TIỂU LUẬN DỤNG CỤ ĐO

TỔNG QUAN VỀ DỤNG CỤ ĐODỤNG CỤ ĐO NHIỆT ĐỘ THEO KIỂU ĐIỆN TRỞ DÂY ĐIỆNNhiệt kế là thiết bị dùng để đo nhiệt độ.Một nhiệt kế có hai thành phần quan trọng: phần cảm nhận nhiệt độ (Ví dụ: bầu đựng thủy ngân hoặc rượu trong nhiệt kế) và phầnhiển thị kết quả (Ví dụ: thang chia vạch trên nhiệt kế).Các loại nhiệt kế trong công nghiệp thường dùng thiết bị điện tử để biểu thị kết quả như máy vi tính.Nhiệt kế điện tử thường dùng lắp ở một số bảng đồng hồ treo tường kiểu Lịch Vạn niên, trong các máy đo nhanh của y học,... thì dùng cảm biến bán dẫn, biến đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) và hiện số liệu.

BÀI TIỂU LUẬN Môn:Dụng Cụ Đo

Đề Tài: Dụng cụ đo nhiệt độ theo kiểu điện trở dây điện

Sinh viên thực hiện:Nông Thị Thu Trang

Mã sinh viên:1074140054

Lớp:CĐĐH Hóa 1 –K10

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ DỤNG CỤ ĐO

DỤNG CỤ ĐO NHIỆT ĐỘ THEO KIỂU ĐIỆN TRỞ DÂY ĐIỆN

Một nhiệt kế có hai thành phần quan trọng: phần cảm nhận nhiệt độ (Ví dụ: bầu đựng thủy ngân hoặc rượu trong nhiệt kế) và phầnhiển thị kết quả (Ví dụ: thang

chia vạch trên nhiệt kế)

Các loại nhiệt kế trong công nghiệp thường dùng thiết bị điện tử để biểu thị kết quả như máy vi tính

Nhiệt kế điện tử thường dùng lắp ở một số bảng đồng hồ treo tường kiểu Lịch Vạn niên, trong các máy đo nhanh của y học, thì dùng cảm biến bán dẫn, biến đổi tín

hiệu tương tự sang số (ADC) và hiện số liệu

Lịch sử

Nhiệt kế của Galileo

Các loại nhiệt kế khác nhau sản xuất vào thế kỷ 19

Nhiều nhà phát minh đã ghi công vào việc sáng tạo ra nhiệt kế

như Avicenna, Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galileihay Santorio

Santorio Nhiệt kế không phải là kết quả của một phát minh duy nhất, mà nó phải trải qua quá trình phát triển

Philo và Hero of Alexandria biết một nguyên tắc là đối với một số chất, đặc biệt là không khí, sẽ co và dãn khi thay đổi nhiệt độ[1] Cơ chế này sau đó được dùng để chỉ thị nhiệt độ không khí với một ống và mực nước bên trong được điều khiển bởi

sự co và dãn của không khí Các thiết bị này được phát triển bởi Avicenna vào thế

kỷ 11, và nhiều nhà khoa học khác ở châu Âu vào thế kỷ 16 và thế kỷ 17, đặc biệt

là Galileo Galilei

Một bản vẽ rõ ràng đầu tiên của nhiệt kế được xuất bản vào năm 1617 là

của Giuseppe Biancani: trong bản vẽ này có thang đo và sau đó cấu tạo thành nhiệt

kế bởi Robert Fludd vào năm 1638 Đây là một ống thẳng đứng với một bầu đặt ở

đầu tiên đặt thang đo vào nhiệt kế có thể là nhiều người khác nhau như Francesco Sagredohay Santorio Santorio từ khoảng năm 1611 đến 1613.

Các dụng cụ trên mắc phải một nhược điểm là nó đồng thời cũng là một áp kế, nghĩa là nó nhạy cảm với sự thay đổi áp suất không khí Vào khoảng năm 1654, Ferdinando II de' Medici, đại công tước của Tuscany đã chế tạo nhiệt kế theo kiểu hiện đại bằng cách hàn kín phần ống với bầu chứa chất lỏng, do đó không bị ảnh hưởng bởi áp suất không khí và chỉ phụ thuộc vào sự giãn nở của chất lỏng Nhiều nhà khoa học khác đã thử nghiệm với những loại chất lỏng khác nhau và thiết kế ra nhiệt kế

