cam bien nhiet do

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1></div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

II. Cảm biến nhiệt độ

<b>2.1 Khái niệm cơ bản</b>

<b>2.2 Thang đo nhiệt độ</b>

<b>2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo</b>

<b>2.4. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ.</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

<b>2.1 Khái niệm cơ bản</b>

• Nhiệt độ là gì?

– là đại lượng vật lí
đặc trưng cho trạng
thái cân bằng nhiệt
động của một hệ vĩ
mô.

– Là đại lượng biểu
diễn mức độ nóng
lạnh của vật thể.

Đo nhiệt độ là rất cần thiết

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

<b>2.1 Khái niệm cơ bản</b>

• Việc xác định
chính xác một nhiệt
độ là một vấn đề
khơng đơn giản

• Nhiệt độ là đại
lượng chỉ có thể đo
gián tiếp dựa vào
sự phụ thuộc tính
chất vật liệu vào
nhiệt độ.

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

<b>2.2 Thang đo nhiệt độ</b>

• Thang đo nhiệt độ tuyệt đối được dựa vào tính chất của khí lý
tưởng.

• Vậy khí lý tưởng là gì?

– Là một loại chất khí tưởng tượng

– Chứa các hạt giống nhau

– Có kích thước vơ cùng nhỏ so với thể tích của khối khí

– Khơng tương tác với nhau,

– Chúng chỉ va chạm đàn hồi với tường bao quanh khối khí.

• Theo định lý Carnot:

– hiệu suất của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động
giữa hai nguồn có nhiệt độ và trong một thang đo bất kỳ
chỉ phụ thuộc vào và :

 

 

1₂




<i>F</i>
<i>F</i>



1

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

<b>2.2 Thang đo nhiệt độ</b>

• Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang
đo nhiệt độ.

• Ngược lại, chọn dạng hàm F sẽ quyết
định thang đo nhiệt độ.

• Đặc , khi đó hiệu suất của động
cơ nhiệt thuận nghịch được viết như
sau:

• Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học

tuyệt đối của hai nguồn.

1

2

1

<i>T</i>
<i>T</i>




</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

•

_{Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ}

thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phương

trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích

v và nhiệt độ có dạng:

•

Có thể chứng minh được rằng: , trong

đó:

–

R là hằng số khí lý tưởng,

–

T là nhiệt độ động học tuyệt đối.

 



<i>G</i>

<i>v</i>

<i>p</i>

.



</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

• Để gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị
cho nhiệt độ.

• Gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện
tượng nào đó với điều kiện hiện tượng này hồn tồn
xác định và có tính lặp lại.

• Thang Kelvin: là thang đo nhiệt độ động học tuyệt
đối, đơn vị là K.

– Thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm
cân bằng ba trạng thái nước – nước đá – hơi (ở
0 C) một giá trị số bằng 273,15K.⁰

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9></div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

• Thang Celsius<i>: </i>thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ
là C.⁰

• Nhiệt độ celsius xác định qua nhiệt độ Kenvin theo biểu
thức:

• Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ là. Trong thang đo này,
nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32 F và điểm nước sơi ⁰

là 212 F .⁰

• Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt độ Celsius.

 



<i>C</i>



<i>T</i>

 

<i>K</i>



273

,

15

<i>T</i>

 







32



9
5






<i>C</i> <i>T</i> <i>F</i>

<i>T</i>





 

32

5
9






 <i>F</i> <i>T</i> <i>C</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

<b>2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo</b>

•

Nhiệt độ cần đo (T

_x

): nhiệt độ

thực của mơi trường.

•

Nhiệt độ đo được (T

_c

): nhiệt độ bộ

phận cảm nhận của cảm biến.

•

_{Xét cảm biến đo tiếp xúc (hình vẽ)}



Sai số: T = T_x - T_c  0.

• Sai sốT phụ thuộc:

- Trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.
- Trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và bên ngồi.

T_x
T₁
 _t




t
x

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12>

• _{Muốn vậy khi đo cần phải:}

– _{Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và}

môi trường đo

– _{Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ càm biến và mơi}

trường bên ngồi

• _{Ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp}

xúc.

