thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy trộn, chương 8 potx

Chương 8: ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG ĐIỆN TRỞ
5.3.1 Độ nhạy nhiệt
Trong trường hợp tổng quát, giá trò của một điện trở phụ thuộc
vào nhiệt độ:
R(T) = R
0
F(T-T
0
)
(5-6)
R
0
là điện trở ở nhiệt độ T
0
và F là hàm đặc trưng cho vật liệu,
F=1 khi T=T
0
.
Trường hợp kim loại :
R(T) = R
0
(1+AT+BT
2
+ CT
3
)
(5-7)
Trong đó T đo bằng độ
o
C và T
0

=0
o
C
Trường hợp nhiệt điện trở (hỗn hợp của các oxit bán dẫn):
R(T) = R
0
.exp{B[
0
11
TT

]}
(5-8)
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối.
Các hệ số được xác đònh chính xác bằng cách đo những nhiệt
độ đã biết trước. Khi đã biết giá trò của các hằng số, từ giá trò
của R người ta xác đònh được nhiệt độ cần đo.
Khi độ biến thiên nhiệt độ
T (xung quanh giá trò T) nhỏ,
nhiệt độ có thể thay đổi theo hàm tuyến tín:
R(T+ T)=R(T).(1+
R
T)

(5-9)

R
=
dT
dR

TR )(
1

(5-10)

R
là hệ số nhiệt độ của điện trở hay độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ
T. Hệ số

R
phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ. Thí dụ, ở nhiệt
độ 0
o
C:
-Platin (Pt) có hệ số

R
= 3,9.10
-3
/
o
C.
-Một số loại nhiệt điện trở có

R
= 5,2.10
-2
/
o
C.

Chất lượng của thiết bò đo xác đònh giá trò nhỏ nhất mà nó có
thể đo được





0
R
R
min
do vậy nó cũng xác đònh sự thay đổi nhỏ nhất
của nhiệt độ có thể phát hiện được





0
R
R
min
 T
min
nghóa là
T
min
=
R


1





0
R
R
min
Thí dụ, nếu





0
R
R
min
=10
-6
và đối với những phép đo xung
quanh điểm
o
C thì:
-
T
min
 2,6.10

–4o
C đối với điện trở Pt
-
T
min
 2,0.10
-5o
C đối với nhiệt điện trở
Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở phụ thuộc đồng
thời vào điện trở suất
 và kích thước hình học của nó. Đối với
một dây điện trở chiều dài
l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ được
tính theo biểu thức:

R
=
dT
dR
TR )(
1
=
dT
ds
sdT
dl
ldT
d 111





(5-11)
Trong đó :






dT
d
1
- hệ số nhiệt độ của điện trở suất của vật liệu

l
dT
dl
l


1
-hệ số co giãn của vật liệu

l
dT
ds
s

2

1

Do đó:
lR






Thông thường các điện trở sử dụng để đo nhiệt độ có các hệ
số

R
10
-3
/
C
0
, và 
l
10
-5
/
C
0
,

cho nên trên thực tế
R

=
P
.
5.3.2 Điện trở kim loại
5.3.2.1 Chọn Kim Loại
Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác
người ta thường làm điện trở bằng Pt, Ni. Đôi khi còn dùng Cu,
W để chế tạo điện trở.
Plantin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao
(99,999
). Điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính
chất điện củavật liệu. Ngoài ra, tính trơ về hoá học và sự ổn
đònh về cấu trúc của plantin đảm bảo sự ổn của các đặc tính dẫn
điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này. Các điện trở làm
bằng platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng với
T=-200
C
0
1000
C
0
nếu như vỏ bảo vệ của nó cho phép.
Nikel có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin. Điện trở
của nikel ở 100
C
0
lớn gấp 1,617 lần so với giá trò ở 0
C
0
. Đối với

platin sự chênh lệch của điện trở ở hai nhiệt độ này chỉ bằng
1,385. Tuy vậy nikel là chất có hoạt tính hoá học cao, nó dễ bò
ôxy hoá khi nhiệt độ làm việc tăng. Điều này làm giảm tính ổn
đònh của nó và hạn chế dải nhiệt độ làm việc của điện trở.
Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt độ
thấp hơn 250
C
0
.
Đồng được sử dụng trong một số trường hợp bởi vì sự thay đổi
nhiệt của các điện trở chế tạo bằng đồng có độ tuyến tính cao.
Tuy vậy, do hoạt tính hóa học của đồng quá lớn nên các điện trở
loại này chỉ được sử ở nhiệt độ T<180
C
0
. Ngoài ra, do điện trở
suất của đồng nhỏ nên muốn có điện trở trò số cao phải tăng
chiều dài của dây làm tăng kích thước của điện trở.
Wonfram có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ
dưới 100K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ
tuyến tính tốt hơn. Từ wonfram có thể chế tạo các sợi dây rất
mảnh để làm các điện trở có trò số cao, hoặc là tối thiểu hoá
kích thước của các điện trở. Tuy nhiên ứng suất (tạo ra trong quá
trình kéo sợi) trong wonfram rất khó có thể bò triệt tiêu hoàn
toàn bằng phương pháp ủ nhiệt. Vì thế các điện trở wonfram có
độ ổn đònh nhiệt nhỏ hơn so với các điện trở chế tạo từ platin.
Trong bảng 5.2 dưới đây liệt kê một số đặc trưng vật lý quan
trọng của các vật liệu thường được sử dụng để chế tạo điện trở.
Các ký hiệu trong bảng có ý nghóa như sau:
T

