Một số phương pháp chuyển đổi tín hiệu và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
^ ^1* ^
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổi TÍN HIÊU
VÀ ÚNG DỤNG
MÃ SỐ: QT-04-03
CHÚ TRÌ ĐỂ TÀI : PGS. TS PHAM QUỐC TRIỆL
I 'J^,i hGC tJUOC 1 - 1-1A í
' 'iVuN G TÁỈ/I THCAC i*r-i THIJ
[ p j V 4 4 j
HÀ NỘI - 2005
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
*1* «4# 4* tii «1« *?>
*1» «7* »Ị» *Ị»
TÊN ĐỂ TÀI:
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổ i TÍN HIỆU
VÀ ÚNG DỤNG
MÃ SỐ: QT-04-03
CHÚ TRÌ ĐỂ TÀI : PGS. TS. PHẠM QUỐC TRIÊU
CÁC CÁN BỘ THAM GIA: ThS. NGUYEN THỊ cúc
ThS. NGUYỀN NHƯ HÀ
HÀ NỘI - 2005
MỤC LỤC
Lời mở đầu 1
Chương I: Một sô phương pháp chuyên đổi nhiệt - điện

3
1.1. Chuyển đổi nhiệt - điện bằng điện trở

3

1.2. Chuyển đổi nhiệt - điện bằng cặp nhiệt
12
1.3. Chuyển đổi nhiệt - điện bằng diode và transistor 20
Chương II: Tìm hiểu một sô quy luật trong quá trình bức xạ nhiệt

24
2.1. Một số khái niệm và định nghĩa cơ bán

.
24
2.2. Đạc tính bức xạ cua vật đen tuyệt đối 26
2.3. Bức xạ, hấp thụ và phản xạ của các vật thực

31
Chương III: Thiết bị chuyển đổi nhiêt - điện do bức xạ nhiệt

39
3.1. Những đặc tính của qúa trinh chuyến đổi nhiêt - điên
bàng bán dẫn p-n 39
3.2. Thiết bị đo sự thay đổi nhiệt độ thông qua hiêu điện thế
trên bán dẫn p-n 42
3.3. Thiết bị chuyển đổi nhiệt - điện cho bức xa nhiêt

45
Chương IV: Các kết quả đo và biện luận 53
4.1. Kháo sát sự phụ thuòc vào nhiệt độ lớp chuyển tiếp p-n
của hiệu điện thế phân cực thuân 53
4.2. Kháo sát sự phu thuộc cúa hiệu điện thế giữa hai đầu bán dẫn
vào công suất bức xạ của nguồn 58
4.3. So sánh tỷ số giữa tín hiệu thu được khi có kính lọc

và khi khổng có kính lọc ờ những khoảng cách khác nhau

62
4.4. Thảo luận và đánh giá khả năng ứng dụng cúa thiết bi 68
Kết luận chung 69
Tài liệu tham khảo 70
MỞ ĐẦU
Ngay từ thời xa xưa, con người đã luôn có khát vọng tìm hiểu và khám phá
thế giới xung quanh. Trong quá trình tổn tại và phát triển của lịch sử, loài người
đã thu được những thành tựu lớn lao của khoa học kỹ thuật. Tuy vậy, loài người
luôn úêp tục nghiên cứu để khám phá những điểu mới lạ hơn về thế giới tự nhiên.
Trong quá trình nghiên cứu thế giới, con người luôn mong muốn được “nối dài”
các giác quan của mình đê không chỉ tìm hiểu các sự vật hiện tượng ờ gán mà
còn tìm hiểu các sự vật hiện tượne ở khoảng cách xa hoãc rất xa như các ngôi
sao, các hành tinh và các dụng cụ đo ra đời để phục vụ những nhu cầu đó của
con người. Cùng với sư phát triển cứa loài người các dụng cụ đo cũng ngàv cànc
hiện đại và tiện sử dụng hơn. Các phép đo có thể được thưc hiên mộl cách trực
tiếp hoặc gián tiếp. Ngày nay, phần lớn các phép đo được thưc hiên theo phương
pháp gián tiếp mà nguyên tấc chù yếu cúa nó là dựa vào các quá trình chuyên đổi
lín hiệu trên các dung cu đo. Thiết bị được các tác giá nghiên cứu trong đẽ tài này
là một thiết bị đo dùng quá trình chuyển đổi tín hiệu nhiệt - điện băng bán dẫn
làm cơ sở. (Đáv là một vật liêu vừa có nhiều tính năng đăc biệt lai gon nhe và dẻ
chê tạo). Mục đích cúa thiết bị là để đo được nhiệt độ của các vật ờ một khoáng
cách nào đó nhờ quá trình bức xạ năng lượng của chúng. Từ đó ta có thế dùnỉí nó
đê đo nhiệt độ của các lò nung, bóng đèn và cũng dựa trên nguyên tắc đó ta có
thể chế tạo được những thiết bị đo có tính năng hoàn háo hơn đê đo nhiệt độ cúa
mặt trời và các hành tinh
1
Bố cục bản báo cáo được chia làm 4 chương
Chương I: Một số phương pháp chuyển đổi nhiệt - điện.

