Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 1
Chương
3
:
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Trong các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượng được quan tâm
nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một
trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng
chịu sự ảnh hưởng của nó, thí dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổi pha hay
điểm Curi của các vật liệu từ tính. Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và
trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Có
nhiều
cách
đo
nhiệt
đo:
-
Phương
pháp
quang
dựa
trên
sự
phân
bố
phổ
bức
xạ
nhiệt
do
dao
động
nhiệt (hiệu
ứng Doppler).
-
Phương
pháp
cơ
dựa
trên
sự
giản
nở
của
vật
rắn,
lỏng hoặc
khí (với áp suất không
đổi), hoặc
dựa
trên
tốc
độ
âm.
-
Phương
pháp
điện
dựa
trên
sự
phụ
thuộc
của
điện
trở
vào
nhiệt
độ
(hiệu
ứng Seebeck),
hoặc
dựa
trên
sự
thay
đổi
tần
số
dao
động
của
thạch
anh.
I.
THANG
NHIỆT
ĐỘ
Thang
nhiệt
độ
tuyệt
đối
được
xác
định
dựa
trên
tính
chất
của
khí
lý
tưởng.
1.
Thang
nhiệt
độ
nhiệt
động
học
tuyệt
đối
Thang
Kelvin:
đơn
vị
là
K.
Người
ta
gán
nhiệt
độ
của
điểm
cân
bằng
của
ba
trạng thái
nước
–
nước
đá
–
hơi
một
giá
trị
số
bằng
273,15K.
2.
Thang
Celsius
Đơn
vị
nhiệt
độ
là
(
0
C).
Quan
hệ
giữa
nhiệt
độ Celsius
và
nhiệt
độ
Kelvin
cho
theo
biểu
thức:
T
(
0
C)
=
T
(K)
–
273,15
3.
Thang
Fahrenheit
Đơn
vị
nhiệt
độ
là
Fahrenheit
(
0
F).
Quan
hệ
giữa
nhiệt
độ
Celsius
và
Fahrenheit
được cho
bởi
biểu
thức:
0 0
0 0
5
T( C) T( F) 32
9
9
T( F) T( C) 32
5
Nhiệt
độ
đo
được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chí
nh
là
nhiệt
độ
của
cảm
biến,
ký
hiệu
T
c
.
T
c
phụ
thuộc
vào
nhiệt độ
môi
trường
T
x
và
sự
trao
đổi
nhiệt.
Điều
cần
thiết
là
phải
giảm
hiệu
số
T
x
–
T
c
,
có
2
biện
pháp:
-
Tăng
sự
trao
đổi
nhiệt
giữa
cảm
biến
và
môi
trường
đo.
-
Giảm
sự
trao
đổi
nhiệt
giữa
cảm
biến
và
môi
trường
bên
ngoài.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 2
Để
đo
nhiệt
độ
của
một
vật
rắn,
từ
bề
mặt
vật
người
ta
khoan
một
lỗ
nhỏ
với
đường
kính r
và
độ
sâu
L
để
đưa
cảm
biến
vào
sâu
trong
vật
rắn.
Để
tăng
độ
chính
xác,
phải
đảm
bảo
2 điều
kiện:
-
Chiều
sâu
lỗ
khoan
L
≥
10r.
-
Giảm
trở
kháng
nhiệt
giữa
vật
rắn
và
cảm
biến
bằng
cách
giảm
khoảng
cách
giữa
vỏ cảm
biến
và
thành
lỗ
khoan,
hoặc
lấp
đầy
bằng
một
vật
liệu
dẫn
nhiệt
tốt.
II.
CẢM
BIẾN
NHIỆT
ĐIỆN
TRỞ
Ưu
điểm
của
nhiệt
điện
trở
là
đơn
giản,
độ
nhạy
cao,
ổn
định
dài
hạn.
Các
nhiệt
điện trở
có
thể
chia
thành
3
loại:
điện
trở
kim
loại,
điện
trở
bán
dẫn
và
nhiệt
điện
trở.
1.
Nhiệt
điện
trở
kim
loại
Thường
có
dạng
dây
hoặc
màng
mỏng
kim
loại
có
điện
trở
suất
thay
đổi
nhiều
theo nhiệt
độ.
Người
ta
thường
làm
điện
trở
bằng
platin,
niken,
đôi
khi
cũng
sử
dụng
đồng
và vonfram.
-
Platin
được
chế
tạo
với
độ
tinh
khiết
cao
nhằm
tăng
độ
chính
xác
của
đặc
tính
điện. Platin
trơ
về
hóa
học
và
ổn
định
về
tinh
thể
cho
phép
hoạt
động
tốt
trong
dải
nhiệt rộng
từ
-200
C
÷
1000
C.
