Cảm biến nhiệt (cặp nhiệt điện)

Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821. Theo ông, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt vào nơi có các nhiệt độ khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sư dịch chuyển của các electron do đó sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng. Để hiểu rõ hơn về nguyên lý cặp nhiệt điện, ta hãy cùng xem hình sau:

Cảm biến và kỹ thuật đo

lường

Mã học phần:PH3080

Chủ đề:

Cảm biến nhiệt (cặp nhiệt điện)

Nội Dung

•Nguồn gốc

•Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

•Ưu nhược điểm

•Ứng dụng

1.Nguồn gốc

• Từ cặp nhiệt điện(thermocouple) được ghép từ hai từ:

“thermo” có nghĩa là nhiệt và “couple” biểu thị hai mối nối.

• Năm 1821 nhà vật lý người Đức Thomas Johann

Seebeck đã phát hiện ra rằng, khi bất kì một dây dẫn phải chịu một sự thay đổi nhiệt, nó sẽ sinh ra một sự khác biệt về điện áp và ngược lại Điều này được gọi là hiệu ứng nhiệt hay hiệu ứng Seebeck.

• Từ đó những loại cảm biến nhiệt đơn giả nhất là cặp nhiệt điện ra đời và hoạt động dựa vào hiệu ứng

Seebeck.

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.1 cấu tạo

• Gồm 2 dây kim loại(hoặc hợp kim)

khác nhau được hàn 1 đầu lại với

nhau.

• Đầu mối hàn tạo thành điểm đo hay

còn gọi là đầu nóng.

• 2 đầu còn lại không hàn với nhau là

đầu lạnh và được nối tới dụng cụ đo.

• Các dây của cặp nhiệt điện thường

được đặt trong một ống thép chống rỉ

mỏng hoặc lớp vỏ để bảo vệ khỏi ăn

mòn hóa học hoặc phá hủy vật lý.

• Ống bảo vệ thường được lót một lớp

gốm sứ để giữ cho dây cặp nhiệt

điện khỏi chạm với các phần tử khác.

2.2 Nguyên lý hoạt động

• Khi nhiệt độ môi trường tăng hoặc

giảm, tác động lên đầu nóng của cặp

nhiệt điện, do hiệu ứng  

Seebeck nên điện áp V  AB ở đầu lạnh

của cặp nhiệt điện sẽ tăng hoặc

giảm theo nhiệt độ môi trường

(nhiệt độ tăng thì điện áp tăng, nhiệt

độ giảm thì điện áp giảm) Đo giá trị

điện áp VAB ta có thể suy ra ngược lại

giá trị của nhiệt độ

• Các điểm nối giữa cặp nhiệt điện với thiết bị chỉ thị hoặc vòng điều khiển lại tạo ra các mối nối khác giữa hai kim loại khác nhau mà chúng cũng tạo ra những điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ

• Để loại bỏ vấn đề này, các mạch cặp nhiệt điện sử dụng một điểm nối chuẩn kết hợp với mạch điện tử để

đo và hiệu chỉnh ảnh hưởng này

• Điểm nối chuẩn thông thường về mặt điện giống như một cặp nhiệt điện ở 0oC Điểm chuẩn thường

được đặt gần hoặc thậm chí bên trong thiết bị chỉ thị

Cách chuyển đổi điện áp sinh ra

• Những gì cặp nhiệt điện cho biết

là sự khác nhau về nhiệt độ giữa

điểm đo và điểm chuẩn (Thực

tế, chúng ta không thể đo được

giá trị tuyệt đối; việc chúng ta có

thể làm là so sánh một đại lượng

đã biết với một đại lượng chưa

biết) Nếu chúng ta biết nhiệt độ

chuẩn, chúng ta có thể tính ra

được nhiệt độ quá trình bằng

cách đo điện áp ra bởi cặp nhiệt

điện:

 nhiệt độ chưa biết = (điện áp/hệ

số Seebeck) + nhiệt độ chuẩn

3 Ưu nhược điểm

• Ưu điểm:

Cặp nhiệt điện rẻ tiền, kích thước nhỏ, chắc chắn, tiện lợi và linh hoạt, dải

đo rộng, khả năng ổn định có thể chấp nhận, có thể tái sản xuất, chính xác

và nhanh Điện áp do chúng tạo ra độc lập với chiều dài và đường kính dây

• Nhược điểm:

nó nhạy với nhiễu điện và bị giới hạn đối với những ứng dụng dải đo

tương đối rộng Nó không tuyến tính, và việc chuyển đổi điện áp ra thành giá trị nhiệt độ không đơn giản như những thiết bị đo trực tiếp Các cặp nhiệt điện luôn luôn cần đến bộ khuếch đại, và việc hiệu chuẩn chúng có thể thay đổi bởi vì sự nhiễm bẩn, sự thay đổi thành phần do quá trình ôxi hóa bên trong Cặp nhiệt điện không thể sử dụng ở trạng thái dây trần

trong chất lỏng dẫn điện, và nếu dây của nó không đồng nhất, điều này có thể tạo ra những điện áp mà rất khó phát hiện

4 Ứng dụng

•Sản xuất công nghiệp

•Luyện kim

•Giáo dục

•Gia công vật liệu