Chương 3 cảm biến nhiệt độ

Điều kiện để đo đúng : Tx =Tc tuy nhiên do nhiều nguyên nhân luôn tồn tại 1 chênh lệch Tx –Tc nhất định.Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx –Tc hiệu số ngày càng bé thì độ

PowerPoint

Chương 3 Cảm biến nhiệt độ

Chương 3 Cảm biến nhiệt độ

3.1.Khái niệm cơ bản

Nhiệt độ là một trong số những đại lượng ảnh hưởng rất lớn đến tính chấtvật chất

Nhiệt độ chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệuvào nhiệt độ

3.1.1.Thang đo nhiệt độ

Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối: Thang Kelvin (K)

Điểm cân bằng của ba trạng thái nước-nước đá-hơi = 273,15 K

Xuất xứ: dựa trên 3 điểm cân bằng: NH 4 Cl+nước đa = 0 0 F; nước + nước đá = 32 0 F; nhiệt độ cơ thể người =96 0 F

3.1.2.Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Giả sử : Tx :Nhiệt độ thực của môi trường đo.

Tc :Nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến.

Khi đó Tx gọi là nhiệt độ cần đo,Tc gọi là nhiệt đọ đo được.

Điều kiện để đo đúng : Tx =Tc tuy nhiên do nhiều nguyên nhân luôn tồn tại 1 chênh lệch Tx –Tc nhất định.Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx –Tc hiệu số ngày càng bé thì độ chính xác càng cao.Muốn vậy khi đo cần phải:

-Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa 2 bề mặt cảm biến và môi trường đo.

-Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trương bên ngoài.

Khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc.Lượng nhiệt truyền

từ môi trường vào bộ cảm biến :

Với : -hệ số dẫn nhiệt

A-diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.

T- Thời gian trao đổi nhiệt.

dQ   A T x  T dt c



Lượng nhiệt hấp thụ:

Với : m-Khối lượng cảm biến

C-Nhiệt lượng của cảm biến

Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ,ta có :

Đặt ,gọi là hằng số thời gian nhiệt,ta có :

Nghiệm của phương trình có dạng :

Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và CB ta dùngcảm biến có tỉ nhiệt thấp,hệ số dẫn nhiệt cao,để hạn chế tổn từ CB ra bên ngoàithì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ sốdẫn nhiệt thấp

3.1.3.Phân loại cảm biến đo nhiệt độ

Các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm 2 nhóm :

-Cảm biến tiếp xúc :cảm biến tiếp xúc môi trường đo,gồm :

+Cảm biến giãn nở(nhiệt kế giãn nở).

+Cảm biến điện trở(nhiệt điện trở).

+Cặp nhiệt ngẫu.

-Cảm biến không tiếp xúc : hỏa kế.

Dưới đây là một số loại cảm biến cơ bản:

3.2.Nhiệt kế giãn nở.

Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế giãn nở dựa vào sự co giãn nở của vật liệu khi tăng nhiệt độ.Nhiệt kế này kết cấu đơn giản,dễ chế tạo.

3.2.1.Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn

Thường có 2 loại :gốm và kim loại,kim loại và kim loại.

-Nhiệt kế gốm-kim loại: gồm 1 thanh gốm đạt trong ống kim loại,1 đầu thanh

gốm liên kết với thanh kim loại,1 đầu nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉthị

+Nguyên tắc : Hệ số giãn nở nhiệt do đó lượng giãn nở dlk >dlg làmthanh gốm dịch chuyển sang phải.Di chuyển thanh gốm phụ thuộc dlk –dlg do đóphụ thuộc vào nhiệt độ

-Nhiệt kế kim loại-kim loại : gồm 2 thanh kim loại (1) va (2) có hệ số giãn nở khácnhau liên kết với nhau theo chiều dọc

+Nguyên tắc : giả sử khi đó 2 thanh bị cong về phía thanh 2.Dựa vào độcong của kim loại để xác định nhiệt độ

Dùng để đo nhiệt đọ dưới 7000 C

Vỏ nhiệt kế bằng thủy tinh có

T- Nhiệt đọ tuyệt đối,B thực nghiệm Khi T nhỏ,R thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ :

) (

) T ).(

T ( R ) T T

(

R    1   R 

dT

dR ) T ( R

R

1





R –hệ số nhiệt độ của R (độ nhạy nhiệt),phụ thuộc vật liệu và T

Ở 0oC: - Platin (Pt): R = 3,9 10-3 / oC,

- Một số kim loại nhiệt điện trở: R = 5,2 10-2/oC

R phụ thuộc: - Điện trở suất  - kích thước hình học

dT

ds s dT

d dT

d dT

dR R

R

1 1

1 1

3

10 

 

