Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 10 ppsx

Ta có điện trở của cột chất lỏng dung dịch chiều dài l giữa 2 bản cực S được xác định theo hệ thức: S l Trong đó: ρ = 1/ γ – điện trở suất của dung dịch, với γ được gọi là suất dẫn điện

Từ hình vẽ ta có:

BE V

R

R

2

1 +

=

iệt độ bị

Các cảm biến được chế tạo công nghiệp như FJT1000, FD300, FD200 dùng cho dã

án tính với đáp ứng 10mV/

ứng

Nhược điểm của cảm biến nhiệt dùng diode và transistor là dãi đo nh

ng khoảng từ –40oC đe

i đo từ 40oK đế 400oK Ngoài ra, các cảm biến đo nhiệt độ chuyên dụng được chế tạo dưới dạng nguồn thế như LM135, LM235,LM335 có hàm truyền tuye

oK Hoặc cảm biến dưới dạng nguồn dòng như AD590 cho đáp 1µA/oK

§ 4 CHUYỂN ĐỔI HÓA ĐIỆN

4.1 Cảm biến điện trở dung dịch

Ta có điện trở của cột chất lỏng dung dịch chiều dài l giữa 2 bản cực S được xác định theo hệ thức:

S

l

Trong đó: ρ = 1/ γ – điện trở suất của dung dịch, với γ được gọi là suất dẫn điện của dung dịch tỉ lệ với

c – Nồng độ dung dịch;

λ – Độ dẫn điện đương lượng của dung dịch;

dịch hay độ linh động của các ion

Như vậy, nếu giữ cho l, S không đổi thì điện trở của dung dịch sẽ thay theo γ

hoạt tính đương lượng hóa học:

γ = λ f c = λ a (5-32)

Ở đây: f – Hệ số hoạt tính của dung dịch;

a = f c – Hoạt tính của dung

ch điện trở sẽ là hàm số của nồng độ dung dịc

R = ρ l = l ⋅ 1 = l ⋅ 1 = f(c) (5-33)

Đo đi

Lưu ý: Suất dẫn điện của dung dịch phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ:

a S c

f S

ện trở có thể xác định được nồng độ dung dịch

γ

Với axít: β = 0,016 độ-1; bazơ: β = 0,019 độ-1; muối: β = 0,024 độ-1

Khi bị điện phân muối sẽ tỏa nhiệt làm cho độ linh động a = fc tăng lên, dẫn tới γ tăng Do đó, khi đo nồng độ bằng điện trở dung dịch cần quan tâm đến nhiệt độ, và phải có biện pháp bổ chính

4.2 Cảm biến suất điện động ganvanic

.2.1.Khái niệm về độ pH

Theo định nghĩa:

4

+

−

rong đo – là độ hoạt tính của ion hydro H + Ta có:

ọi k l ta có trong dung dịch k là hằng số:

ù a H+

T

− + +

H 02

G à hằng số phân ly,

O H

a 2

2

OH H

H

a a

−

10

ếu: pH < 7 , dung dịch có tính axít;

vào trong một dung dịch đều xuất hiện

ng dịch g i la điện t ế điện cực K được trực tiếp điện thế điện cực, vì khi đặt điện cực thứ 2 vào dung dịch thì giữa điện

chuẩ

ù nồng độ chuẩn (a = 1g-dl/l) Thế

ïc so sánh với thế điện cực chuẩn:

tử ganvaníc hợp thành giữa Zn và Cu sẽ có

ïc được xác

14

2 ⋅ H O = H+ × OH− =

Với một dung dịch trung tính thì sẽ có:

