Tài liệu Cảm biến đo nhiệt độ_chương 3 pdf

- 52 -
vỏ theo dọc ống mao dẫn.
Dải nhiệt độ làm việc từ - 50 ữ 600
o
C tuỳ theo vật liệu chế tạo vỏ bọc.
3.3. Nhiệt kế điện trở
3.3.1. Nguyên lý








Hiện nay thờng sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại,
điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxyt bán dẫn.
Trờng hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng:

(
)
32
0
CTBTAT1R)T(R +++= (3.6)
Trong đó nhiệt độ T đo bằng
o
C, T
0
=0
o
C và A, B, C là các hệ số thực nghiệm.
Trờng hợp điện trở là hỗn hợp các oxyt bán dẫn:















=
0
0
T
1
T
1
Bexp.R)T(R
(3.7)
T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm.
Các hệ số đợc xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã
biết trớc. Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R ngời ta xác định đợc nhiệt
độ cần đo.
Khi độ biến thiên của nhiệt độ

T (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể
coi nh thay đổi theo hàm tuyến tính:

()
(
)
(
)
T1TRTTR
R


+
=
+ (3.8)
Trong đó:

()
dT
dR
TR
1
R
= (3.9)
N
g
u
y
ên l
ý
chun
g
đo nhiệt độ bằn
g
các điện tr
ở
là dựa vào sự
p
hụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo
nhiệt độ.
Tron
g
trờn
g
hợ
p
tổn
g

q
uát, sự tha
y
đổi điện tr
ở
theo nhiệt độ có dạng:
() ( )
00
TTF.RTR =
R
0
là điện trở ở nhiệt độ T
0
, F là hàm đặc trn
g
cho vật
liệu và F = 1 khi T = T
0
.
1
2
3
Hình 3.3 Nhiệt kế giản nở
dùng chất lỏng

- 53 -
đợc gọi 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 0
o
C platin (Pt) có
R
=3,9.10
-3
/
o
C.
Chất lợng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo đợc
min
0
R
R
, do đó
cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện đợc:

min
oR
min
R
R1
T


=

Ví dụ nếu
6
min
0
10
R
R

=

và với những phép đo quanh điểm 0
o
C, vật liệu là platin thì
4
min
10.6,2T

=
o
C.
Thực ra, điện trở không chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện
trở suất mà còn chịu tác động của sự thay đổi kích thớc hình học của nó. Bởi vậy
đối với một điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ có dạng:

dT
ds
s
1
dT
dl
l
1
dT
d
1
dT
dR
R
1
R
+


==

Đặt:
dT
d
1


=

;
d
T
dl
l
1
l
= ;
d
T
ds
s
1
s
=

slR



+

=



Với
ls
2=
ta có:
lR



=



Trên thực tế thờng
l
>>

nên có thể coi


=

R
.
3.3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại
a) Vật liệu
Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:
-
Có điện trở suất

đủ lớn để điện trở ban đầu R
0
lớn mà kích thớc nhiệt kế
vẫn nhỏ.
-
Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt
tiêu.
-
Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc.
-
Dễ gia công và có khả năng thay lẫn.
Các cảm biến nhiệt thờng đợc chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W.
-
Platin :

- 54 -
+ Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác
của các tính chất điện.
+ Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm
bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng.
+ Hệ số nhiệt điện trở ở 0
o
C bằng 3,9.10
-3
/
o
C.
+ Điện trở ở 100
o
C lớn gấp 1,385 lần so với ở 0
o
C.
+ Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200
o
C
ữ
1000
o
C.
- Nikel:
+ Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10
-3
/
o
C.
+ Điện trở ở 100
o
C lớn gấp 1,617 lần so với ở 0
o
C.
+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.
+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250
o
C.
Đồng đợc sử dụng trong một số trờng hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở
theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc
thờng không vợt quá 180
o
C. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở
có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thớc điện trở.
Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở
nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo đợc
các điện trở cao với kích thớc nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất d sau khi kéo sợi khó bị
triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở.
Bảng 3.2
Thông số Cu Ni Pt W
T
f
(
o
C) 1083 1453 1769 3380
c (J
o
C
-1
kg
-1
) 400 450 135 125
(W
o
C
-1
m
-1
)
400 90 73 120

l
x10
6
(
o
C)
16,7 12,8 8,9 6
x10
8
(m)
1,72 10 10,6 5,52
x10
3
(
o
C
-1
)
3,9 4,7 3,9 4,5

b) Cấu tạo nhiệt kế điện trở
Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thờng giới hạn ở
giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn.

