ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ pot

CHƯƠNG II
ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ
z I. CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ
z * Giới thiệu:
z Một phương pháp phổ biến để đo lường nhiệt độ là sử
dụng Bộ phát hiện nhiệt điện trở (RTD: Resistive
Temparature Detector). Đây là một loại dụng cụ đo nhiệt
điện cung cấp độ chính xác cao: Các RTD công nghiệp đơn
giản được sử dụng trong một quá trình chế tạo có độ chính
xác ±0.10C, trong khi các cảm biến nhiệt điện trở Platin
tiêu chuẩn có độ chính xác là ±0.00010C.
z Điện trở của các kim loại dùng để chế tạo cảm biến
thay đổi theo một quy luật đã biết trước, phụ thuộc vào việc
tăng hay giảm của nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của
kim loại tăng. Khi nhiệt độ giảm, điện trở của kim loại
giảm. Các RTD sử dụng các tính chất này làm cơ sở để thực
hiện đo lường nhiệt độ.
Phần quan trọng nhất của RTD là một cuộn dây có
đường kính nhỏ, có tính đồng nhất cao, thường được chế
tạo từ platin, đồng hay niken.
- Trong số các vật liệu dùng để chế tạo cuộn dây cho RTD, platin là vật
liệu tốt nhất do tính ổn đònh lâu dài của nó theo thời gian ở nhiệt độ cao,
khả năng chống oxi hóa, và tầm nhiệt độ làm việc rất lớn.
- Trong dụng cụ đo sử dụng RTD, có 1 dòng điện không đổi chạy qua
RTD, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở của RTD, do đó sẽ
làm thay đổi điện áp đo được trên RTD. Sau đó điện áp được biến đổi trở
lại thành giá trò nhiệt độ bằng cách tính toán dựa vào mối quan hệ của
chúng.
-Các ye
á
u to

á
a
û
nh h
ư
ơ
û
ng đe
á
n sai so
á
cu
û
a ca
û
m bie
á
n: đo
à
ng
chất, biến dạng, độ căng của dây quấn.
- Với mỗi RTD có cấu tạo từ các kim loại khác nhau, nó
có độ nhạy, độ chính xác và tầm nhiệt độ khác nhau. Độ
nhạy của RTD được đònh nghóa là độ thay đổi điện trở của
cảm biến trên độ thay đổi của nhiệt độ. Với một số kim
loại thông dụng dùng để chế tạo RTD độ nhạy của nó
biến đổi theo quy luật sau:
Độ chính xác của RTD lớn hơn rất nhiều so với cảm biến
nhiệt Thermocouple trong phạm vi nhiệt độ làm việc bình
thường của RTD (-188.440C đến 648.880C). RTD cũng

có độ ổn đònh và độ chính xác lặp cao, do đó nó thường
được ứng dụng trong các lónh vực cần độ chính xác cao và
dùng để đònh chuẩn cho các thiết bò khác.
Hệ số nhiệt điện trở:
- Với mỗi kim loại dùng để chế tạo RTD có độ thay đổi của
điện trở theo nhiệt độ khác nhau. Hệ số nhiệt điện trở được
đònh nghóa như sau:
R100: Điện trở của cảm biến ở 100 độ C.
R0: Điện trở của cảm biến ở 0 độ C.
- Với hệ số nhiệt càng lớn thì độ thay đổi của điện trở theo
nhiệt độ càng lớn. Trong các vật liệu thường dùng để chế
tạo RTD, nikel có hệ số nhiệt điện trở cao nhất, Đồng
(copper) có hệ số nhiệt nhỏ nhất.
0
0
0100
100 CxR
RR
−
=
α
Ca
á
u tạo RTD:
- Cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn (SPRT: Standard
Platinium Resister Thermometer) là loại RTD có độ chính xác cao
nhất, chúng rất dễ vỡ, mỏng manh và được sử dụng chủ yếu trong
phòng thí nghiệm. Do nó mỏng manh, điện trở bò dao động nên nó
không đủ độ bền để sử dụng trong môi trường công nghiệp. SPRT
có độ chính xác lặp cao, độ trôi thấp nhưng giá thành nó rất cao do