Chương II: Tìm hiểu một số quy luật trong quá trình bức xạ nhiệt.
Chương III: Thiết bị chuyển đổi nhiệt điện do bức xạ nhiêt.
Chương IV: Các kết quả đo và thảo luận.
CHƯƠNG I
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổ i NHIỆT - ĐIỆN
Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong sô các đai lượng
được quan tâm nhiều nhất. Nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chát của vật
chất. Do vậy, việc xác định trị số của một nhiệt độ là một điều hết sức quan
trọng. Tuy chúng ta không thể xác định nhiệt độ một cách định lượng bằng cách
so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất - gọi là đại lượng chuẩn - như rất
nhiều đại lượng vật lý khác, nhưng nhờ việc nhiệt độ có thế làm thay đối một
cách liên tuc các đai lượng chịu ảnh hưởng của nó, ta có thể dưa vào giá tri của
các đại lượng chịu ánh hưởng của nó và môí quan hệ giữa chúng thông qua các
dụng cụ mà trên đó thế hiên mối quan hệ đó để đo nhiệt độ. Các dung cụ này là
các dụng cụ chuyển đổi tín hiệu khác sang tín hiệu nhiệt, thông thường goi là
nhiệt kế. Trong cuốn luận văn này ta chỉ xét các quá trình chuyển dổi tín hiệu
nhiệt sang tín hiệu điện. Chương này chúng ta sẽ nghiên cứu một sô' phươntỉ pháp
chuyến đổi nhiệt - điện
1.1. Chuyên đổi nhiệt-điện bàng điện trở
7.7.7. Độ nhạy nhiệt
1.1 .ỉa. Khái niệm
Độ nhạy nhiêt a R hay còn gọi là hê số nhiêt độ cùa điện trớ được đưa ra
như sau:
Trong trường hợp tổng quát, giá trị cùa một điện trở phụ thuộc vào nhiẽt
R,T) =R»F(T-T„) (1.1)
"Ị
J
R0 là điện trở ở nhiệt độ Tị,
F là hàm đặc trưng cho vật liệu, F = 1 khi T = T0
Với kim loại R(T)= R0(l + AT + BT2+ CT3)

( 1. 2 )
Trong đó T đo bằng °c và T0 = 0°c
Với hỗn hợp của các oxít bán dẫn (nhiệt điện trờ)
R(T)= R0exp{B[l/T- 1/T0] }
(1. 3)
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đôi.
Các hộ số được xác định chính xác bằng cách đo nhiệt độ đã biết trước.
Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt
độ cần đo
Khi độ biến thiên nhiệt độ AT(xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có thè
thay đổi theo hàm tuyến tính:
a R chính là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. Hệ số a R phụ thuôc vào vật liệu và
nhiệt độ.
Ị.ỉ . 1 b. Biểu thức của độ nhạy nhiệt
Chất lượng của thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được :
Do vậy nó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất cứa nhiệt độ có the phát
hiện được:
^■( T+AT)— ^-(tẤ 1 ^C^-rAT)
=> a R= Ì/Ru). dR/dT
(1. 5)
(1.4)
AR
*0
(1.6)
AR
= >
AT,
Nghĩa là:
4
Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở phụ thuôc đồng thời vào điên trớ

