thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh, dải nhiệt độ làm việc từ 00c đến 1000c

Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Lời mở đầu
Trong quá trình phát triển đất nớc vấn đề công nghiệp hoá và hiện
đại hoá đất nớc đợc đặt lên hàng đầu. Do đó, khoa học có một vị trí
quan trọng. Những thành tựu của nó đã đợc ứng dụng vào phục vụ đời
sống của con ngời hàng ngày. Và ngành đo lờng cũng đợc nâng lên một
tầm cao mới.
Bởi trong các hệ thống máy sản xuất nó chính là khâu kiểm tra giám
sát, lấy tín hiệu phản hồi .Nó đợc thể hiện bằng số, bằng cách ghi và
trong tự động hoá thì nó phát tín hiệu cho cơ cấu chấp hành để hiệu
chỉnh hay điều chỉnh lại hoạt động. Kỹ thuật đo lờng ở đây rất rộng và
nhất là đo các đại lợng không điện thì lớn hơn rất nhiều so với các đại lợng điện, đồng thời lại yêu cầu rất cao nên đồi hỏi nhiều nghiên cứu
cũng nh áp dụng những thành quả mới của khoa học.
Bản đồ án này thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh, dải
nhiệt độ làm việc từ 00C đến 1000C bao gồm những phần sau:
Phần I: Tổng quan về đo nhiệt độ.
Phần II: Thiết kế và tính chọn các phần tử trong hệ thống đo
nhiệt độ 5 kênh.
Phần III: Tính chọn nguồn cung cấp cho hệ thống.

Với tấm lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn
các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn TBĐ- ĐT đã giúp đỡ em trong suốt
quá trình học tập tại trờng và đặc biệt là thầy giáo trần quốc thắng
- Ngời đã trực tiếp hớng dẫn, giúp đỡ để em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế
tốt nghiệp đề tài Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5
kênh

1

Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Phần 1
Tổng quan về đo nhiệt độ
1.1. Các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo lờng
1.1.1 Khái niệm:
Đo lờng là một quá trình đánh giá định hớng đại lợng cần đo để có
kết quả bằng số với đơn vị đo.
Kết quả đo lờng là giá trị bằng số của đại lợng cần đo Ax, nó bằng tỷ số
của đại lợng cần đo X và đơn vị đo X0.
Vậy quá trình có thể viết dới dạng:
X

Ax = X

0

X= Ax.X0
Đây là phơng trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lợng
cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số.
Quá trình đo đợc tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lờng sau:
-

Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu.

-

Thao tác so sánh.

-

Thao tác biến đổi.

-

Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị.

Phân loại các cách thực hiện phơng pháp đo
Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận đợc trực tiếp từ
một phép đo duy nhất .
Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả đợc suy ra từ phép
đo ,từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp.
Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lợng nào đó ,
trong cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép

2


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần
thiết.
1.1.2. Các đại lợng đặc trng của kỹ thuật đo lờng
1.1.2.1

-

Tín hiệu đo và đại lợng đo :

Tín hiệu đo : là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lợng
đo.Nó có thể:
+ Tín hiệu liên tục Analog (A)
+ Tín hiệu rời rạc Digital (D)

-

Đại lợng đo : là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó .
Đại lợng đo đợc phân loại nh sau:
+ Theo tính chất :
o Đại lợng tiền định (đại lợng xác định đợc trớc)
o Đại lợng đo ngẫu nhiên (đại lợng không xác định )
+ Theo bản chất :
-

Đại lợng điện (bản thân nó mang năng lợng nh : I ,U...

-

Đại lợng thông số ( R, L, C...)

-

Đại lợng không điện ( t0, F,P ,Q...)

-

Đại lợng theo thời gian ( t,,f...)

+Theo dụng cụ đo :
-

Vôn kế , Wattmet, tần số kế....

1.1.2.2 Điều kiện đo:
Các thông tin đo lờng bao giờ cũng gắn chặt với môi trờng sinh ra đại
lợng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hởng của môi trờng
đến kết quả đo và ngợc lại khi dùng dụng cụ đo không đợc để dụng cụ
đo ảnh hởng đến đối tợng đo. Cần phải tính đến các điều kiện đo khác
nhau để chọn thiết bị đo và tổ chức các phép đo cho tốt nhất.
1.1.2.3

Đơn vị đo:

Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lợng đo nào đấy đợc
quốc tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân theo. Trên thế giới ngời

3


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

ta đã chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn đợc gọi là các chuẩn., trong đó
có 7 đơn vị cơ bản :

-

Chiều dài là mét (m)

-

Khối lợng là kilôgam (kg)

-

Thời gian là giây (s)

-

Cờng độ dòng điện là ampe (A)

-

Nhiệt độ là độ Kelvin (K)

-

Cờng độ ánh sáng là Candela (cd)

-

Số lợng vật chất là mol (mol)

Ngoài ra còn có các đơn vị kéo theo trong các lĩnh vực khác ...
1.1.3. Thiết bị đo và Các phơng pháp đo.