vật liệu chế tạo và công nghệ chế tạo kỹ thuật cao. Trong SPRT,
dây Platin được sử dụng có đường kính lớn, có độ đồng chất cao.
Các đầu dây bên trong được chế tạo từ hỗn hợp Platin, Thạch Anh
và Silic. SPRT được sử dụng trên tầm nhiệt độ rất rộng, từ -2000C
đến hơn 10000C. Với các SPRT có nhiệt độ cao nhất khoảng
6600C, R0 khoảng 25.5Ω. Với các SPRT có tầm nhiệt độ cao hơn,
R0 khoảng 2.5Ω hoặc 0.25Ω. SPRT có thể có độ chính xác
±0.00010C nếu được sử dụng hợp lý.
- Với loại Cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn thứ cấp
(Secondary SPRT), chúng cũng thường được sử dụng trong các
phòng thí nghiệm. Cấu tạo của chúng cũng giống như SPRT, tuy
nhiên vật liệu dùng để chế tạo rẻ hơn, vỏ kim loại và kết hợp với
sứ cách điện. Các đầu dây bên trong thường sử dụng hợp kim
nickel.
II. CẢM BIẾN NHIỆT THERMOCOUPLE
-Mặc dù có nhiều loại cảm biến nhiệt được phát minh, chế tạo
và ứng dụng vào thực tế, nhưng Thermocouple (cặp nhiệt điện)
vẫn là loại cảm biến nhiệt được sử dụng phổ biến nhất để đo
lường nhiệt độ trong mọi lónh vực do: tính linh hoạt, đơn giản,
dễ sử dụng và giá thành vừa phải. Bất kỳ một cặp dây dẫn điện
và một vật liệu nhiệt điện khác loại đều có thể được ghép với
nhau để tạo thành cặp nhiệt điện.
- Hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện
Seebeck. Theo hiệu ứng này, nhiệt độ không đồng nhất giữa
các phần tử nhiệt sẽ tạo ra một điện áp, dựa vào mối quan hệ
của điện áp này với nhiệt độ, ta có thể tính ra được nhiệt độ
tương ứng. Tuy nhiên, cặp nhiệt điện cũng là một nguồn gây
nhiễu tần số thấp trong các mạch điện tử xung quanh nó.
1. Thermocouple đơn giản

- Trong các ứng dụng đơn giản, đồng hồ đo nhiệt sử dụng cặp
nhiệt dễ dàng sử dụng như các đồng hồ vạn năng thông
thường. Hiện nay, trong một số đồng hồ đo vạn năng có tích
hợp thêm đầu dò đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt. Các đầu dò
đo nhiệt này được thiết kế phù hợp để đo lường nhiệt độ bề
mặt lẫn nhiệt độ bên trong của đối tượng cần đo.
Có 3 hiệu ứng nhiệt điện là Seebeck, Peltier và Thompson.
Trong 3 hiệu ứng này, chỉ có hiệu ứng Seebeck là biến đổi
năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và tạo ra điện áp
được sử dụng trong các đồng hồ đo nhiệt. Các hiệu ứng
Peltier và Thompson chỉ vận chuyển nhiệt bởi dòng điện và
phân phối lại trong một mạch điện.
2. Các hiệu ứng nhiệt
Hiệu ứng Seebeck
Có 3 hiệu ứng nhiệt điện là Seebeck, Peltier và Thompson.
Trong 3 hiệu ứng này, chỉ có hiệu ứng Seebeck là biến đổi
năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và tạo ra điện áp
được sử dụng trong các đồng hồ đo nhiệt. Các hiệu ứng
Peltier và Thompson chỉ vận chuyển nhiệt bởi dòng điện và
phân phối lại trong một mạch điện.
Hiệu ứng Seebeck là sự xuất hiện của một nguồn sức điện
động, gọi là sức điện động Seebeck tuyệt đối , giữa 2 điểm
trong bất kỳ vật liệu dẫn điện riêng biệt nào do sự khác biệt
về nhiệt độ giữa chúng. Sức điện động Seebeck xuất hiện mà
không cần phải trên 2 vật liệu khác biệt nhau. Nó không phải
là một hiện tượng tiếp xúc, cũng không liên quan đến điện
thế tiếp xúc Volta.
Các tính chất Seebeck tuyệt đối:
-Hệ số Seebeck tuyệt đối biểu diễn độ nhạy đo lường [V/đơn
vò nhiệt độ] của hiệu ứng Seebeck. Nó được đònh nghóa trên

bất kỳ miền nhiệt điện đồng nhất nào của một vật dẫn riêng
biệt nào đó.
Hệ số Seebeck biểu diễn tính chất vận chuyển của tất cả các
vật liệu dẫn điện.
Với ΔΕ là độ biến thiên sức điện động giữa 2 điểm với bất kỳ khoảng cách nào,
giữa chúng có độ chênh lệch về nhiệt độ là
Ỉ Sức điện động Seebeck của mỗi loại vật liệu chỉ phụ thuộc
vào nhiệt độ ở 2 điểm và không phụ thuộc vào gradient nhiệt
độ của 2 điểm.Hệ số Seebeck là một hàm phi tuyến theo
nhiệt độ, không phải là một hằng số. Đối với các đồng hồ đo
nhiệt chính xác, hệ số Seebeck chỉ phụ thuộc duy nhất vào
nhiệt độ. σ(T) không thể thay đổi dọc theo một phần tử nhiệt,
cũng như không được thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian
sử dụng. Ngoài ra, các đồng hộ đo nhiệt chính xác phải không
bò ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như sức căng, áp
suất, từ trường…
- Gọi là hệ số Seebeck tuyệt đối của một vật liệu M.
Nguồn điện áp tương ứng trong vật liệu đó là sức điện động
Seebeck tuyệt đối là một yếu tố vật lý tồn tại nhưng
không thể dễ dàng quan sát. Hệ số Seebeck tuyệt đối có thể
xác đònh gián tiếp bằng cách đo hệ số Thompson τ của vật
liệu đó và sử dụng mối quan hệ Kelvin, nhằm mục đích giảm
các tính toán động học nhiệt liên quan đến hệ số Seebeck.
)(T
M
σ
)(TE
M
Các tính chất Seebeck tương đối:
Sự khác nhau giữa sức điện động Seebeck của 2 phần tử nhiệt, là 2 vật

