tài liệu cảm biến nhiệt

Chương III CẢM BIẾN NHIỆT
Chương III CẢM BIẾN NHIỆT
I. Thang nhiệt độ
I. Thang nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng vật lý:
-
Có một vai trò quyết định trong nhiều tính chất của
vật chất → được quan tâm nhiều nhất.
-
Làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh
hưởng của nó (áp suất, thể tích của chất khí hay sự
thay đổi pha của điểm Curie của vật liệu từ tính).
Tuy nhiên, để đo chính xác trị số của nhiệt độ là
một vấn đề không đơn giản.
Phần lớn các đại lượng vật lý là đại lượng mở rộng:
được xác định bằng bội hoặc ước của đại lượng
chuẩn (đại lượng so sánh).
Nhiệt độ là một đại lượng gia tăng.
Việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có ý nghĩa vật
lý rõ ràng.
=> Cần nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang
đo nhiệt độ là điều cần làm trước khi nói đến việc đo
nhiệt độ.
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT
Xuất phát từ những định luật nhiệt động học, người
ta mới có thể xác định thang đo nhiệt độ có đặc
trưng tổng quát trong mọi trường hợp.
Các thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự
nhau và dựa trên các tính chất của chất khí lý tưởng.
1. Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:

-
được gọi là thang Kelvin,
-
đơn vị nhiệt độ là K
-
Nhiệt độ cân bằng của ba trạng thái nước – nước đá
– hơi: 273,16K.
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT
Từ thang Kelvin, người ta xác định các thang mới:
thang Celsius, thang Fahrenheit bằng cách dịch
chuyển các giá trị nhiệt độ.
2. Thang Celsius:
-
Đơn vị nhiệt độ: (
0
C); 1
0
C = 1K.
-
Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin:
T(
0
C) = T(K) – 273,15
3. Thang Fahrenheit:
-
Đơn vị nhiệt độ: (
0
F)
-

T(
0
C) = [T(
0
F) – 32].(5/9)
-
T(
0
F) = (9/5).T(
0
C) + 32
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT
Nhiệt độ Kelvin
(K)
Celsius
(
0
C)
Fahrenheit
(
0
F)
Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67
Hỗn hợp nước-nước đá 273,15 0 32
Cân bằng nước-nước đá -hơi nước 273,16 0,01 32,018
Nước sôi 373,15 100 212
Một số nhiệt độ quan trọng ở các thang đo khác nhau
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT

Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan
trọng ở các thang đo khác nhau được cho ở bảng
sau:

Có nhiều cách đo nhiệt độ khác nhau:
♦ Phương pháp quang:
▪ Dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt
do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler).
♦ Phương pháp điện:
▪ Dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào
nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck),
▪ Dựa trên sự thay đổi tần số dao động
của thạch anh.
♦ Phương pháp cơ:
▪ Dựa trên sự giản nở của vật rắn, lỏng,
hoặc khí,
▪ Dựa trên tốc độ âm.
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT
II. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
II. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
1. Nhiệt độ đo được
-
Nhiệt độ đo được chính bằng nhiệt độ của cảm
biến T
C
.
-
Nó phụ thuộc vào:
▪ Nhiệt độ môi trường T

X
▪ Sự trao đổi nhiệt trong môi trường cần đo.
-
Khi làm thực nghiệm cần làm hiệu số T
X
- T
C
giảm
xuống nhỏ nhất.
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT

Có hai cách để làm giảm sự cách biệt giữa
T
X
và T
C
:
▪ Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi
trường đo.
▪ Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và
môi trường bên ngoài.
2. Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến
nhiệt độ, cần thực hiện:
•
Từ bề mặt của vật, người ta khoan một lỗ
nhỏ có đường kính và độ sâu L.
•

Qua lỗ này, người ta đưa cảm biến vào sâu
trong vật rắn.
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT

Để tăng độ chính xác của kết quả, cần phải
bảo đảm hai điều kiện:
•
L ≥ 10d
•
Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và
cảm biến:
*
Giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến
và thành lỗ khoan.
*
Khoảng trống giữa vỏ cảm biến và
thành lỗ khoan phải được lấp đầy
bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt.
CẢM BIẾN NHIỆT
CẢM BIẾN NHIỆT
III. Các cảm biến nhiệt
III. Các cảm biến nhiệt
1. Điện trở
Trong trường hợp tổng quát, giá trị của một điện trở
phụ thuộc vào nhiệt độ:
R(t) = R
0
F(t – t
0