Tuy nhiên, mỗi nhà phát minh và mỗi loại nhiệt kế không tuân theo một chuẩn chung nào Vào năm 1665, Christiaan Huygens đề nghị dùng điểm nóng

chảy và điểm sôi của nước làm chuẩn, và vào năm 1694 Carlo Renaldini đưa ra đề nghị dùng nó như các điểm cố định trên tất cả các thang đo Vào năm 1701, Isaac Newton đưa ra một thang đo có 12 độ giữa điểm nóng chảy của nước và nhiệt độ

cơ thể Cuối cùng vào năm 1724, Daniel Gabriel Fahrenheit tạo ra một thang nhiệt

độ mà hiện nay (với một số thay đổi nhỏ) là thang Fahrenheit Ông có thể làm như vậy vì ông sản xuất nhiệt kế dùng thủy ngân (có hệ số co giãn cao) đầu tiên và chất lượng của nhiệt kế có thể thể hiện thang chia nhỏ hơn và sản xuất dễ dàng hơn, dẫn đến việc sử dụng rộng rãi Vào năm 1742, Anders Celsius đề nghị thang đo với 0 ở điểm nóng chảy của nước đá, và 100 ở điểm sôi của nướcvà hiện nay gọi là

thang Celsius với thang đo đặt ngược lại

Vào năm 1866, ngài Thomas Clifford Allbutt phát minh ra nhiệt kế y tế có thể đưa

ra nhiệt độ cơ thể chỉ sau 5 phút thay vì 20 phút như trước đó

Các loại nhiệt kế

• Nhiệt kế chất lỏng: hoạt động trên cơ sở dãn nhiệt của các chất Các chất lỏng sử dụng ở đây phổ biến là thủy ngân, rượu màu, rượu etylic (C2H5OH), pentan (C5H12), benzen toluen (C6H5CH3)

• Nhiệt kế điện: Dụng cụ đo nhiệt điện sử dụng các đặc tính điện hoặc từ phụ thuộc nhiệt độ như hiệu ứng nhiệt điện trong một mạch có hai hoặc nhiều kim loại, hoặc sự thay đổi điện trở của một kim loại theo nhiệt độ

• Nhiệt kế điện trở: nhiệt kế đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng biến thiên điện trở của chất bán dẫn, bán kim hoặc kim loại khi nhiệt độ thay đổi; đặc tính loại này

có độ chính xác cao, số chỉ ổn định, có thể tự ghi và truyền kết quả đi xa Nhiệt

kế điện trở bằng bạch kim đo được nhiệt độ từ 263 °C đến 1.064 °C; niken và sắt tới 300 °C; đồng 50 °C - 180 °C; bằng các chất bán dẫn để đo nhiệt độ thấp (0,1°K – 100°K) Để đo nhiệt độ thấp, người ta áp dụng loại nhiệt kế ngưng tụ, nhiệt kế khí, nhiệt kế từ

Nhiệt kế điện tử dùng trong y khoa

• Nhiệt kế bán dẫn: Dùng cảm biến nhiệt là một linh kiện bán dẫn nhóm Điốt Zener (ví dụ Precision Temperature Sensor LM335có hệ số 10 mV/°K, có ở chợ Nhật Tảo, Tp Hồ Chí Minh), biến đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) và hiện số liệu Nó có mặt trong các máy đo nhanh của y tế, trong đồng hồ điện tử treo tường có Lịch Vạn niên, Trong đo nhiệt độ môi trường đất, nước, không khí, cũng đang dùng cảm biến nhiệt bán dẫn với vỏ thích hợp để dẫn nhiệt

nhanh Dải nhiệt độ làm việc do mạch điện tử xác định, tức là cao nhất vào cỡ

• Nhiệt kế đảo: đo nhiệt độ nước biển ở các tầng có độ sâu khác nhau Nhiệt

kế đảo có cấu tạo đặc biệt, thắt hẹp ở gần bầu thuỷ ngân Đặt nhiệt kế này ở độ sâu cần đo, cột thủy ngân sẽ ngắt khỏi bầu, khi kéo nhiệt kế đảo lên thành tàu, nhiệt kế chỉ nhiệt độ đã đo được ở độ sâu đó