   10  5 / o C  R  3.3.2.Nhiệt kế điện trở kim loại

a)Vật liệu:

Yêu cầu chung:

-  đủ lớn để R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ

-hệ số nhiệt điện trở tốt nhất là luôn đổi dấu,không triệt tiêu

-dễ gia công và có khả năng thay lẫn

Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni.Ngoài ra còn dùngCu,W

Pt :99,999% -> tăng độ chính xác khi chế tạo R

không lớn,R(1000 C)=1,4R(00 C),T làm việc -2000 C – 10000 C

Ni : : R(1000 C)=1,6R(00 C)

hoạt tính hóa học cao -> dễ bị oxy hóa,nhiệt độ làm việc <2500 C

Cu : Độ tuyến tính cao,hoạt tính hóa học lớn,nhiệt độ làm việc <1800 C

nhỏ ->tăng kích thước điện trở

W : cao hơn platin,nhiệt độ làm việc cao,độ tuyến tính tố hơn Pt

lớn –> giám kích thước của R

ứng suất khó bị triệt tiêu bằng ủ nhiệt -> kém ổn định

b) Cấu tạo nhiệt trở

Tránh sự là, nóng đầu do dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị

đủ lớn.Muốn vậy thì phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây.Nhưng

tăng tiết diện thì độ bền thấp,tăng chiều dài gây tăng điện trở của dây.Do đóphải chọn R hợp lý

-Nhiệt kế công nghiệp : Vỏ bọc tốt chống va đập và rung động mạnh,điện trở kimloại được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bọc bằng thép

Nhiệt kế CN dùng điện trở platin

-Nhiệt kế bề mặt :

Dung để đo nhiệt độ trên bề mặt vật rắn.Thường chế tạo bằng phương phápquang hóa và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni,Fe-Ni hoặc Pt.Chiều dày lớp kimloại cỡ vài µm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2

Nhiệt kế bề mặt+Độ nhạy nhiệt : -5.10-3 /0 C (Ni,Fe-Ni)

-4.10-3 /0 C (Pt)

+Dải nhiệt sử dụng : -1950 C -2600 C (Ni,Fe-Ni)

-2600 C -14000 C (Pt)Lưu ý : Sử dụng nhiệt kế bề mặt cần để ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặtđo

Hệ số nhiệt có gái trị dương.

Sự thay đổi nhiệt của nhỏ,phụ thuộc vào nồng độ pha tạp.

+Khi T<1200 C, tăng theo T:

µ giảm mà nồng độ không đổi (do pha tạp mạnh )

+ Khi T>1200 C , giảm khi T tăng :

ion hóa mạnh nồng độ hạt dẫn tăng lớn hơn nồng độ pha tạp

Nhiệt độ làm việc -500 C – 1200 C.







3.3.4.Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn

a)Vật liệu chế tạo

Chế tạo từ hỗn hợp các oxyt bán dẫn đa tinh thể như : MgO,NiO MgAl2O4 ,Mn2O3 …

b)Cấu tạo,chế tạo

-Hỗn hợp oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp

-Nén định dạng

- Thiêu kết ~ 10000 C

-phủ kim loại lên 2 mặt

-Hàn dây dẫn tại 2 điểm trên bề mặt phủ kim loại làm vỏ bọc

Có độ nhạy nhiệt rất cao có thể phát hiện biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 –

10-3 K

3.4.Cảm biến nhiệt ngẫu

3.4.1.Hiệu ứng nhiệt điện

M V P

V  

T A

T T

T T A

ab  

2 1 2

T B / A

bc P

e 

dT h e

T T B

cd  

1 2 1

T A / B

da P

e 

Sđđ Seebeck bằng tổng các suất điện đông thành phần

dT ) h h

( P

P E

T T

B A

T B / A

T B / A

T T B /

2 1

1 2

1 2

3.4.2.Cấu tạo cặp nhiệt

a)Vật liệu chế tạo

Có thể dùng nhiều loại kim loại và hợp kim khác nhau

Tuy nhiên phải đảm bảo yêu cầu sau :

Môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000-11000 C

Đường kính thường chế tạo =0.5mm

Thường dùng làm cạp nhiệt chuẩn



Cặp nhiệt Chromel/Alumel:

