thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy trộn, chương 10 pdf

Chương 10: Điện trở Silic
Đây là một điện trở bán dẫn, nó khác với những nhiệt điện
trở nói trên ở những điểm sau:
- Hệ số nhiệt độ của điện trở suất có giá trò dương, cỡ 0,7
 /

o
C ở 25
o
C. Sự thay đổi nhiệt độ của nó tương đối nhỏ nên có thể
tuyến tính hoá đặc tuyến của cảm biến trong vùng nhiệt độ làm
việc (hình 5.2) bằng cách mắc thêm một điện trở phụ (song song
hoặc nối tiếp tùy thuộc vào mạch đo ).
- Khoảng nhiệt độ sử dụng bò hạn chế trong khoang’ từ -50
o
C
đến 120
o
C. Các điện trở silic được chế tạo bằng công nghệ
khuyếch tán tạïp chất vào đơn tinh thể silic. Sự thay đổi nhiệt
của điện trở suất của silic phụ thuộc vào nồng độ pha tạp và vào
nhiệt độ.
Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 120
o
C (khoang( nhiệt độ làm việc của
điện trở silic), điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng do độ linh
động của hạt tải giảm mà nồng độ của chúng trên thực tế không
thay đổi. Nồng độ không đổi được tạo ra do pha tạp, nó lớn hơn
rất nhiều so với nồng độ gây nên bởi sự ion hoá (hình thành cặp
điện tử-lỗ trống). Hệ số nhiệt độ của điện trở càng nhỏ khi pha
tạp càng mạnh.

2000
1500
1000
500
300
-55 -25 0 25 50 75 100
R ()
đầu đo
tuyến tính hoá
với R = 2,6 k

tuyến tính hoá với R = 2,5 k
Nhiệt độ (C)
Hình 5.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở Silic.
Trong trường hợp nhiệt độ lớn hơn 120
o
C, điện trở suất giảm
khi nhiệt độ tăng. Quá trình ion hoá do nhiệt (chuyển mức của
điện tử từ vùng hoá trò lên vùng dẫn) chiếm ưu thế làm cho nồng
độ hạt tải tăng lên lớn hơn là nồng độ pha tạp. Hệ số nhiệt của
điện trở suất trong vùng này không phụ thuộc vào pha tạp: đây
là trường hợp bán dẫn riêng.
5.4 ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG CẶP NHIỆT
5.4.1 Đặc trưng chung-độ nhạy nhiệt
Cặp nhiệt có cấu tạo gồm hai dây dẫn A và B được nối với
nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T
1
và T
2
. Suất điện động E phụ

thuộc vào bản chất vật liệu làm các dây dẫn A, B và vào nhiệt
độ T
1
và T
2
. Thông thường nhiệt độ của một mối hàn được giữ ở
giá trò không đổi và biết trước, gọi là nhiệt độ chuẩn (T
1
= T
ref
).
Nhiệt độ T
2
của mối hàn thứ hai, khi đặt trong môi trường
nghiên cứu nó sẽ đạt giá trò T
c
chưa biết. Nhiệt độ T
c
là hàm của
nhiệt độ T
x
và của các quá trình trao đổi nhiệt (có thể xảy ra).
Việc sử dụng cặp nhiệt có nhiều lợi thế. Kích thước cặp nhiệt
nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng nghiên
cứu và tăng tốc độ hồi đáp (do nhiệt dung nhỏ). Một ưu điểm
quan trọng nữa là cặp nhiệt cung cấp suất điện động nên khi đo
không cần có dòng điện chạy qua và do vậy không có hiệu ứng
đốt nóng.
Tuy nhiên sử dụng cặp nhiệt cũng có điều bất lợi: phải biết
trước nhiệt độ so sánh T

ref
, và do vậy sai số T
ref
cũng chính là
sai số của T
c
.
-10
10
20
30
40
50
60
70
100 200 600 1000 1600 1800
E
J
K
R
S
B
E(mV)
T(
C)
T
E
J
K
T

E : Chromel / Constantan
J : Sắt / Constantan
T : Đồng / Constantan
K : Chromel / Alumel
R : Platin-Rodi (13%) / Platin
S : Platin-Rodi (10%) / Platin
B : Platin-Rodi (30%) /
Platin-Rodi (6%)
Hình 5.3 Sự thay đổi nhiệt của suất điện động E của một số
loại cặp nhiệt.
Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng của nhiệt độ
là hàm không tuyến tính của T
c
(hình 5.3). Mỗi loại cặp nhiệt có
một bảng chuẩn (ghi giá trò của suất điện động phụ thuộc vào
nhiệt độ) và một biểu thức diễn giải sự phụ thuộc của suất điện
động vào nhiệt độ. Thí dụ, đối với cặp nhiệt platin-
30
rodi/platin-6rodi, trong khoảng nhiệt độ từ 0
o
C đến 1820
o
C theo chuẩn NFC42-321 sự phụ thuộc của suất điện động E
vào nhiệt độ có dạng :




