Các bộ cảm biến nhiệt độ trong đo lường các đại lượng vật lý

l-Chơng 2: Giới thiệu về các bộ cảm biến nhiêt độ đợc dùng trong đo lờngcác đại lợng Vật lý.Chơng 3: Thực hành và khảo sát sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.. - Yêu cầu khi thiết kế

Trờng đại học vinh

Khoa Vật lý

==== ====

Các bộ cảm biến nhiệt độ trong đo lờng các đại lợng Vật lý

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Nguyên lý chung: Các kích thích từ môi trờng đợc cảm biến cảm nhậnthờng là các đại lợng không điện chuyển đổi các đại lợng này thành các đại l-ợng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lờng - điều khiển, giúp tanhận dạng, đánh giá và giúp ta điều khiển mọi biến đổi trạng thái.

Một số bộ cảm biến có cấu trúc tơng đối đơn giản nhng xu hớng chungngày nay là triệt để khai thác các thành tựu của vật lý học hiện đại, của côngnghệ mới trong điện tử và tin học, của lý thuyết điều khiển hiện đại, nhằm tạonên các bộ cảm biến thông minh và linh hoạt Đó là các bộ cảm biến đa chứcnăng, có thể lập trình cho phép đo với độ nhạy và độ chính xác cao, có thể tự

động thay đổi thang đo, có thể bù các ảnh hởng của nhiễu, đo từ xa, tự động

xử lý các kết quả đo

Các bộ cảm biến ngày nay đợc xem nh là một sản phẩm đợc sản xuấthàng loạt và có mặt rộng rãi trên thị trờng Ngoài tên gọi thông dụng là bộcảm biến, ngời ta còn gọi chúng là đầu dò, hay Sensor (theo tiếng Anh),Captor (theo tiếng Pháp) Hiện nay có rất nhiều các bộ cảm biến đợc sử dụngrộng rãi trong kỹ thuật cũng nh trong đời sống, nh: cảm biến quang, cảm biếnnhiệt độ, cảm biến vị trí và di chuyển, cảm biến vận tốc và gia tốc, cảm biếnbiến dạng, cảm biến lực và ứng suất, cảm biến lu lợng và thể tích chất lỏng Trong tất cả các đại lợng vật lý thì nhiệt độ là đại lợng đợc quan tâmnhiều nhất đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định tới nhiều tính chất của vậtchất Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi mộtcách liên tục các đại lợng chịu ảnh hởng của nó, thí dụ: áp suất,thể tích củachất khí, sự thay đổi pha hay điểm curie của vật liêu từ tính

Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ ngời ta sử dụng nhiều nguyên lýcảm biến khác nhau nh: nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phơng pháp quang dựa trênphân bố phổ bức xạ nhiệt đo dao động nhiệt; phơng pháp đựa trên sự giản nởcủa vật rắn, chất lỏng trong hoặc khí dựa trên tốc độ âm Bởi vậy trong nghiêncứu khoa học, trong sản xuất, trong đời sống hàng ngày thì việc đo nhiệt độ làviệc rất cần thiết

Nhận thức đợc tầm quan trọng này chúng tôi lựa chọn đề tài: "Các bộ

cảm biến nhiệt độ trong đo lờng các đại lợng Vật lý" cho đề tài luận văn tốt

nghiệp của mình Nội dung của luận văn gồm ba chơng:

Chơng 1: Tìm hiểu tổng quan về các nguyên lý cơ bản, các đại lợng đo ờng của cản biến

l-Chơng 2: Giới thiệu về các bộ cảm biến nhiêt độ đợc dùng trong đo lờngcác đại lợng Vật lý.