f
- nhiệt độ nóng chảy
c - nhiệt lượng riêng ở 20
o
C
t

- độ dẫn nhiệt
l

- hệ số giãn nở tuyến tính

- điện trở suất ở 20
o
C


- hệ số nhiệt độ của điện trở suất ở 20
o
C
Bảng 5.2
Cu Ni Pt W
)( CT
o
f
1083 1453 1769 3380
)(
11 
kgCJc
o

400 450 135 125
)(
11 
mCW
o
t

400 90 73 120
)(
1
C
o
l

16,7. 10
-
6
12,8. 10
-
6
8,9. 10
-6
6. 10
-6
).( m


1,72. 10
-
8

10. 10
-8
10,6. 10
-
8
5,52. 10
-
8
)(
1
C
o


3,9. 10
-3
4,7. 10
-3
3,9. 10
-3
4,5. 10
-3
5.3.2.2 Chế Tạo Nhiệt Kế
Giá trò điện trở và kích thước dây:
Một cách tổng quát, sự thay đổi nhiệt của một điện trở
R=R
R
T sẽ gây nên một điện áp do V
m
=R.i, trong đó i là

dòng điện chạy qua điện trở. Thông thường i được giới hạn ở giá
trò một vài mA để tránh làm nóng đầu đo. Để có độ nhạy cao
phải sử dụng các điện trở tương đối lớn. Muốn vậy phải:
- Giảm tiết diện dây. Việc này bò hạn chế bởi vì tiết diện dây
càng nhỏ thì dây càng dể bò đứt.
- Tăng chiều dài dây. Việc này cũng bò giới hạn vì tăng chiều
dài dây làm tăng kích thước điện trở.
Giải pháp nhân nhượng :
Một giải pháp nhân nhượng thường được áp dụng: ấn đònh giá
trò R
 100 ở 0
o
C. Khi đó, nếu dùng platin đường kính dây cỡ
vài chục
m và chiều dài khoảng 10cm, sau khi cuốn lại sẽ
nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Trên thực tế các sản
phẩm thương mại có điện trở 0
o
C là 50 , 500, và 1000. Các
điện trở trò số lớn thường được sử dụng để đo ở dải nhiệt độ
thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt.
Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có
vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động. Trong
trường hợp này điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong
thủy tinh hoặc gốm đặt trong vỏ kín bằng thép.
Khi chọn vật liệu chế tạo nhiệt kế cần chú ý đến hệ số giãn
nở nhiệt của các vật liệu cấu thành để tránh gây ứng suất trong
quá trình làm việc. Độ kín của vỏ bọc cần được đảm bảo một
cách tuyệt đối. Ngoài ra vật liệu bọc dây điện trở phải có độ
cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân có thể dẫn đến

làm hỏng kim loại. Vì lý do này mỗi loại vật liệu chỉ được dùng
trong một khoảng nhiệt độ nhất đònh: dưới 500
o
C đối với thủy
tinh và dưới 10000
o
C đối với gốm.
Nhiệt kế bề mặt:
Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn.
Nó thường được chế tạo bằng phương pháp quan hoá và sử dụng
các vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt (Pt được sử dụng
khi cần độ chính xác cao). Chiều dày lớp kim loại cỡ một vài
m và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm
2
. Các đặc trưng của nhiệt kế
bề mặt như sau:
-Độ nhạy

R
: 5. 10
-3
/
o
C đối với trường hợp Ni và Fe-Ni

4. 10
-3
/
o
C đối với trường hợp Pt

-Dải nhiệt độ sử dụng: từ - 195
o
C đến 260
o
C đối với Ni và
Fe-Ni
từ - 260
o
C đến 1400
o
C đối với Pt
Khi sử dụng nhiệt kế được dán trên bề mặt cần đo nhiệt độ.
Tỷ lệ bề mặt /thể tích cao và trở kháng nhiệt nhỏ của đế đảm
bảo cho thời gian hồi đáp cỡ mili giây. Tuy nhiên cần phải lưu ý
là nhiệt kế bề mặt rất nhặy với mọi biến dạng của cấu trúc bề
mặt được dán nhiệt kế. Hệ số cảm biến của nikel phụ thuộc vào
biến dạng: giá trò của nó nhỏ khi bò nén. Bởi vậy nếu không thể
dán nhiệt kế trên vùng không có biến dạng thì tốt nhất là dán nó
trên vùng bò biến dạng nén.
Một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sai số của phép đo là
biến dạng gây nên do sự khác nhau giữa độ giãn nở của nhiệt kế
và của cấu trúc nằm dưới bề mặt. Hiệu ứng này đặc biệt lớn khi
nhiệt độ đo lớn hơn nhiều so nhiệt đô(â của môi trường xung
quanh. Bởi vậy các nhà thiết kế phải được cung cấp những số
liệu về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ đối với vật liệu
cần đo.