MÔN HỌC KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ KỸ THUẬT ĐI DÂy

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

MÔN HỌC:
KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG

NHÓM 7:
SV1:

MSSV:

SV2:

MSSV:

SV3:

MSSV:

…………………………….
5:16 PM

TPHCM Tháng 04 -2014

1


NỘI DUNG BÁO CÁO
SV cần làm rõ các nội dung
•

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
•

Khái niệm

•

Hình dạng – cách nhận biết

•

Ký hiệu – cách sử dụng (đọc từ datasheet)

•

Ứng dụng thực tế

5:16 PM

2


PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
▪ SV cần làm rõ các nội dung được gợi ý từ các
slide có đề nghị phương pháp thực hiện màu tím.
▪ SV tìm hiểu thêm tài liệu và đưa vào nội dung
để là rõ cho các ý của bài.
▪ SV cần tìm các datasheet liên quan các cảm
biến mà mình báo cáo để chỉ dẫn cách sử dụng
▪ SV phải tìm các ứng dụng thức tế (video)

5:16 PM

3


6.1 Khái niệm

6.2 Đặc tính cảm biến nhiệt độ
6.3 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel
6.4 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu bán dẫn silic
6.5 Kỹ thuật nối dây

5:16 PM

4


Đại lượng nhiệt độ

Phân tích và giải thích
▪ Không giống với các đại lượng khác như:
chiều dài, thời gian,... Nhiệt độ là đại
lượng vật lý không thể đo trực tiếp được,
nhưng có thể xác định được thông qua sự
thay đổi của các đại lượng phụ thuộc (điện
trở, sự giãn nở).
▪ Vì vậy mà nhiệt độ còn có thể gọi là đại
lượng “ảo”. Và việc nhân chia, cộng trừ giá
5:16 PM

trị của đại lượng nhiệt độ là không có ý

5


Đại lượng nhiệt độ

Phân tích và giải thích
Các đại lượng nhiệt độ có thể xác định dựa vào:
▪ Sự thay đổi trạng thái của chất lỏng. Sự
thay đổi chiều dài (hay biến dạng) của vật
thể.
▪ Sự thay đổi điện trở của dây dẫn.
▪ Sự thay đổi áp suất của chất khí (với điều
kiện thể tích là CONST ).
▪ Sự thay đổi màu sắc của bóng đèn dây
5:16 PM

tóc.

6


Thang đo nhiệt độ

TrìnhFbày
và giải thích
(θ1 )
• Thang đo nhiệt độ tuyệt đối. η =
F(θ 2 )

• Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo
nhiệt độ. Việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định
thang đo nhiệt độ. Đặt F() = T chúng ta sẽ xác
định T như là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối
và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ

được viết như sau:
5:16 PM

η = 1−

T1
T2

7


Thang đo nhiệt độ

Trình bày và giải thích
• Thang Kelvin: Năm 1852, Thomson Kelvin xác định

thang đo nhiệt độ đơn vị là 0K và điểm cân bằng 3
trạng thái của nước là 273,15 0K. Một độ Celsius
bằng một độ Kelvin và quan hệ giữa nhiệt độ Celsius
và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức:

T(0C) = T(0K) – 273,15
5:16 PM

8


Thang đo nhiệt độ

Trình bày và giải thích
• Thang Celsius: T(0C) = T(0K) – 273,15



5
T( C) = T( F) − 32
9
0

0

• Năm 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điển

đưa ra thang nhiệt độ bách phân. Trong thang này
đơn vị đo nhiệt độ là 0C. Quan hệ giữa nhiệt độ
Celsius và Fahrenheit được cho theo biểu thức:
5:16 PM

9


Thang đo nhiệt độ

• Thang Fahrenheit:

Trình bày và giải thích

9 0
T( F) = T( C) + 32
5
0

• Năm 1706 Fahrenheit nhà vật lý Hà Lan đưa ra

thang nhiệt độ có điểm nước đá tan là 320 và sôi ở
2120. Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F).