Chơng 3: Thực hành và khảo sát sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

- Đại lợng đầu ra (s): các đại lợng cần đo (m) sau khi tiến hành các công

đoạn thực nghiệm để đo m ta thu đợc đại lợng điện tơng ứng ở đầu ra

- Đặc trng điện s là hàm của đại lợng cần đo

3

m

s

- Đờng cong chuẩn: với một loại giá trị đã biết của m xác định các giá trị

s ở đầu ra và dựng đờng cong biểu thị sự phụ thuộc đó

Khi đó từ đờng cong chuẩn ta xác định mi

từ các giá trị của si

- Yêu cầu khi thiết kế và sử dụng cảm biến:

Độ nhạy S không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc:

 Giá trị của đại lợng đo, tần số làm việc

 Thời gian sử dụng (độ giá hoá)

 ảnh hởng của các đại lợng vật lý khác của

môi trờng xung quanh

Nguyên lý: Giả sử các đầu ra của 2 dây dẫn có bản chất hoá học khác

nhau đợc hàn lại với nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là

4

(M1)(M

T1 và T2 sẽ xuất hiện một suất điện động e (T1, T2) Khi biết T1 (giả sử 0oC) sẽxác định đợc T2.

b Hiệu ứng hoả điện

Mục đích: Đo thông lợng bức

xạ ánh sáng

Nguyên lý: Thông lợng áng

sáng   tình thể hỏa điện  to 

 thay đổi độ phân cực điện

 đo biến thiên điện áp trên hai cực của tụ điện  

Mục đích: Xác định tốc độ dịch chuyển của vật

Nguyên lý: Khung dây chuyển động () B ec ()  ()

e Hiệu ứng quang điện

Mục đích: ứng dụng để chế tạo cảm biến quang

Nguyên lý: Bức xạ ánh sáng (bức xạ điện từ nói chung)  vật liệu

 Hạt dẫn tự do  thay đổi tính chất điện của vật liệu  

g Hiệu ứng quang phát xạ điện tử

Mục đích: Đo các đại lợng có liên quan đặc trng quang

Nguyên lý:   vật liệu  điện tử E dòng 

h Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn

Mục đích: Đo các đại lợng quang, hoặc biến đổi các thông tin chứa đựngtrong ánh sáng thành tín hiệu điện

Chuyển tiếp P-N E

Nguyên lý: Cặp điện tử-lỗ trống UTX 

i Hiệu ứng quang - điện - từ

Mục đích: Đo các đại lợng quang, hoặc biến đổi các thông tin chứa đựngtrong ánh sáng thành tín hiệu điện (h 17)

Cụ thể: Vật đợc ghép nối cơ học với một thanh nam châm ở mọi thời

điểm, vị trí của thanh nam châm xác định giá trị của từ trờng B và góc  tơngứng Vì vậy hiệu điện thể VH là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong khônggian:

Hình 1.7 ứng dụng hiệu ứng quang điện từ

Hình 1.8: ứng dụng hiệu ứng Hall

Thông số hình học hoặc kích thớc của trở kháng có thể thay đổi nếu cảmbiến có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng.

Phụ thuộc vào bản chất vật liệu khác nhau, tính chất điện của chúng cóthể nhạy với nhiều đại lợng

Cụ thể, bảng 1.1 giới thiệu các đại lợng cần đo và khả năng làm thay đổicác tính chất điện của vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến

Bảng 1.1

Đại lợng cần đo Đặc trng nhạy cảm Vật liệu sử dụng

Nhiệt độ Điện trở suất,  Kim loại Pt, Ni, Cu bán dẫnBức xạ ánh sáng Điện trở suất,  Thuỷ tinh

Biến dạng Điện trở suất,  Hợp kim Ni, Si pha tạp

Độ từ thẩm  Hợp kim sắt từ

Vị trí (nam châm) Điện trở suất,  Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb

Độ ẩm Điện trở suất,  Licl

Hằng số điện môi,  Al2D3, polimeMức chất lu Hằng số điện môi,  Chất lu cách điện

Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dới tácdụng của đại lợng cần đo chỉ có thể xác định đợc khi cảm biến là một thànhphần của mạch điện

1.4 Các đại lợng ảnh hởng

Ngoài các đại lợng cần đo tác động tới cảm biến thì trên thực tế còn córất nhiều đại lợng khác có thể gây tác động ảnh hởng tới tín hiệu đo

Thí dụ:

- Nhiệt độ làm thay đổi: đặc trng điện, cơ, kích thớc của cảm biến

- áp suất, gia tốc, dao động: biến dạng và ứng xuất trong một số phần tửcấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu đáp ứng

Nh vậy (1.1) đợc viết lại s = f (m, g1, g2 ) (1.4)

Để rút ra giá trị của m từ các giá trị đo đợc của s cần phải:

- Giảm ảnh hởng của các đại lợng g1, g2, tới mức thấp nhất bằng cách

sử dụng các biện pháp: cách điện, chống rung

- ổn định các đại lợng ở mức biết trớc và chuẩn cảm biến trong điều kiện

Tuy nhiên trong thực tế thì cảm biến còn chịu tác động của các đại lợng

ảnh hởng nên mạch đo thờng phức tạp hơn

1.6 Sai số phép đo

Sản phẩm của mọi phép đo đều chứa đựng sai số Sai số là hiệu giữa giátrị thực và giá trị đo đợc Sai số của phép đo cũng chỉ đợc đánh giá một cách -

ớc tính, bởi vì không biết đợc giá trị thực của đại lợng cần đo

Phân loại sai số: sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên

a Sai số hệ thống

- Sai số đo giá trị của đại lợng chuẩn không đúng

- Sai số do đặc tính của cảm biến:

- Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng:

- Sai số đo xử lý kết quả đo

b Sai số ngẫu nhiên

- Sai số do tính không xác định của đặc trng thiết bị

 Sai số độ linh động của thiết bị (m)

* Biện pháp giảm sai số ngẫu nhiên:

- Bảo vệ mạch đo: ổn định nhiệt độ, độ ẩm của một trờng đo, sử dụng giá

đỡ chống rung, sử dụng bộ tự động điều chỉnh, điện áp nguồn nuôi, các bộchuyển đổi tơng tự - số

a Sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống lớn, thiết bị không trung thực vàkhông đúng đắn.

b Sai số ngẫu nhiên nhỏ, sai số hệ thống lớn, thiết bị trung thực nhngkhông đúng đắn

c Sai số ngẫu nhiên lớn, sai số hệ thống nhỏ; thiết bị không trung thựcnhng đúng đắn

d Sai số ngẫu nhiên nhỏ, sai số hệ thống nhỏ; thiết bị chính xác

1.7 Chuẩn cảm biến

Mục đích: Diễn giải tờng minh dới dạng đồ thị hoặc đại số mối quan hệ

m của đại lợng đo và giá trị đo đợc s của đại lợng điện ở điều ra có tính đếncác thông số ảnh hởng

a Chuẩn đơn giản

Là phép chuẩn trong đó cảm biến chủ nhạy với một đại lợng vật lý duynhất tác động lên đại lợng đo hoặc không chịu ảnh hởng của các đại lợngkhác

Các cách chuẩn:

+ Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lợng đo lấy từ mẫu chuẩnhoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trớc với độ chính xác cao

+ Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh

đã có sẵn đờng cong chuẩn Tác động lần lợt lên hai cảm biến bằng cùng mộtgiá trị đo, ta nhận đợc kết quả tơng ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cầnchuẩn Lặp lại tơng tự với những giá trị khác của đại lợng cần đo ta dựng đợc

đờng cong chuẩn

b Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến chứa những phần tử có độ trễ (trễ cơ, trễ từ), giá trị đo đợccủa đầu ra không những phụ thuộc tác thời vào giá trị của đại lợng đo mà cònphụ thuộc vào giá trị trớc đó của đại lợng này

Tiến hành:

+ Đặt lại điểm 0: đại lợng cần đo và đại lợng đầu ra có giá trị tơng đơngvới điểm gốc(m = 0 và s = 0)

+ Dựng đại lợng đầu ra bằng cách lúc đầu tăng giá trị của đại lợng cần đo

ở đầu vào đến cực đại, sau đó giảm giá trị đo Các giá trị biết trớc của đại lợngcho ta xác định đờng con chuẩn theo hai hớng: tăng dần và giảm dần

1.8 Độ nhạy

a Định nghĩa

Độ nhạy S xung quanh giá trị không đổi mi là đại lợng đợc xác định bởi

tỉ số giữa biến thiên đầu ra (si) và biến thiên đầu vào (mi) tơng ứng của đạilợng đo

+ Các cảm biến khác nhau dựa cùng trên một nguyên lý làm việc, trị số

độ nhạy S có thể khác nhau phụ thuộc vào vật liệu, kích thớc hay kiểu lắp ráp.+ Độ nhạy còn là hàm của các thông số bổ sung;