suất p và kích thước hình học của nó. Đôi với một đâv điện trờ có chiểu dài < và
tiết diện s hệ số nhiêt độ được tính theo biểu thức :
a R=l/R. dR/dT= (1/p). (dp/dT)+(l/ P). (d í /dT)-(l/s). (ds/dT) (1.8)
Trong đó:
(1/p). (dp/dT)= a p
(I/O - (d ?/dT)=a.ị
(1/s). (ds/dT)=2at
Do vậy:
a R= a p“a i (1-9)
1. 1. 2. C h ế tạo dụng cụ chuyên đổi nhiệt -điện bang điện trờ kim loai
ỉ ỉ . 2a. Nhữni> điêu kiện cần thiết
Đế chế tạo dụng cụ này trước hết ta phái dựa vào dái nhiệt độ cán do và
các tính chất đặc biệt khác của vật liệu (tính chất vật lý, hoá học V V) chon ra
kim loại cần dùng phù hợp
Ví du:
Pt dùng làm điện trở có độ chính xác cao ở một dái nhiệt độ tương đối
rộng (-200nc đến 1000°C) nhờ độ tinh khiết cao, tính trơ hoá học.
Ni có độ nhạy nhiệt cao hơn nhimg hoạt tính hoá học cũng mạnh nén chi
hoạt động được tại những nhiệt độ nhỏ hơn 250°c.
Cu và w là nhữns loại điện trở có tính tuyến tính cao nhưng đổna chi hoạt
động được ở những nhiệt độ nhỏ hơn 180l'C do tính hoat đông hoá hoc manh.
w thì có thế có dài nhiệt độ dài hơn măt khác do độ bền hoá hoc cao nó còn có
5
thể được dùng để chê tạo những sợi dây rất mảnh tôi thiểu hoá kích thước cùa
điện trở.
Ngoài ra còn phải lưu ý tới mối liên hệ giữa giá trị điện trở và kích thước
dây. Sự thay đổi vì nhiệt của một điện trở AR=R. a R. AT sẽ gây nên một điện áp
đo Vm= ÀR.i Trong đó i là dòng điện chạy qua điện trở. Thông thường i giới hạn
ở giá trị vài mA để tránh làm nóng đầu đo. Để có độ nhạy cao phải sử dụn2 các
điện trở tương đối lớn muốn vậy phải:

- Giám tiết diện dây, việc này bị giới hạn bởi nó làm dây mánh dẻ đứt
- Tăng chiểu dài dây, việc này cũng bị giới hạn vì nó làm tãng kích thước
cùa điện trở
Đê khắc phục người ta dùng giái pháp sau đây:
Ấn định giá trị R-100Q ở 0"C. Khi đó, nếu dùng Pt đường kính dây cỡ vài
chục Ị-im và chiểu dài khoáng 10 cm, sau khi cuộn lại sẽ nhận được một nhiệt kê
cỡ 1 cm. Trên thực tế các sán phấm thương mại có điện trờ ớ 0"c là 50Q, 500Q
và 1000C2. Các điện trở có chỉ số lớn thường được sứ dung đế đo ơ dái nhiệt độ
thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhay tương đối tốt. Trong công nghiêp các
nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh (bằng thép). Khi chế tạo
nhiêt kế cán chú ý tới hệ số giãn nờ nhiệt của các vật liệu cấu thành đế tránh gây
ứnơ suất trong quá trình làm việc. Độ kín của vỏ bọc cần được đám bảo môt cách
tuyệt đối.
1.1. 2b. Vi dụ về một loại dụnq cụ chuyên đôi nhiệt - điện bằng kim loại
Ta lấy ví dụ vé dụna cu do nhiệt độ trẽn bề mặt vật rán gọi là nhiệt kế bè
mặt. Nó được chế tạo bàng phương pháp quang hoá và sử dung các vật liêu làm
điên trờ lù Ni, Fe-Ni, hoặc Pt. Chiều dày lớp kim loai cỡ mỏt vài |im và kích
thước nhiệt kế cỡ cm:. Các đạc trung chính cua nhiêt kế bé mãt như sau:
6
Độ nhạy a R ~ 5. 10'V’C đối với trường hợp Ni và Ni-Fe
~ 4. 10 Y’c đối với trường hợp Pt
Dải nhiệt độ sử dụng +từ -195°Cđến 260°c đối với Ni và Fe-Ni
+ từ -260llC đến 1400°c đối với Pt
Hình ỉ. ỉ :Nhiệt kế bể mặt
Khi sử dụng nhiệt kế được dán lên bề mặt cần đo nhiệt độ. Tí lệ bê
mặt /thể tích cao và trở kháng nhiệt nhò để đảm báo cho thời gian hồi đáp dạt cỡ
mili giây. Tuy nhiên cần lưu ý là nhiệt kế bể mặt rất nhạy với mọi biên dạng của
cấu trúc bề mặt được dán nhiệt kế. Hộ số cảm biến của Ni phu thuôc vào biến
dạng: giá trị của nó nhỏ khi bị nén. Bởi vậy nếu không thế dán nó lẻn bé mặt
không có biến dang thì hãy dán nó lên vùng chịu biến dạng nén