Cực (+) là Chromel,hợp kim gồm 80%Ni+10%Cr+10%Fe.Cực (-) là Alumen,hợpkim gồm 95%Ni+5%(Mn+Cr+Si)

Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~11000 C,Eđ =46,16mV

Nhiệt độ làm việc dài hạn <9000 C

Đường kính cực : =3mm.\

Căp nhiệt Chromel/Coben:

Cực (+) là Chromel,cực âm là coben,hợp kim gồm 56%Cu+44%Ni

Nhiệt đọ làm việc ngắn hạn 8000 C,Eđ =66mV

Nhiệt độ làm việc dài hạn <6000 C

Căp nhiệt đồng /Coben :

Sự phụ thuộc E=F(T) của một số cặp nhiệt

của cạp nhiệt,khác nhau trong mạch

xuất hiện suất điện động kí sinh ở

mối nối và làm sai lệch kết quả đo

Sơ đồ mạch đo

Để đo trực tiếp hiệu nhiệt độ giữa 2 điểm người ta dùng sơ đồ đo vi sai :

Trong sơ đồ này ,cả 2 đầucăp nhiệt 1 và 2 tương ứngvới nhiệt độ t1 và t2 Khi đócho ta đo được t1 – t2

Trường hợp nhiệt độ môi trường không khac nhiều nhiệt độ đầu tự do để tăng độnhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp

-Bù nhiệt đầu tự do:

EAB(t,t0’ ) :lượng hiệu chỉnhnhiệt xác định tù thang chia độ của cặp nhiệt ngẫu nhiên đã dùn theo t’

Phương pháp bù nhiệt độ đầu tự do :-Dùng dây bù :

E=eAB(t) –eAB(t0)-Dùng bù cầu :

EAB(t,t0 ) + Ucd=EAB(t,t0)

Ảnh hưởng của điên trở mạch đo

Rt :điện trở cập nhiệt

Rđ :điện trở dây nối

Rv :điện trở trong của minivôn kếKhi đó điện áp giữa 2 đầu vôn kế

->

Khi Rv >>Rt +Rd thì EAB ≈ Vm

Rt : ảnh hưởng đáng kể tới kết quả đo

Rd : ít ảnh hưởng đến kết quả đo

Rv= =Rkd +Rf Trong đó Rf không ảnh hưởng, sự thay đổi của Rv khi nhiệt độ tăngchủ yếu do sự thay đổi Rkd Để giảm sai số nên chọn Rf/Rkd lớn

( , ) 0

R V

V m E t t

AB R t R R

V d



( , ) 1 0

b)Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện kế thế

3.5.Hỏa kế.

Các cảm biến quang thuộc 2 loại cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc,gồm :Hỏa kế bức xạ toàn phần,hỏa kế quang học …

3.5.1.Hỏa kế bức xạ toàn phần

Nguyên lý : Dựa trên định luật năng lượng bức xạ toàn phần E= T4

hằng số,T : nhiệt độ tuyệt đối của vật đen

Sơ đồ a) ánh sáng từ(1) qua(2) ->(4)- >(5)

Sơ đồ b) ánh sáng từ (1) đập tới (3) hội tụ năng lượng tia bức xạ -> (5)





Bộ phận thu năng lượng có thể là một vi kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiêtThỏa mãn :

+tlamviec =100-1500 C

+Có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3-5s

+Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đó

Khi đo nhiệt độ bàng hỏa kế bức xạ sai số thường không vượt quá 270 C,trongđiều kiện :

+Vật có độ đen xấp xỉ bằng 1

+Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cach đo(D/L) không nhỏ hơn 1/16+Nhiệt độ môi trường 20 +- 200 C

Thực tế :độ đen của vật <1.Thông thường xác định Tđo =Tđọc + T

T phụ thuộc Tđọc và độ đen của vật

3.5.2.Hỏa kế quang điện

Dự trên định luật Plăng :

:bước sóng, C1,C2 là hằng số CT hiệu chỉnh :Tđo =Tđọc + T

Nguyên tắc đo nhiệt độ : So sánh cường độ sáng của vật cần đo và độ sáng của

1 đèn mẫu ở trong cùng 1 bước sóng nhất định và theo cùng một hướng.Khi độsáng của chúng bằng nhau.Thường lấy bước sóng ở 0,65µm

Sai số khi đo :

Độ đen của vật <1.Khi đó :