Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh pdf

Đồ án Tốt Nghiệp

Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ
chỉ thị số 5 kênh
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1
đề tài
“
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ CHỈ THỊ SỐ 5 KÊNH’’

PHẦN 1
TỔNG QUAN VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ

1.1. Các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo lường
1.1.1 Khái niệm:
Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết
quả bằng số với đơn vị đo.

Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo A
x
, nó bằng tỷ số của
đại lượng cần đo X và đơn vị đo X
0
.
Vậy quá trình có thể viết dưới dạng:
A
x
=
0
X
X

⇔ X= A
x
.X
0
Đây là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo
với mẫu và cho ra kết quả bằng số.
Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường 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.
¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp
đo
• Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một
phép đo duy nhất .
• Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được 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 lượng nào đó , trong
cùng một điều kiện và cùng một giá.T
ừ đó dùng phép tính xác
suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết.
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2
1.1.2. Các đại lượng đặc trưng của kỹ thuật đo lường
1.1.2.1 Tín hiệu đo và đại lượng đo :
- Tín hiệu đo : là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lượng đo.Nó có
thể:
+ Tín hiệu liên tục Analog (A)
+ Tín hiệu rời rạc Digital (D)
- Đại lượng đo : là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó .
Đại lượng đo được phân loại như sau:
+ Theo tính chất :
o
Đại lượng tiền định (đại lượng xác định được trước)
o Đại lượng đo ngẫu nhiên (đại lượng không xác định )
+ Theo bản chất :
- Đại lượng điện (bản thân nó mang năng lượng như : I ,U
- Đại lượng thông số ( R, L, C )
- Đại lượng không điện ( t
0
, F,P ,Q )
- Đại lượng theo thời gian ( t,ϕ,f )
+Theo dụng cụ đo :
- Vôn kế , Wattmet, tần số kế
1.1.2.2 Điều kiện đo:

Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại
lượng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến
kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không được để
dụng cụ đo ảnh
hưởng đến đối tượng 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 lượng đo nào đấy được quốc
tế quy định mà mỗi quố
c gia đều phải tuân theo. Trên thế giới người ta đã chế
tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn., trong đó có 7 đơn vị cơ
bản :
- Chiều dài là mét (m)
- Khối lượng là kilôgam (kg)
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3
- Thời gian là giây (s)
- Cường độ dòng điện là ampe (A)
- Nhiệt độ là độ Kelvin (K)
- Cường độ ánh sáng là Candela (cd)
- Số lượng 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 phương 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 người quan sát.
Thực hiện phép đo:
- Thiết bị tạo mẫu : Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng 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 lường và thể hiện
kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng số tuỳ theo cách biến đổi
tín hiệu và chỉ
thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo tương tự
(ânlog) và dụng cụ đo chỉ thị số (Digital)
- So sánh : + Thiết bị tự động
+ Người điều khiển
- Biến đổi
Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo
với mẫu và cho ra kết quả bằng số
.
Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường 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.
¾ Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo
• Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một
phép đo duy nhất .
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4
• Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được 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 lượng 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 Ph
ương pháp biến đổi thẳng:

• Chuyển đổi (khâu đầu): biến đổi giữa hai đại lượng 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 lượng không điện (t
0
,p ,F )
sang đại lượng điện (U, I ).
• Mạch đo (biến đổi ): các mạch tính toán như:
+ 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).

X ΔX Y Y’



X
K

Chuyển
đ
ổ

i
Mạch
đ
o
Chỉ thị

Chuyển
đổi
Mạch đo Chỉ thị
Chuyển đổi
ngược
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5


X: là đại lượng đo
X
K
: là đại lượng chuẩn phản hồi
ΔX = X − X
K


- So sánh cân bằng : X − X = ΔX = 0
- So sánh không cân bằng : ΔX ≠ 0⇒ X = X
K
+ ΔX
1.1.4.Các đại lượng đặc trưng cơ bản
- Sai số tuyệt đối : Δ = Xđo − Xthực