- 55 -
Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết
diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng
kích thớc điện trở. Để hợp lý ngời ta thờng chọn điện trở R ở 0
o
C có giá trị vào
khoảng 100

, khi đó với điện trở platin sẽ có đờng kính dây cỡ vài
à
m và chiều
dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận đợc nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các
sản phẩm thơng mại thờng có điện trở ở 0
o
C là 50

, 500

và 1000

, các điện trở
lớn thờng đợc dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp.
-
Nhiệt kế công nghiệp
: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có
vỏ bọc tốt chống đợc va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại đợc cuốn và
bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 3.4 là
các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin.










- Nhiệt kế bề mặt:
Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thờng
đợc chế tạo bằng phơng pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni,
Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng nh hình vẽ 3.5. Chiều dày
lớp kim loại cỡ vài
à
m và kích thớc nhiệt kế cỡ 1cm
2
.







8
Hình 3.4 Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin
1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3)
ố
ng platin 4) Dây nối 5) Sứ cách điện
6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng
1
23
4
5
1
7
6
6
9
Hình 3.5 Nhiệt kế bề mặ
t

- 56 -
Đặc trng chính của nhiệt kế bề mặt:
- Độ nhạy nhiệt : ~5.10
-3
/
o
C đối với trờng hợp Ni và Fe-Ni
~4.10
-3
/
o
C đối với trờng hợp Pt.
- Dải nhiệt độ sử dụng: -195
o
C
ữ
260
o
C đối với Ni và Fe-Ni.
-260
o
C ữ 1400
o
C đối với Pt.
Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lu ý đến ảnh hởng biến dạng của
bề mặt đo.
3.3.3. Nhiệt kế điện trở silic
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi
đợc kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở
dơng, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/
o
C ở 25
o
C. Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến
silic đợc chế tạo có kích thớc 500x500x240
à
m đợc mạ kim loại ở một phía còn
phía kia là bề mặt tiếp xúc.










3.3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn
a) Vật liệu chế tạo
Nhiệt điện trở đợc chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể nh: MgO,
MgAl
2
O
4
, Mn
2
O
3
, Fe
3
O
4
, Co
2
O
3
, NiO, ZnTiO
4
.
Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức:






















=
0
2
0
0
T
1
T
1
exp
T
T
R)T(R
(3.11)
Trong đó R
0
() là điện trở ở nhiệt độ T
0
(K).
Độ nhạy nhiệt có dạng:
Trong dải nhiệt độ làm việc ( -55
ữ
200
o
C) có thể lấ
y

g
ần đún
g

g
iá trị điện tr
ở
của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức:

()
(
)
[
]
2
000T
TTBTTA1RR ++=
Trong đó R
0
và T
0
là điện trở và nhiệt độ
tuyệt đối ở điểm chuẩn.
Sự tha
y
đổi nhiệt của điện trở tơn
g
đối nhỏ nên có thể tu
y
ến tính hoá bằn
g
cách
mắc thêm một điện trở phụ.
T
o
C
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
-50 0 50

100

R(

)
Hình 3.6 Sự phụ thuộc
nhiệt độ của điện trở silic

- 57 -

2
R
T
b+

=

Vì ảnh hởng của hàm mũ đến điện trở chiếm u thế nên biểu thức (3.11) có thể viết
lại:















=
0
0
T
1
T
1
BexpR)T(R
(3.12)
Và độ nhạy nhiệt:

2
R
T
B
=

Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K.
b) Cấu tạo






Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những
biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10
-4
-10
-3
K. Kích thớc cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt
độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ thuộc
thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến
khoảng 300
o
C.
3.4. Cảm biến nhiệt ngẫu
3.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện
Phơng pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng
nhiệt điện. Ngời ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất
hoá học khác nhau đợc nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ
hai mối hàn là t và t
0
khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện
động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu một đầu
của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện
một hiệu điện thế. Hiện tợng trên có thể giải thích nh sau:
Hình 3.7 Cấu tạo nhiệt điện
trở có vỏ bọc thuỷ tinh
Hỗn hợ
p
bột ox
y
t đợc trộn theo tỉ lệ thích
hợp sau đó đợc nén định dạn
g
và thiêu kết ở nhiệt
độ ~ 1000
o
C. Các dâ
y
nối kim loại đợc hàn tại hai
điểm trên bề mặt và đợc
p
hủ bằn
g
một lớ
p
kim
loại. Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ tinh.

- 58 -
Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ
thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ. Thông thờng khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện
tử tăng.











