Thang nhiệt độ

GVHD:Phan Duy Anh

Đồ Án Tốt Nghiệp
I.Thang nhiệt độ và điểm chuẩn nhiệt độ:
I.1. Thang nhiệt độ :

Các tính chất vật lí của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng. Từ sự thay đổi nhiệt
của một đặc trưng vật lí của vật liệu cho trước người ta luôn luôn có thể xác định một thang
đo nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ và đặc biệt là nhận biết sự cân bằng của hai nhiệt độ cho
phép đo nhiệt độ. Tuy thế thang nhiệt độ như thế là hoàn toàn tuỳ tiện bởi vì nó liên quan đến
1 tính chất đặc biệt: nó không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ một ý nghĩa vật lí riêng. Chỉ
có xuất phát từ các định luật nhiệt động học mới có thể xác định thang nhiệt độ đặc trưng tổng
quát cho mọi trường hợp
Các thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định như nhau và dựa trên các tính chất của khí lí
tưởng. Định luật Carot nêu rõ: hiệu suất  của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa
2 nguồn ( nhiệt độ 1 và 2 tương ứng), trong một thang đo bất kì, chỉ phụ thuộc vào 1 và 2



F (1 )
F ( 2 )

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ . Ngược lại việc lựa chọn hàm F sẽ
quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F()=T chúng ta sẽ xác định T như là nhiệt độ động học
tuyệt đối và hiệu suất của đông cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:

 1

T1
T2

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn
Phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất P, thể tích V và nhiệt độ 
PV=G()
Có thể chứng minh được rằng:
G()=RT
Trong đó R là hằng số của chất khí lí tưởng. Giá trị M của một phần tử gam của chất khí
chỉ phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ. Để có thể gán một giá trị số cần phải xác định đơn vị
đo nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán cho 1 giá trị số cho nhiệt độ tương ứng với 1 hiện tượng
nào đó với điều kiện hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại.

I.2. Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối :
- Thang Kelvin: đơn vị là 0 K. Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của
điểm cân bằng của 3 trạng thái nước-nuớc đá- hơi một giá trị số bằng 273.15 0K.
- Thang Celcius: đơn vị là 0C. Quan hệ giữa nhiệt độ Celcius và Kelvin được xác định
bởi công thức:
SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 38


GVHD:Phan Duy Anh

Đồ Án Tốt Nghiệp
T(0C)=T(0K)-273.15
- Thang Fahrenhiet: đơn vị là 0F
T (0 C )  {T (0 F )  32}

5
9

9
T ( 0 F )  T ( 0 C )  32
5

I.3.Điểm chuẩn nhiệt độ :
Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hay một cặp nhiệt) chính bằng nhiệt độ của cảm
biến và kí kiệu là Tc. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt độ
trong đó. Nhiệm vụ của người làm thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số Tx-Tc xuống
nhỏ nhất. Có 2 biện pháp để giảm sự khác biệt giữa Tx-Tc:
- Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo
- Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài

II.Các Phương Pháp Đo Nhiệt Độ :
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hổ trợ chuyên biệt như:
+ Cặp nhiệt điện
+ Nhiệt điện trở kim loại
+ Nhiệt điện trở bán dẫn
+ Nhiệt kế bức xạ
+ IC cảm biến nhiệt

II.1 Cặp nhiệt điện ( Thermocouples )
Linh kiện gồm hai thanh kim loại hoặc bán dẫn khác loại, hàn với nhau một đầu, hoạt động
nhờ hiện tượng nhiệt điện hay hiệu ứng Peltier-Seebeck. Giữa hai đầu dây của cặp nhiệt điện
sẽ xuất hiện một sức điện động một chiều có trị số phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa mối
hàn và các đầu không hàn.

SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 39

GVHD:Phan Duy Anh

Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình II.1 : Thermocouple
Ðiện thế này phụ thuộc vào các kim loại được dùng và nhiệt độ tại điểm tiếp xúc,
thông thường điện thế biến đổi cỡ 7 đến 75 mV ứng với một độ C. Khoảng nhiệt độ đo được
của cặp nhiệt điện khá cao, độ bền tốt và tính ổn định cao. Tuy nhiên cặp nhiệt điện cũng có
một số nhược điểm cần khắc phục. Trước hết đó là mức ra quá thấp cho nên cần phải có bộ
khuếch đại có hệ số lớn. Thứ hai, điện áp ra không tuyến tính với nhiệt độ, điều này có thể
giải quyết bằng cách dùng mạch khuếch đại có độ khuếch đại phụ thuộc giá trị của tín hiệu.

Tuỳ thuộc vào nhiệt độ cần đo mà dùng các loại cặp nhiệt điện khác nhau:
- Platin- Platin Radi (1.300 oC);
- Cromen - Alumen (1.000 oC);
- Cromen - Copen (tới 600 oC);
- Sắt - Copen (tới 600 oC).
Đối với khoảng đo từ +600 trở xuống người ta sử dụng cặp nhiệt điện .

SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 40


GVHD:Phan Duy Anh

Đồ Án Tốt Nghiệp

II.2. Điện trở dò nhiệt (RTD)

Ðiện trở dò nhiệt (Resistance Temperature Detector -RTD) là điện trở có giá trị thay
đổi theo nhiệt độ.
RTD được cấu tạo bởi một sợi hay một lá mỏng platin hay một sợi nikel hoặc đồng
(nguyên chất) .Dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ ( phương trình
Callendar- Van Dusen ).
Cần phải có mạch điện phức tạp để giảm sai số hay dùng sơ đồ nối ba hay bốn dây để
bù trừ điện trở dây nối khi phải nối dài cảm biến

Hình II.2 : Điện trở dò nhiệt
-

RTD bằng đồng sử dụng ở nhiệt độ dưới 100 oC để tránh oxi hoá

-

RTD bằng niken có độ phi tuyến cao , dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn 300 oC

-

RTD bằng bạch kim thông dụng nhất , có điện trở suất cao , chống oxi hoá có thể

dùng trong khoảng -250 oC đến +850 oC

II.3. Điện trở nhiệt ( Thermistor )
Ðiện trở nhiệt được cấu tạo với một vật liệu là oxit kim loại, mangan, nikel, colbalt…
vật liệu này thay đổi không tuyến tính với nhiệt độ , cho khoảng đo từ 50 đến 150 oC. Do tính
chất phi tuyến cuả nó , người ta không dùng Thermistor để đo nhiệt độ mà dùng trong các
mạch cảnh báo quá nhiệt hay mạch bù nhiệt .
Trong trường hợp cần đặc tuyến tuyến tính theo nhiệt độ phải dùng thêm một số mạch
tuyến tính hoá .

Thermistor gồm có 2 loại :
SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 41


GVHD:Phan Duy Anh

Đồ Án Tốt Nghiệp
- PTC :điện trở tăng theo nhiệt độ
- NTC :điện trở giảm theo nhiệt độ
Trong đó NTC thông dụng nhất .

Hình II.3 : Điện trở nhiệt

II.4.Cảm biến bằng vật liệu bán dẫn
Nguyên lí loại này dựa trên nguyên tắc là mức năng lượng cần thiết để các điện tử
vượt qua vùng nghèo sẽ thay đổi khi nhiệt độ chuyển tiếp thay đổi. Vì thế mức áp rơi trên mối
nối P-N cũng sẽ thay đổi khi nhiệt độ của nó thay đổi. Cùng với những mạch điện tử tích hợp
thích hợp người ta đã chế tạo ra nhiều loại cảm biến có ngõ ra khác nhau. Nhưng chúng đều
có một hạn chế chung là nhiệt độ hoạt động của chúng không cao vì giới hạn bởi sức chịu
đựng của vật liệu chế tạo.

II.5. IC Cảm biến nhiệt :
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện
dưới dạng dòng điện hay điện áp. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo
ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết được giá
trị của nhiệt độ cần đo. Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lổ trống trong
chất bán dẫn . Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua
SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 42


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD:Phan Duy Anh

vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống . Làm cho tỉ lệ điện tử tự do và lổ
trống tăng lên theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ .
Sau đây là một số loại IC cảm biến nhiệt thông dụng trên thị trường:

AD590:
Ngõ ra là dòng điện
Độ nhạy:1 mA/ 0K
Nguồn cung cấp Vcc: 430 VDC
Độ chính xác: 4K
Phạm vi hoạt đông: -55 0C 1500C
LX5700:
Ngõ ra điện áp
Độ nhạy: -10mV/0C
Phạm vi hoạt động: -550C  1500C
Loại này ít dùng vì độ chính xác thấp
LM335:
Ngõ ra là điện áp
Độ nhạy là 10mV/0K
Dòng làm việc 400uA đến 5mA
Nguồn cung cấp Vcc: 2.5 V
Phạm vi hoạt động: -200C  1000C
Sai số khoảng 10C trong khoảng 1000C

LM134, LM234, LM334:
Ngõ ra là dòng điện
Làm việc với khoảng điện áp rộng từ 1 đến 40 VDC
LM35:
Ngõ ra điện áp
Độ nhạy là 10 mV/0C
Phạm vi hoạt động: -550C  1500C
Ở nhiệt độ 250C sai số không quá 1%.
Dòng làm việc 400uA đến 5mA

Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phương pháp thông dụng , đơn
giản được chúng em sử dụng trong đồ án này.
SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 43


GVHD:Phan Duy Anh

Đồ Án Tốt Nghiệp

III. Hệ thống đo lường:
III.1.Giới Thiệu :
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì tuỳ thuộc vào đặc tính của đại
lượng cần đo,điều kiện đo,cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể
thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sỡ của các hệ thống đo lường khác nhau.
Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát :

Chuyển đổi

Tính toán

Chỉ thị

- Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối
tượng cần đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lý thống nhất ( dòng điện hay
điện áp) để thuận lợi cho việc tính toán.
- Khối tính toán : tùy theo việc sử dụng chip và khai báo ADC mà có các phép tính phù hợp
- Khối chỉ thị :làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện

III.2.Hệ thống đo lường số :
Hệ thống đo lường số được áp dụng có các đặc điểm : các tín hiệu tương tự qua biến
đổi thành các tín hiệu số có giá trị trạng thái 0, 1 sẽ giới hạn được nhiều mức tín hiệu gây sai
số .Mặt khác, hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy tính, qua giao tiếp với máy tính
ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật.

SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 44


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD:Phan Duy Anh

III.3.Hoạt động :
Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý,dựa vào các đặc tính của đối tượng cần đo mà ta
chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo thành đại lượng
điện, đưa vào mạch chế biến tín hiệu(gồm:bộ cảm biến, hệ thống khuếch đại, xử lý tín hiệu).
Bộ chuyển đổi tín hiệu sang số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển

đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lý.
Bộ vi điều khiển có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ
sở trình tự những lệnh chấp hành đã thực hiện trước đó.

SVTH: Lê Cao Thượng - Trần Thành Nghĩa

Trang 45