• Nhiệt kế độ sâu, còn được gọi là nhiệt kế sâu hay nhiệt kí đo sâu, đo phân bố nhiệt độ theo độ sâu, ứng dụng trong hải dương học Nhiệt kế độ sâu sử dụng

bộ cảm biến bằng thủy ngân hoặc dầu xilen

• Nhiệt kế tiếp điểm: dụng cụ đo và khống chế nhiệt độ tự động theo nguyên lí đóng mở mạch khi chất lỏng trong dụng cụ tiếp xúc hoặc không tiếp xúc

với tiếp điểm của mạch điều khiển Nhiệt kế tiếp điểm thường sử dụng cho các

lò và tủ sấy với nhiệt độ thấp hơn 500 °C

• Cao kế điểm sôi: Nhiệt kế chuyên để đo các nhiệt độ cao như điểm sôi của

• Nhiệt biểu thường hay còn gọi là nhiệt ký thường, là một dụng cụ khí tượng thủy văn dùng để đo nhiệt độ tại thời điểm quan trắc Nó thuộc loại nhiệt biểu chất lỏng Khi nhiệt độ môi trường thay đổi thể tích chất lỏng trong bầu cảm ứng cũng thay đổi, đẩy chất lỏng dâng lên hoặc hạ xuống trong ống vi quản Căn cứ vào mực trên của cột chất lỏng trong ống vi quản ta có thể xác định được nhiệt độ tại tới điểm đó nhờ thang chia độ.

• Vỏ bảo vệ: Làm bằng thủy tinh

• Bầu cảm ứng: Là bộ phận cảm ứng với nhiệt độ của môi trường, có chứa chất lỏng là rượu hoặc thủy ngân (còn gọi là chất cảm ứng)

• Ống vi quản: Bộ phận thể hiện sự thay đổi của chất cảm ứng Ống vi quản là ống thủy tinh rỗng, một đầu bịt kín, đầu kia hở thông với bầu cảm ứng

• Thang chia độ: Chia thành các vạch, để đánh dấu mức độ thay đổi của chất cảm ứng, thường chia theo hệ bách phân, vạch cao nhất là nhiệt độ khi nước nguyên chất bắt đâu sôi, vạch thấp nhất là nhiệt độ khi nước nguyên chất bắt đầu đóng băng

Nhiệt kế điện trở: nhiệt kế đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng biến thiên điện trở của chất bán dẫn, bán kim hoặc kim loại khi nhiệt độ thay đổi; đặc tính loại này có độ chính xác cao, số chỉ ổn định, có thể tự ghi và truyền kết quả đi xa Nhiệt kế điện trở bằng bạch kim đo được nhiệt độ từ 263 °C đến 1.064 °C; niken và sắt tới

300 °C; đồng 50 °C - 180 °C; bằng các chất bán dẫn để đo nhiệt độ thấp (0,1°K – 100°K) Để đo nhiệt độ thấp, người ta áp dụng loại nhiệt kế ngưng tụ, nhiệt kế khí, nhiệt kế từ

Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở là dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ.

Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng:

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

F = 1 khi T = T0

Hình 1: Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng

Hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxyt bán dẫn

Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng:

Trong đó nhiệt độ T đo bằng oC, T0=0oC và A, B, C là các hệ số thực nghiệm

Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxyt bán dẫn:

T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm

Các hệ số được xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã biết trước Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo.

Khi độ biến thiên của nhiệt độ ΔT (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính:

Trong đó:

được gọi hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ, ví dụ ở 0oC platin (Pt) có aR=3,9.10-

3/oC Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được

, do đó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được:

Ví dụ nếu

và với những phép đo quanh điểm 0oC, vật liệu là platin thì

Thực ra, điện trở không chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện trở suất mà còn chịu tác động của sự thay đổi kích thước hình học của nó Bởi vậy đối với một điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ có dạng:

Trên thực tế thường αρ >> α1 nên có thể coi αR = αρ

Nhiệt kế điện trở kim loại

Vật liệu

Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:

- Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ

- Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu

- Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc

- Dễ gia công và có khả năng thay lẫn

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

+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.