1.1.3.1 Thiết bị đo :
Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo
thành dạng tiện lợi cho ngời quan sát.
Thực hiện phép đo:
-

Thiết bị tạo mẫu : Là thiết bị đo để khôi phục một đại lợng vật lý
nhất định. Thiết bị mẫu phải đạt độ chính xác cao.

-

Dụng cụ đo : Là thiết bị để gia công các thông tin đo lờng và thể
hiện kết quả đo dới dạng con số, đồ thị hoặc bảng số...tuỳ theo
cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo đợc chia thành dụng
cụ đo tơng tự (ânlog) và dụng cụ đo chỉ thị số (Digital)

-

So sánh : + Thiết bị tự động
+ Ngời điều khiển

-

Biến đổi

Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lợng
cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số.
Quá trình đo đợc tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lờng sau:
-

Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu.

-

Thao tác so sánh.

4


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

-

Thao tác biến đổi.

-

Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị.

Phân loại các cách thực hiện phơng pháp đo
Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận đợc trực tiếp từ
một phép đo duy nhất .
Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả đợc suy ra từ phép
đo ,từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp.
Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lợng nào đó ,
trong cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép
tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần
thiết.

Kết quả đo Phơng pháp biến đổi thẳng:

Chuyển

Mạch
đo

Chỉ thị

đổi

Chuyển đổi (khâu đầu): biến đổi giữa hai đại lợng vật lý với nhau.
+ Chuyển đổi điện - điện
-

liên tục

rời rạc (A/D)

-

rời rạc

liên tục (D/A)

+ Chuyển đổi không điện - điện : là đại lợng không điện (t0 ,p ,F ...)
sang đại lợng điện (U, I....).
Mạch đo (biến đổi ): các mạch tính toán nh:
+ Mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân
+ Mạch khuyếch đại ,mạch logic (and, or, not....)

Chỉ thị (khâu cuối): để thể hiện kết quả đo
+ Dùng kim chỉ , tự ghi
+ Chỉ thị số
Dùng biến đổi thẳng là những cái đo trực tiếp(vôn kế, ampe kế).

5


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

X Chuyển

X

Y

Mạch đo

Y

Chỉ thị

đổi

XK

Chuyển đổi
ngược

X: là đại lợng đo
XK: là đại lợng chuẩn phản hồi
X = X XK
-

So sánh cân bằng : X X = X = 0

-

So sánh không cân bằng : X 0 X = XK + X

1.1.4.Các đại lợng đặc trng cơ bản
-

Sai số tuyệt đối : = Xđo Xthực
Xđo : do các dụng cụ đo đợc
Xthực : giá trị mẫu (do dụng cụ đo hay giá trị thực).

- Sai số tơng đối :
% =


100%
Xthực

- Sai số quy đổi : X%(cấp chính xác dụng cụ đo)
qd% =

max

100%
X max

Xmax : là sai số lớn nhất của thang đo
max : là sai số tuyệt đối của thang đo
- Độ nhạy (S):
S=

Y
Tuyến tính
X

6


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

S=

dY
Phi tuyến tính
dX

X : là đại lợng vào
Y : là đại lợng ra
Độ nhạy là độ biến thiên tơng đối giữa đại lợng ra và vào:
S = S1.S2.S3.....Sn
-

Tổng trở vào ,ra của dụng cụ:

-

Tổng trở vào của dụng cụ là tổng trở của dụng cụ đó

-

Tổng trở ra là tổng trở đầu ra.

-

Các dụng cụ đo có tổng trở thích hợp để khi đo các tín hiệu
không bị sai lệch.

-

Đặc tính động:

+ Khi xét các đặc tính động:
- Đặc tính biên độ (trong quá trình quá độ)
-

Đặc tính pha tần .Vì các đại lợng đo (không biến thiên hoặc biến
thiên chậm và đại lợng biến thiên nhanh).

