CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP - CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ ppt

Chương 3
CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
1. Khái niệm chung
2. Nhiệt kế giãn nở
3. Nhiệt kế điện trở
4. Cặp nhiệt ngẫu
5. Hỏa kế
6. Các loại nhiệt kế khác
1. Khái niệm chung
1.1. Nhiệt độ:
• Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho
trạng thái nhiệt của vật chất ảnh hưởng
rất lớn đến nhiều tính chất của vật chất →
đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong
công nghiệp và nhiều lĩnh vực.
• Đo nhiệt độ: gián tiếp, dựa vào sự phụ
thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ.

1.2. Thang đo nhiệt độ
a)Thang nhiệt độ động học: do Thomson Kelvin
xây dựng trên cơ sở định luật nhiệt động học thứ
hai: công trong chu trình Cacnô tỷ lệ với độ chênh
nhiệt độ chứ không phụ thuộc chất đo nhiệt độ.
- Điểm chuẩn: điểm tan của nước đá =273,15K.
- Một độ K bằng độ chênh nhiệt độ ứng với 1%
công trong chu trình Cacnô giữa điểm sôi của
nước và điểm tan của nước đá ở áp suất bình
thường.

1.2. Thang đo nhiệt độ
• Quan hệ giữa nhiệt độ và công:

• Thang đo nhiệt độ tuyệt đối có tính chất thuần
túy lý luận, không thể thể hiện được trên thực
tế, nhưng thống nhất được đơn vị đo nhiệt độ
(do không phụ thuộc chất đo).
• Đối với chất khí lý tưởng:
⇒ Nhiệt kế khí độ chính xác cao.

100.
QQ
Q
T
0100
−
=
(K)

100.
VPVP
PV
T
00100100
−
=
(K)
1.2. Thang đo nhiệt độ
b) Thang Celsius : do Andreas Celsius thành
lập (1742) . Đơn vị
o
C.

điểm nước đá tan ⇒ 0
o
C
điểm nước sôi ⇒ 100
o
C.
• Nhận xét:
- 1
o
C = 1K.
- T(
o
C) = T(K) – 273,15

• Điển chuẩn:
1.2. Thang đo nhiệt độ
c)Thang Fahrenheit: do Fahrenheit thành lập
(1706). Đơn vị
o
F.


• Quan hệ giữa
o
F và
o
C:


• Điểm chuẩn:

Điểm nước đá tan ⇒ 32
o
F
Điểm nước sôi ⇒ 212
o
F


( ) ( )
32CT
5
9
FT
oo
+=
1.3. Nhiệt độ cần đo & nhiệt độ đo được
• Nhiệt độ cần đo (T
x
): nhiệt độ
thực của môi trường.
• Nhiệt độ đo được (T
c
): nhiệt độ
bộ phận cảm nhận của cảm biến.
• Xét cảm biến đo tiếp xúc (hình
vẽ) ⇒ Sai số: ∆T = T
x
- T
c
≠ 0.

•
Sai số∆T phụ thuộc:
- Trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.
- Trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và bên ngoài.




τ
−
−=
t
xc
keTT

A
mc
α
=τ
Với
1.4. Phương pháp đo nhiệt độ
a) Phương pháp đo tiếp xúc: khi đo, cảm
biến tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa
trên các hiện tượng:
+ Giản nở của vật liệu.
+ Biến đổi trạng thái của vật liệu.
+ Thay đổi điện trở của vật liệu.
+ Hiệu ứng nhiệt điện.

1.4. Phương pháp đo nhiệt độ

b) Phương pháp đo không tiếp xúc: khi đo
cảm biến không tiếp xúc với môi trường đo,
phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ
nhiệt của môi trường đo vào nhiệt độ:
+ Đo bằng hỏa kế bức xạ.
+ Đo bằng hỏa kế quang.

2. Nhiệt kế giãn nở
2.1. Nguyên lý đo: dựa vào sự giãn nở
(hoặc co lại) của vật liệu khi nhiệt độ tăng
(hoặc giảm).
• Thể tích: t - nhiệt độ
• Chiều dài:
( )
t1VtV
v0
α+=)(
( )
t1ltl
l0
α+=)(
2.2. Nhiệt kế giãn nở dùng chất
rắn
• Nhiệt kế gốm - kim loại (Dilatomet):



•
Nguyên lý: t tăng → ∆t:

∆l
k
>∆l
g
⇒ đầu A của thanh gốm dịch chuyển
sang phải: ∆l = ∆l
k
-∆l
g
= f(∆t) → đo ∆l ⇒t.















1. Thanh gốm
2. Ống kim loại
Thanh gốm giản nở :∆l
g

Ống kim loại giản nở: ∆l
k

2.3. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn
• Nhiệt kế kim loại - kim loại:



- Nguyên lý: t tăng ∆t → các thanh giản nở với ∆l
1
>∆l
2
⇒ do hai thanh liên kết với nhau → uốn cong
→ đầu A dịch chuyển: ∆l = ∆l
1
-∆l
2
= f(∆t) → đo ∆l
⇒t.
1. Kim loại 1: α
1
2. Kim loại 2: α
2
<

α
1

Cấu tạo

2.3. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn
• Đặc điểm:
- Cấu tạo đơn giản.
- Rẻ tiền.
- Tuổi thọ cao.
• Ứng dụng:
- Đo nhiệt độ < 700
o
C.
- Chuyển mạch (rơle nhiệt)
2.4. Nhiệt kế giãn nở chất lỏng
- Vỏ thuỷ tinh có α
tt
=2.10
-5
/
o
C
-
Thủy ngân có α
Hg
=18.10
-5
/
o

C
Hoặc dầu, rượu, cồn ….
•
Khi t tăng ∆t → chất lỏng giản nở
∆V.
Chất lỏng từ bình nhiệt dâng lên
ống mao dẫn một khoảng:
∆h=f(∆V) = f(∆t) → đo ∆h ⇒t.