-
Niken
có
độ
nhạy
nhiệt
cao
hơn
nhiều
so
với
platin.
Điện
trở
niken
ở
100
C
gấp 1,617
lần
ở
0
C,
đối
với
platin
chỉ
bằng
1,385.
Tuy
nhiên,
niken
dễ
bị
oxy
hóa
khi nhiệt
độ
tăng
do
đó
dải
nhiệt
bị
giới
hạn
dưới
250
C.
-
Đồng
được
dử
dụng
trong
một
số
trường
hợp
vì
sự
thay
đổi
điện
trở
theo
nhiệt
độ
có độ
tuyến
tính
cao.
Dải
làm
việc
bị
hạn
chế
dưới
180
C.
-
V
onfram
có
độ
nhạy
nhiệt
cao
hơn
platin
khi
ở
nhiệt
độ
dưới
100
C
và
có
độ
tuyến tính
cao
hơn,
có
thể
sử
dụng
ở
nhiệt
độ
cao
hơn.
Vonfram
có
thể
chế
tạo
thành
các sợi
mảnh.
Tuy
nhiên
ứng
suất
trong
vonfram
(tạo
ra
trong
quá
trình
kéo
sợi)
khó
triệt tiêu
nên
điện
trở
vonfram
có
độ
ổn
định
nhỏ
hơn
điện
trở
platin.
Để
có
độ
nhạy
cao,
điện
trở
phải
lớn.
Muốn
vậy
phải:
-
Giảm
tiết
diện
dây, việc này bị
hạn
chế
vì
tiết
diện
càng
nhỏ
dây
càng
dễ
dứt.
-
Tăng
chiều
dài
dây,
việc này cũng bị giới
hạn vì
tăng
chiều
dài
làm
tăng
kích
thước
của điện trở.
Do
đó
các
điện
trở
kim
loại
có
giá
trị
R
vào
khoảng
100Ω ở 0oC. Trên thực tế các
sản phẩm thương mại có điện trở ở 0oC là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở có
trị
số
lớn
thường
dùng
đo
ở dải
nhiệt
độ
thấp,
ở
đó
cho
phép
đo
với
độ
nhạy
tốt.
Để
sử
dụng
cho
mục
đích
công
nghiệp,
nhiệt
kế
phải
có
vỏ
bọc
tốt
chống
va
chạm
và rung
động.
Điện
trở
được
cuốn
và
bao
bọc
trong
thủy
tinh
hoặc
gốm
đặt
trong
vỏ
bọc
bằng thép.
Minh họa nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở Pt
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 3
Để
đo
nhiệt
độ
bề
mặt
vật
rắn,
người
ta
sử
dụng
nhiệt
điện
trở
bề
mặt
được
chế
tạo bằng
phương
pháp
quang
khắc
bằng
các
vật
liệu
Ni,
Fe
–
Ni
hoặc
Pt (Pt được sử dụng
khi cần độ chính xác cao).
Chiều
dày
lớp
kim
loại cở
vài
m,
kích
thước
1cm
2
.
Khi
sử
dụng
nhiệt
điện
trở
được
dán
lên
bề
mặt
cần
đo.
Các
đặc
tính
chủ
yếu
của
nhiệt
điện
trở
bề
mặt:
Độ nhạy: 5.10
-3
/
o
C : Ni và Fe - Ni
4.10
-4
/
o
C : Pt
Dải nhiệt độ hoạt động: -195
o
C
260
o
C : Ni và Fe – Ni
-260
o
C
1400
o
C : Pt
Minh họa một nhiệt kế tiếp xúc bề mặt
2.
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
n
ở
nhiệt
độ
nào
đó
hệ
số
điện
trở
của
nó
trở
thành
dương.
Khoảng
nhiệt
độ
sử
dụng
từ
-50
C
đến
150
C.
Hệ
số
nhiệt
cảm
biến
silic
khoảng
0,7%/
C,
nghĩa
là
điện
trở
thay
đổi
0,7%
theo
từng độ
C.
Sự
thay
đổi
nhiệt
tương
đối
nhỏ
nên
có
thể
tuyến
tính
hóa
đặc
tuyến
trong
vùng
nhiệt độ
làm
việc
bằng
cách
mắc
thêm
một
điện
trở
phụ
(song
song
hay
nối
tiếp
tùy
thuộc
vào mạch
đo).