VD: Biến thế vi sai có đáp ứng tỉ lệ với biên độ điện áp nuôi E

Chuẩn cảm biến ở chế độ tĩnh: dựng lại các giá trị si của đại lợng điện ở

đầu ra tơng ứng với cái giá trị không đổi mi của đại lợng đo khi đại lợng nàylàm việc ở vùng danh định Đặc trng tĩnh cảm biến chính là dạng chuyển dời

đồ thị của việc chuẩn đó và điểm làm việc Qi của cảm biến chính là đặc trngtĩnh tơng ứng với các giá trị mi, si

Độ nhạy trong chế độ tĩnh ở điểm làm việc Qi

Đây chính là độ dốc của đặc trng tĩnh ở chế độ làm việc

Nếu đặc trng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy phụ thuộc vào

ri phụ thuộc vào điểm làm việc Qi ri = Si khi đặc trng tĩnh là đờng thẳng

đi qua gốc toạ độ

c Độ nhạy trong chế độ động

+ Đợc xác định khi đại lợng đo là hàm tuần hoàn theo thời gian và khi đó

đại lợng ở đầu ra cũng là hàm tuần hoàn theo thời gian

m (t) = m0 + m1 suet (1.15)

s (t) = s0 + s1 cos (et + ) (1.16)

m0, s0: giá trị không đổi

m1, s1: liên độ biến thiên đầu đo và biến thiên đầu ra:

: độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra

1.9 Độ tuyến tính

a Điều kiện có tuyến tính

Một cảm biến đợc gọi là tuyến tính trong một giải đo xác định nếu trongdải đo độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đo

Trong chế độ tĩnh: độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặctuyến tĩnh

Trong chế độ động: bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độtính So vào đại lợng đo, đồng thời các thông số quyết định đáp ứng (tần sốriêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần  ) cũng không phụ thuộc đại l-ợng đo

b Đờng thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính

Giả thiết cảm biến là tuyến tính nhng khi tiến hành thí nghiệm ta thu đợcmột loạt giá trị (mi, si) không cùng nằm trên một đờng thẳng Đó là sự khôngchính xác trong khi đo và những sai lệch trong khi chế tạo cảm biến

Từ các điểm thực nghiệm ta có thể tính đợc phơng trình đờng thẳng biểudiễn sự tuyến tính, gọi là đờng thẳng tốt nhất

1.10 Độ nhanh - thời gian đáp ứng

+ Độ nhanh: là đặc trng của cảm biến, cho phép đánh giá xem đại lợngcủa đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lợng đo không

Độ nhanh tr: khoảng thời gian từ khi có biến thiên đại lợng đầu vào tớikhi đại lợng đầu ra khác giá trị cuối cùng một lợng  %

+ Thời gian đáp ứng: đặc trng cho tốc độ tiến triển của chế độ quá độ(chế độ sau thời điểm xảy ra biến thiên đại lợng đo) và là hàm của các thông

số xác định quá trình này

+ Ngoài khoảng thời gian tr, ngời ta còn xác định những khoảng thời giankhác nữa đặc trng cho chế độ quá độ

Thí dụ trong trờng hợp sự thay đổi của đại lợng đo có dạng bậc thang dẫn

đến sự tăng và sự giảm của đại lợng đầu ra trên hình (1.11)

Hình 1.11 Các khoảng thời gian khác nhau đặc trng cho chế độ quá độ

Các thông số tdm, tm, tdc, tc có thể đánh giá thời gian đáp ứng của cảm

1.11 Giới hạn sử dụng cảm biến

1 0,9

 Vùng danh định:

Là vùng ứng với những điều kiện sử dụng bình thờng, biên giới của vùng

là các ngỡng của giá trị đo, các đại lợng đo có thể đạt đến mà không làm thay

đổi các đặc trng làm việc danh định của cảm biến

 Vùng không gây nên h hỏng:

Là vùng mà giá trị của đại lợng đo, đại lợng liên quan, đại lợng ảnh hởng

có thể đạt tới mà không gây nên h hỏng, các đặc trng của cảm biến có tínhthuận nghịch

 Vùng không phá huỷ:

Là vùng mà giá trị của đại lợng đo, đại lợng liên quan, đại lợng ảnh hởngsau khi vợt qua ngỡng của vùng không gây nên h hỏng nhng vẫn còn tronggiới hạn không phá huỷ Các đặc trng của cảm biến bị thay đổi và không lấy

đợc giá trị ban đầu khi trở lại vùng danh định

Chơng 2: Cảm biến nhiệt độ

Phần lớn các đại lợng vật lý đều có thể xác định một cách định lợng nhờ

so sánh chúng với một đại lợng cùng bản chất, những đại lợng nh vậy gị là đạilợng mở rộng Bởi vì chúng có thể đợc xác định bằng bội số hoặc ớc số của

đại lợng chuẩn Ngợc lại, nhiệt độ là một đại lợng gia tăng, việc nhân hoặcchia nhiệt độ không có ý nghĩa vật lý rõ ràng Bởi vậy, việc cần thiết là nghiêncứu cơ sở thiết lập thang nhiệt độ, trớc khi nói tới việc đo nhiệt độ

Một số phơng pháp đo nhiệt độ thờng gặp:

- Phơng pháp dựa trên sự phân bố phổ bức xạ do dao động nhiệt

- Phơng pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, lỏng, khí, hoặc dựa trên tốc

độ âm

- Phơng pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệuứng Seebeck, sự thay đổi tần số dao động của thạch anh

2.1 Thang nhiệt độ

2.1.1 Thang đo nhiệt độ tuyệt đối

Năm 1664 Robert Hook thiết lập điểm không là điểm đông của nớc cất.Năm 1852 Thomson Kelvin xác định thang đo nhiệt độ tuyệt đối có đơn

vị K Gán nhiệt độ ở điểm cân bằng của 3 trạng thái nớc, nớc đá, hơi một giátrị 273,15K Từ thang Kelvin ta có thể xác định thang nhiệt độ mới; thangCelsius và thang Fahrenheit

2.1.2 Thang Celsius

Năm 1742 Celsius (nhà vật lý Thụy Điển) đa ra thang nhiệt độ báchphân: đơn vị 0C.

1K = 10Cmối quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin

t(0C) = T(K) - 273,15 (2.4)

2.1.3 Thang Fahrenheit

Năm 1706 D Fahrenheit (nhà vật lý Hà Lan) đa ra thang nhiệt độ có

điểm nớc đá tan ở 320C và sôi 2120C

Bảng 2.1 Cho ta các giá trị tơng ứng của một số nhiệt độ

quan trọng theo các thang đo khác nhau

Điểm không tuyệt đối 0 -273,15 -159,67Hoà hợp nớc - nớc đá 273,15 0 32Cân bằng nớc - nớc đá, hơi nớc 273,16 0,01 32,018

Biện pháp: + Tăng trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trờng đo

+ Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trờng xung quanhTrong cảm biến loại tiếp xúc nhiệt lợng truyền từ môi trờng vào bộ cảmbiến tỷ lệ với hiệu số Tx - T theo biểu thức:

dQ = A (Tx - T) dt (2.6) : Nhiệt dẫn xuất

A: Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Nếu bộ cảm biến có khối lợng m và có tỉ nhiệt c thì cảm biến sẽ hấp thụ:

2.2.2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Thực hiện: Khoan lỗ nhỏ đờng kính r, độ sâu L Lỗ này có thể đa cảmbiến vào sâu bên trong Để tăng độ chính xác phải đảm bảo 2 điều kiện:

+ Chiều sâu lỗ khoan lớn hơn 10 lần đờng kính của nó

+ Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảngcách giữa cảm biến và thành lỗ khoa, khoảng trống phải đợc lấp đầy bằng mộtvật liệu dẫn điện tốt

2.3 Cảm biến nhiệt điện trở

2.3.1 Độ nhạy nhiệt

Trong trờng hợp tổng quát, giá trị của một điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ:

R(T) = RoF (T - To) (2.12)

Ro là điện trở ở nhiệt độ To và F là hàm đặc trng cho vật liệu

 Đối với kim loại;

R(T) = Ro (1 + AT + BT2 + CT3) (2.13)Trong đó: T đo bằng 0C và To = 00C

 Đối với nhiệt điện trở

o

o

1 1R(T) = R exp{B ( - )

Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối

Hệ số đợc xác định khi bằng cách đo những nhiệt đọ đã biết trớc khinhiệt độ biến thiên nhỏ thì nhiệt độ có thể thay đổi theo hàm tuyến tính:

R: Hệ số nhiệt điện trở hay độ nhạt nhiệt ở nhiệt độ T

R phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ

Thí dụ: ở 00C platin có: R = 3,9 10-3/0C

1 số nhiệt điện trở R = 5,2 10-2/0C

Chất lợng căn cứ thiết bị đo xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ

mà thiết bị có thể phát hiện đợc

)( R )min Tmin

và đối với phép đo xung quanh điểm 0oC

thì: Tmin = 2,6 10-4 0C đối với điện trở Pt

Tmin = 2 10-5 0C đối với nhiệt điện trở

Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ phụ thuộc vào điện trở suất của nó Đốivới dây có chiều dài l, tiết diện s, hệ số nhiệt độ đợc xác định theo công thức:

 Có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99,999%)

 Trở về mặt hoá học, ổn định trong cấu trúc tinh thể

Do đó tăng độ chính xác về tính dẫn điện của vật liệu, đảm bảo độ ổn

định các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này

+ Niken:

 Độ nhạy cao hơn nhiều so với Platin

 Có hoạt tính hoá học tơng đối cao khi nhiệt độ làm việc tăng

Do đó ta dùng điện trở niken khi chế độ làm việc ở nhiệt độ thấp hơn

2500C

+ Đồng:

 Sự thay đổi nhiệt của điện trở có độ tuyến tính cao

 Có hoạt tính hoá học manh

 Điện trở suất nhỏ

Do đó: Sử dụng ở nhiệt độ T < 1800C và điện trở làm bằng đồng phát cókích thớng lớn

+ Wonfram:

 Độ nhạy cao hơn hẳn platin khi nhiệt độ dới 1000C

 Có thể sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn

 Có thể kéo dài tạo thành các sợi mảnh để tăng điện trở hoặc tối thiểuhoá kích thớc, tuy nhiên ứng suất trong quá trình kéo sợi rất khó triệt tiêu vìthế điện trở Wonfram có độ ổn định nhỏ hơn so với các điện trở chế tạo từplatin

Bảng 2.2 Dới đây liệt kê một số đặc trng vật lý quan trọng của các vật liệu thờng đợc sử dụng chế tạo điện trở

Trong đó: Tf: Nhiệt độ nóng chảy C: Nhiệt dung riêng ở 200C

t: độ dẫn nhiệt l: Hệ số giãn nở tuyến tính

S: Điện trở suất s: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất ở 200C

b Chế tạo nhiệt kế

+ Giá trị điện trở và kích thớc dây:

Sự thay đổi nhiệt của một điện trở R = RRT sẽ gây nên một điện áp

đo Vm = R i (i là dòng chạy qua điện trở) Thông thờng đợc giới hạn ở mộtvài mA để tránh làm nóng đầu đo

Để tăng độ nhạy phải sử dụng các điện trở tơng đối lớn:

 Giảm thiết điện dây (dễ bị đứt)

 Tăng chiều dài dây (tăng kích thớc điện trở)

+ Giải pháp nhân nhợng:

Một giải pháp nhân nhợng thờng đợc sử dụng:

ấn định giá trị điện trở R  100 ở 00C, khi nó nếu dùng dây Pt đờngkính cỡ 20m và chiều dài khoảng 10cm, sau khi cuốn lại sẽ đợc nhiệt kếchiều dài cỡ 1cm.

Trên thực tế các sản phẩm thơng mại có điện trở ở 00C khoảng 50,500, 1000 Các điện trở có trị số lớn thờng đợc sử dụng để đo ở giải nhiệt

độ thấp, ở đó chúng có độ nhạy tơng đối tốt

Để sử dụng cho mục đích công nghiệp các nhiệt kế phải đợc bảo vệ bằngcác vỏ bọc chống va chạm mạch và chống rung

Khi chế tạo vật liệu cần chú ý hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu cấu thành

để tránh gây ứng suất trong quá trình làm việc Độ kín vỏ bọc cần đợc bảo vệmột cách tuyệt đối