Một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sai số cùa phép đo là biên dạng gâv
nên do độ giãn nở vì nhiệt của nhệt kế khác VỚI độ giãn nở vì nhiẹt của bé măt
cần đo nhiệt độ. Hiệu ứng này đăc biệt lớn khi nhiệt độ cần đo lớn hơn nhièu so
với nhiệt độ môi trường xung quanh. Bởi vậy các nhà thiết kế phái được cung cấp
các số liệu về sự phụ thuôc của điện trở vào nhiệt độ đối với vật liêu cần đo
7
1.1. 3. Chê tạo dụng cụ chuyển dôi nhiêt -điên bằng nhiêt điên trở
1.1. 3a. Đặc điểm chung
+ Độ nhạy nhiệt rất cao, lớn hơn kim loại khoảng 10 lần ngoài ra hệ sỏ
nhiệt có giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ
+ Chế tạo nhiệt điện trở: Người ta trộn hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh
thể như MgO, MgAl20 4, Mn20 3, Fe30 4, Co20 3, NiO, ZnTi04 với nhau theo một tỉ
lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000°C.
Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phú
bằng một lớp kim loại. Hình dáng bên ngoài của chúng có thể khác nhau (hình
đĩa, hình trụ, vòng ) và phần tử nhạy cảm có thế đươc boc một lớp báo vê hoãc
để trần. Các vật liệu được sử dụng thường có điện trớ suất cao cho phép chế tạo
những điện trở có giá trị thích hợp với một lượng vật chất rất nhỏ và với kích
thước tối thiểu (cỡ mm) cho phép đo nhiệt độ ở từng điếm.
+ Điều kiện sử dụng: vỏ bọc của nhiêt điện trở sẽ báo vê nó không bị phá
huỷ hoá học và tâng độ ổn định khi làm việc. Trong quá trình sứ dụng cán phái
tránh nhũng thăng giáng nhiêt độ đột ngột, bởi vì điều này có thế làm rạn nứt vật
liệu. Phụ thuôc vào loại nhiệt điện trở, dải nhiệt độ làm việc có thể thay đổi từ vài
độ tuyệt đối đến khoảng 573°K. Có thế mở rộng dải nhiêt độ này nhưng khi đó trị
số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao.
1.1,3b. Độ dẫn của nhiệt điện trở
Một cách tổng quát, độ dần của một chất bán dẩn đươc biếu diễn bơi công
thức:
ơ =q(jann+^pp) (1.10)
Trong đó ]an, Hp là độ linh động và n, p là nồng độ cua điện tứ và lỗ trông,

q là điện tích của chúng (q=l, 6, 10 I9C). Trái ngược với trường hợp kim loai, đối
với chất bán dẫn, nhiệt độ ảnh hường chú yếu tới nổng đô điên tử và lỗ trỏng
8
(n, p). Sự thay đổi làm đứt mối liên kết giữa các nguyên từ và dẫn tới sư hình
thành các cặp điện tử - lỗ trống. Sô cặp G được hình thành trong một đơn vị thời
gian từ một đơn vị thể tích được biểu diễn bởi công thức:
G = A .r.e x p í-^
{ kĩ
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối của chất bán dẫn E, là nâng lượng cần
thiết đế làm đứt một liên kết A và a là hằng số đặc trưng cho vật liệu. Tuy nhiên
một điện tử và một lỗ trống có thể tái hợp để hình thành một mối liên kết. Số lần
tái hợp R trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích tỉ lệ với nồng dộ điện
tử và lỗ trống tự do:
Nếu tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ linh đông của điên tư |_in và
lỗ trống np thì biểu thức độ dẫn có thể được viết dưới dạng:
R=r. n. p
Trong đó r là hệ sô tái hợp. Vì n=p nên:
R=r. n2
( 1. 12)
(1. 13)
ở trạng thái cân bằng nồng độ điện tích tự do không thay dối :
G=R
(1. 14)
Nghĩa là:
(1.15)
(1.16)
Trong đó c và b là các hằng sỏ' đặc trưng cho vật liệu
6 = 1 + 4
(1.17)
9

