đề cương nhiệt điện lạnh

Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm vi sử dụng của các loại nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ?. Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, p

Câu 1: nguyên lí đo nhiệt độ theo điện trở vật liệu? Vẽ sơ đồ

và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm vi sử

dụng của các loại nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ?

1 .Nguyên lý đo:

- dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi:

- R   T  R0 f  T  T0

2 Nhiệt kế điện trở kim loại

a Sơ đồ, Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại

- Loại điện trở dây quấn:

b Nguyên lý làm việc:

- dựa trên sự thay đổi điện trở:  2 3

0 1 )

R  1

 :  Hệ số nhiệt điện trở

dT

ds s dT

dl l dT

d dT

dR R

Vậy: Khi nhiệt độ tăng điện trở suất vật liệu tăng  điện trở tăng

 đo điện trở  nhiệt độ

3 Nhiệt kế điện trở silic

a Sơ đồ, Cấu tạo:

- chế tạo từ đơn tinh thể Si pha tạp loại N, kích thước cỡ 500x500x240 (m)

b Nguyên lý làm việc:

- Trong khoảng nhiệt độ (-55  200oC) hệ số nhiệt điện trở dương (~7.10-3/ oC ở 25 oC) Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ biểu diễn gần đúng theo công thức:     2

0 0

0 1 A T T B T T R

R T     

c) đặc điểm và phạm vi sử dụng

sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ

4 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn

a Sơ đồ, Cấu tạo:

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

Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp  được nén định dạng  thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000oC Vỏ bọc bằng thủy tinh

500  m 240  m

)(

T T T

T R T

11exp)

(

T T B R

- Kích thước nhỏ  có thể đo T theo điểm

- Nhiệt dung nhỏ  thời gian hồi đáp bé

- Hệ số nhiệt điện trở lớn  đo được Tmin =10-4 - 10-3K

 Đo nhiệt độ trong khoảng 0  300oC

Câu 2 Nguyên lí đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện? Vẽ

sơ đồ và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm

vi sử dụng của cảm biến nhiệt ngẫu?

a Nguyên lí đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

t0

1

- Hiện tượng: Xét một mạch kín gồm 2 dây dẫn (A) và (B) khác nhau về bản chất hóa học hàn nối với nhau bằng các mối hàn, khi nhiệt độ hai mối hàn là (t) và (t0) khác nhau thì trong mạch xuất hiện một sức điện động EAB phụ thuộc độ chênh nhiệt độ giữa hai mối hàn  Hiệu ứng nhiệt điện

b Sơ đồ cấu tạo dụng của cảm biến nhiệt ngẫu

c nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt ngẫu

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Đê cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo

vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp

d đặc điểm, phạm vi sử dụng của cảm biến nhiệt ngẫu

câu 3 Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của điện

thế kế con chạy cơ học đo vị trí và dịch chuyển?

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc: gồm một điện trở cố định (Rm)

và một tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với vật khảo sát Khi vật

di chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc vào

vị trí con chạy Đo điện trở  vị trí

• Điện trở dạng dây cuộn: được chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr,

Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò

xo trên lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa

các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt

• Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột

dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2m

2 Đặc điểm

- Cấu tạo đơn giản

- Đo được dịch chuyển lớn

- Khoảng chạy có ích nhỏ hơn chiều dài điện trở (Lm)

- Độ phân giải của điện trở dạng dây ~10m, dạng băng dẫn ~

0,1 m

- Thời gian sống thấp: dạng dây ~106 lần, dạng băng dẫn 5.107 -

108 lần

- Chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm

Câu 4 Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của điện thế kế con trỏ từ đo vị trí và dịch chuyển?

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

R R

R

2 1

câu 5 Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của điện thế kế con trỏ quang đo vị trí và dịch chuyển?