Vật liệu bọc dây điện phải đợc cách điện tốt và tránh mọi hiện tợng điệnphân có thể làm hỏng kim loại Vì lí do này mà mỗi loại vật liệu chỉ đợc dùngtrong một khoảng nhiệt độ nhất định

+ Nhiệt kế bề mặt:

Dùng để đo nhiệt độ bề mặt của vật rắn Nó thờng đợc chế tạo bằng

ph-ơng pháp quang khắc và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe - Ni hoặc Pt(khi cần độ chính xác cao)

Chiều dày lớp kim loại cỡ một vài m và kích thớc nhiệt cỡ 1cm Các đặctrng của nhiệt kế bề mặt:

 Độ nhạy R  5 10-3/0C đối với Ni - Fe

4 10-3/0C đối với Pt

 Dải nhiệt sử dụng: Từ -1950C  2600C đối với Ni, Ni - Fe

Từ -2600C  14000C đối với Pt

Hình 2.2 Nhiệt kế bề mặt

 Khi sử dụng: Dán nhiệt kế lên bề mặt vật cần đo nhiệt độ Tỷ lệ bề mặt/thể tích lớn để đảm bảo thời gian đáp ứng nhỏ cỡ ms

 Lu ý: Nhiệt kế bề mặt rất nhạy với mọi biến dạng cấu trúc có bề mặt

đ-ợc dán nhiệt kế Và hệ số cảm biến nhỏ khi bị nén Do đó nếu jo thể dán nhiệt

kế lên vùng không biến dạng thì tốt nhất là dán nó lên vùng bị biến dạng nén.Một nguyên nhân dẫn tới sai số phép đo là biến dạng gây nên do sự giãn

nở khác nhau giữa độ giãn nở của nhiệt kế và của cấu trúc nằm dới bề mặt.Hiệu ứng này đặc biệt lớn khi nhiệt độ đo lớn hơn nhiều nhiệt độ môi trờngxung quanh Do vậy nhà thiét kế cần đợc cung cấp những số liệu về sự phụthuộc của điện trở vào nhiệt độ đối với vật liệu cần đo

2.3.3 Nhiệt điện trở

a Đặc điểm chung

 Độ nhạy nhiệt rất cao, lớn hơn khoảng 10 lần so với độ nhạy của điệntrở kim loại

 Phân làm hai loại: Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dơng

Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm

 Đợc làm từ hỗn hợp các oxít bán dẫn đa tinh thể nh: MgO, MgAl2O3,

Mn2O3, Fe3O4…

 Chế tạo bột oxít trộn với nhau theo tỉ lệ nhất định  nén định dạng thiếu đốt ở 1000C

 Cản biến có kích thớc nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từng điểm đồng thời

đo nhiệt dung nhỏ nên thời gian hồi đáp lớn

 Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở mà dải nhiệt làm việc có thể thay đổi

từ vài độ tuyệt đối tới 3000C Có thể mở rộng dải nhiệt này nhng khi đó trị số

điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi nhiệt độ cao

b Độ dẫn của nhiệt điện trở

+ Độ dẫn điện của chất bán dẫn:  = q (nn + pP) (2.19)

n, p: Độ linh động của điện tử và lỗ trống

n, p: Nồng độ điện tử - lỗ trống+ Số cặp điện tử lỗ trống hình thành trong một đơn vị thời gian trong một

đơn vị thể tích khi có sự thay đổi nhiệt độ:

G = R  n =  A*Ta/r)1/2*exp(- q.Ei/2.K.T) (2.22)Thay (2.22) vào (2.19) ta có:

 = C Tb exp (-B/T) (2.23)+ Trong đó C và b là những đặc trng của vật liệu:

b = 1

. 4

B = qEi/2k

c Quan hệ điện trở - nhiệt độ

+ Ta có mối quan hệ giữa điện trở và độ dẫn điện

0 0

b o

+ Để đo nhiệt độ thấp ngời ta dùng các nhiệt điện trở có giá trị nhỏ ở

250C Trong khi đó, để đo nhiệt độ cao cần sử dụng những nhiệt điện trở có

điện trở cao ở nhiệt độ phòng 250C

+ Sự thay đổi nhiệt của nó tơng đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá đặctuyến của cảm biến trong vùng nhiệt độ làm việc bằng cách mắc thêm một

