tài liệu cảm biến nhiệt

Thang nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng vật lý: -Có một vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất → được quan tâm nhiều nhất..  Để tăng độ chính xác của kết quả, cần phải bảo đ

Chương III CẢM BIẾN NHIỆT

I Thang nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý:

-Có một vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất → được quan tâm nhiều nhất

-Làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó (áp suất, thể tích của chất khí hay sự thay đổi pha của điểm Curie của vật liệu từ tính)

Tuy nhiên, để đo chính xác trị số của nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản

Phần lớn các đại lượng vật lý là đại lượng mở rộng:

được xác định bằng bội hoặc ước của đại lượng chuẩn (đại lượng so sánh)

Nhiệt độ là một đại lượng gia tăng

Việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có ý nghĩa vật

lý rõ ràng

=> Cần nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang

đo nhiệt độ là điều cần làm trước khi nói đến việc đo nhiệt độ

CẢM BIẾN NHIỆT

Xuất phát từ những định luật nhiệt động học, người

ta mới có thể xác định thang đo nhiệt độ có đặc trưng tổng quát trong mọi trường hợp

Các thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự nhau và dựa trên các tính chất của chất khí lý tưởng

1 Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:

-được gọi là thang Kelvin,

-đơn vị nhiệt độ là K

-Nhiệt độ cân bằng của ba trạng thái nước – nước đá

– hơi: 273,16K.

CẢM BIẾN NHIỆT

Từ thang Kelvin, người ta xác định các thang mới: thang Celsius, thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ.

 Có nhiều cách đo nhiệt độ khác nhau:

♦ Phương pháp quang:

▪ Dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt

do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)

♦ Phương pháp điện:

▪ Dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào

nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck),

▪ Dựa trên sự thay đổi tần số dao động

II Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

1 Nhiệt độ đo được

-Nhiệt độ đo được chính bằng nhiệt độ của cảm biến TC

-Nó phụ thuộc vào:

▪ Nhiệt độ môi trường TX

▪ Sự trao đổi nhiệt trong môi trường cần đo

-Khi làm thực nghiệm cần làm hiệu số TX - TC giảm xuống nhỏ nhất

CẢM BIẾN NHIỆT

 Có hai cách để làm giảm sự cách biệt giữa

TX và TC:

▪ Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi

trường đo

▪ Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và

môi trường bên ngoài

2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

 Đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến

 Để tăng độ chính xác của kết quả, cần phải

bảo đảm hai điều kiện:

* Khoảng trống giữa vỏ cảm biến và

thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt

CẢM BIẾN NHIỆT

III Các cảm biến nhiệt

1 Điện trở

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

phụ thuộc vào nhiệt độ:

R(t) = R0F(t – t0)

R0: điện trở ở nhiệt độ, F: hàm đặc trưng cho vật liệu, F =1 khi t = t0.

1.1 Điện trở kim loại

Điện trở kim loại được chế tạo từ các kim loại tinh

CẢM BIẾN NHIỆT-điện trở

*Riêng đối với đồng (Cu):

R(t) = R0[1 + α0(t – t0)]

với α0: độ nhạy nhiệt

⇒Đối với đồng, quan hệ R(t) là tuyến tính

⇒Dễ dàng khi xây dựng thiết bị đo với bộ khuếch đại tuyến tính

Cần lưu ý:

-Để đo nhiệt độ ở những môi trường khác nhau thì phải dùng các cảm biến làm bằng các kim loại khác nhau

-Tùy vào khoảng nhiệt độ cần đo mà sử dụng loại cảm biến

Cảm biến điện trở bằng đồng chỉ đo được đến 1800

B: hằng số phụ thuộc vào tính chất của bán dẫn.

CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở

T: nhiệt độ của điện trở, tính theo nhiệt độ tuyệt đối.

Nếu bỏ qua sự phụ thuộc của B vào nhiệt độ thì độ nhạy nhiệt có dạng:

CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở

d Ứng dụng:

-Đo nhiệt độ,

-Đo các thông số của môi trường (lỏng, khí): nồng

độ, độ dẫn nhiệt, truyền nhiệt,…

-Sử dụng để bù nhiệt trong mạch điện tử giúp mạch làm việc ổn định trong điều kiện nhiệt độ biến đổi

Ưu:

-Có kích thước nhỏ → đo nhiệt độ ở từng điểm

-Có điện dung nhỏ → tốc độ hồi đáp cao

→ Hệ số nhiệt càng nhỏ khi pha tạp càng mạnh.