Độ tin cậy và tính kinh tế: phụ thuộc vào trình độ, khoa học
Q xác suất hỏng
P xác suất không hỏng

Q.P = 1 Q P

7


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

1.2. đặc điểm về đo các đại lợng không điện
đo nhiệt độ
1.2.1. Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lợng vật lý đặc trng cho mức chuyển động hỗn loạn
của các phân tử trong các vật thể.
Để đo đợc nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo , thông thờng trong công
nghiệp nhiệt độ đợc đo bằng cảm biến và phơng pháp này tiện lợi là có
thể truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa , không ảnh hởng tới sự làm việc của
hệ thống khi cần xác định nhiệt độ.
Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số T X - T là cực tiểu với T X là
nhiệt độ môi trờng cần đo ,T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trờng cần đo.
Khi cảm biến đợc đặt trong môi trờng cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lợng
cảm biến hấp thụ từ môi trờng tỷ lệ với độ chênh nhiệt giữa cảm biến và
môi trờng theo biểu thức :
dQ = a.A(TX -T)dt
với a là độ dẫn nhiệt ,
A là diện tích bề mặt truyền nhiệt .
Mặt khác nếu cảm biến có khối lợng là m và nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt)
là c thì nhiệt lợng hấp thụ đợc là:
dQ = m.c.dT
Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt môi trờng , kết cấu kiểu giá đỡ thì ta có :

a.A(TX - T)dt = m.c.dT
Gọi là hằng số thời gian nhiệt
=

m.c
a.A

Vậy ta có phơng trình vi phân cân bằng nhiệt
dT
=
Tx-T

dt



(1 - 1)

Nghiệm của phơng trình (1 - 1)là :

8


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

t
T = TX k.e- , (1 - 2)
với k là hằng số

Từ phơng trình (1 - 2) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian hình
(1 -1a)

t

TX

TX

t

T1
0,63 TX

0,63 TX






hình 1-1a


hình1- 1b

Hình (1 - 1b) có tính tới tổn thất nhiệt từ môi trờng cần đo truyền vào
cảm biến và TX T1 = T luôn luôn tồn tại
1.2.2 Thang đo nhiệt độ:
Là một dãy các mốc nằm trong khoảng nhiệt độ giới hạn bởi hai điểm

sôi và nóng chảy cố định của một vật chất tinh khiết, hai điểm này gọi là
điểm gốc để phân độ toàn thang.
Ngày nay trên thế giới tồn tại 3 loại thang đo nhiệt độ:
1.2.2.1 Thang nhiệt độ động học tuyệt đối hay còn gọi là thang
Kelvin đơn vị là K
do nhà vật lý ngời Anh là Thomson đề ra năm 1852.
Trong thang nhiệt độ này ngời ta lấy 3 trạng thái của nớc ở điểm cân
bằng
nớc - nớc đá - hơi nớc một giá trị số bằng 273,150K.
Từ thang nhiệt độ Kelvin ngời ta xác định các thang nhiệt độ mới là
thang Celsíu và thang Fahrenheit.

9


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

1.2.2.2 Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius).
Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là 0C . Do nhà vật lý ngời Thụy
Điển Celsius đa ra năm 1742 dựa vào điểm tan của nớc đá và điểm sôi
của nớc chia ra 100 khoảng. Quan hệ giữa thang Celsius và thang
Kelvin đợc xác định bởi biểu thức :
t (0C) = t (0K) - 273,15 (1 - 3)
1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ 0F do nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đa
ra năm1706,
lấy nhiệt độ của nớc đá đang tan là 32 0F và sôi ở 212 0F.
Đổi từ thang 0C ra nhiệt độ 0F và ngợc lại theo công thức:
t(0C ) = {t(0F) - 32}

t(0F ) =

5
9

9
{t(0C ) + 32}
5

Năm1948 hội nghị đo lờng quốc tế thứ 19 đã lấy thang nhiệt độ bách
phân (Celsius) là thang nhiệt độ quốc tế
Xây dựng thang đo nhiệt độ quốc tế ngời ta ghi nhận các điểm cố định
sau :
-