)
R
0
: điện trở ở nhiệt độ,
F: hàm đặc trưng cho vật liệu, F =1 khi t = t
0.
1.1. Điện trở kim loại
Điện trở kim loại được chế tạo từ các kim loại tinh
khiết (Pt, Cu,…).
Với kim loại, quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là
không tuyến tính:
CẢM BIẾN NHIỆT-điện trở
CẢM BIẾN NHIỆT-điện trở
R
t
= R
0
(1 + At + Bt
2
) với
R
0
: điện trở ở nhiệt độ 0
0
C.
A, B: các hằng số
CẢM BIẾN NHIỆT-điện trở
CẢM BIẾN NHIỆT-điện trở
*Riêng đối với đồng (Cu):
R(t) = R

0
[1 + α
0
(t – t
0
)]
với α
0
: độ nhạy nhiệt.
⇒
Đối với đồng, quan hệ R(t) là tuyến tính.
⇒
Dễ dàng khi xây dựng thiết bị đo với bộ khuếch
đại tuyến tính.

Cần lưu ý:
-
Để đo nhiệt độ ở những môi trường khác nhau thì
phải dùng các cảm biến làm bằng các kim loại khác
nhau .
-
Tùy vào khoảng nhiệt độ cần đo mà sử dụng loại
cảm biến.
Cảm biến điện trở bằng đồng chỉ đo được đến 180
0
.
1.2. Nhiệt điện trở
a. Cấu trúc:
-
Nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp các oxit 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
.
-
Nó thường có dạng thanh (khối), tròn (khối), vòng
đệm, đĩa và màng.
Cấu trúc này phụ thuộc vào yêu cầu của đối tượng
đo.
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
b. Đặc điểm:
-
Độ nhạy nhiệt cao, lớn gấp 10 lần so với độ nhạy

của điện trở kim loại.
-
Hệ số nhiệt có giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào
nhiệt độ.
-
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của nhiệt điện
trở là phi tuyến, khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm
và ngược lại:
R
t
= A.e
B/T
A: hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán
dẫn, kích thước và hình dáng của nhiệt điện trở.
B: hằng số phụ thuộc vào tính chất của bán dẫn.
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
T: nhiệt độ của điện trở, tính theo nhiệt độ tuyệt
đối.
Nếu bỏ qua sự phụ thuộc của B vào nhiệt độ thì độ
nhạy nhiệt có dạng:
α = -B/T
2




+

-
R
1
R
2
R
3
R
4
U
c. Mạch đo:
Thường dùng mạch cầu,
và nhiệt điện trở là một
nhánh của mạch cầu.
⇒
Kết quả đo tương đối
chính xác.
R
4:
biến trở để cân bằng
mạch cầu.
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
CẢM BIẾN NHIỆT-nhiệt điện trở
d. Ứng dụng:
-
Đo nhiệt độ,
-
Đo các thông số của môi trường (lỏng, khí): nồng
độ, độ dẫn nhiệt, truyền nhiệt,…
-

Sử dụng để bù nhiệt trong mạch điện tử giúp mạch
làm việc ổn định trong điều kiện nhiệt độ biến đổi.
Ưu:
Ưu:
-
Có kích thước nhỏ → đo nhiệt độ ở từng điểm.
-
Có điện dung nhỏ → tốc độ hồi đáp cao.
1.3. Điện trở Silic
-
Là một điện trở bán dẫn,
-
Được chế tạo bằng công nghệ khuếch tán tạp
chất vào đơn tinh thể Silic
☻Nó khác với nhiệt điện trở ở những điểm sau:
♦ Hệ số nhiệt có giá trị dương
→ ở nhiệt độ <120
0
C, điện trở suất ↑ khi nhiệt
độ ↑.
→ Hệ số nhiệt càng nhỏ khi pha tạp càng mạnh.
CẢM BIẾN NHIỆT- điện trở Silic
CẢM BIẾN NHIỆT- điện trở Silic

Sự thay đổi nhiệt tương đối nhỏ → có thể tuyến
tính hóa đặc tuyến của cảm biến trong vùng
nhiệt độ làm việc, bằng cách mắc thêm một điện
trở phụ.