(1.18)
E, là năng lượng liên kết
1.1.3c. Quan hệ điện trỏ I nhiệt độ
Từ biểu thức độ dản ơ có thể viết biểu thức của điện trở như sau:
R(Tị = Rữ B ị - 4
0 p T T,
(1.19)
Trong đ ó R0 là điện trở ở nhiệt đ ộ T(J. Do vậy có thế biểu diễn đ ô nhạv
nhiệt dưới dạng:
Ánh hưởng của hàm mũ đến điện trờ chiếm ưu thế hơn nén điện trớ dược
viết lại dưới dạng:
và bỏ qua khòng xét đến sư phụ thuôc của B vào nhiẽt độ. Trong trường hợp này
độ nhạy nhiệt có dạng CXR - -B/ T2
Giá trị của B nằm trong khoảng 3000 đến 5000K. Hình 1. 2a biểu diẽn sư
thay đổi của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của một nhiệt điện trớ. còn hình
1.2b biểu diễn sự thay đổi của độ nhạy nhiệt CCR vào nhiêt độ của cùna môt nhiêt
điện trở đó.
Độ nhav nhiệt cao cùa một nhiệt điện trờ cho phép ứn2 duns Chuns dè
phát hiện những biến thiên rất nhỏ cùa nhiệt đô( 10'4 đến 10 K)
a
p + bĩ
T 2
( 1. 2 0 )
(1.21)
10
a)
b)
R(Ti lMn
lOOkO
10kn

lkQ
loon
ion
- 4 -
/ -
/
/
/
/
— 1
/
—
i
/
/
/
- V
-í
-í
2. 10
3.
m 4 10
5.I0
5(10 400 300 250
250
I n
T( K I
Hình Ỉ .2: Các đặc írưnq của một nhiệt điện trở
a)Điện trỏ ; b)Độ nhạy nhiệt
1.1.4. Chê tạo dụng cụ chuyển đôi nhiệt - điện bằng điện trở Si

Đây là một điện trở bán dẫn nhưng nó khác với những nhiệt điên trờ nói
trẽn ớ những điểm sau:
+ Hệ số nhiêt độ của điện trở suất có giá trị dương cỡ
0,
17c "C ờ 25 c.