Điểm sôi của O2 là -182,97 0C

-

Điểm tan của nớc đá (điểm gốc) 0,000C

-

Điểm sôi của nớc ( điểm gốc ) 100,000C

-

Điểm sôi của lu huỳnh 444,600C

-

Điểm kết tinh của bạc 960,800C

-

Điểm kết tinh của vàng 1063,000C

10


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Bảng trạng thái đo nhiệt độ

0

Trạng thái

K

0

C

0

F

Điểm 0 tuyệt đối
Hoà hợp nớc - Nớc đá

0
273,15

-273,15
0

-459,6
32

Cân bằng nớc-nớc đá-

273,16

0,01

32,108

hơi nớc
Nớc sôi

373,15

100

212

1.2.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ

Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách , nếu theo nguyên tắc
làm việc của máy đo nhiệt độ thì có thể phân thành các nhóm :
+ Nhiệt kế giãn nở :
Dựa trên sự biến đổi thể tích của chất lỏng hay chiều dài của chất rắn
khi nhiệt độ thay đổi .
+ Nhiệt áp kế :
Dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích chất lỏng, chất khí, hơi
trong hệ thống kín khi nhiệt độ môi trờng thay đổi .
+ Nhiệt kế cặp nhiệt điện :
Dựa trên nguyên tắc thay đổi sức điện động khi cặp nhiệt điện thay đổi.
+ Nhiệt kế điện trở :
Dựa trên sự phụ thuộc gữa nhiệt độ của dây dẫn , bán dẫn với điện trở
của chúng.
+ Hoả kế bức xạ , hoả kế phát quang :
Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi khi nhiệt độ vùng cần đo thay
đổi.
+ Siêu âm nhiệt độ :

11


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Nguyên lý hoạt động dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trờng
truyền âm
Ví dụ : trong không khí khô ,ở áp suất khí quyển thông thờng quan hệ
giữa vận tốc truyền âm và nhiệt độ theo biểu thức :
C = 331,5

T
(m/s)
273,15

với C : vận tốc truyền âm.
T : nhiệt độ tuyệt đối của không khí khô cần đo
Bảng dới đây giới thiệu các khoảng đo của các máy đo chủ yếu

Giới hạn đo 0C
Tên máy đo nhiệt độ
Min

Max

Nhiệt kế cơ khí

-100

600

Nhiệt kế thuỷ ngân

-35

350

Nhiệt kế chất lỏng

-190

150

Nhiệt áp kế chất lỏng

-120

600

Nhiệt áp kế thuỷ ngân

-35

600

Nhiệt áp kế chất khí

-120

600

-60

300

Nhiệt kế điện trở bằng đồng

-50

180

Nhiệt kế điện trở bạch kim (Pt)

-250

650

Nhiệt kế điện trở Niken

-200

180

Nhiệt kế bán dẫn Silic

-50

120

1- Nhiệt kế giãn nở ( đo tiếp xúc)

2- Nhiệt áp kế (đo tiếp xúc)

Nhiệt áp kế chất hơi
3- Nhiệt kế điện trở (đo tiếp xúc)

12


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

4- Cặp nhiệt điện (đo tiếp xúc)
Bạch kim - Rodi - Bạch kim

-20

1600

Crom - Nhôm

-50

1000

Crom - Copen

-50

600

-100

400

Hoả kế bức xạ

800

1800

Hoả kế quang học

800

6000

Đồng - Constantan
5- Hoả kế (đo không tiếp xúc)

1.2.3.1 Nhiệt kế giãn nở :
+ Nhiệt kế hai thanh kim loại :

8

Hình 1.2 : Nhiệt kế hai thanh kim loại
1- ống
2- Thanh kéo.
3- Đáy ống.
4- 6, Lò xo.
5- Vỏ máy
7- Kim máy đo
8- Hai thanh kim loại của nhiệt kế

13


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2 là nhiệt kế hai thanh kim loại khác nhau uốn thành lò xo , ống
xoắn nhiều vòng hàn lại với nhau thành thanh , khi nhiệt độ đốt nóng hai
thanh nó sẽ dài ra không giống nhau và lò xo sẽ uốn về phía kim loại
nào có hệ số giãn nở nhỏ làm kim chỉ chuyển dịch ta đọc đợc nhiệt độ
bên trong.
Chiều dài của 1 thanh ở 1 nhiệt độ đợc tính theo công thức :
lt = l0(1 + t)
Với l0 là chiều dài của thanh ở nhiệt độ 00C , là hệ số giãn nở nhiệt của
kim loại của thanh đó
Hình 1-2b là nhiệt kế kiểu thanh gồm 1 ống và 1 thanh kéo chế tạo bằng
hai vật liệu khác nhau .Thanh kéo 1 đợc đặt trong ống , một đầu đợc
gắn chặt vào đáy ống , khi bị đốt nóng và thanh kéo dài ra không giống
nhau ,tác động cơ khí lên kim chỉ quay đi 1 góc tơng ứng với nhiệt độ
cần đo chia trên thang mặt đồng hồ.
Nhiệt kế giãn nở có độ chính xác thấp , nên dùng trong các hệ thống
cần đo và điều khiển nhiệt độ đơn giản.
+ Nhiệt kế thuỷ tinh chất lỏng.