Khoảng nhiệt độ sử dụng bị hạn chế trong dải từ

-50
0
C đến 120
0
C.

Nếu nhiệt độ > 120
0
C, điện trở suất giảm khi
nhiệt độ tăng.
⇒ Hệ số nhiệt có giá trị âm và không phụ thuộc
vào pha tạp.
CẢM BIẾN NHIỆT- điện trở Silic
CẢM BIẾN NHIỆT- điện trở Silic
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
Nếu tạo nên một mạch bằng hai
vật dẫn khác nhau A, B. Chúng
được nối với nhau bởi hai mối
hàn có nhiệt độ t
1
và t
2
.
Trong mạch sẽ xuất hiện một
suất điện động gọi là suất điện
động nhiệt:
e = f(t
1
) – f(t

0
)
A B
e
2. Cặp nhiệt
2.1. Cấu tạo và đặc điểm chung
Một mạch như vậy được gọi là cặp nhiệt.
♦ Những vật dẫn hình thành cặp nhiệt gọi là cực
nhiệt điện.
♦ Chỗ nối chúng với nhau gọi là đầu nối.
Nếu giữ một đầu ở nhiệt độ không đổi (t
0
= const),
suất điện động nhiệt là một hàm của t
1
:
e = f(t
1
) - C
♦ Đầu nối có nhiệt độ không đổi t
1
: đầu nối không
làm việc.
♦ Đầu nối đặt vào môi trường cần đo nhiệt độ:
đầu nối làm việc.
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
Từ suất điện động nhiệt =>nhiệt độ của môi trường.

⇒
Đại lượng chủ: nhiệt độ môi trường.
⇒
Đại lượng ra: suất điện động nhiệt.
Ưu:
-
Kích thước nhỏ → đo nhiệt độ ở từng điểm của đối
tượng nghiên cứu.
-
Điện dung nhỏ → tốc độ hồi đáp cao.
-
Cặp nhiệt cung cấp suất điện động → khi đo
không cần có dòng đi qua → không có hiệu ứng đốt
nóng.
Nhược:
- Phải biết trước nhiệt độ so sánh (t
0
) → sai số t
0

cũng chính bằng sai số của t
1
.
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
-
Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng
của nhiệt độ là hàm không tuyến tính theo t
1
.

Mỗi loại cặp nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trị
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.
Độ nhạy nhiệt hay còn gọi là năng suất nhiệt điện
của cặp ở nhiệt độ t
1
được xác định bởi biểu
thức:
f(t
1
) = dE
A/B
/dt
f: hàm của nhiệt độ và có đơn vị: μV/
0
C.
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
2.2. Mạch đo
a. Cấu trúc
Mạch đo gồm:
-
Cặp nhiệt,
-
Mạch khuếch đại,
-
Mạch chỉ thị.

A
B
Sơ đồ mạch đo dùng cặp nhiệt
R
1
R
2
R
3
b. Yêu cầu đối với mạch đo:

Suất điện động sinh ra tương đối nhỏ → cần có
mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu lên.

Điện trở của cặp nhiệt nhỏ → trở kháng vào
của bộ khuếch đại phải nhỏ.

Để tăng độ chính xác của phép đo →:
•
Chỗ nối cực nhiệt điện,
•
Mạch đo phải cùng nhiệt độ,
•
Nhiệt độ ở đầu nối không làm việc phải cố
định và thường là 0
0
.
•
Chọn dây nối thích hợp để tín hiệu tiêu hao
trên đường dây là ít nhất.

CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
CẢM BIẾN NHIỆT- cặp nhiệt
♣ Chú ý:
- Khi đo nhiệt độ của các vật rắn, để nâng cao
độ chính xác, cặp nhiệt cần đặt sâu trong môi
trường.
- Khi đo nhiệt độ mặt ngoài → đặt cặp nhiệt
trên mặt đẳng nhiệt.




Đo nhiệt độ bề mặt vật rắn bằng cặp nhiệt