• _{Lượng nhiệt truyền từ mơi trường vào bộ cảm biến}

theo:

– _{Với α: hệ số dẫn nhiệt}

– _{A: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt}
– _{t: thời gian trao đổi nhiệt}



<i>T</i> <i>T</i>



<i>dt</i>
<i>A</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

<b>2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo</b>

• Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:
– Với m: khối lượng cảm biến
– C: nhiệt dung của cảm biến

• Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra mơi trường
ngồi và giá đỡ, ta có:

• Đặt :hằng số thời gian nhiệt, ta có:

• nghiệm của phương trình có dạng:

<i>C</i>

<i>mCdT</i>
<i>dQ</i> 



<i>T_X</i> <i>T_C</i>



<i>dt</i> <i>mCdT_C</i>

<i>A</i>  




<i>A</i> 

<i>mC</i>

<i>dt</i>
<i>T</i>
<i>T</i>
<i>dT</i>
<i>C</i>
<i>X</i>
<i>C</i>



<i>t</i>
<i>X</i>

<i>C</i> <i>T</i> <i>ke</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

<b>2.3 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo</b>

• Để tăng cường trao

đổi nhiệt giữa môi
trường ta phải dùng
cảm biến có phần tử
cảm nhận có tỉ nhiệt
thấp, hệ số dẫn nhiệt
cao.

• Để hạn chế tổn thất
nhiệt từ cảm biến ra
ngồi thì các tiếp
điểm dẫn có hệ số
dẫn nhiệt thấp.

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

<b>2.4. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ</b>

• Chia làm hai nhóm:

• Cảm biến tiếp xúc:
cảm biến tiếp xúc với
môi trường đo, gồm:

– Cảm biến giãn nỡ
(nhiệt kế giãn nỡ)
– Cảm biến điện trở

(nhiệt điện trở)
– Cặp nhiệt ngẫu

• Cảm biến khơng tiếp
xúc: hỏa kế, hỏa

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16>

Nhiệt kế kim loại

</div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

<b>2.5 Nhiệt kế giãn nỡ</b>

• Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự giãn nỡ của vật liệu khi
tăng nhiệt độ.

• Ưu điểm: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

<b>a. Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn</b>

Nhiệt kế gốm – kim loại gồm:

1 thanh gốm đặt trong ống kim loại,

Một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại,

Đầu kia nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị.

A

B
2

1

1. Thanh gốm
2. Ống kim loại

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

<b>Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn</b>

• Hệ số giãn nỡ vì nhiệt của kim loại và của gốm là α_k và
α_g

• Do α_k >α_g nên khi nhiệt độ tăng lên một lượng dt thanh
kim loại giãn thêm một lượng dl_k  thanh gốm giãn thêm

dl_g với dl_k>dl_g làm cho thanh gốm dịch chuyển.

• Nhiệt kế kim loại – kim loại gồm: 2 thanh kim loại có hệ
số giãn nỡ nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều
dọc.

1. Kim loại 1: α₁
2. Kim loại 2: α₂<α₁

1

2

Cấu tạo

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

<b>Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất rắn</b>

• Giả sử α₁>α₂, khi giãn nỡ
nhiệt hai thanh kim loại
cong về phía thanh 2.

• Dựa vào độ cong kim loại
để xác định nhiệt độ.

• <b>_{Đặc điểm:}</b>

- Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền.

• <b>_{Ứng dụng:}</b>

- Đo nhiệt độ < 700oC.

</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

b.

<b>Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất lỏng</b>

• Cấu tạo:

– Gồm bình nhiệt,
– ống mao dẫn

– chất lỏng.

• Chất lỏng thường sử
dụng là thủy ngân có hệ
số giãn nỡ nhiệt α=18.10
-5/ C ,⁰

• Vỏ nhiệt kế bằng thủy
tinh có α=2.10-5/ C.⁰

1
2

3

</div>
<span class='text_page_counter'>(21)</span><div class='page_container' data-page=21>

Hệ số giãn nỡ của một
số chất rắn

</div>
<span class='text_page_counter'>(22)</span><div class='page_container' data-page=22>

<b>Nhiệt kế giãn nỡ dùng chất lỏng</b>

• _{Khi đo nhiệt độ, bình}

nhiệt được đặt tiếp xúc
với mơi trường đo.

• Khi nhiệt độ tăng, chất
lỏng giãn nỡ và dâng
lên trong ống mao dẫn.

• _{Dải nhiệt độ làm việc}

từ -50 đến 600 C tùy ⁰

theo vật liệu chế tạo vỏ
bọc

.

</div>
<span class='text_page_counter'>(23)</span><div class='page_container' data-page=23>

<b>2.6 Nhiệt kế điện trở</b>

<b>a. Nguyên lý.</b>

• Dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo
nhiệt độ.

• Tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có
dạng:

– Với R₀ là điện trở ở nhiệt độ T₀

– F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F=1 khi T=T₀.
• Có 3 loại điện trở thường sử dụng hiện nay là: điện

trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng
hổn hợp các oxit bán dẫn.