Xđo : do các dụng cụ đo được
Xthực : giá trị mẫu (do dụng cụ đo hay giá trị thực).
- Sai số tương đối :
γ% =
ùcXth
Δ
100%
- Sai số quy đổi : X%(cấp chính xác dụng cụ đo)
γqd% =
maxX
maxΔ
100%
Xmax : là sai số lớn nhất của thang đo
Δmax : là sai số tuyệt đối của thang đo
- Độ nhạy (S):
S =
X
Y
Δ
Δ
Tuyến tính
S =
dX
dY
Phi tuyến tính
X : là đại lượng vào
Y : là đại lượng ra
Độ nhạy là độ biến thiên tương đối giữa đại lượng ra và vào:
S = S
1

.S
2
.S
3
S
n
- 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.
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6
- 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 lượng đo (không biến thiên hoặc biến thiên
chậm và đại lượng 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↑

1.2. ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN
ĐO NHIỆT ĐỘ
1.2.1. Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của
các phân tử trong các vật thể.
Để đo được nhiệt độ
thì phải có dụng cụ đo , thông thường trong công
nghiệp nhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể
truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa , không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống
khi cần xác định nhiệt độ.
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7
Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số T
X
- T là cực tiểu với T
X
là nhiệt
độ môi trường cần đo ,T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trường cần đo.
Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảm
biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh nhiệt giữa cảm biến và môi
trường theo biểu thức :
dQ = a.A(T
X
-T)dt

với a là độ dẫn nhiệt ,
A là diện tích bề mặt truyền nhiệt .
Mặt khác nếu cảm biến có khối lượng là m và nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt)
là c thì nhiệt lượng hấp thụ được là:
dQ = m.c.dT
Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt môi trường , kết cấu kiểu giá đỡ thì ta có :
a.A(T
X
- T)dt = m.c.dT
Gọi τ là hằng số thời gian nhiệt
τ =
A.a
c.m

Vậy ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt

Tx-T
dT
=
τ
d
t
(1 - 1)
Nghiệm của phương trình (1 - 1)là :
T = T
X
− k.e
-
τ
t

, (1 - 2)
với k là hằng số

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








t
t
τ

τ
T
X
T
X
T
1
0,63 T
X
0
,63 T
X

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

8

τ τ
hình 1-1a hình1- 1b
Hình (1 - 1b) có tính tới tổn thất nhiệt từ môi trường cần đo truyền vào cảm
biến và T
X
– T
1
= ΔT 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 g
ọi là thang Kelvin đơn
vị là K
do nhà vật lý người Anh là Thomson đề ra năm 1852.
Trong thang nhiệt độ này người ta lấy 3 trạng thái của nước ở điểm cân bằng
nước - nước đá - hơi nước một giá trị số bằng 273,15
0
K.
Từ thang nhiệt độ Kelvin người ta xác định các thang nhiệt độ mới là thang
Celsíu và thang Fahrenheit.

1.2.2.2 Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius).
Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là

0
C . Do nhà vật lý người Thụy Điển
Celsius đưa ra năm 1742 dựa vào điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước
chia ra 100 khoảng. Quan hệ giữa thang Celsius và thang Kelvin được xác định
bởi biểu thức :
t (
0
C) = t (
0
K) - 273,15 (1 - 3)
1.2.2.3 Thang đo nhiệt độ
0
F do nhà vật lý Hà Lan Fahrenheit đưa ra
năm1706,
lấy nhiệt độ của nước đá đang tan là 32
0
F và sôi ở 212
0
F.
Đổi từ thang
0
C ra nhiệt độ
0
F và ngược lại theo công thức:
t(
0
C ) = {t(
0
F) - 32}
9

5


TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9
t(
0
F ) =
5
9
{t(
0
C ) + 32}

Năm1948 hội nghị đo lường 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 người ta ghi nhận các điểm cố định sau :
- Điểm sôi của O
2
là -182,97
0
C
- Điểm tan của nước đá (điểm gốc) 0,00
0
C
- Điểm sôi của nước ( điểm gốc ) 100,00
0
C
- Điểm sôi của lưu huỳnh 444,60