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4) Băng điện trở đo được phâncách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng

kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo

và băng tiếp xúc

b Đặc điểm:

• Không có tiếp xúc cơ học tránh mòn, tránh gây tiếng ồn

• Tuổi thọ cao

• Thời gian hồi đáp ngắn (~20s)

Câu 6 Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm cùa các loại cảm biến quang đo vị trí và dịch chuyển?

sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang

c Đặc điểm

- Nguồn phát, bộ thu bố trí một phía Dễ bố trí

- Cự li cảm nhận bé

- Chịu ảnh hưởng của nhiễu từ nguồn sáng khác

2 Cảm biến quang soi thấu

a Sơ đồ cấu tạo

b nguyên lý làm việc

Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội

tụ và lưới chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng sẽ

làm xuất hiện một tín hiệu ánh sáng hình sin Tín hiệu này được

thu bởi các tế bào quang điện đặt sau lưới chia Các tín hiệu đầu

ra của cảm biến được khuếch đại trong một bộ tạo xung điện tử

tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật

c đặc điểm

- Cự ly cảm nhận lớn

- Có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng

tối lớn

- Ít ảnh hưởng nhiễu của nguồn sáng khác

- Khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu

Câu 7 Nguyên lí đo biến dạng bằng các cảm biến điện trở? Trình bày vật liệu, cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc điểm của các cảm biến điện trở đo biến dạng (điện trở kim loại áp trở silic)?

1 Nguyên lý đo

dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng Kích thước cảm biến nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng  dùng phổ biến

2 Điện trở kim loại

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nguyên lí làm việc: Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt của

cấu trúc cần khảo sát, kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc

b Vật liệu chế tạo

c Đặc điểm

- Vật liệu chế tạo điện trở cần có  đủ lớn

- Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2  3, (isoelastic có K = 3,5 và platin-vonfram K = 4,1) Trong giới hạn đàn hồi 

K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi l/l > 0,5% - 20% tùy vật liệu)  K  2

- Ảnh hưởng của T: trong khoảng - 100oC  300oC:

3 áp trở silic

3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

• Điện trở: các mẫu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp P hoặc N,

kích thước: dài ~ 0,1 2 mm và chiều dày ~ 0,01mm

• Đế cách điện: nhựa

• Để tăng tín hiệu có thể ghép nối tiếp, song song nhiều mảnh cắt

 Phụ thuộc vào độ pha tạp: độ pha tạp tăng  K giảm

 Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ tăng  K giảm, độ pha tạp lớn (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc

 Phụ thuộc độ biến dạng: K  K1  K2  K22

Khi  nhỏ  có thể coi K = const

Câu 8 Nguyên lý đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện? Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc, đặc điểm của các loại cảm biến thạch anh đo lực (kiểu vòng đệm và kiểu nhiều thành phần)?

1 Nguyên lý đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện:

Nguyên lý hoạt động: dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện: Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F)

2 CB thạch anh kiểu vòng đệm

a Vẽ sơ đồ cấu tạo

d) đặc điểm

Các vòng đệm thạch anh được cắt theo hướng khác nhau , khi đó chúng chỉ nhạy với 1 hướng xác định của lực

Câu 9 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của tốc

kế điện từ xoay chiều đo vận tốc góc kiểu máy phát đồng bộ?

a sơ đồ cấu tạo

b nguyên lí làm việc

- Khi rôto (phần cảm) quay, trong các cuộn dây của stato (phần ứng) xuất hiện s.đ.đ cảm ứng:

t E

- Đo E  : có sai số do ảnh hưởng của tổng trở cuộn ứng và suy giảm tín hiệu khi truyền đi xa Điện áp V ở hai đầu cuộn ứng:

           



2 2

2

1 2

2





i i

i

K R L

R R

E R

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

• Khi đĩa quay  khe hở  biến thiên  từ trở mạch từ biến thiên   qua cuộn dây biến thiên  trong cuộn dây xuất hiện s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lệ với tốc độ quay (n):

b) Đặc điểm:

pn

• Biên độ (E) của s.đ.đ cảm ứng phụ thuộc: khoảng cách giữa cuộn dây - đĩa quay và tốc độ quay (min, n  E) Với

nnmin nhất định E quá bé không thể đo được  vùng chết

• Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của đĩa: p lớn

 nmin nhỏ, p nhỏ  nmax lớn Ví dụ: p = 60 răng  dải đo n

= 50  500 vg/ph, p = 15 răng  dải đo n = 500  10.000 vg/ph

Câu 11 Trình bày cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc điểm và phạm vi sử dụng của tốc độ kế quang đo vận tốc góc?