liệu A và B của một cặp nhiệt với một tiếp xúc chung ở nhiệt độ Tm, và
cả 2 đầu cuối của chúng ở một nhiệt độ chuẩn vật lý, Tf, là sức điện động
Seebeck tương đối,
Hệ số Seebeck tương đối tương ứng là
Các giá trò tương đối này có thể quan sát trực tiếp, do đó nó thường được
sử dung trong các đồng hồ đo nhiệt. Các giá trò tương đối này thường được
biểu diễn ở dạng bảng của sức điện động Seebeck theo nhiệt độ cần đo,
Tm, với một nhiệt độ chuẩn Tf nào đó. Trong thực tế, Tf thường sử dụng
là , với
CT
o
0
0
=
Cặp nhiệt thường được biểu diễn ở dạng một cặp phần tử nhiệt làm bằng 2
vật liệu khác nhau, được nối với nhau bởi 2 tiếp xúc trong một vòng kín. Một tiếp
xúc ở nhiệt độ Tm, gọi là tiếp xúc đo, còn tiếp xúc còn lại ở nhiệt độ Tf, gọi là tiếp
xúc chuẩn. Sức điện động Seebeck tỷ lệ với sự khác biệt nhiệt độ giữa 2 tiếp
xúcvà tỷ lệ với hệ số tương đối của 2 vật liệu.
Đặc tính của hiện tượng Seebeck sẽ không còn đúng khi xuất hiện dòng điện
trong vòng kín. Tính chất đúng của hiện tượng Seebeck là xuất hiện một nguồn
sức điện động, trong các đồng hồ đo chính xác, phải được đo ở chế độ vòng hở.
Trong đồng hồ đo nhiệt thực tế, mạch cặp nhiệt không chỉ có 2 vật liệu khác nhau
mà có một số vật liệu, và tạo ra một số sức điện động Seebeck. Các mạch đo
nhiệt phổ biến nhất có 2 tiếp xúc chuẩn riêng biệt.
3. Các mạch cặp nhiệt thực tế
-Với các cặp nhiệt sử dụng nhiệt độ chuẩn Tf khác T0, cần phải cộng
thêm một sức điện động tương đương vào sức điện
động của cặp nhiệt.
-Trong thực tế, có 2 loại cặp nhiệt thường được sử dụng phổ biến là: cặp

nhiệt 1 tiếp xúc chuẩn và cặp nhiệt 2 tiếp xúc chuẩn.
II. CẢM BIẾN NHIỆT SỬ DỤNG TIẾP XÚC BÁN DẪN
- Có thể chế tạo cảm biến nhiệt với công nghệ xử lý bán dẫn
bằng cách sử dụng các đặc tính nhiệt của tiếp xúc PN
- Ưu điểm của loại cảm biến này là giá thành rất thấp, tuy nhiên
vẫn đảm bảo về mặt chất lượng của cảm biến.
- Hầu hết các loại cảm biến nhiệt ở dạng này sử dụng một
Transistor lưỡng cực được kết nối dạng Diode (ngắn mạch tiếp
xúc Collector – Base). Một nguồn dòng không đổi chạy qua tiếp
xúc Base-Emitter tạo ra 1 điện áp tiếp xúc (Vbe), điện áp này
là một hàm tuyến tính của nhiệt độ tuyệt đối. Toàn bộ điện áp
rơi thuận có hệ số nhiệt xấp xỉ
1. Giới thiệu
- So với RTD hoặc cặp nhiệt điện, cảm biến nhiệt bán dẫn có hệ số nhiệt lớn
hơn, tuy nhiên giá trò của nó vẫn còn nằm trong phạm vi nhỏ. Điện áp thuận
của cảm biến nhiệt bán dẫn có một giá trò offset thay đổi đáng kể từ điểm
này so với điểm khác. Tuy nhiên, điện áp tiếp xúc bán dẫn theo nhiệt độ thì
tuyến tính hơn nhiều so với RTD và cặp nhiệt. Ngoài ra, phần tử cảm ứng
nhiệt, mạch có thể dễ dàng tích hợp để tạo ra một cảm biến nhiệt đơn khối,
dễ dàng giao tiếp với các phần tử điều khiển hoặc các ứng dụng khác.
-
2. Sử dụng Transistor làm cảm biến nhiệt
3. Caực tớnh chaỏt nhieọt cuỷa Baựn daón
3. Caỷm bieỏn nhieọt tớch hụùp