Hình 1-3 Nhiệt kế thuỷ ngân

14


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Nguyên tắc làm việc của loại nhiệt kế này là dựa trên hiện tợng giãn

nở vì nhiệt của chất lỏng chứa trong bầu thuỷ tinh , khi chất lỏng trong
bầu bị đốt nóng , chất lỏng đợc dâng lên theo ống nối ngắn với bầu
chứa , quan sát chiều cao cột chất lỏng ta sẽ có nhiệt độ tơng ứng đợc
khắc trrên thang đo.
Tiết diện càng nhỏ thì nhiệt kế càng nhạy với nhiệt độ, chất lỏng chứa
trong bầu thuỷ tinh có thể là ruợu hoặc thuỷ ngân .
Hình 1-3 là nhiệt kế thuỷ ngân . Hình 1-3 a là loại nhiệt kế thuỷ ngân
thanh thẳng, có ống nối nhỏ ,dài và dày làm bằng thuỷ tinh chịu nhiệt
hoặc bằng thạch anh. Loại nhiệt kế này có độ chính xác cao hay sử
dụng trong phòng thí nhiệm.
Hình 1-3b là loại nhiệt kế thuỷ ngân thanh thẳng có ống nối riêng và
bảng chia độ riêng.
Nhiệt kế thuỷ ngân chế tạo đơn giản , giá thành hạ.Nhợc điểm khó đọc
số, số chỉ báo chậm , độ bền kém, không thể tự ghi và truyền tín hiệu đi
xa.
1.2.3.2 Nhiệt áp kế
Nhiệt áp kế có cơ cấu đo kiểu lò xo áp kế . Khi tăng nhiệt độ của túi
nhiệt làm cho chất lỏng, chất khí chứa trong nó tăng thể tích nhng do túi
nhiệt là thể tích kín nên làm cho tăng áp suất và làm biến dạng lò xo,
truyền qua cơ cấu truyền động tới kim chỉ của áp kế , ống nối với túi
nhiệt có đờng kính từ 0,2 ữ 0,5mm gọi là ống lò xo đàn hồi. ống lò xo
này có thể là một hoặc nhiều vòng tuỳ theo thiết kế của nhà chế tạo.
Nhiệt áp kế phân theo tính chất làm việc nh : nhiệt áp kế chất lỏng, chất
khí, chất hơi. Với nhiệt áp kế chất lỏng chủ yếu là thuỷ ngân và ruợu.
Nhiệt áp kế chất hơi thờng dùng chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp nh
benzen, axeton
Trong nhiệt áp kế chất khí thì trong toàn bộ hệ thống áp suất đều chứa
khí trơ nh : heli, nitơ, ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển.

15

Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Hình 1-4
1- Túi nhiệt
2- ống nối
3- Lò xo đàn hồi
4- Kim chỉ
5 -Thang đo
Hình 1-4 là cấu tạo của nhiệt áp kế. Túi nhiệt đợc chế tạo từ thép
hoặc đồng thau , ống dẫn nối chế tạo từ vật liệu là thép hoặc đồng, lò
xo ống đàn hồi làm bằng đồng thau. áp suất tối đa trong hệ thống kín
của nhiệt áp kế có thể đạt tới 60atmotphe, phía ngoài của nhiệt áp kế có
thể lắp thêm công tắc tín hiệu, các bộ phận truyền tín hiệu đi xa, các cơ
cấu tự ghi các thông số đo
Sai số của các loại nhiệt áp kế chất lỏng , chất khí không quá
1,5%; sai số của nhiệt áp kế chất hơi có thể tới 2,5%. Nhợc điểm của
các loại nhiệt áp kế là độ bền cơ học của ống nối thấp, thời gian báo kết
quả đo chậm, khó sửa chữa và lắp ráp.
1.2.3.3 Đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện.
+ Nguyên tắc làm việc và cấu tạo của cặp nhiệt độ.