5:16 PM

10


Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ

Trình bày và giải thích
Nhiệt độ
Điểm 0 tuyệt đối

Kelvin
(0K)
0

Hỗn hợp nước – nước

273,15
đá

Celsius
(0C)

Fahrenheit
(0F)

-273,15

-459,67

0

32

Cân bằng nước – nước
đá – hơi nước

273,16

0,01

32,018

Nước sôi

373,15

100

212

5:16 PM

11


Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo

Nhiệt độ đo được

Phân tích và giải thích

- Nhiệt độ đo được nhờ một điện trở hay một cặp
nhiệt, chính bằng nhiệt độ của cảm biến và kí hiệu
là TC. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường TX và
vào sự trao đổi nhiệt độ trong đó. Nhiệm vụ của
người thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số

TX – TC xuống nhỏ nhất.
5:16 PM

12


Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo

Nhiệt độ đo được

Phân tích và giải thích

- Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa TX và
TC:
+ Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi
trường đo.
+ Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và mơi
trường bên ngồi.

5:16 PM

13


Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo

Phân tích và giải thích

Đo nhiệt độ trong lịng vật rắn

- Thơng thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên
ngoài. Để đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt
độ, từ bề mặt của vật người ta khoan một lỗ nhỏ đường kính
bằng r và độ sâu bằng L. Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào
sâu trong chất rắn. Để tăng độ chính xác của kết quả phải
đảm bảo hai điều kiện:
5:16 PM

14

Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo

Phân tích và giải thích

Đo nhiệt độ trong lịng vật rắn

+ Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần
đường kính của nó (L≥ 10r).
+ Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách
giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan.
khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được
lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt
5:16 PM

15


Bản chất của dịng điện trong kim loại

Phân tích và giải thích
Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại

Chuyển động của e khi chưa có điện trường ngồi
5:16 PM

16

Bản chất của dòng điện trong kim loại

Quan sát và giải thích

Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
- Điện trường do nguồn điện ngồi sinh ra đẩy khí electron trơi
ngược chiều điện trường tạo ra dịng điện.

E

5:16 PM

Chuyển động của e khi có điện trường ngồi

17


Bản chất của dịng điện trong kim loại

Phân tích và giải thích

Ở nhiệt độ bình thường,
các ion chỉ dao động
nhiệt quanh các vị trí
cân bằng của chúng,
cịn các electron thì có
thể chuyển động tự do
trong

khoảng

khơng

gian giữa các ion bên
trong vật thể kim loại.
5:16 PM

18


Bản chất của dịng điện trong kim loại

Phân tích và giải thích
▪ Khi nhiệt độ càng cao → các ion dao động càng mạnh
→ sự mất trật tự càng tăng → vận tốc chuyển động
nhiệt của electron tăng → khả năng va chạm giữa ion
dương với electron càng lớn. Chính sự va chạm giữa
electron với các ion dương nằm mất trật tự trong mạng
tinh thể là nguyên nhân gây ra điện trở.
→ Vậy điện trở sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng.
5:16 PM

19


E

Quan sát và giải thíc

Bản chất của dịng điện trong kim loại

+

+

-

+

5:16 PM

-

+

+
+

+

20


Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ

Phân tích và giải thích
▪ R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C.t3 +…)
▪ R0: điện trở được xác định ở một nhiệt độ nhất
định.
▪ t2, t3: các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo

yêu cầu chính xác của phép đo.
▪ A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn
tả sự liên hệ giữa nhiệt độ và điện trở một cách rõ
ràng.

5:16 PM

21


Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
▪ Nguyên lý

Phân tích và giải thích

Dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu
theo nhiệt độ.
Tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có
dạng: R(T ) = R0 F (T − T0 )
Với R0 là điện trở ở nhiệt độ T0
F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F=1 khi T=T0.

Có 3 loại điện trở thường sử dụng hiện nay là: điện
trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng
hỗn hợp các oxit bán dẫn.
5:16 PM

22

Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ

Quan sát và giải thích

Điện trở

Sắt

Đồng

Than
0

5:16 PM

200

400

600

800

Nhiệt độ

23


Các loại cảm biến nhiệt điện trở kim loại
◼

Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có
dạng: R(T ) = R0 (1 + AT + BT 2 + CT 3 )
◼
◼

◼

Trong đó T đo bằng °C Phân tích và giải thíc
T0=0⁰C và A, B, C là các hệ số thực
nghiệm.

Khi độ biến thiên của nhiệt độ nhỏ điện
trở có thể coi như thay đổi theo hàm
tuyến tính: R( +  ) = R ( )(1 +   )
R


Các loại cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Phân tích và giải thích
◼

Với

R =

1 dR
R(T ) dT

gọi là 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 00C platin có αR =3,9.10-3 /⁰C.
Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có
thể đo được là
R
◼

◼
◼

R0
➔

min

Xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện
được:
Tmin

1 R
=
 R R0 min