1.
2.
3.
2.4. Nhiệt kế giãn nở chất lỏng
• Đặc điểm:
- Cấu tạo đơn giản.
- Rẽ tiền.
- Độ chính xác tương đối cao.
- Khó biến đổi thành tín hiệu điện.
- Ứng dụng:
- Đo nhiệt độ từ - 50 ÷ 600

o
C.
- Chuyển mạch (rơle nhiệt)

3. Nhiệt kế điện trở
3.1. Nguyên lý đo: dựa vào sự thay đổi điện
trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi:

Ví dụ cảm biến kim loại:


Đo R(T) ⇒ T


( ) ( )
00
TTfRTR −= .

( )
32
0
CTBTAT1R)T(R +++=
3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại
a) Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại.
- Loại điện trở dây quấn:

3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại
• Vật liệu
Thông số Pt Ni Cu W
T
f
(
o
C) 1769 1453 1083 3380
λ (W
o
C

-1
m
-1
)
73 90 400 120
ρ x10
8
(Ωm)
10,6 10 1,72 5,52
α
R
x10
3
(
o
C
-1
)
3,9 4,7 3,9 4,5
ρ
100
/ ρ
0
1,385 1,617 - -
T
làm

việc
(
o

C)
-200 ÷ 1000
< 250
< 180 < 1600
Tính bền nhiệt Bền Kém bền Kém bền Bền
Tính ổn định Cao Thấp Thấp Thấp
Độ tuyến tính - - Cao Cao
3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại
Nhiệt kế bề mặt:
-

-
1.
Điện trở
2.
Tấm vật liệu
cách điện




Tính chất Ni Ni – Fe Pt
Độ nhạy nhiệt α
R
.10
3
(
o
C
-1

) ~ 5,0 ~ 5.0 ~ 4,0
Khoảng n.độ làm việc (
o
C)
- 195÷260 - 195÷ 260 - 260÷ 1400

3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại
• Nguyên lý làm việc: dựa trên sự thay đổi điện
trở:

Khi biến thiên ∆T nhỏ:
Hệ số: → Hệ số nhiệt điện trở





( )
32
0
CTBTAT1RTR +++=)(
( )( )
T1TRTTR
R
α+=∆+ )(
dT
dR
R
1
R
.=α

dT
ds
s
1
dT
dl
l
1
dT
d1
dT
dR
R
1
R
−+
ρ
ρ
==α
3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại
Đặt:



Do α
ρ
>> α
l
⇒ α
R

≈
α
ρ
→ sự thay đổi kích thước ảnh
hưởng không đáng kể.
Vậy: Khi nhiệt độ tăng điện trở suất vật liệu tăng ⇒
điện trở tăng → đo điện trở ⇒ nhiệt độ.





;
dT
d1 ρ
ρ
=α
ρ

;
dT
dl
l
1
l
=α

ls
2

dT
ds
s
1
α==α
lllR
2
dT
dR
R
1
α−α=α−α+α==α
ρρ

⇒
3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại
c) Đặc điểm, ứng dụng:
- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo
- Độ chính xác khá cao
⇒
Đo nhiệt độ thấp và trung bình (thường dưới
1000
o
C) môi trường khí, lỏng, rắn.
⇒
Đo nhiệt độ bề mặt.
3.3. Nhiệt kế điện trở silic
a) Cấu tạo: chế tạo từ đơn
tinh thể Si pha tạp loại N, kích
thước cỡ 500x500x240 (µm).

b)Đặc trưng: Trong khoảng
nhiệt độ (-55 ÷ 200
o
C) hệ số
nhiệt điện trở dương (~7.10
-3
/
o
C ở 25
o
C). Sự phụ thuộc của
điện trở vào nhiệt độ biểu diễn
gần đúng theo công thức:

500µm
24
0µ
m
500µm

( ) ( )
[ ]
2
000T
TTBTTA1RR −+−+=
3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn
a)Cấu tạo: được chế tạo
từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa
tinh thể như: MgO, MgAl
2
O

4
,
Mn
2
O
3
, Fe
3
O
4
, Co
2
O
3
, NiO,
ZnTiO
4
.
Hỗn hợp bột oxyt được trộn
theo tỉ lệ thích hợp → được
nén định dạng → thiêu kết ở
nhiệt độ ~ 1000
o
C. Vỏ bọc
bằng thủy tinh.

1.
2.
3.
3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn
• Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở vào
nhiệt độ theo biểu thức:


Hệ số nhiệt điện trở:

• Gần đúng: và

Với B = 3.000 - 5.000K.

















−β






=
0
2
0
0
T
1
T
1
exp
T
T
R)T(R

2
R
T
b+β
=α















−=
0
0
T
1
T
1
BRTR exp)(

2
R
T
B
−=α