Sư
thay đổi nhiệt của nó tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá đăc tuyến cua nhiêt
kê trong vùng nhiệt độ làm việc (hình 1.3) bằng cách mắc thêm một điện trớ phụ
(song song hoặc nối tiếp)
+ Khoảng nhiệt độ sử dụng bị hạn chế trong khoáng từ -50“C đến 120"C
Các điện trở Si được chế tạo bàng công nghệ khuếch tán tạp chất vào đơn
tinh thê Si. Sự thay đổi nhiệt của điện trở suất của Si phụ thuộc vào nồng độ pha
tạp và vào nhiệt độ
1. 2. Chuyển đòi nhiêt- điên bàng căp nhiệt
1.2.1. Đặc trưng chung và độ nhạy nhiệt
l .2.1 a. Đặc trưnẹ chun<>
+ Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
Cãp nhiệt điên có cấu tạo gổm hai đầu dâv dẫn A và B được nối với nhau
bởi hai mối hàn có nhiệt độ T|Và T2 . Suất điện động E phu thuộc vào ban chát
vật liệu làm các dâv dẫn A. B và vào nhiêt độ Tị, T,. Thôn2 thường nhiệt đỏ cùa
một mối hàn được giữ khỏns đổi và biết trước gọi là nhiẽt đỏ chuẩn (T,=Trct). T,
là nhiệt độ của mối hàn thứ hai, khi đật trong mòi trường nghiên cứu nó sẽ đat
giá trị T chưa biết. Nhiệt độ T là hàm của nhiệt đỏ T, và của các quá trình trao
đổi nhiệt (có thể xáv ra).
12
+ ưu điểm:
Việc sử dụng cặp nhiệt có nhiều Lợi thế. Kích thước cúa cặp nhiệt nhò nên
có thê đo nhiệt độ ở từng điểm của đôi tượng nghiên cứu. Mật khác 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.
Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng cùa nhiệt độ là hàm không
tuyến tính của TL (hình 1. 4).
Mỗi cập nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trị của suất điện động phu thuộc
vào nhiệt độ) và một biếu thức để diễn giải sự phụ thuộc cúa suất điện đỏng vào
nhiệt độ.
Nói chung mỗi loại cập nhiệt có một giới hạn cùa dải nhiêt độ làm việc cỡ
từ -27CTC đến 2700"C. Như vậy cập nhiệt có dải nhiệt độ làm viêc rộng hơn
nhiều so VỚI nhiệt kế điện trở.
+ Nhược điếm:
Việc sử dụng cặp nhiệt có điều bất lợi là phải biết trước nhiệt độ so sánh
Tref và do vậy sai số của Trel cũng bằng sai số của T
■ E(mv)
E: c b rama l/c o QL13 QQ a
J : SỐi/CoQSTaacaa
T : Đoag/CoQST3QTaii
K : Ch.ramal/ALuxDãl
R : P latin-R o dií 1 3^0/Plau.Q
s : Plana-Rodự 109b)/Plaita
B : P laúa-Rodiỉ jŨ £j)/Plaiia-P.odu ó%j)
> T("C)
Hình ỉ 4: Sự thay đỏi nhiệt của suất điện động E của một sổ loại cập nhiệt
13
1.2,1 b. Độ nhạy nhiệt
Độ nhạy nhiệt hay còn gọi là năng suất nhiêt - điện của cặp nhiêt điên ờ
nhiệt độ T() được xác định bởi biểu thức :
( 1. 2 2 )
Trong đó s là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là |aV/ “C
1.2.2. Các hiệu ứng nhiệt điện
ỉ2.2a . Hiệu ứnẹ Peỉtier

Tại chỗ tiếp xúc cùa hai dây dẫn A và B khác nhau về bán chất nhưng cùng
môt nhiệt độ tồn tai môt hiệu điện thế tiếp xúc (hình 1. 5a). Hiệu điện thế này chi
phu thuộc vào bán chất của vật dẫn và nhiệt độ:
Đây chính là suất điện động Peltier
Định luât Volta phát biểu như sau: ‘Trong một chuỗi cách nhiêt được cấu
thành từ những vật dẫn khác nhau tổng suất điện động Peltier bằng không”
Thí du ta có một chuỗi 4 vật dẫn A, B, c, D mác nối tiếp {hình 1. 5b) thì:
Nếu tổng (1. 24) mà khác không thi sẽ có dòng điện chay trong mach và
xảy ra sự tổn hao năng lượng do hiệu ứng Joule. Điều này trái với định luật
Carnot nói ràng một hệ ở cùng một nhiêt đô sẽ không thể tao ra nãng lượng. Từ
(1. 24) ta có:
V - V =PT
M N r A/B
(1. 23)
(1. 24)
Do P Ta/d= - P V n ê n :
p T , p T , p T p T
* A/B 1 B/C r C/D - r A/D
(1.25)
14
Vậy hai vật dẫn A và D được phân cách bằng các vật dẫn trung gian và
toàn bộ hệ được cách nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và D cũng bằng
hiệu điện thế mà chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau.
1.2.2b. Hiệu ứng Thomson
Trong một vật dẫn đổng nhất A, giữa hai đầu M và N có nhiệt độ khác
nhau sẽ sinh ra một suất điện động (hình 1. 5 c). Suất điện động này chi phu
thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiêt độ TM, TN của hai điểm M và N
Trong đó hA là hệ số Thomson. Suất điện đồng Thomson là hàm cúa nhiội
độ. Định luật Magnus phát biểu, nếu hai đầu ngoài của một mạch chi gổm một
vât dẫn duy nhất và đổng chất được duy trì ở cùng mổt nhiệt độ thi suất diện