CẢM BIẾN NHIỆT- điện trở Silic

 Sự thay đổi nhiệt tương đối nhỏ → có thể tuyến

tính hóa đặc tuyến của cảm biến trong vùng nhiệt độ làm việc, bằng cách mắc thêm một điện trở phụ

 Khoảng nhiệt độ sử dụng bị hạn chế trong dải từ

CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt

Nếu tạo nên một mạch bằng hai

vật dẫn khác nhau A, B Chúng

được nối với nhau bởi hai mối

hàn có nhiệt độ t1 và t2

Trong mạch sẽ xuất hiện một

suất điện động gọi là suất điện

Một mạch như vậy được gọi là cặp nhiệt.

♦ Những vật dẫn hình thành cặp nhiệt gọi là cực nhiệt điện

♦ Chỗ nối chúng với nhau gọi là đầu nối

Nếu giữ một đầu ở nhiệt độ không đổi (t0 = const), suất điện động nhiệt là một hàm của t1:

e = f(t1) - C ♦ Đầu nối có nhiệt độ không đổi t1: đầu nối không làm việc

♦ Đầu nối đặt vào môi trường cần đo nhiệt độ: đầu nối làm việc

CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt

Từ suất điện động nhiệt =>nhiệt độ của môi trường.

⇒ Đại lượng chủ: nhiệt độ môi trường

⇒ Đại lượng ra: suất điện động nhiệt

Ưu:

-Kích thước nhỏ → đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng nghiên cứu

-Điện dung nhỏ → tốc độ hồi đáp cao

-Cặp nhiệt cung cấp suất điện động → khi đo không cần có dòng đi qua → không có hiệu ứng đốt nóng

Nhược:

- Phải biết trước nhiệt độ so sánh (t0) → sai số t0cũng chính bằng sai số của t1

CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt

- Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng

của nhiệt độ là hàm không tuyến tính theo t1

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

Độ nhạy nhiệt hay còn gọi là năng suất nhiệt điện

của cặp ở nhiệt độ t1 được xác định bởi biểu thức:

f(t1) = dEA/B/dtf: hàm của nhiệt độ và có đơn vị: μV/0C

CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt

b Yêu cầu đối với mạch đo:

 Suất điện động sinh ra tương đối nhỏ → cần có

mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu lên

 Điện trở của cặp nhiệt nhỏ → trở kháng vào

của bộ khuếch đại phải nhỏ

 Để tăng độ chính xác của phép đo →:

• Chỗ nối cực nhiệt điện,

• Mạch đo phải cùng nhiệt độ,

• Nhiệt độ ở đầu nối không làm việc phải cố

định và thường là 00

• Chọn dây nối thích hợp để tín hiệu tiêu hao

trên đường dây là ít nhất

CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt

♣ Chú ý:

- Khi đo nhiệt độ của các vật rắn, để nâng cao

độ chính xác, cặp nhiệt cần đặt sâu trong môi trường.

- Khi đo nhiệt độ mặt ngoài → đặt cặp nhiệt trên mặt đẳng nhiệt.

Đo nhiệt độ bề mặt vật rắn bằng cặp nhiệt

CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt

Trong một bình khí kín chứa một sợi

dây Sợi dây được cung cấp một

dòng không đổi Cặp nhiệt đo nhiệt

độ của dây

Nhiệt độ của dây phụ thuộc vào áp

suất của chất khí trong bình

=> Đo áp suất trong chân không

thấp, đo lưu tốc của chất khí

~

CẢM BIẾN NHIỆT- diode,transistor

III Đo nhiệt độ bằng diode và transistor

1 Đặc điểm chung – Độ nhạy nhiệt

Có thể dùng diode hay transistor mắc kiểu diode (B nối C) với dòng I không đổi để đo nhiệt độ

Điện áp giữa hai cực là hàm của nhiệt

CẢM BIẾN NHIỆT- diode,transistor

Để tăng độ tuyến tính và khả năng thay thế, người ta thường mắc theo sơ đồ:

CẢM BIẾN NHIỆT- diode,transistor

♦ Nhận xét:

• Độ nhạy nhiệt này lớn hơn nhiều so với

dùng cặp nhiệt, nhưng nhỏ hơn so với nhiệt điện trở

• Đặc biệt: không cần nhiệt độ chuẩn

• Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế bởi sự thay

đổi tính chất điện của cảm biến ở các nhiệt

độ giới hạn

• Dải nhiệt độ làm việc: 500C – 1500C

2 Quan hệ điện áp – nhiệt độ

Xét trường hợp cặp transistor mắc đối nhau Giả sử:

• Dòng ngược I0 như nhau ở T1, T2

Tính toán bằng số, ta có:

Vd = 86,56 Tlnn, với Vd(μV), T(K)

Trong trường hợp này:

• Độ nhạy nhỏ hơn khi chỉ dùng một diode

hay một transistor,

• Độ nhạy không phụ thuộc vào nhiệt độ,

• Độ tuyến tính được cải thiện một cách đáng

kể

CẢM BIẾN NHIỆT- diode,transistor