Sự
thay
đổi
nhiệt
của
điện
trở
suất
silic
phụ
thuộc
vào
nồng
độ
chất
pha
và
nhiệt
độ.
Nếu
nhiệt
độ
nhỏ
hơn
120
C
(dải
nhiệt
độ
làm
việc),
điện
trở
suất
tăng
khi
nhiệt
độ tăng.
Hệ
số
nhiệt
của
điện
trở
càng
nhỏ
khi
pha
tạp
càng
mạnh.
Trường
hợp
nhiệt
độ
lớn
hơn
120
C,
điện
trở
suất
giảm
khi
nhiệt
độ
tăng.
Hệ
số
nhiệt của
điện
trở
suất
không
phụ
thuộc
vào
pha
tạp.
3.
Nhiệt
điện
trở
Nhiệt
điện
trở
có
độ
nhạy
nhiệt
rất
cao,
gấp
hàng
chục
lần
độ
nhạy
nhiệt
điện
trở
kim loại.
Nhiệt
điện
trở
có
thể
chia
thành
2
loại:
-
Nhiệt
điện
trở
có
hệ
số
nhiệt
điện
trở
dương.
-
Nhiệt
điện
trở
có
hệ
số
nhiệt
điện
trở
âm.
Nhiệt
điện
trở
được
làm
từ
các
hỗn
hợp
oxit
bán
dẫn,
đa
tinh
thể
như
MgO, MgAl
2
O
4
,
Mn
2
O
3
,
Fe
3
O
4
,
Co
2
O
3
,
NiO,
ZnTiO
4
.
Bột
oxit
được
trộn
với
nhau
theo
tỉ
lệ
nhất định
sau
đó
được
nén
định
dạng
và
thiêu
kết
ở
nhiệt
độ
1000
C.
Các
dây
nối
được
hàn
tại hai
điểm
trên
bề
mặt.
Nhiệt
điện
trở
có
kích
thước
nhỏ
cho
phép
đo
nhiệt
độ
tại
từng
điểm,
đồng
thời
nhiệt dung
nhỏ
nên
thời
gian
đáp
ứng
ngắn.
Dải
nhiệt
độ
làm
việc
từ
vài
độ
K
đến
300
C.
Vì
độ
nhạy
cao,
nhiệt
điện
trở
được
ứng
dụng
để
phát
hiện
biến
thiên
nhiệt
độ
rất
nhỏ (khoảng
10
-4
10
-3
K).
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 4
Để
đo
nhiệt
độ
thấp,
ta
sử
dụng
các
nhiệt
điện
trở
có
điện
trở
thấp
ở
25
C
(50
÷ 100
Ω
).
Để
đo
nhiệt
độ
cao,
cần
phải
sử
dụng
những
nhiệt
điện
trở
có
điện
trở
cao
ở
25
C (100
÷
500
Ω
).
III.
CẢM
BIẾN
CẶP
NHIỆT
NGẪU
1.
Đặc
điểm
Cặp
nhiệt
cấu
tạo
gồm
2
loại
dây
dẫn
A
và
B
được
nối
với
nhau
bởi
hai
mối
hàn
có nhiệt
độ
T
1
và
T
2
.
Suất
điện
động
E
phụ
thuộc
vào
bản
chất
vật
liệu
và
nhiệt
độ
T
1
,
T
2
.
Thông
thường
một
mối
hàn
được
giữ
ở
nhiệt
độ
có
giá
trị
không
đổi
và
biết
trước
gọi là
nhiệt
độ
chuẩn
T
ref
.
Khi
đặt
mối
hàn
thứ
hai
vào
môi
trường
đo
nhiệt
độ
sẽ
đạt
đến
giá
trị T
c
chưa
biết.
Kích
thước
cặp
nhiệt
nhỏ
nên
có
thể
đo
nhiệt
độ
ở
từng
điểm
của
đối
tượng
đo
và tăng
tốc
độ
đáp
ứng.
Cặp
nhiệt
cung
cấp
suất
điện
động
nên
khi
đo
không
có
dòng
điện
chạy qua,
do
đó
không
có
hiệu
ứng
đốt
nóng.
Tuy
nhiên,
phải
biết
trước
nhiệt
độ
chuẩn
T
ref
,
sai
số
T
ref
chính
là
sai
số
của
T
c
.
Suất điện
động
là
hàm
không
tuyến
tính.
Mỗi
loại
cặp
nhiệt
có
suất
điện
động
phụ
thuộc
khác nhau
vào
nhiệt
độ.