động Thomson bằng không
1.2.2c. Hiệu ứnq Seebeck.
Giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A, B và hai chvến tiếp của
chúng được giữ ở nhiệt độ T, và T2 (hình 1. 5d). khi đó mach sẽ tao thành môt
cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này sẽ gáy nên một suất điện động do kết quá tác
động đổng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. Suất điện đông đó gọi là
suất điện đông Seebeck. Thật vậy, suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và
a lần lượt là:
(1.26)
T,
(1. 27 )
T,
T|
15
Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động trên :
EíTi = p í . - p A\ + |f c - * By r (1.28)
T,
Nêu chọn Tị là nhiệt độ so sánh và lấy T]=0oc, khi đó đối với một cặp vật dan A
và B cho trước suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2
(AlTt
M ,
. N
R(T^
a)
• * -
PT
A/B
M
TÌM) A
TlNu

■4

b) E,TmTn
d)
(To
Hình ỉ .5: Các hiệu ứnạ nhiệt điện: a) Hiệu ứnẹ Peìtier, b) Định ỉitậr Yalta
c) Hiệu ứnẹ Thomson, d) Hiệu ứnạ Seebeck
1.2.3 Phương pháp ch ế tạo và sơ đố đo
12.3a. C hế tạo cặp nhiệt và vó bdo vệ
Trong khi chế tạo cặp nhiệt cần phải tránh tao ra những cặp nhiêt ký sinh
do gấp khúc dây, nhiễm bẩn hoá học, bức xạ hạt nhân. Mối hàn cũng phai nhỏ
tới mức tối đa bởi nếu vùng hàn có kích thước lớn thì giữa các điểm khác nhau có
thể nhiêt đô sẽ khác nhau tạo ra suất điên động ký sinh
Có ba kỹ thuât chính thường đươc dùng đế hàn cặp nhiẽt
- Hàn thiếc khi nhiệt độ sử dụng khôno cao quá
- Hàn xì bàng đèn xì Axêtvlen
- Hàn bằng tia lứa điên
16
Để tránh mọi tiếp xúc ở vùng ngoài mối hàn, dây được đặt trong sứ cách
điện (trở Lớn và trơ hoá học). Bên ngoài thêm một vỏ bọc kín để tăng đò bén hoá
học, tránh không khí lọt qua và chống thăng giáng nhiệt độ đột ngột, vỏ ngoài
thường được làm băng sứ hoặc thép
1.2.3 b. Sơ đồ đo
*Sơ đồ đo thông dụng
- Điểu kiện lắp ráp: từng đôi cùng nhiệt độ (các mối hàn A/Mlvà B/Ml
của cặp nhiệt; các mối hàn của các dây kim loại trung gian M1/M2 và M1/M3).
Hình 1. 6 :Sơ đổ ì ắp ráp cặp nhiệt với thiết bi đo
Khi đó trong mach chi có suát điện đông Seebeck của cập nhiệt. Thưc vậy,
tổng suất điện động trong trường hợp này đươc viết dưới dạng biểu thức:
T,:

M M ,
■ = PAV ỊhBcTT + pBT:;ti + j/Víflr+p^M;+
T T., T,
- |/ỉMi«T + P^;m. + + M, + K ^ + Pm;'a+ M
T,NghIa là: 1 ■- T“' T"
e = PATB-PAT% + J(AB-*Ayr = EỈTB
(1.29)
(1. 30)
17
ĐA i r yC
■R'JNG :h -
M>< NOI
. M '' 'M ’J v iẺ n
I>r/ Ạ1-^9
*Sơ đồ đo vi sai:
Sơ đồ này được áp dụng để đo hiệu nhiệt độ giữa hai điểm đặt ờ hai mõi
hàn A/B của cặp nhiệt. VỚI điều kiện là các môi hàn giông nhau đặt ở cùng nhiệt
độ (A/M|;Mj/M2; M2/M3) trong mạch sẽ xuất hiện suất điện động Seebeck E VB
Hình ỉ. 7 :Sơ đồ vi sai đo sự khác nhau vé nhiệt độ
Nếu khoảng nhiệt độ từ Tcl đến Tc2 nhỏ năng suất nhiệt điện có thể coi là
không đổi và ta có:
E Ỉ £ M l , - T j (1 31)
ỉ .2.3 c. Phươnqpháp đo
Suất điện động Seebeck đo được giữa hai đầu cùa cặp nhiệt sẽ cims cáp
thông tin về nhiệt độ cần đo. Chúng chỉ có thể được xác định chính xác nếu như
ta giám tới mức tôi thiểu sự sụt áp do có dòng điện chay trong các phán tử cãp
nhiệt và dây dẫn. Nói chung rất khó đoán biết điện trở của chúng vì điện trở là
hàm cúa nhiệt độ môi trường và của nhiệt độ cần đo. Người ta thường áp dụng
hai phương pháp đo suất điện động
18