7

10−

=

pH = -lg 10-7 = 7

N

pH > 7 , dung dịch có tính kiềm

4.2.2.Điện thế điện cực

Bất kỳ một điện cực nào khi nhúng

một thế điện cực E nào đó Khi nhúng vào trong dung dịch 2 điện cực khác chất (2 kim loại khác nhau), giữa chúng sẽ tồn tại một thế hiệu xác định, nghĩa là có một suất điện động ganvanic

cực này và dung dịch cũng xuất hiện một thế điện cực nữa tham gia trong mạch đo

Do vậy điện thế điện cực được xác định so với thế điện cực n

Điện cực chuẩn là điện cực bạch kim (Pt) có khí hydro bám vào được coi là điện cực khí hydro cắm trong dung dịch H2SO4 co

điện cực của các kim loại khác nhau đươ

Ví dụ: Kali: E0 = -2,92 V;

Kẽm: E0 = -0,76 V;

Bạc: E0 = +0,8 V

v.v…

E 0 (Zn-Cu) = +0,34 – (–0,76) = 1,1 V Khi dung dịch có nhiệt độ và nồng độ thay đổi, điện thế điện cư

định theo phương trình Nezst

a

RT E

c f

RT E

Eo – Thế tiêu chuẩn của điện cực;

R = 8,317 J/độ – Hằng số khí;

n – số hóa trị của ion;

ay;

ûa dung dịch;

t tính của dung dịch

Đổi từ lôga tự nhiên sang thập phân và thay các giá trị R và F ta có:

c – nồng độ dung dịch;

F = 96500 C / g.mol – Hằng số Farad

f – hệ số hoạt tính cu

a = fc – Hệ số hoạ

) lg(

058 , 0

n

điện đo

iện động Galoa

Dùng 2 điện cực giống nhau A và B nhúng trong 2 dung dịch có nồng độ khác nhau ở cùng một nhiệt độ (hình 5- 20)

Hình 5-20

Phương trình 5-39 cho ta nguyên tắc đo nồng độ dung dịch c bằng cách đo suất

äng E

4.2.3.Cảm biến suất đ

Điện thế điện cực của mỗi cực theo phương trình Nezst:

1

1 lna

nF

RT E

2

2 lna

nF

RT E

Suất điện động Galoa bằng hiệu điện thế giữa 2 điện cực:

2

1 2

1 2

a nF

a RT a

a nF

RT E

E

Độ hoạt tính dung dịch thường xác định là aH+, do vậy có thể viết:

2 ) (a H+

nF

1

ln +

Nếu chọn dung dịch 2 là dung dịch có nồng độ chuẩn, sao cho 2 = 1 thì khi đó

(aH+) suất điện động Galoa sẽ là:

pH 303

, 2 )

( lg 303 , 2 ) (

F

RT a

F

RT a

nF

RT

C2

B

C1 A

Với t = 18oC thì:

pH

Phương trình 5-42 cho ta nguyên tắc để chế tạo các ma pH

§ 5 C

ùy đo độ

HUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN

Các chuyển đổi quang điện là các phần tử nhạy cảm với các bức xạ, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang học lối vào thành tín hiệu điện lối ra Có nhiều loại cảm biến qu ng đie

Tế

Qu

Pin

5.1 Tế b

a än như sau:

– bào quang điện;

– ang trở;

– quang điện;

– Photo diode; Photo transistor

ào quang điện

ớc sóng thích hợp vào ca tốt, tức là nếu năng lượng của fôton tới lớn hơn công thoát bề mặt của ε = hν ≥ eϕ, hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra

là sự phụ thuộc của dòng quang điện IΦ vào dòng quang thông

Đặc tính vôn-ampe: IΦ = f(U) khi Φx = const

Đặc tính tần số – là sự phụ thuộc tần số của dòng IΦ vào tần số thay đổi của Φx

Đặc tính phổ được xác định bởi độ nhạy của tế bào quang điện đối với chiều dài bước sóng ánh sáng tới

rên hình 5-21 chỉ ra 5 nhóm ứng dụng cơ bản của TBQĐ

Tế bào quang điện (TBQĐ) sử dụng hiệu ứng quang điện ngoài Khi chiếu ánh sáng có bư

kim loại làm ca tốt:

Các đặc tính cơ bản của TBQĐ là:

– Đặc tính quang: IΦ = f(Φx)