16


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt điện là khi có hai thanh kim loại A
và
khác nhau đợc hàn lại với nhau ở hai đầu 1 và 2
(nh hình1-5). Đầu 1 có nhiệt độ là t (đầu đo nhiệt độ)
Đầu 2 có nhiệt độ là t0 (đầu tự do).
Do tính chất kim loại của hai thanh A , khác

2 t0

nhau nên lợng điện tử tự do trong hai thanh
cũng khác nhau . Số lợng điện tử tự do khuyếch
tán sang qua mối hàn cũng khác nhau, khi cân
bằng ở nhiệt độ nào đó thì ở mối nối giữa hai

A

B

thanh sẽ xuất hiện một sức điện động xác lập .
Nếu đầu 1 và 2 có cùng nhiệt độ
là t0 ta có phơng trình sức điện động tổng:
EAB = eAB(t0) + eBA(t0) = 0 (2-1)

1 t
Hình: 1- 5

từ đây ta rút ra
eBA(t0) = - eAB(t0) (2-2)

khi t và t0 khác nhau thì ta có:
EAB = eAB(t) + eBA(t0) (2-3)
hay
EAB = eAB(t) eÂB(t0) (2-4)
Trị số của EAB phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ của 2 đầu. Nếu t0 =
const thì
EAB(t) = eAB(t) c = f(t) (2-5)
với c là hằng số và c = cAB(t0) = const
Từ phơng trình (2-5) . Nếu bằng cách nào đó làm cho t 0 không đổi thì
sức điện động là hàm số của nhiệt độ t ở đầu 1. Vật liệu làm điện cực
cặp nhiệt điện phải có yêu cầu là đồng chất , sức điện động phụ thộc
vào nhiệt độ gần tuyến tính , chịu đợc nhiệt độ, độ bền cơ học ở nhiệt độ
cao, có độ bền hoá học, tính đồng nhất của vật liệu dọc chiều dài điện
cực.

17


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Trong kĩ thuật sử dụng các cặp nhiệt độ : crôm-crôm ; crôm-copen;
đồng-constantan; đồng-copen; sắt-copen; ở nhiệt độ cao ngời ta còn sử
dụng cặp nhiệt điện vonfram-reni.
Trên hình 1.6 là đặc tuyến sức điện động theo nhiệt độ của các cặp
nhiệt, ứng với đầu tự do có t0 = 00C
E (mv)

E

E : Chromel/Constantan
J: Sắt/Constantan

60

T: Đồng/Constantan
K : Chromel/Alumel

J

50

R : Platin- Rođi ( 13%)/Platin
S : Platin- Rođi (10%)/Platin

K

40

B: Platin- Rođi (30%)/Platin-Rođi(6%)

30
R

20

S

10

B
200

600

1000

T (0C)

1400

Hình 1.6 Đặc tuyến sức điện động của các cặp nhiệt
Đặc tính kỹ thuật của cặp nhiệt điện thông dụng

Cặp nhiệt điện

Dải nhiệt độ Sức điện
làm việc(0C) động (mV)

-6,26ữ19,03 -100 ữ 400C; 2%

Đồng Constantan
= 1,63 mm

Độ chính xác

-270 ữ 370

-80 ữ 1000C; 0,8%

100 ữ 3500C;

Sắt Constantan
= 3,25mm
Chromel Alumen
= 3,25mm

-210 ữ 800

-8,1ữ45,5

0,75%
0 ữ 4000C; 3%
400 ữ 8000C;

0,75%
-270 ữ 1250 -5,35ữ50,63 0 ữ 4000C; 3%
400 ữ 12500C;
0,75%

18


Trêng §HKB hµ néi

®å ¸n tèt nghiÖp

– -50 ÷ 1500

Platin

-0,24÷15,58 0 ÷ 6000C; ±2,5%

Rodi(10%)Platin

600 ÷ 15000C;

φ = 0,51mm
Chromel – Constantan -276 ÷ 870

0,4%
-9,84÷66,48 0 ÷ 4000C; ±3%

φ = 3,25mm

400 ÷ 8700C;

Platin

±0.75%
0 ÷ 5380C; ±1,4%

-50 ÷ 1500

-0,23÷17,4

-Rodi(13%)platin

538 ÷ 15000C;

φ = 3,25mm
Platin-Rodi

±0,25%
870 ÷ 17000C;

(30%) 0 ÷ 1700

0 ÷ 12,426

platin-Rodi(6%); φ =
0,51mm
Vonfram – Reni

±0,5%
0 ÷ 2700

0 ÷ 38,45

(5%)VonframReni(26%)
+ Sö dông ®ång hå miliv«n kÕ kiÓu tõ ®iÖn ®o tÝn hiÖu cÆp nhiÖt
®iÖn
Trªn s¬ ®å nguyªn lý h×nh (1-7) lµ s¬ ®å sö dông ®ång hå miliv«n kiÓu
tõ ®iÖn ®Ó ®o tÝn hiÖu cña cÆp nhiÖt ®iÖn