- Sử dung milivônkế có điện trở trong lớn để giám sụt thế trên dây dẫn
- Sử dụng phương pháp xung đối để dòng chav qua câp nhiệt bằng không
*Sơ đổ đo suất điện động của cặp nhiệt dùng milivônkế
Giả sử
-Rt là điện trở của cặp nhiệt
-Rị là điện trở dây nối
-Rv là điện trở của milivônkế
L/
i
Uo
I
' 1
RI
/K
Vm
nuliYÔakS
ể Rv
<
Tc
Hình ỉ . 8 Đo suất điện độnq của cặp nhiệt bàng milivôn kê
Khi đó điện áp giữa hai dầu của milivôn kế được biếu diễn bởi biếu thức:
Nghĩa là:
II
C
p TT"
A B
pT T,.,
A B = v m
Rr
Rr + Rj + Rị-

R ,ÌR ^
1+-
Rr
(1. 32)
(1. 33)
Vì điện trở của cặp nhiệt và dây nối chưa biết nên để giám sai số người ta
chọn sao cho:
Rv» R,+R/
(1.34)
* Sơ đồ đo suất điên động bằng phương pháp xung đối
19
Nguyên tắc của phương pháp xung đối là đấu với suất điên đòng cần đo
một điện áp đối V sao cho giá trị của điện áp này đúng bằng giá trị của suất điện
động. Giá trị của V có thể đo được chính xác, thông thường nó là điện áp rơi trên
một điện trở có dòng điện chạy qua. Cạp nhiêt được mắc nối tiếp với môt điện ké
G và được đấu song song với một điện trở chuẩn Re. Dòng điện I chạv qua điện
trở Re có thế điều chỉnh được để sao cho kim điện kế chi sô 0. Ta có:
Dòng điện I có thể được điều chinh bằng một biến trở con chạv Rh (mác
nỏí tiếp với nguồn điện) và đươc đo bằng một milivôn kế
1.3. Chuyên đổi nhiệt - điên bằng diode và transistor
1.3.1. Đặc điểm chung và độ nhạy nhiệt
Có thế đo nhiệt độ bằng cách sử dụng linh kiện nhạy cam là diodc hoặc
transistor mắc kiểu diode (nối B với C) phân cực thuân với I không đổi (hình
1.10). Điẽn áp siữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt đô.
(1. 35)
Hình 1. 9: Đo suất điện độn‘j bằnẹ phương pháp xunạ đỏi
20
I >
a)
N-

4 )
V
b)
Hình 1. 10: Các linh kiện được sử dụng làm du no cụ chuyển đổi nhiệt - điện
a) diode; b) transistor mắc theo kiểu diode;
c) cặp transistor mắc theo kiểu diocle
Độ nhạy nhiệt của diode hoặc transistor mắc theo kiểu diode được xác
định bởi biểu thức:
s =
dV
d ĩ
(1. 36)
Giá trị của độ nhạy nhiệt cỡ - 2, 5mV/"C. Ngoài ra cung giống như đối với
điện áp V, độ nhạy nhiệt có thê phu thuộc vào dòng ngược I,. Dònsz này có the
thay đổi rất khác nhau đối với các linh kiện khác nhau, do vậy nên chon các linh
kiện có các đặc trưng tương tự (đốì với một giá trị dòng cho trước phái có cùng
điện áp V và dòng I() như nhau), Để tăng độ tuvến tính và khá năng thay thế
người ta thường mấc theo sơ đồ hình 1. 10 c ) dùng một cặp transistor đáu theo
kiểu diode mắc đối nhau với hai dòng I, và I2 không đổi chạy qua và đo hiệu điện
thế B - E. Bằng cách nàv sẽ loại trừ được ảnh hưởng của dòng ngược I,Độ nhay
nhiêt trong trường hợp này được tính theo công thức :
s -
c/T
(1. 37)
21