điện trở phụ (song song, hoặc nối)

+ Khoảng nhiệt độ sử dụng bị hạn chế trong dải từ -500C đến 1200C.Các điện trở silic đợc chế tạo bằng công nghệ khuếch tán tạp chất vào

đơn tinh thể silic Sự thay đổi nhiệt của điện trở suất của silic phụ thuộc vàonồng độ pha tạp và vào nhiệt độ

ở nhiệt độ nhỏ hơn 1200C, hệ số nhiệt độ dơng đo độ linh động của hạttải giảm mà nông độ của chúng trên thực tế là không đổi

ở nhiệt độ lớn hơn 1200C, hệ số nhiệt độ âm Quá trình con hoá do nhiệtchiếm u thế làm cho nồng độ hạt tải tăng và lớn hơn nồng độ tạp Hệ số nhiệt

độ trong vùng này không phụ thuộc vào pha tạp: đây là trờng hợp bán dẫnriêng

Dới đây là đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của điện trở suất của điện trở silicvào nhiệt độ và hàm truyền KTY silic

2.4 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

2.4.1 Đặc trng chung - độ nhạy nhiệt

Gồm 3 dây dẫn A, B khác bản chất đợc nói bới nhau với 2 mối hàn cónhiệt độ T1, T2 Khi đó trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện, điều đó chứng

tỏ đã tồn tại một suất điện động E, E phụ thuộc

+ Bản chất các dây dẫn kim loại A, B

+ Vào nhiệt độ T1, T2

Thông thờng nhiệt độ của một mối hàn đợc giữ ở giá trị không đổi, vàbiết trớc gọi là nhiệt độ chuẩn T2 = T0 Nhiệt độ T1 của mối hàn đợc đặt trongmôi trờng nghiên cứu và đạt đến nhiệt độ Tc Tc là hàm của nhiệt độ môi trờng

và các quá trình trao đổi nhiệt

Hình 2.4 Điện trở suất và số điện

tích mang tự do của silic kích tạp n

Hình 2.5 Hàm truyền của KTY silic

Đây chính là hiêu ứng Peltier.

Với cặp nhiệt điện bằng chất rắn, khi giữ 2 đầu ở 2 nhiệt độ T1 và T2 sẽxuất hiện một suất điện động tiếp xúc

TX = UTX (T1) - UTX (T2) (2.30)Giải thích: Hai chất rắn A, B có bản chất hoá học khác nhau nên khi đốtnóng sẽ công thoát electron sẽ khác nhau vì thế sẽ xuất hiện 1 hiệu điện thếtiếp xúc

b Hiệu ứng Thomsom:

 N

M 

M  N A

2

1 2 1

T A

T

U h dT hA: hệ số Thomson(2.31)

Suất điện động Thomson là hàm của nhiệt độ

Giải thích:

Sự dịch chuyển của hạt tải từ đầu nóng tới đầu lạnh diễn ra theo 2 cơ chế:Chuyển động nhiệt của mạng tinh thể và hạt tải điện ở đầu nóng mạnh hơn

đầu lạnh, nên có xu hớng đẩy hạt tải điện từ đầu nóng tới đầu lạnh Trong vật

lý chất rắn, ngời ta xem dao động mạnh tinh thể nh những phonon, nên hiện ợng này gọi là hiện tợng hạt tải điện bị phonon cuốn đi

t-Mặt khác, trong một số chất rắn (ví dụ nh bán dẫn), mật độ hạt tải tăngtheo nhiệt độ Khi ấy hạt tải sẽ khuếch tán từ đầu nóng qua đầu lạnh, làm hai

đầu tích điện trái dấu; gây nên một hiệu điện thế

2

1 2 1

T A

T

U h dT Trong cặpnhiệt điện ở 2 vật rắn A, B không giống nhau sẽ hình thành 1 suất điện động:

A, B cho trớc, suất điện động chỉ phụ thuộc T2

2.4.3 Phơng pháp chế tạo và sơ đồ đo, phơng pháp đo

a Phơng pháp chế tạo cặp nhiệt và vỏ bảo vệ

- Nguyên tắc: Tránh tạo ra những cặp nhiệt ký sinh