0
C
- Điểm kết tinh của bạc 960,80
0
C
- Điểm kết tinh của vàng 1063,00
0
C






BẢNG TRẠNG THÁI ĐO NHIỆT ĐỘ


Trạng thái

0
K

0
C

0
F

Điểm 0 tuyệt đối

0

-273,15

-459,6
Hoà hợp nước - Nước đá 273,15 0 32
Cân bằng nước-nước đá-
hơi nước
273,16

0,01

32,108

Nước sôi 373,15

100 212


TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10
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 chấ

t lỏng, chất khí, hơi
trong hệ thống kín khi nhiệt độ môi trường 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 :
Nguyên lý hoạt động dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trường truyền âm
Ví dụ : trong không khí khô ,ở áp suất khí quyển thông thường quan hệ giữa
vận tốc truyền âm và nhiệt độ theo biểu thức :
C = 331,5
15,273
T
(m/s)
với C : vận tốc truyền âm.
T : nhiệt độ tuyệt đối của không khí khô cần đo
Bảng dưới đây giới thiệu các khoảng đo của các máy đo chủ yếu



Tên máy đo nhiệt độ

Giới hạn đo
0
C

Min

Max
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

11

1- Nhiệt kế giãn nở ( đo tiếp xúc)
Nhiệt kế cơ khí
Nhiệt kế thuỷ ngân
Nhiệt kế chất lỏng


-100
-35
-190


600
350
150

2- Nhiệt áp kế (đo tiếp xúc)
Nhiệt áp kế chất lỏng
Nhiệt áp kế thuỷ ngân
Nhiệt áp kế chất khí
Nhiệt áp kế chất hơi

-120
-35
-120

-60

600
600
600
300
3- Nhiệt kế điện trở (đo tiếp xúc)
Nhiệt kế điện trở bằng đồng
Nhiệt kế điện trở bạch kim (Pt)
Nhiệt kế điện trở Niken
Nhiệt kế bán dẫn Silic

-50
-250
-200
-50

180
650
180
120
4- Cặp nhiệt điện (đo tiếp xúc)
Bạch kim - Rodi - Bạch kim
Crom - Nhôm
Crom - Copen
Đồng - Constantan

-20
-50
-50

-100

1600
1000
600
400
5- Hoả kế (đo không tiếp xúc)
Hoả kế bức xạ
Hoả kế quang học


800
800

1800
6000

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

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

12


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
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 được nhiệ
t độ bên trong.
Chiều dài của 1 thanh ở 1 nhiệt độ được tính theo công thức :
l
t
= l
0
(1 + αt)
Với l
0
là chiều dài của thanh ở nhiệt độ 0
0
C , α 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 được đặt trong ống , một đầu được 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 tương ứng với nhiệt độ cần đo chia trên thang mặt
đồng hồ.
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

13
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
Nguyên tắc làm việc của loại nhiệt kế này là dựa trên hiện tượng giãn nở vì
nhiệt của chất lỏng chứa trong bầu thuỷ tinh , khi chất lỏng trong bầu bị đốt
nóng , ch
ất lỏng được dâng lên theo ống nối ngắn với bầu chứa , quan sát chiều
cao cột chất lỏng ta sẽ có nhiệt độ tương ứng được 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 n
ối 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.Nhược 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
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

14
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 nhưng 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 đường kính từ 0,2 ÷
0,5mm gọi là ống lò xo đàn hồi. ống lò xo này có thể là một hoặ
c nhiều vòng
tuỳ theo thiết kế của nhà chế tạo.
Nhiệt áp kế phân theo tính chất làm việc như : 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 thường dùng chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp như benzen, axeton
Trong nhiệt áp kế chất khí thì trong toàn bộ hệ thống áp suất đều chứ
a khí trơ
như : heli, nitơ, ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển.


Hình 1-4

1- Túi nhiệt
2- ống nối
3- Lò xo đàn hồi
4- Kim chỉ
5 -Thang đo
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

15
Hình 1-4 là cấu tạo của nhiệt áp kế. Túi nhiệt được 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 hiệ
u 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%. Nhược 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 Đ
o nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện.
+ Nguyên tắc làm việc và cấu tạo của cặp nhiệt độ.
Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt điện là khi có hai thanh kim loại A và
Β khác nhau được hàn lại với nhau ở hai đầu 1 và 2
(như hình1-5). Đầu 1 có nhiệt độ là t (đầu đo nhiệt độ)
Đầu 2 có nhiệt độ là t
0
(đầu tự do).
Do tính chất kim loại của hai thanh A , Β khác
nhau nên lượng điện tử tự do trong hai thanh
cũng khác nhau . Số lượng 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
thanh sẽ xuất hiện một sức điện động xác lập .
Nếu đầu 1 và 2 có cùng nhiệt độ
là t
0
ta có phương trình sức điện động tổng:
E
AB
= e
AB
(t
0
) + e
BA
(t