8
0

i
i
i
i
TaE
Trong đó: E đo bằng m và T đo bằng
o
C. Giá trò cụ thể của
các hệ số a
i
trong biểu thức trên như sau:
a
0
= 0 a
1
= -2,4674601620.10
-1
a
2
=5,9102111169. 10
-3
a
3
= -1,4307123430. 10
-6
a
4
= 2,1509149750. 10
-9

a
5
= -3,1757800720. 10
-12
a
6
= 2,40103 67459. 10
-15
a
7
= -9,0928148159. 10
-19
a
8
= 1,3299505137. 10
-22
Đối với một số loại cặp nhiệt khác, khoảng nhiệt độ làm việc
của chúng có thể chia ra những vùng nhỏ. Trong mỗi vùng như
thế, mối quan hệ giữa suất điện động và nhiệt độ được mô tả
bằng một biểu thức riêng đặc trưng cho vùng.
Nói chung mỗi loại cặp nhiệt có một giới hạn của dải nhiệt độ
làm việc, từ -270
o
C đối với cặp nhiệt đồng/vàng-coban đến
2700
o
C đối với cặp nhiệt wonfram-reni 5%/wonfram-reni 26%.
Như vậy, cặp nhiệt có dải nhiệt độ làm việc rộng hơn nhiều so
với nhiệt kế điện trở và đây cũng là một ưu điểm của chúng.
Độ nhạy nhiệt (hay còn gọi là năng suất nhiệt điện) của cặp

nhiệt điện ở nhiệt độ T
c
được xác đònh bởi biểu thức :

c
BA
c
dT
dE
Ts
/
)( 

(5-19)
Trong đó: s là hàm của nhiệt độ và có đơn vò là V/
o
C. Thí
dụ:
Cặp nhiệt Fe/constantan:
s(0
o
C)=52,9V/
o
C,s(700
o
C)=63,8V/
o
C
Cặp nhiệt Pt-Rh(10%)/Pt
s(0

o
C)=6,4V/
o
C,s(1400
o
C)=11,93V/
o
C
5.4.2 Các hiệu ứng nhiệt điện
Trong các chuỗi (dãy) dẫn điện nối tiếp dạng kim loại-chất
lỏng hay kim loại-bán dẫn có các hiệu ứng nhiệt điện (thí dụ
hiệu Joule). Chúng được thể hiện thông qua sự chuyển đổi giữa
năng lượng của dao động nhiệt và năng lượng điện của các hạt
tải chuyển động.
5.4.2.1 Hiệu ứng Peltier
Ở tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất
nhưng cùng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc
(hình 5.4a). Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào bản chất của
vật dẫn và nhiệt độ:
V
M
– V
N
= P
T
A/B

(5-20)
Đây chính là suất điện động Peliter.
Đònh luật Volta phát biểu như sau: trong một chuỗi cách nhiệt

được cấu thành từ những vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động
Peltier bằng 0. Thí dụ, trong một chuỗi gồm bốn vật dẫn A, B,
C, D mắc nối tiếp (hình 5.4b), tổng suất điện động sẽ bằng 0:
P
T
A/B
+ P
T
B/C
+ P
T
C/D
+ P
T
D/A
= 0
(5-21)

Nếu tổng suất điện động trong mạch khác không thì sẽ có
dòng điện chạy trong mạch và xảy ra sự tổn hao năng lượng do
hiệu ứng Joule, điều này trái với đònh luật Carnot nói rằng trong
một hệ ở cùng nhiệt độ sẽ không tạo ra năng lượng.
Như vậy có thể kết luận, khi hai vật dẫn A và D được phân
cách bởi các vật trung gian và toàn hệ thống được cách nhiệt thì
hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và D ở đầu mút cũng chính
bằng hiệu điện thế nếu như chúng (A và D) tiếp xúc trực tiếp
với nhau.
5.4.2.2 Hiệu ứng Thomson
Trong một vật dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và N có
nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động (hình 5.4c).

Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và
nhiệt độ T
M
, T
N
của hai điểm M và N:



M
N
NM
T
T
A
TT
A
dThE

(5-22)
Trong đó h
A
là hệ số Thomson.
N
M
A
(T)
(T)
c)
EA

T
M
T
N
A
D
C
B
b)
M
(T)
a)
A
(T)
T
PA/B
N
B
A
B
(T)
(T1)
(T2)
a
d
c
b
Hình 5.4 Các hiệu ứng nhiệt điện a)hiệu ứng Pleitier b)hiệu
ứmg Volta
c)hiệu ứng Thomson d)hiệu ứng Seebeck.

.
5.4.2.3 Hiệu ứng Seebeck
Giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A B và hai
chuyển tiếp của chúng được giữ ở nhiệt độ T
1
và T
2
(hình 5.4d),
khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện
này sẽ gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng
thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. Suất điện động đó gọi
là suất điện động Seebeck.
Thật vậy, suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và a lần
lượt bằng:


2
1
T
T
Aab
dThe
2
/
T
BAbc
Pe 


2

1
T
T
Bcd
dThe
2
/
T
ABda
Pe 
Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động
thành phần Peltier và Thomson ở trên:

 


2
1
1212
///
T
T
BA
T
BA
T
BA
TT
BA
dThhPPE

(5-23)
Nếu chọn nhiệt độ T
1
làm nhiệt độ so sánh và lấy T
1
=0
o
C, khi
đó đối với một cặp vật dẫn A và B cho trước, suất điện động chỉ
phụ thuộc vào T
2
.