F

t0

c

t1

t1

a

R®c
D

t0

Rp

c

Rf
t

b
H×nh 1.8 S¬ ®å ®o s®® nhiÖt b»ng miliv«n kÕ

19


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Dòng điện chạy trong mạch đo do sức điện động E AB (t,t0) tạo ra tính

theo công thức :
=

EAB( t , t 0)
EAB( t , t 0)
=
RAB + RFD + Rc + Rdc + Rp + Rf
Rng + RM

với điện trở ngoài:
Rng = RAB+RFD+R0+Rdc
Điện trở của dụng cụ đo :
RM = RP + Rf với RP là điện trở của khung dây ,R f là điện trở phụ
trong mạch đồng hồ đo
Điện áp đặt lên đồng hồ là:
Uab = I.RM = EAB(t,t0) I.Rng
Mômen quay khung dây đồng hồ:
M = S..W.

với S diện tích khung dây
cờng độ từ cảm trong khe hở
W số vòng của khung dây.

Mặt khác có mômen cản của lò xo là Mng tính theo công thức:
Mng = k.

với k là hệ số đàn hồi của lò xo
là góc quay của khung dây

Khi mômen quay M cân bằng với mômen cản của lò xo Mng thì có:

S..W.I = k.
=

EAB(t,to)
S.B.W.I
= A.I = A.
Rng + RM
k

Với một đồng hồ milivon đã chế tạo thì A trong biểu thức trên là một
hằng số và A =

S.B.W
gần nh không đổi. Khi giữ cho R ng+RM = const thì
k

góc quay của khung dây tỷ lệ với EAB(t,t0); trên bề mặt của đồng hồ
milivon khắc theo nhiệt độ cho toàn thang đo.
Khi đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện phải chú ý tới đầu tự do có
nhiệt độ t0, phải chọn vùng có nhiệt độ t0 ổn định tránh sinh ra sức điện
động phụ làm cho sai số của phép đo lớn.

20


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Để chọn đợc vùng có t0 ổn định ngời ta sử dụng cặp dây bù để kéo

dài đầu tự do đi xa hoặc sử dụng cầu bù tự động để có điện áp đặt vào
dụng cụ thứ cấp không đổi ứng với nhiệt độ t của đầu đo không đổi khi
nhiệt độ t0 của đầu tự do thay đổi.
C

t0
F

Rđ

a

a

mv

d
t1

t1

B

A
t

R2

b

D

c

R3
Rhc
AC/DC

Hình 1-9
Sơ đồ hình 1-9 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo nhiệt độ sử dụng
cầu bù tự động. Cầu bù tự động gồm điện trở R 1, R2, R3 làm bằng
1
);
C

mangan. Có hệ số tăng điện trở theo nhiệt độ nhỏ ( = 0,000015 0

Rđ làm bằng đồng. Nguồn điện ổn định cấp vào đờng chéo của cầu là
điểm a,b. Khi có cầu bù do sự tăng điện trở của R đ nên cầu bù tự động
xuất hiện một điện áp cầu Ucd để luôn luôn bảo toàn biểu thức
EAB(t,t0) = EAB(t,t0 ) + Ucd
Trong thực tế với cầu bù tiêu chuẩn khi đầu tự do có t0 thay đổi từ
0ữ500C
thì sai số của phép đo là 30C; với nhiệt độ t0 trong từng máy đo đã cho
biết trớc.
1.2.4 Đo nhiệt độ bằng cảm biến điện trở
Từ năm 1821 ngời ta đã phát hiện ra điện trở của một số kim loại
thay đổi theo nhiệt độ. Ngày nay với trình độ công nghệ kỹ thuật cao đã
tạo ra đợc các loại cảm biến điện trở chia ra làm 3 nhóm : kim loại, bán

21


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

dẫn và nhiệt điện trở , u điểm cơ bản của cảm biến điện trở là đơn giản,
độ nhạy cao, ổn định dài hạn.
1.2.4.1 Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại
Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thay
đổi điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trờng đo thay đổi
so với trị số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Ví dụ điện trở của dây đồng
thay đổi theo nhiệt độ:
RCu t = RCuo [1+ (t - t0)]
Với RCu0 là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t 0. Nhiệt độ t0
trong thực tế ngời ta thờng lấy ở 00C, t là nhiệt độ của môi trờng đo;
là hệ số tăng điện trở của đồng trên 10C.

