lượng của thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có

thể đo được 







0

R

R min do vậy nó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được









0

R

R

min  Tmin nghĩa là

Tmin =

R



1









0

R

R

min Thí dụ, nếu 







0

R

R

min =10-6 và đối với những phép đo xung quanh điểm oC thì:

- Tmin  2,6.10–4oC đối với điện trở Pt

- Tmin  2,0.10-5oC đối với nhiệt điện trở

Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở phụ thuộc đồng

thời vào điện trở suất  và kích thước hình học của nó Đối với

một dây điện trở chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ được

tính theo biểu thức:

R=

dT

dR T

R )(

dT

ds s dT

dl l dT

1   



(5-11)

Trong đó :

 

 dT 

d

1 - hệ số nhiệt độ của điện trở suất của vật liệu

dT

dl

l  

1 -hệ số co giãn của vật liệu

dT

ds

s 2 

1



Do đó: R  l

Thông thường các điện trở sử dụng để đo nhiệt độ có các hệ

số R10-3/0C, và l10-5/0C, cho nên trên thực tếR =P

5.3.2 Điện trở kim loại

5.3.2.1 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 Đôi khi còn dùng Cu,

W để chế tạo điện trở

Plantin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao

(99,999) Điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính

chất điện củavật liệu Ngoài ra, tính trơ về hoá học và sự ổn

định về cấu trúc của plantin đảm bảo sự ổn của các đặc tính dẫn

điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này Các điện trở làm

bằng platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng với

T=-2000C10000C nếu như vỏ bảo vệ của nó cho phép

Nikel có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin Điện trở

của nikel ở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với giá trị ở 00C Đối với

platin sự chênh lệch của điện trở ở hai nhiệt độ này chỉ bằng

1,385 Tuy vậy nikel là chất có hoạt tính hoá học cao, nó dễ bị

ôxy hoá khi nhiệt độ làm việc tăng Điều này làm giảm tính ổn

định của nó và hạn chế dải nhiệt độ làm việc của điện trở Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt độ thấp hơn 2500C

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp bởi vì sự thay đổi nhiệt của các điện trở chế tạo bằng đồng có độ tuyến tính cao Tuy vậy, do hoạt tính hóa học của đồng quá lớn nên các điện trở loại này chỉ được sử ở nhiệt độ T<1800C Ngoài ra, do điện trở suất của đồng nhỏ nên muốn có điện trở trị số cao phải tăng chiều dài của dây làm tăng kích thước của điện trở

Wonfram có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn Từ wonfram có thể chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trị số cao, hoặc là tối thiểu hoá kích thước của các điện trở Tuy nhiên ứng suất (tạo ra trong quá trình kéo sợi) trong wonfram rất khó có thể bị triệt tiêu hoàn toàn bằng phương pháp ủ nhiệt Vì thế các điện trở wonfram có độ ổn định nhiệt nhỏ hơn so với các điện trở chế tạo từ platin Trong bảng 5.2 dưới đây liệt kê một số đặc trưng vật lý quan trọng của các vật liệu thường được sử dụng để chế tạo điện trở Các ký hiệu trong bảng có ý nghĩa như sau:

Tf - nhiệt độ nóng chảy

c - nhiệt lượng riêng ở 20 oC

t

 - độ dẫn nhiệt

l

 - hệ số giãn nở tuyến tính

 - điện trở suất ở 20 oC



 - hệ số nhiệt độ của điện trở suất ở 20 oC

Bảng 5.2

Cu Ni Pt W

T ( C o )

) (J C 1kg 1

) (W o C 1m 1

t

)

(o C 1

l

)

.

( m

-8 )

(o C 1



5.3.2.2 Chế Tạo Nhiệt Kế

Giá trị điện trở và kích thước dây:

Một cách tổng quát, sự thay đổi nhiệt của một điện trở

R=RRT sẽ gây nên một điện áp do Vm=R.i, trong đó i là dòng điện chạy qua điện trở Thông thường i được giới hạn ở giá trị một vài mA để tránh làm nóng đầu đo Để có độ nhạy cao phải sử dụng các điện trở tương đối lớn Muốn vậy phải:

- Giảm tiết diện dây Việc này bị hạn chế bởi vì tiết diện dây càng nhỏ thì dây càng dể bị đứt

- Tăng chiều dài dây Việc này cũng bị giới hạn vì tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở

Giải pháp nhân nhượng :

Một giải pháp nhân nhượng thường được áp dụng: ấn định giá trị R 100 ở 0oC Khi đó, nếu dùng platin đường kính dây cỡ vài chục m và chiều dài khoảng 10cm, sau khi cuốn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm Trên thực tế các sản

phẩm thương mại có điện trở 0oC là 50 , 500, và 1000 Các điện trở trị số lớn thường được sử dụng để đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt

Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh 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 nhiệt kế cần chú ý đến hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu cấu thành để tránh gây ứng suất trong quá trình làm việc Độ kín của vỏ bọc cần được đảm bảo một cách tuyệt đối Ngoài ra vật liệu bọc dây điện trở phải có độ cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân có thể dẫn đến làm hỏng kim loại Vì lý do này mỗi loại vật liệu chỉ được dùng trong một khoảng nhiệt độ nhất định: dưới 500oC đối với thủy tinh và dưới 10000oC đối với gốm

Nhiệt kế bề mặt:

Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn Nó thường được chế tạo bằng phương pháp quan hoá và sử dụng các vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt (Pt được sử dụng khi cần độ chính xác cao) Chiều dày lớp kim loại cỡ một vài

m và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2 Các đặc trưng của nhiệt kế bề mặt như sau:

-Độ nhạy R : 5 10-3/oC đối với trường hợp Ni và Fe-Ni

4 10-3/oC đối với trường hợp Pt

-Dải nhiệt độ sử dụng: từ - 195oC đến 260oC đối với Ni và Fe-Ni

từ - 260oC đến 1400oC đối với Pt

Khi sử dụng nhiệt kế được dán trên bề mặt cần đo nhiệt độ Tỷ lệ bề mặt /thể tích cao và trở kháng nhiệt nhỏ của đế đảm bảo cho thời gian hồi đáp cỡ mili giây Tuy nhiên cần phải lưu ý là nhiệt kế bề mặt rất nhặy với mọi biến dạng của cấu trúc bề mặt được dán nhiệt kế Hệ số cảm biến của nikel phụ thuộc vào biến dạng: giá trị của nó nhỏ khi bị nén Bởi vậy nếu không thể dán nhiệt kế trên vùng không có biến dạng thì tốt nhất là dán nó trên vùng bị biến dạng nén

Một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sai số của phép đo là biến dạng gây nên do sự khác nhau giữa độ giãn nở của nhiệt kế và của cấu trúc nằm dưới bề mặt Hiệu ứng này đặc biệt lớn khi nhiệt độ đo lớn hơn nhiều so nhiệt đô(â của môi trường xung quanh Bởi vậy các nhà thiết kế phải được cung cấp những số liệu về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ đối với vật liệu cần đo