Φx –

–

–

T

a)

c)

b)

Hình 5-21 Các sơ đồ sử dụng tế bào quang điện

D

Hình 5-22 Cấu tạo quang trở

1 Lớp cảm quang, 2 nền bán dẫn

3 Các điện cực

øng quang thông Φx được tạo ra bởi chính các vật thể bức xạ TBQĐ được sử dụng trong các pirômét (hỏa kế bức xạ), ví dụ để đo nhiệt độ trong các lò luyện kim dựa trên cơ sở sự phụ thuộc của cuờng độ do

và các đặc tính phổ của nó vào nhiệt độ của vật bức xạ

, d øng quang thông tới TBQĐ bị điều chế bởi kích thước của vật thể D mà mà kích thước d của nó cần phải đo hoặc kiểm tra Ứng

các hệ

hất lượng của các bề mặt (độ phẳng, độ

à độ trong và màu sắc của nó cần kiểm tra, sau đó đập vào TBQĐ Như vậy dòng quang thông Φx sẽ là hàm số của các đại lượng cần kiểm tra

, e dùng trong các phép đo tốc độ của các trục quay bằng tốc kế qua đ

5.2 Quang

Trên sơ đồ hình 5-21, a do

øng ánh sáng

Trên sơ đồ 5-21, b o

dụng trong thống đo lường và kiểm tra tự động

Sơ đồ hình 5-21, c dùng để kiểm tra c

chói, màu sắc…)

Sơ đồ hình 5-21, d được sử dụng rộng rãi để đo nhiều đại lượng không điện khác nhau Dòng ánh sáng Φo từ nguồn chiếu đi qua đối tượng cần khảo sát, chẳng hạn một chậu chất lỏng m

Sơ đồ hình 5-21

ng iện

trở

ùn dẫn dựa trên hiệu ứng quang điện trong: Độ dẫn

nfit cadmi, selenit cadmi (nhạy

antimo

ngoại)

quang ,

kiện ε

miền n g

trị sẽ n

trở thà

Quang trở là dụng cụ ba

điện của chất bán dẫn tăng (điện trở giảm) khi được rọi sáng bằng ánh sáng thích hợp Sơ đồ cấu trúc của quang trở trên hình 5-22

Nền bán dẫn thường làm bằng các

chất su

trong vùng ánh sáng khả kiến); sunfit chì,

nit indi (nhạy trong vùng hồng

Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt

trở nếu ánh sáng tới thỏa mãn điều

≥ ∆Ε (bề rộng vùng cấm theo thuyết

ăn lượng), các điện tử từ miền hóa

hảy lên miền trống (miền dẫn) và

nh điện tử tự do (điện tử dẫn) Kết

quả làm tăng electron dẫn trong bán dẫn, tức làm giảm điện trở của nó, hay làm tăng độ dẫn Xuất hiện độ dẫn phụ – quang dẫn

Biểu diễn độ quang dẫn σΦ:

µ

σΦ = enΦ (5-43) Trong đó: nΦ = β1 Φ (5-44)

Φ – quang thông tới; β1 – hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới và vận tốc tái hợp các điện tích mang

Khi mắc quang trở vào mạch với nguồn suất điện động E (hình 5-22) Dòng quang điện trong mạch sẽ có dạng:

ES

IΦ =σΦ (5-45)

Ánh

Trong đó: E – cường độ điện trường;

S – diện tích tiết diện ngang của quang trở;

σΦ – độ quang dẫn

– Ứng dụng: Quang trở được sử dụng trong trắc quang, trong các mạch điều khiển

5.3 Pin quang điện

tử mang khuếch tán qua lớp tiếp gia

làm giảm thế hiệu tiếp xúc, và làm xuất hiện ta

Pin quang điện là thiết bị bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang – ganvanic Cấu tạo của pin quang điện gồm 2 lớp bán dẫn p-n (hình 5-23)

Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt pin, các fôton bị hấp thụ sẽ kích thích các nguyên tử bán dẫn tạo cặp electron - lỗ trống Các phần

ùp p-n và phân cách nó bằng điện trường phụ thuộc vào dấu của các điện tích Trong miền n tích tụ các electron thừa, còn trong miền p tích tụ các lỗ trống thừa Kết quả, cả hai miền tích điện n (-) và p (+) và

ïi lớp tiếp giáp một suất điện động quang điện

Độ lớn của suất điện động quang điện:

⎠

⎞

⎜

⎜

⎛

= ln

kT I

E

o

I (5-46)

IΦ – dòng quang

Ùng d

kế, lộ sáng kế

e

Trong đó: k – hằng số bolzermant;

T – nhiệt độ tuyệt đối;

Io – dòng nhiệt;

–Ư ụng:

ƒ Trong quang trắc, lux kế, lumen

ƒ Pin quang điện Si dùng đo nhiệt

phổ hồng ngoại;

ƒ Trong các máy quay chiếu phim

dãi 350÷2000 C vì nó nhạy vơ ruyền tín hiệu và điều khiển tư

5.4 Photo diode

Photo diode là một diode bán dẫn có thể hoạt động ở 2 chế độ: chế độ quang

à chế đ

– ganvanic như một pin quang điện v

Sơ đồ cấu trúc của photo diode chỉ ra trên hình 5-24, a ộ photo diode khi mắc với nguồn ngoài

A

B

Hình 5-23 Pin quang điện

anvanic (hình 5-24, b)

5.4.1.Chế độ photo-g

: Không có nguồn điện áp ngoài Khi được chiếu sáng 2 đầu photo diode sẽ ó mo

iệu đ

h iện thế U và qua tải R sẽ có dòng:

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

−

=

eU

I I R

U

Trong đó Io – dòng nhiệt; IΦ – dòng quang điện

5.4.2 Chế độ photo diode (hình 5-24, c)

Khi mắc

òng bằng hiệu

số các dòng ảy qua tiếp giáp p-n:

với tải một nguồn suất điện động E, trong mạch

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

−

=

+

=

+

) (

kT E U e

I I R

E U

Đây là phương trình cơ bản xác lập chế độ làm việc của photo diode với guồn điện áp ngoài

Trên hình 5-25 trình bày họ đặc tuyến vôn-ampe của photo diode Góc phần

tả đặc tuyến công tác của photo diode trong chế độ photo – ganvanic Điểm cắt của các đặc tuyến với trục dòng điện tương ứng với chế độ ng mạc

còn điểm cắt với trục điện áp chỉ chế độ không tải khi hở mạch nguồn U Góc phần

diode Đường đặc tuyến đi qua gốc tọa

ộ ứng ới trư øng hơ de, nó giống đặc tuyến vôn-ampe của

c của photo diode;

hế độ photo diode

Hình 5-24 a) Cấu trú

b) Chế độ photo-ganvanic;

n

hất (I) ứng với chế độ phân cực thuận c

ắn h lối ra photo diode,

tư thứ ba (III) là đặc tuyến trong chế độ photo

c) C

diode thường

ạn với các photo diode thường cỡ 10 MHz

– Ứng dụng: Trong trắc quang, quay chiếu phim, điện báo truyền ảnh, đưa thông

tin lối vào ra máy tính điện tử

5.5 Photo

Hình 5-25 Ho đặc tuyến vôn-ampe của photo

Phạm vi phổ nhạy cảm của photo diode phụ thuộc vật liệu chế tạo:

Ge: 0,5 ÷ 1,7 µm

Các photo diode có thời gian xác lập nhỏ hơn so với quang trở Tần số giới h

transistor

Photo transistor ó cấu úc gio ường p-n-p hoặc n-p-n Cấu tạo và ký hiệu của photo transistor n-p-n với sự chiếu sáng vùng đáy chỉ ra trên hình