Tơng tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t
0
) cũng xuất hiện một hiệu
điện thế e
AB
(t
0
).
Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó
cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế tơng ứng trong A là
e
A
(t,t
0
) và trong B là e
B
(t,t
0
).
Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau:

)t,t(e)t,t(e)t(e)t(eE
0B0A0BAABAB
+
+
+= (3.13)
Vì e
A
(t
0
,t) và e
B
(t,t
0
) nhỏ và ngợc chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có:

)t(e)t(eE
0BAABAB
+=
Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t
0
khi đó sức điện động tổng:

0)t(e)t(eE
0BA0ABAB
=
+=
Hay:

)t(e)t(e
0AB0BA
= (3.14)
Nh vậy:

)t(e)t(eE
0ABABAB
= (3.15)
Phơng trình (3.15) gọi là phơng trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ phơng trình
(3.15) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t
0
= const thì:

)t(fC)t(eE
ABAB
=
+
=
(3.16)
Hình 3. 8 Sơ đồ nguyên
lý cặp nhiệt ngẫu
t
0
t
AB
2
1
Giả sử ở nhiệt độ
t
0
nồn
g
độ điện t
ử
trong A là N
A
(t
0
), trong B là N
B
(t
0
) và
ở
nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là N
A
(t),
trong B là N
B
(t), nếu N
A
(t
0
) > N
B
(t
0
) thì nói
chung N
A
(t) > N
B
(t).
Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do N
A
(t)
> N
B
(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A

B và ở chổ tiế
p
xúc xuất hiện một hiệu điện
thế e
AB
(t) có tác dụn
g
cản trở sự khuếch tán.
Khi đạt cân bằng e
AB
(t) sẽ không đổi.

- 59 -
Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t
0
= const biết trớc làm nhiệt độ so sánh và đo sức
điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định đợc nhiệt độ t ở mối hàn thứ hai.
Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch
một dây dẫn thứ ba (hình 3.9) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau.
Thật vậy:
-
Trong trờng hợp a:

)t(e)t(e)t(e)t,t(E
0CA0BCAB0ABC
+
+=

Vì:

0)t(e)t(e)t(e
0CA0BC0AB
=
++

Nên:

)t(e)t(e)t,t(E
0ABAB0ABC
=










-
Trờng hợp b:
)t(e)t(e)t(e)t(e)t,t,t(E
1CB1BC0ABAB01ABC
+
+
=
Vì:
)t(e)t(e
1CB1BC

=
Nên:
)t(e)t(e)t,t(E
0ABAB0ABC
=
Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh.
3.4.2. Cấu tạo cặp nhiệt
a) Vật liệu chế tạo

Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau.

Hình 3.9 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba
t

2
3
t
0

t
0

A
B
C

1
a)
2
3
t
0
t
1
A
B
C
1
t
4
t
1
B
b)

- 60 -
Tuy nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau:
-
Sức điện động đủ lớn (để dẽ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp).
-
Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc.
-
Dễ kéo sợi.
-
Có khả năng thay lẫn.
-
Giá thành rẽ.
Hình 3.10 biểu diễn quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của các vật liệu
dùng để chế tạo điện cực so với điện cực chuẩn platin.












- Cặp Platin - Rođi/Platin
:
Cực dơng là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600
o
C , E
đ
=16,77mV.
Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300
o
C.
Đờng đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300
o
C thì E

0.
Trong môi trờng có SiO
2
có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100
o
C.
Đờng kính điện cực thờng chế tạo

= 0,5 mm.
Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tơng đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này
thờng đợc dùng làm cặp nhiệt chuẩn.
- Cặp nhiệt Chromel/Alumel:
Cực dơng là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cực âm là
Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si).
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100
o
C, E
đ
= 46,16 mV.
Hình 3.10 Sức điện động của một số
vật liệu chế tạo điện cực
1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi
7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben
2
1
3
8
9
10
54
6
7
11
T
E
d

- 61 -
Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900
o
C.
Đờng kính cực = 3 mm.
- Cặp nhiệt Chromel/Coben:
Cực dơng là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800
o
C, E
đ
= 66 mV.
Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600
o
C.
- Cặp nhiệt Đồng/Coben:
Cực dơng là đồng sạch, cực âm là coben.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600
o
C.
Nhiệt độ làm việc dài hạn <300
o
C.
Loại này đợc dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo.
Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của một số cặp nhiệt cho ở hình 3.11.











b) Cấu tạo

Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp trình bày trên hình 3.12.








Hình 3.12 Cấu tạo cặp nhiệt
1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện
5
)
B
ộ

p
h
ậ
n lắ
p
đ
ặ
t 6
)
Vít nối dâ
y
7
)
Dâ
y
nối 8
)
Đầu nối dâ
y

1
3
2
4
5
6
7
8
Hình 3.11 Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu
E-Chromel/Constantan R- Platin-Rodi (13%)/Platin
J- Sắt/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin
K- Chromel
/
Alumel B-Platin-rodi
(
30%
)/
Platin-rodi
(
6%
)

E
J
K
R
S
B
t
o
C
E
đ

Xem chi tiết: Tài liệu Cảm biến đo nhiệt độ_chương 3 pdf