+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 180oC Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở

Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt

độ cao hơn Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các điện trở cao với kích thước nhỏ Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở

Cấu tạo nhiệt kế điện trở

Để tránh sự làm nóng đầu đo 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 phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 0o, khi đó với điện trở platin sẽ có đường kính dây cỡ vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm Các sản phẩm thương mại

thường có điện trở ở 0ΩC có giá trị vào khoảng 100o, các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp.Ω và 1000Ω, 500ΩC là 50

- Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải

có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn

và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép Trên hình là các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin

Hình 2: Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin

1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống platin 4) Dây nối 5) Sứ cách điện

6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng

- Nhiệt kế bề mặt:

Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn Chúng thường được chế tạo bằng phương pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng như hình vẽ 3 Chiều dày lớp kim loại cỡ vài àm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2

Hình 3: Nhiệt kế bề mặt

Đặc trưng chính của nhiệt kế bề mặt:

- Độ nhạy nhiệt : ~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: -195oC ÷ 260oC đối với Ni và Fe-Ni

-260oC ÷1400oC đối với Pt

Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo

Nhiệt kế điện trở silic

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC ở 25oC Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic được chế tạo có kích thước 500x500x240 μm được mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc

Trong dải nhiệt độ làm việc (-55 ÷200oC) có thể lấy gần đúng giá trị điện trở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức:

Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn

Sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá bằng cách mắc thêm một điện trở phụ

Hình 4: Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic

Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn

Vật liệu chế tạo

Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4

Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức:

Trong đó R0) là điện trở ở nhiệt độ TΩ(0(K)

Độ nhạy nhiệt có dạng:

Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên biểu thức (3.11) có thể viết lại:

Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 -10-3K Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC.

Hình 5: Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ DỤNG CỤ ĐO NHIỆT KẾ THEO KIỂU ĐIỆN TRỞ DÂY ĐIỆN

Nhiệt kế điện tử Millikelvin: MKT 50

MKT 50 trong sự kết hợp các nhiệt kế điện trở platin (Pt 100 và Pt 25.5) được thiết

kế cho các phép đo nhiệt độ chính xác cao nhất cũng như để so sánh và hiệu chuẩn điểm cố định cho công nghiệp, các phòng thí nghiệm và nghiên cứu Sử dụng

Nhiệt Kế Điện Trở Platin đã hiệu chuẩn có thể đạt được một phép đo thay đổi (thiết

bị và cảm biến) trong khoảng từ 0.01 °C đến 0.001 °C

TÍNH NĂNG

- MKT 50 là dạng nhiệt kế điện tử chính xác cao dùng để đo lường và kiểm chứng các thiết bị đo nhiệt độ, hiệu chuẩn máy, thường được sử dụng cho các trung tâm

đo lường kiểm nghiệm, các phòng thí nghiệm hiệu chuẩn

- Dải nhiệt độ rất rộng từ -260°C đến +962 °C với độ phân giải 0.1 mK (Pt

100) đáp ứng nhiều sự thỏa mãn của người sử dụng

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

- Độ bất định của phép đo trong toàn dải đo là 0.001 °C (= 1 mK)

- Độ phân giải 0.0001 °C (0.1 mK)

- Dải nhiệt độ đo: -260°C đến +962 °C với độ phân giải 0.1 mK (Pt 100)

- Dải đo điện trở: 0 đến 440 Ω với độ phân giải40 μΩ

- Thời gian đo (cho cả hai kênh): 1.44 giây

- Có thể sử dụng các Nhiệt Kế Điện Trở Platin Pt 100 và các chứng chỉ hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn DIN IEC 751 hoặc ITS-90.

Nhiệt ẩm kế điện tử Tanita TT550

Khi mùa hè quá nóng hoặc mùa đông lạnh đến, nhu cầu sử dụng điều hòa của mọi người đều tăng lên Tuy nhiên các loại điều hòa hiện nay thường không hiển thị chính xác nhiệt độ và độ ẩm của căn phòng Vì thế chọn nhiệt ẩm kế điện tử Tanita TT550 giúp ta biết được nhiệt độ, độ ẩm Khi so sánh với nhiệt độ và độ ẩm lý

cao Ngoài ra, nhiệt ẩm kế Tanita kích thước nhỏ gọn, có thể theo dõi được ngày tháng và giời nên có thể đặt lên bàn như chiếc đồng hồ để bàn

Đặc điểm của sản phẩm nhiệt ẩm kế điện tử Tanita TT550

Ưu điểm của nhiệt ẩm kế là giúp theo dõi nhiệt độ và độ ẩm nhanh chóng, hữu dụng, là sản phẩm cần thiết nên có trong các hộ gia đình, đặc biệt là những hộ gia đình có trẻ nhỏ

Thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm chính xác lại có giá thành khá ổn nên gia đình nào cũng

có thể sắm cho mình chiếc nhiệt ẩm kế này

Thông tin chi tiết của nhiệt ẩm kế Tanita TT550

Tên sản phẩm: Nhiệt kế Tanita TT550