5-o của transst5-or và c5-ó thể chiếu và5-o theo hư

góc và chiếu vào đáy transistor Photo transistor có thể mắc trong sơ đồ đo giống như transistor thông thường theo các sơ đồ E chung, B chung và C chung, cũng như có th đấ thành

hở 1 trong 3 cực Khi đó nó sẽ hoạt động giống như một photo diode

iáp base – colector của transistor là một photo diode Từ sơ đồ tương đ

c tr áng như một transistor th

26

E

B

C

E

C

B

C

B

a)

Hình 5-26

Thực tế có thể chiếu sáng bất kỳ miền nà

ớng song song hoặc theo hướng vuông góc với tiếp giáp p-n, nhưng hiệu ứng lớn nhất xảy ra khi chiếu ánh sáng theo hướng vuông

Ký hiệu và sơ đồ tương đương của photo diode chỉ ra trên các hình 5-26, b và 5-26, c Như vậy tiếp g

ương ta thấy rằng: phạm vi độ nhạy của photo transistor cũng giống như của photo diode tương ứng Sơ đồ mắc photo transistor trong một bộ cảm biến quang học như hình 5-27

R

Vo

Vo

ối ra của bộ cảm biến sẽ là:

được nạp bởi dòng IΦ

chuyển mạch thấp Có thể đạt được tần

thay bằng mA kế có nội trở nhỏ

Hình 5-27

Nếu dòng quang base – colector ký hiệu là IΦ, ta có điện áp l

V o = V cc – β IΦR (sơ đồ 5-27, a)

V o = β IΦR (sơ đồ 5-27, b)

Cả 2 sơ đồ (a, b) đều có nhược điểm là điện dung của tiếp giáp base-collector

tương đối nhỏ Chúng dùng trong các sơ đồ đo khi tần số

số cao hơn bằng sơ đồ c Điện trở R được để không gây sụt áp đáng kể

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Метрология и электрорадоизмерение в телекоммуникацион

Lời nói đầu 7

1 Những khái niệm cơ bản 8

DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 88

1 khái niệm cHUNG 115

1 khái niệm cHUNG 131

2 системах: Учебник для вузов / В.И Нефёдов, В.И Хахин, Е.В и др.; Под ред В.И.Нефёдова – М.:Высш.шк., 2001 3 в электронике: Справочник / В.А Кузнецов, В.А Долгов, В.М -ских и др.; Под ред.В.А Кузнецова — М.: Энергоатомиздат, 1987 4 К Б нные методы и приборы в и — , 1986 7 8 1978 9 11 David A Bell Dụng cụ và đo lường điện tử / Người dịch: Nguyễn hữu Ngọc, Trịnh Trung Thành, Đặng Văn Sử / N.x.b KHKT, Hà Nội, 1994 12 Vũ Quý Điềm Cơ sở kỹ thuật đo lường vô tuyến điện N.x.b ĐH & THCN, Hà Nội, 1978 13 Nguyễn Ngọc Tân, Ngô tấn Nhơn, Ngô Văn Ky Kỹ thuật đo Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 1995 14 Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Dương Dụng cụ đo cơ điện N.x.b KHKT Hà Nội,1983 15 Hoàng Tư Giáp Đo thử hữu tuyến điện N.x.b Tổng cục bưu điện, Hà Nội 1979 16 Hoàng Thanh Chung Dụng cụ đo điện xách tay Nx.b Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1987

§

1

§

§

ных

Федорова

Измерения

Конев

Классен Основы измерений Электро

технике — М.: Постмаркет, 20

5 Харт X Введение в измерительную технику — М.: Мир, 1999

6 Елизаров А.С Электрорадиоизмерения Минск: Выш Шк

Сергеев А.Г., Крохин В.В Метрология — М.: Логос, 2000.

Меерсон А.М Радиоизмерительная техника –Л.: Энергия,

Хормой Б.П., Моисеев Ю Г Электрорадиоизмерения М.: Радио и связь,

1985

10 Карпов Р Г., Карпов Н Р Электрорадиоизмерения – М.: выш Школа,

1978