 <i>T</i> <i>R</i>0<i>F</i><i>T</i> <i>T</i>0

</div>
<span class='text_page_counter'>(24)</span><div class='page_container' data-page=24>

<b>a. Nguyên lý.</b>

•

_{Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có}

dạng:

– _{Trong đó T đo bằng °C ,}

– T₀=0 C và A, B, C là các hệ số thực nghiệm.⁰

•

_{Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxit bán}

dẫn:

– _{T là nhiệt độ tuyệt đối,}
– _{B là hệ số thực nghiệm.}

 



2 3



0 1 <i>AT</i> <i>BT</i> <i>CT</i>

<i>R</i>
<i>T</i>

<i>R</i>    

</div>
<span class='text_page_counter'>(25)</span><div class='page_container' data-page=25>

<b>a. Nguyên lý.</b>

• Khi độ biến thiên của nhiệt độ nhỏ điện trở có thể coi như
thay đổi theo hàm tuyến tính:

– Với gọi là hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ
nhạy nhiệt ở nhiệt độ T.

– Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ

• Ví dụ: ở 00C platin có α_R =3,9.10-3 / C.⁰

• Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể
đo được là

_{Xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện}
được:
min
0
min
1
<i>R</i>
<i>R</i>
<i>T</i>
<i>R</i>




min
0
<i>R</i>
<i>R</i>


 <i>R</i>   <i>_R</i>

<i>R</i> 1 

</div>
<span class='text_page_counter'>(26)</span><div class='page_container' data-page=26>

<b>a. Ngun lý.</b>

• _{Ví dụ:} _{và với những phép đo quanh điểm 0 C, vật liệu}_⁰

là Platin thì

• _{Điện trở thay đổi do nhiệt độ thay đổi và chịu tác động}

thay đổi kích thước hình học của nó.

• _{Đối với một điện trở dây có chiều dài}_l_{và tiết diện s, hệ số}

nhiệt độ có dạng:

– _Hay
– _Với

– _{Ta có , thực tế thường nên ta có thể coi:}

6
min
0
10


<i>R</i>
<i>R</i>
<i>C</i>

<i>T</i>  

 _min 2,6.104

<i>dT</i>
<i>ds</i>
<i>s</i>

<i>d</i>
<i>d</i>
<i>dT</i>
<i>d</i>
<i>dT</i>
<i>dR</i>
<i>R</i>
<i>R</i>
1
1
1
1




 




<i>s</i>

<i>R</i>   

  _  _ 





<i>_R</i> 2






<i>_R</i>  _   


</div>
<span class='text_page_counter'>(27)</span><div class='page_container' data-page=27>

b. Nhiệt kế điện trở kim loại

• Vật liệu:

– Có điện trở suất đủ lớn
để điện trở ban đầu R0

lớn mà kích thước nhiệt
kế vẫn nhỏ.

– Hệ số nhiệt trở của nó tốt
nhất là ln ln khơng
đổi dấu, khơng triệt tiêu.

– Có đủ độ bền cơ, hóa ở
nhiệt độ làm việc.

– Dể gia công và có khả

</div>
<span class='text_page_counter'>(28)</span><div class='page_container' data-page=28>

b. Nhiệt kế điện trở kim loại

Bảng: thông số của một số vật liệu làm điện trở kim loại

<b>Thông số</b> <b>Pt</b> <b>Ni</b> <b>Cu</b> <b>W</b>

T_f (o_C) ₁₇₆₉ ₁₄₅₃ ₁₀₈₃ ₃₃₈₀

 (WoC-1m-1) 73 90 400 120

 x108 (m) 10,6 10 1,72 5,52
_R x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5

₁₀₀/ ₀ 1,385 1,617 -

-T_làm _việc (o_C) _-200_₁₀₀₀ _{< 250} _<₁₈₀ _{< 1600}

Tính bền nhiệt Bền Kém bền Kém bền Bền

Tính ổn định Cao Thấp Thấp Thấp

</div>
<span class='text_page_counter'>(29)</span><div class='page_container' data-page=29>

b. Nhiệt kế điện trở kim loại

• Vật liệu thường chế tạo bằng Pt và Ni. Ngồi ra cịn
dung Cu, W.

• Cấu tạo:

2
1

3

1 2

3

2

1

3

</div>
<span class='text_page_counter'>(30)</span><div class='page_container' data-page=30>

b. Nhiệt kế điện trở kim loại

– Điện trở giới hạn giá trị một vài mA
– Điện trở có độ nhạy nhiệt cao

– Điện trở phải có giá trị đủ lớn để tránh làm nóng
đầu do dòng diện chạy qua.

_{Giảm tiết diện dây và tăng chiều dài của dây.}

</div>
<span class='text_page_counter'>(31)</span><div class='page_container' data-page=31>

b. Nhiệt kế điện trở kim loại

• Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 0 C có ⁰

giá trị khoảng 100Ω

• Khi đó với điện trở platin có
– Đường kính dây cỡ vài μm

– Chiều dài dây khoảng 10cm,

– sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài
cỡ 1cm.

• Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0 C ⁰

là 50 Ω, 500 Ω, 1000 Ω,

</div>
<span class='text_page_counter'>(32)</span><div class='page_container' data-page=32>

Nhiệt kế cơng nghiệp

• Có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung
động,

• Điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thủy
tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép

_.

</div>
<span class='text_page_counter'>(33)</span><div class='page_container' data-page=33>

Nhiệt kế bề mặt

• Dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn.

• Được chế tạo bằng phương pháp quang hóa và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe – Ni, hoặc Pt.

• Chiều dày của lớp kim loại cỡ vài μm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2.

• Cấu tạo

• Vật liệu

1. Điện trở

2. Tấm vật liệu

cách điện
1

2

Tính chất Ni Ni – Fe Pt

Độ nhạy nhiệt α_R.103₍o_C-1₎ _{~ 5,0} _{~ 5.0} _{~ 4,0}

</div>
<span class='text_page_counter'>(34)</span><div class='page_container' data-page=34>

Nhiệt kế bề mặt

<b>Đặc trưng chính:</b>

• Độ nhạy nhiệt:

~5.10-3/0C đối với trường hợp Ni và Fe – Ni

~4.10-3/ đối với trường hợp Pt

• Dải nhiệt độ sử dụng:

-195 C đến 260 C đối với Ni và Fe – Ni.⁰ ⁰

-260 C đến 1400 C đối với Pt.⁰ ⁰

</div>
<span class='text_page_counter'>(35)</span><div class='page_container' data-page=35>

<b>c. Nhiệt kế điện trở silic</b>

• Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể Silic có hệ số nhiệt

điện âm

• Tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng
nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương
• Hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/ C ở 25 C.⁰ ⁰

</div>
<span class='text_page_counter'>(36)</span><div class='page_container' data-page=36>

<b>c. Nhiệt kế điện trở silic</b>

• Trong dải nhiệt độ làm việc từ -55
C đến 200 C, giá trị gần đúng điện

⁰ ⁰

trở của cảm biến nhiệt độ theo cơng
thức:

• Trong đó R0 và T0 là điện trở và

nhiệt độ ở điểm chuẩn.

• Sự thay đổi nhiệt độ của điện trở là
tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính
hóa bằng cách mắc thêm một điện
trở phụ.

500m ₂₄₀__m

50

0



m

To_C

<b>400</b>
<b>600</b>
<b>800</b>
<b>1000</b>
<b>1200</b>
<b>1400</b>
<b>1600</b>
<b>1800</b>
<b>2000</b>
<b>2200</b>
<b>2400</b>

<b>-50</b> <b>0</b> <b>50</b> <b>100</b>

R()











2



0
0

0

T R 1 A T T B T T

</div>
<span class='text_page_counter'>(37)</span><div class='page_container' data-page=37>

d. Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn

• Hỗn hợp bột oxit

được trộn theo tỉ lệ
thích hợp

 được nén định dạng và

thêu kết ở nhiệt độ
~1000 C.⁰

• Các dây nối kim loại
được hàn tại hai điểm
trên bề mặt và được
phủ bằng một lớp
kim loại.

1

2 ₃

<b>Cấu tạo </b>

1. Vỏ bọc
2. Điện trở

</div>
<span class='text_page_counter'>(38)</span><div class='page_container' data-page=38>

d. Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn

• _{Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở vào}

nhiệt độ theo biểu thức:

Hệ số nhiệt điện trở:

• _{Gần đúng: và}

Với B = 3.000 - 5.000K.

























0
2
0
0
T
1
T
1
exp
T
T
R
)
T
(
R
2
R
T
b





















<i>0</i>
<i>0</i>
<i>T</i>
<i>1</i>
<i>T</i>
<i>1</i>
<i>B</i>
<i>R</i>
<i>T</i>

<i>R</i>( ) exp R ₂

T

B

</div>
<span class='text_page_counter'>(39)</span><div class='page_container' data-page=39>

d. Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn

• Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên dùng để
phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4

đến 10-3K.

• Kích thước cảm biến nhỏ  đo nhiệt độ tại từng điểm.

• Nhiệt dung cảm biến nhỏ  thời gian hồi đáp nhỏ.

• Dải nhiệt độ của cảm biến nhiệt điện trở từ 0 C đến ⁰

</div>
<span class='text_page_counter'>(40)</span><div class='page_container' data-page=40>

Hình ảnh một số cảm biến khác

</div>
<span class='text_page_counter'>(41)</span><div class='page_container' data-page=41>

Hình ảnh một số cảm biến khác

</div>
<span class='text_page_counter'>(42)</span><div class='page_container' data-page=42></div>

<!--links-->