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

- Nguyên lí:

Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED) Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng Kết quả là khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay

b) Đặc điểm và pham vi sử dụng

• Phạm vi đo phụ thuộc:

+ Số lượng lỗ trên đĩa

+ Dải thông của đầu thu quang và mạch điện tử

Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 v/ph) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500  1.000 lỗ) với tốc độ lớn (~ 105 - 106 v/ph) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc

độ cực đại có thể đo được

Câu 12 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của cảm biến áp điện đo gia tốc rung? Viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

b) Nguyên lý làm việc

Phép đo gia tốc rung được thể hiện qua việc đo lực( cảm biến

áp điện ) Khi khối lượng rung M chuyển động tác dụng lên phiến

áp điện và chuyển thành tín hiệu ở đầu ra Dưới tác dụng của lực cơ học, phiến áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên 2 bản cực các điện tích trái dấu, hiệu điện thế xuất hiện giữa 2 bản cực tỉ lệ với lực tác dụng Đo V ta có thể xác định được lực tác dụng F, qua

đó xác định được gia tốc và chuyển động rung

Câu 13 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của cảm biến đo vận tốc rung? Viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:

• Đại lượng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt

• Đại lượng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tương đối z

hoặc tốc độ dịch chuyển tương đối dz/dt

- Nguyên lý:

Việc chuyển đổi tốc độ tương đối của khối lượng rung so với vỏ hộp thành tín hiệu điện thực hiện bởi một cảm biến vị trí tương đối kiểu điện từ gồm một cuộn dây và một lõi nam châm Cuộn dây gắn với khối lượng rung, lõi nam châm đặt bên trong cuộn dây và gắn với vỏ cảm biến Bằng cách đo suất điện động của cuộn dây có thế đánh giá được tốc độ rung cần đo

c) Độ nhạy

Độ nhạy sơ cấp:

-m1: đại lượng đo sơ cấp m2: đại lượng đo thứ cấp

Câu 14 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của cảm biến đo áp suất kiểu lò xo 1 vòng và bộ biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

1 Lò xo 1 vòng

a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:

Vật liệu: đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép gió

 Nguyên lí làm việc

- Khi p = p0, lò xo ở trạng thái cân bằng

- Khi (p > p0), lò xo giản , ngược lại (p < p0) lò xo co lại đầu tự

do dịch chuyển

- Biến thiên góc ở tâm (): 2 2

2 2

2

1

1

x a

b bh

R Y

s a

b pab

2

cos sin sin

4 3

sin

s a

b pab

2

cos.sin

cos

k k

Độ nhạy: S= L.p= k2/k.k1

a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:

tb

tb    



 Độ nhạy: S= ?

Câu 15 Vẽ sơ đồ cấu tạo, giải thích nguyên lí làm việc của cảm biến đo áp suất động của chất lưu bằng cảm biến màng đàn hồi và bộ chuyển đổi điện kiểu áp điện? viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

1 Áp kế màng

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

 Nguyên lí:

 Dưới tác dụng của áp suất trên hai mặt màng chênh lệch p

= p1-p0  màng biến dạng, tâm màng dịch chuyển

 Độ võng của tâm màng đàn hồi:

+ Loại phẳng:   34

116

3

Yh

R p

3

Yh

R p h

b h

Độ nhạy: S= Q/∆𝑝=k1.k2

3 bộ chuyển đổi điện kiểu áp điện

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

- Nguyên lí:

Độ nhạy: suy ra từ 2 ct trên

Câu 16 Vẽ sơ đồ cấu tạo, giải thích nguyên lí làm việc của cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn và áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác dịnh độ nhạy của bộ cảm biến?