0
) = 0 (2-1) Hình: 1- 5
từ đây ta rút ra
e
BA
(t
0
) = - e
AB
(t
0
) (2-2)
khi t và t
0
khác nhau thì ta có:
E
AB
= e
AB
(t) + e
BA
(t
0
) (2-3)
hay
E
AB
= e
AB
(t) − e

ÂB
(t
0
) (2-4)
Trị số của E
AB
phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ của 2 đầu. Nếu t
0
= const thì
2 t
0
A B
1
t

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

16
E
AB
(t) = e
AB
(t) − c = f(t) (2-5)
với c là hằng số và c = c
AB
(t
0
) = const
Từ phương 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 được nhiệt độ, độ bền cơ học ở nhiệt độ cao, có độ bền hoá học, tính
đồng nh
ất của vật liệu dọc chiều dài điện cực.
Trong kĩ thuật sử dụng các cặp nhiệt độ : crôm-crôm ; crôm-copen;
đồng-constantan; đồng-copen; sắt-copen; ở nhiệt độ cao người 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 t
0
= 0
0
C

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
làm việc(
0
C)


Sức điện

động (mV)


Độ chính xác

30
40
20
10
200
600
60
50
1000
1400
E (mv)
T (0C)
E : Chromel/Constantan
J: S¾t/Constantan
T: §ång/Constantan
K : Chromel/Alumel
R : Platin- Ro®i ( 13%)/Platin
S : Platin- Ro®i (10%)/Platin
B: Platin- Ro®i (30%)/Platin-Ro®i(6%)
E
J
K
R
S
B

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

17
Đồng – Constantan
φ = 1,63 mm

-270 ÷ 370
-6,26
÷
19,03 -100 ÷ 40
0
C; ± 2%
-80 ÷ 100
0
C; ±0,8%
100 ÷ 350
0
C;
±0,75%
Sắt – Constantan
φ = 3,25mm
-210
÷
800 -8,1
÷
45,5 0
÷
400
0
C; ±3%

400 ÷ 800
0
C;
±0,75%
Chromel – Alumen
φ = 3,25mm
-270
÷
1250 -5,35
÷
50,63 0
÷
400
0
C; ±3%
400 ÷ 1250
0
C;
±0,75%
Platin – Rodi(10%)Platin
φ = 0,51mm
-50 ÷ 1500 -0,24÷15,58 0 ÷ 600
0
C; ±2,5%
600 ÷ 1500
0
C; 0,4%
Chromel – Constantan
φ = 3,25mm
-276

÷
870 -9,84
÷
66,48 0
÷
400
0
C; ±3%
400 ÷ 870
0
C;
±0.75%
Platin -Rodi(13%)platin
φ = 3,25mm
-50
÷
1500 -0,23
÷
17,4 0
÷
538
0
C; ±1,4%
538 ÷ 1500
0
C;
±0,25%
Platin-Rodi (30%)
platin-Rodi(6%); φ =
0,51mm

0
÷
1700 0
÷
12,426 870
÷
1700
0
C;
±0,5%
Vonfram – Reni
(5%)Vonfram-
Reni(26%)
0
÷
2700 0
÷
38,45


+ Sử dụng đồng hồ milivôn kế kiểu từ điện đo tín hiệu cặp nhiệt điện
Trên sơ đồ nguyên lý hình (1-7) là sơ đồ sử dụng đồng hồ milivôn kiểu từ
điện để đo tín hiệu của cặp nhiệt điện


TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

18

Hình 1.8 Sơ đồ đo sđđ nhiệt bằng milivôn kế
Dòng điện chạy trong mạch đo do sức điện động E
AB
(t,t
0
) tạo ra tính theo
công thức :
Ι =
fpdccFDAB
0AB
RRRRRR
)t,t(E
+++++
=
Mng
0AB
RR
)t,t(E
+

với điện trở ngoài:
Rng = R
AB

+R
FD
+R
0
+R
dc
Điện trở của dụng cụ đo :
R
M
= R
P
+ R
f
với R
P
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.R
M
= E
AB
(t,t
0
) – I.Rng
Mômen quay khung dây đồng hồ:
M
Θ

= S.Β.W.Ι với S diện tích khung dây
Β cường 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.α với k là hệ số đàn hồi của lò xo
α là góc quay của khung dây
Khi mômen quay M
Θ
cân bằng với mômen cản của lò xo Mng thì có:
S.Β.W.I = k.α

t

b

R
f
t
0
c
t
0
c
F
D
t
1
t
1

a

R
p
R
đc
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

19
α =
k
I.W.B.S
= A.I = A.
Mng
oAB
RR
)(t,tE
+

Với một đồng hồ milivon đã chế tạo thì A trong biểu thức trên là một hằng
số và A =
k
W.B.S
gần như không đổi. Khi giữ cho R
ng
+R
M
= const thì góc quay
của khung dây tỷ lệ với E
AB

(t,t
0
); 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
t
0
, phải chọn vùng có nhiệt độ t
0
ổn định tránh sinh ra sức điện động phụ làm
cho sai số của phép đo lớn.
Để chọn được vùng có t
0
ổn định người 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 t
0
của đầu
tự do thay đổi.









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
, R
2
, R
3
làm bằng mangan. Có hệ số
tăng điện trở theo nhiệt độ nhỏ (α = 0,000015
C
1
0
); R
đ
làm bằng đồng. Nguồn
điện ổn định cấp vào đường 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 U
cd
để luôn luôn
bảo toàn biểu thức
AC/D
C
t
1
t

B

A

t
1
F
D

d

a
b
c

R
đ
a
R
3
R
2
m
v

R
hc
t
0
C
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

20

E
AB
(t,t
0
) = E
AB
(t,t
’
0
) + U
cd

Trong thực tế với cầu bù tiêu chuẩn khi đầu tự do có t
0
thay đổi từ 0÷50
0
C
thì sai số của phép đo là ±3
0
C; với nhiệt độ t
0
trong từng máy đo đã cho biết
trước.
1.2.4 Đo nhiệt độ bằng cảm biến điện trở
Từ năm 1821 người 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 được các
loại cảm biến điện trở chia ra làm 3 nhóm : kim loại, bán dẫn và nhiệt đi
ện trở ,
ưu 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 trường
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:
R
Cu t
= R
Cuo
[1+ α(t - t
0
)] Ω
Với R
Cu0
là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t
0
. Nhiệt độ t
0
trong
thực tế người ta thường lấy ở 0
0
C, t là nhiệt độ của môi trường đo;
α là hệ số tăng điện trở của đồng trên 1
0
C.

Bảng tính chất vật lý của một số kim loại
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

21


Tên vật liệu
Điện trở suất
ở 20
0
C
10
-6
Ωm
Hệ số nhiệt độ
Nhiệt độ
nóng chảy
0
C
Điện trở

0
C

-1

Độ nở dài
10
-3
m,
0
C
-1


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

0,029
0,056
0,1 ÷ 0,14
0,0175
0,016
0,0106
0,045
0,42

0,004

0,0045
0,0045
0,004
0,004
0,0047
0,0039
0,000015

0,024
0,0045
__
0,017
0,019
0,00128
0,0089
__

659
3500
1530
1083
961
1453
1769
960

Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn ví dụ như bạch kim có
φ = (0,05 ÷ 0,07)mm, dây đồng φ = 0,2mm hoặc nhỏ hơn; Được quấn trên lõi
cách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu dưới,
hoặc ống gốm bịt kín.

ở 0
0
C nhiệt kế bạch kim được chế tạo với trị số : 10Ω; 48Ω và 100Ω. Đồng
ở 0
0
C được chế tạo với trị số 53Ω; 100Ω.