Bảng tính chất vật lý của một số kim loại
Điện trở
Tên vật liệu

suất ở 200C
10-6m

Hệ số nhiệt độ
Điện trở
Độ nở dài
0

C -1

10-3m,0C -1

22

Nhiệt độ
nóng chảy
C

0


Trờng ĐHKB hà nội

Nhôm (Al)
Vonfram
Sắt (Fe)
Đồng (Cu)
Bạc (Ag)
Niken (Ni)
Bạch kim (Pt)
Mangan (Mn)

đồ án tốt nghiệp

0,029

0,004

0,024

659

0,056

0,0045

0,0045

3500

0,1 ữ 0,14

0,0045

__

1530

0,0175

0,004

0,017

1083

0,016

0,004

0,019

961

0,0106

0,0047

0,00128

1453

0,045

0,0039

0,0089

1769

__

960

0,42
0,000015

Các điện trở bằng kim loại thờng là các dây tròn ví dụ nh bạch kim có
= (0,05 ữ 0,07)mm, dây đồng = 0,2mm hoặc nhỏ hơn; Đợc quấn trên
lõi cách điện và đợc lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu
dới, hoặc ống gốm bịt kín.
ở 00C nhiệt kế bạch kim đợc chế tạo với trị số : 10; 48 và 100.
Đồng ở 00C đợc chế tạo với trị số 53; 100.
Trên hình 1-10 là cấu tạo của một điện trở bạch kim sử dụng làm cảm
biến
nhiệt
1- Tấm mica có đờng ren
2- Dây platin
3- Đầu nối ra
4- Đệm mica
5- Dây bạc để gắn đệm mica

23


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

3

4
5
2
1
Hình 1.10 Điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến
Độ nhạy của cảm biến nhiệt độ Ni và Fe-Ni là 5.10-3

1
. Độ nhạy
C

0

của cảm biến nhiệt độ điện trở của Pt là 4.10-3 01

C

1.2.4.2 Cảm biến nhiệt điện trở Silic:
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên
khi đợc kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện
trở của nó thành dơng. Ngời ta đã thấy khi ở nhiệt độ dới 2000C thì hệ số
nhiệt điện trở của cảm biến nhiệt điện trở silic có trị số dơng ; còn khi
nhiệt độ lớn hơn 2000C hệ số nhiệt điện trở là âm.
Phần tử cảm nhận của silic có kích thớc (500ì500ì240)àm, đợc mạ
kim loại ở một phía còn phía còn lại để tiếp xúc với bề mặt đo nhiệt độ.
Độ nhạy của loại cảm biến này vào khoảng 0,7% 0C có nghĩa là điện
trở thay đổi 0,7% theo từng 0C. Có thể tính gần đúng điện trở của cảm
biến silic:
1

1

R(T) = R0.e

( T - To )

R =

B
T2

Với T, T0 tính theo nhiệt độ K

24


Trờng ĐHKB hà nội

đồ án tốt nghiệp

Vì độ nhạy của cảm biến nhiệt điện trở cao nên thờng dùng để phát hiện
nhiệt độ biến thiên rất nhỏ từ (10-4ữ10-3)K
1.2.5.3.Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở:

R1

R2

R1

R2

Rd1
R3

Rt

R3

Rt

Rd2

Hình 1- 11
Trên hình 1-11 các điện trở R1, R2, R3 là các điện trở có trị số thay đổi
theo nhiệt độ là rất nhỏ, R t là cảm biến điện trở đặt trong vùng cần đo
nhiệt độ. Sơ đồ cầu đợc cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn
định cao.
Giả sử thang chia nhiệt độ của mV đợc chia từ 00C thì muốn kim
milivon - mV chỉ 00C thì điện thế ở điểm 1 và điện thế ở điểm 2 trên sơ
đồ phải bằng nhau. Có nghĩa :
E.R 3
E.Rto
=
R1 + R 3
R 2 + Rto

và
U1-2 =

E.Rto
E.R 3
=0
R 2 + Rto R1 + R 3

Nếu chọn R1= R2 và R3 = Rto; với Rto là trị số của cảm biến điện trở ở

nhiệt độ 00C.
Vậy có thể viết theo :
U1-2 = E

Rto R 3
Rto Rto
=E
=0
R 2 + Rto
R 2 + Rto

25