Mỗi
loại
cặp
nhiệt
có
có
dải
nhiệt
độ
làm
việc
khác
nhau
từ
-270
C
đến
2700
C,
đây là
ưu
điểm
so
với
nhiệt
kế
điện
trở.
Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ:
o
A / B
c
c
dE
S(T ) ( V / C)
dT
Cặp
nhiệt
Fe/Constantan:
S(0
C)
=
52,9
V/
C
;
S(700
C)
=
63,8
V/
C
Cặp
nhiệt
Pt
–
Rh
(10%)/Pt:
S(0
C)
=
6,4
V/
C
;
S(1400
C)
=
11,93
V/
C
2.
Các
hiệu
ứng
nhiệt
điện
-
Hiệu
ứng
Peltier
:
Ở
điểm
tiếp
xúc
giữa
hai
dây
dẫn
A
và
B
khác nhau
về
bản
chất
nhưng
ở
cùng
một
nhiệt
độ
tồn
tại
một hiệu
điện
thế
tiếp
xúc.
Hiệu
điện
thế
này
phụ
thuộc
vào bản
chất
của
vật
dẫn
và
nhiệt
độ,
gọi
là
suất
điện
động Peltier.
Định
luật
Volta
phát
biểu:
Trong
một
chuỗi
cách
nhiệt
được
tạo
thành
từ
các
vật
dẫn khác
nhau,
tổng
suất
điện
động
Peltier
bằng
0.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang III- 5
Vậy,
khi
hai
vật
dẫn
được
phân
cách
bởi
các
vật
dẫn
trung
gian
và
toàn
hệ
đẳng
nhiệt thì
hiệu
điện
thế
giữa
hai
vật
dẫn
đầu
mút
cũng
chính
là
hiệu
điện
thế
nếu
như
chúng
tiếp xúc
trực
tiếp
với
nhau.
-
Hiệu
ứng
Thomson:
Trong
một
vật
dẫn
đồng
nhất,
giữa
hai
điểm
M
và N
có
nhiệt
độ
khác
nhau
sẽ
sinh
ra
một
suất
điện
động. Suất
điện
động
này
chỉ
phụ
thuộc
vào
bản
chất
của
vật
dẫn và
nhiệt
độ
của
hai
điểm
M
và
N.
Định
luật
Magnus
phát
biểu:
Nếu
hai
đầu
ngoài
của
một
mạch
chỉ
gồm
một
vật
dẫn
duy
nhất
và
đồng
chất
được duy
trì
ở
cùng
một
nhiệt
độ
thì
suất
hiện
động
Thomson
bằng
không.
-
Hiệu
ứng
Seebeck:
Một
mạch
kín
tạo
thành
từ
hai
vật
dẫn
A
và
B
và
hai
tiếp
điểm
của
chúng
chúng
được giữ
ở
nhiệt
độ
T1
và
T2,
khi
đó
mạch
tạo
thành
cặp
nhiệt
điện.
Cặp
nhiệt
điện
tạo
nên
suất điện
động
do
kết
quả
của
hai
hiệu
ứng
Peltier
và Thomson
gọi
là
suất
điện
động
Seebeck.
Nếu chọn
nhiệt
độ
chuẩn
T
1
=
0
C,
khi
đó
suất
điện
động
chỉ
phụ
thuộc
vào
T
2
.
3.
Phương
pháp
chế
tạo
và
sơ
đồ
đo
a.
Chế
tạo
Khi
chế
tạo
cặp
nhiệt
cần
tránh
những
cặp
nhiệt
ký
sinh
do
gấp
khúc
dây,
nhiễm
bẩn hóa
học,
bức
xạ
hạt
nhân.
Kích
thước
mối
hàn
nhỏ
tối
đa
tránh
hiện
tượng
có
nhiệt
độ
khác nhau
giữa
các
điểm
trên
mối
nối
tạo
ra
sức
điện
động
ký
sinh.
Có
3
kỹ
thuật
hàn:
-
Hàn
thiết.
-
Hàn
xì,
bằng
axêtylen.
-
Hàn
bằng
tia
lửa
điện.
Dây
được
đặt
trong
sứ
cách
điện
trơ
về
hóa
học
và
có
điện
trở
lớn.
Vỏ
bọc
bảo
vệ
bên
ngoài
làm
bằng
sứ
hoặc
thép,
không
cho
khí
lọt
qua,
chống
tăng giảm
nhiệt
độ
đột
ngột.
b.
Sơ
đồ
đo
Điều
kiện:
từng
đôi
cùng
nhiệt
độ
A/M
1
,
B/M
1
,
M
1
/M
2
,
M
2
/M
3