Trên hình 1-10 là cấu tạo của một điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến
nhiệt
1- Tấm mica có đường ren
2- Dây platin
3- Đầu nối ra
4- Đệm mica
5- Dây bạc để gắn đệm mica
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

22

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

C
1
0
. Độ nhạy của cảm
biến nhiệt độ điện trở của Pt là 4.10
-3
C
1

0

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
được kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó
thành dương. Người ta đã thấy khi ở nhiệt độ dưới 200
0
C thì hệ số nhiệt điện
trở của cảm biến nhiệt điện trở silic có trị số dương ; còn khi nhiệt độ lớn hơn
200
0
C hệ số nhiệt điện trở là âm.
Phần tử cảm nhận của silic có kích thước (500×500×240)μm, được 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%
0
C có nghĩa là điện trở thay đổi 0,7%
theo từng
0
C. Có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến silic:
R
(T)
= R
0
.e
Β(
T
1
-
To

1
)

α
R
=
2
T
B

Với T, T
0
tính theo nhiệt độ K
Vì độ nhạy của cảm biến nhiệt điện trở cao nên thường dùng để phát hiện nhiệt
độ biến thiên rất nhỏ từ (10
-4
÷10
-3
)K
3
4
5
2
1
TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

23
1.2.5.3.Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở:

R
1
R
2
R
1
R
2


R
d1
R
3
R
t
R
3
R
t
R
d2


Hình 1- 11
Trên hình 1-11 các điện trở R
1
, R
2
, R

3
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 được cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn định cao.
Giả sử thang chia nhiệt độ của mV được chia từ 0
0
C thì muốn kim milivon -
mV chỉ 0
0
C thì điện thế ở điểm 1 và điện thế ở điểm 2 trên sơ đồ phải bằng
nhau. Có nghĩa :

31
3
R
R
R.E
+
=
to2
to
R
R
R.E
+

và
U

1-2

=
to2
to
R
R
R.E
+
-
31
3
R
R
R.E
+
= 0
Nếu chọn R
1
= R
2
và R
3
= R
to
; với R
to
là trị số của cảm biến điện trở ở nhiệt độ
0
0

C.
Vậy có thể viết theo :
U
1-2
= E
to2
3to
R
R
RR
+
−
= E
to2
toto
R
R
RR
+
−
= 0
Khi nhiệt độ khác 0
0
C thì có biểu thức tính điện áp theo điện trở của cảm
biến là:
U
1-2
= E
t2
tot

R
R
RR
+
−

TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

24
Khi dẫn tín hiệu đi xa và tránh ảnh hưởng của điện trở dây dẫn theo nhiệt độ
tới phép đo, thì nối dây như sơ đồ hình 1-11b ; do nhánh cầu đều được thêm
vào điện trở dây dẫn R
d1
,R
d2
nên điện thế tại điểm 2 trên sơ đồ phản ánh đúng
điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến R
t
.
1.2.5 Hoả kế:
Tất cả các vật thể là nguồn nhiệt đều phát ra các bức xạ nhiệt. Ví dụ vật thể
có nhiệt độ 600
0
C thì phát ra tia hồng ngoại có bước sóng
λ = (0,75÷400)μm. Mắt con người chỉ nhìn được sóng ánh sáng
λ = (0,40÷0,75)μm. Các bức xạ có λ < 0,4 μm ta cũng không nhìn thấy chngs
là tia tử ngoại, đó là tia ronghen và tia Gâm.
1.2.5.1 Hoả kế quang học
Trên hình 1-12 là sơ đồ nguyên tắc của hoả kế quang học. Nguyên tắc làm
việc của hoả kế quang học là dựa trên sự so sánh mức độ sáng chói của vật

nóng và dây tóc bóng đèn nung đỏ giữa mắ
t người quan sát và vật đo; Khi so
sánh mức độ sáng của dây tóc bóng đèn với nguồn nhiệt cần đo bằng nhau thì
đọc chỉ số của milivôn kế, Milivôn kế đã được khắc theo thang nhiệt độ, điện
áp rơi trên đèn tương ứng với nhiệt độ của vật cần đo.


1 8 2 3 4 9



7

- +
Hình 1- 12 – Sơ đồ nguyên lý hoả kế quang học
1- Th
ấu kính đo (vật kính)
2- Đèn nung đỏ và dây tóc
3- Thấu kính mắt (thị kính)
4- Kính lọc