1 cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn a) sơ đồ cấu tạo

Cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dựa trên nguyên tắc

đo độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua một thiết bị thu hẹp, khi chảy qua thiết bị thu hẹp, vận tốc chất lưu tăng lên và

do đó tạo nên độ chênh áp trước và sau màng ngăn, Sử dụng

áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên đo độ chênh áp này có thể xác định đc lưu lượng dòng chảy Tại thời điểm ban đầu, khi chưa có sự chênh áp thì khe hở từ 𝛿 = 𝛿o Khi có chất lưu thì xuất hiện độ chênh áp suất giữa trước và sau màng chắn, phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1.√𝑝2 − 𝑝1, độ chênh áp này gây nên

sự dịch chuyển của tấm sắt từ, làm thay đổi 𝛿, với sự phụ thuộc

𝛿 = k2(p2-p1)+𝛿o Khe hở từ thay đổi sẽ làm thay đổi độ tự cảm

của cuộn dây với sự phụ thuộc L = k3/𝛿 Và ta sẽ dùng mạch cộng hưởng LC hoặc cầu đo xoay chiều để đo đc độ tự cảm L

a) Sơ đồ cấu tạo

b) Nguyên lí làm việc

Cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dựa trên nguyên tắc đo

độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua một thiết bị thu hẹp,

khi chảy qua thiết bị thu hẹp, vận tốc chất lưu tăng lên và do đó tạo nên độ chênh áp trước và sau màng ngăn, Sử áp kế điện cảm kiểu tụ điện đơn độ chênh áp này có thể xác định đc lưu lượng dòng chảy.Tại thời điểm ban đầu, khi chưa có sự chênh

áp thì khe hở giữa hai bản cực là 𝛿 = 𝛿o Khi có chất lưu thì xuất hiện độ chênh áp suất giữa trước và sau màng chắn, độ chênh

áp phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1.√𝑝2 − 𝑝1, độ chênh áp này gây nên sự dịch chuyển của bản cực tụ điện , làm thay đổi 𝛿, với

sự phụ thuộc 𝛿 = k2(p2-p1)+𝛿o Khoảng cách giữa hai bản cực của tụ điện thay đổi làm thay đổi điện dung của tụ điện C= k3/𝛿 Và ta sẽ dùng mạch cộng hưởng LC hoặc cầu đo xoay chiều

để đo đc điện dung C của tụ điện

c) Biểu thức xác định độ nhạy của cảm biến :

b) Nguyên lý lam việc

Cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dựa trên nguyên tắc đo

độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua một thiết bị thu hẹp, khi chảy qua thiết bị thu hẹp, vận tốc chất lưu tăng lên và do đó tạo nên độ chênh áp trước và sau màng ngăn, Sử dụng áp kế vành khuyên đo độ chênh áp này có thể xác định đc lưu lượng dòng chảy.Tại thời điểm ban đầu, khi chưa có sự chênh áp thì vành khuyên đứng yên góc quay 𝛼 = 𝛼𝑜 Khi có chất lưu thì xuất hiện độ chênh áp suất giữa trước và sau màng chắn, độ chênh

áp phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1.√𝑝2 − 𝑝1, độ chênh áp này làm cho vành khuyên quay làm thay đổi góc 𝛼, góc quay phụ thuộc vào độ chênh áp 𝛼 = 𝑘2 (𝑝2 − 𝑝1) + 𝛼𝑜 Và ta có thể dựa vào góc quay đê xác định đc lưu lượng Q

c) Biểu thức xác định độ nhạy cảm biến : 𝛼 = k2.𝑄(𝑏ì𝑛ℎ)

𝑘1(𝑏ì𝑛ℎ)+ 𝛼𝑜