Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hóa

Ch−ơng 2 đo nhiệt độ 2.1. Khái niệm chung 2.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ Nhiệt độ là một thông số công nghệ quan trọng trong nhiều quá trình luyện kim. Bởi vậy, việc đo và kiểm tra nhiệt độ là một trong những khâu hết sức cần thiết trong công nghiệp luyện kim. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại l−ợng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại l−ợng cùng bản chất, còn nhiệt độ là đại l−ợng đặc tr−ng cho mức nội năng của vật chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. a) Thang nhiệt độ Để đo nhiệt độ tr−ớc hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối đ−ợc thiết lập dựa vào tính chất của khí lý t−ởng. Theo định lý Carnot: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ là θ1 và θ2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2: ( ) ( )2 1 F F θ θ=η (2.1) Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang nhiệt độ. Ng−ợc lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang nhiệt độ. Đặt F(θ) = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch đ−ợc viết nh− sau: 2 1 T T 1−=η (2.2) Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn. Đối với chất khí lý t−ởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và ph−ơng trình đặc tr−ng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng: p.v=G(θ) (2.3) Có thể chứng minh đ−ợc rằng: G(θ)=RT (2.4) - 14 - Trong đó R là hằng số khí lý t−ởng, T là nhiệt độ động học tuyệt đối. Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ t−ơng ứng với một hiện t−ợng nào đó với điều kiện hiện t−ợng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại. - Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này ng−ời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái n−ớc - n−ớc đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K. - Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC. Trong thang đo này nhiệt độ của điểm cân bằng trạng thái n−ớc - n−ớc đá bằng 0oC, nhiệt độ điểm n−ớc sôi là 100oC. Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (2.5) - Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm n−ớc đá tan là 32oF và điểm n−ớc sôi là 212oF. Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius: ( ) ( ){ 32FT 9 5 CT oo −= } (2.6) ( ) ( ) 32CT 5 9 FT oo += (2.7) Bảng 2.1 Cho các giá trị t−ơng ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau. Bảng 2.1 Nhiệt độ một số hiện t−ợng quan trọng theo các thang đo Nhiệ độ Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 - 459,67 Hỗn hợp n−ớc - n−ớc đá 273,15 0 32 Cân bằng n−ớc - n−ớc đá - hơi 273,16 0,01 32,018 N−ớc sôi 373,15 100 212 b) Nhiệt độ đo đ−ợc và nhiệt độ cần đo Vật thể hoặc môi tr−ờng cần đo nhiệt độ gọi là môi tr−ờng đo, phần tử cảm nhận của dụng cụ đo đ−ợc gọi là vật đo. Giả sử môi tr−ờng đo có nhiệt độ thực bằng - 15 - Tx., điều kiện để đo đúng nhiệt độ của môi tr−ờng đo là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi tr−ờng đo và vật đo. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ của vật đo không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi tr−ờng Tx, do đó khi đo ta chỉ nhận đ−ợc nhiệt độ Tc là nhiệt độ của vật đo. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc là nhiệt độ đo đ−ợc. Giữa nhiệt độ cần đo và nhiệt độ đo đ−ợc tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Chúng ta hãy khảo sát tr−ờng hợp đo bằng dụng cụ đo tiếp xúc. L−ợng nhiệt truyền từ môi tr−ờng vào vật đo xác định theo công thức: ( )dtTTAdQ cx −α= Trong đó: α - hệ số dẫn nhiệt. A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. t - thời gian trao đổi nhiệt. L−ợng nhiệt vật đo hấp thụ: cmCdTdQ = Trong đó: m - khối l−ợng của vật đo. c - nhiệt dung của vật đo. Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của vật đo ra môi tr−ờng ngoài và giá đỡ, ta có: ( ) ccx mCdTdtTTA =−α Đặt τ=αA mC , gọi là hằng số thời gian nhiệt, ta có: τ=− dt TT dT cx c T(oK) τ 0,63Tx Tc Tx t (s) Hình 2.1. Trao đổi nhiệt của vật đo - 16 - Nghiệm của ph−ơng trình có dạng: τ −−= t xc keTT (2.8) Từ (2.8) ta nhận thấy Tc → Tx chỉ khi t→ ∞. Trên thực tế, thời gian tiếp xúc giữa vật đo và môi tr−ờng đo là có giới hạn, đồng thời có sự truyền nhiệt từ vật đo ra môi tr−ờng bên ngoài do đó , trong phép đo luôn tồn tại sai lệch . Sai lệch càng bé phép đo càng chính xác. Để tăng độ chính xác, khi đo cần phải: xc TT < cx TTT −=∆ T∆ - Tăng c−ờnng sự trao đổi nhiệt giữa vật đo và môi tr−ờng đo. - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa vật đo và môi tr−ờng bên ngoài. Để tăng c−ờng trao đổi nhiệt giữa môi tr−ờng đo và vật đo ta phải dùng vật đo có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao. Để hạn chế tổn thất nhiệt từ vật đo ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ vật đo ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp. 2.1.2. Ph−ơng pháp đo nhiệt độ Nh− chúng ta đã biết, nhiệt độ không thể đo trực tiếp mà phải đo gián tiếp thông qua sự thay đổi tính chất của vật liệu theo nhiệt độ. Bởi vậy để đo nhiệt độ cần phải biết đ−ợc quan hệ phụ thuộc của tính chất vật lý của vật đo, của môi tr−ờng đo vào nhiệt độ, những tính chất này phải phụ thuộc đơn trị vào nhiệt độ. D−ới tác động của nhiệt độ, tính chất của môi tr−ờng đo và vật đo thay đổi, thông qua xác định tính chất của môi tr−ờng đo và vật đo ta xác định đ−ợc nhiệt độ của môi tr−ờng đo. Theo nguyên tắc đo, ng−ời ta chia ra hai ph−ơng pháp đo gồm đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc. - Ph−ơng pháp đo tiếp xúc: khi đo, vật đo tiếp xúc với môi tr−ờng đo, phép đo dựa trên các hiện t−ợng: + Giản nở của vật liệu. + Biến đổi trạng thái của vật liệu. + Thay đổi điện trở của vật liệu. + Hiệu ứng nhiệt điện. - Ph−ơng pháp đo không tiếp xúc: khi đo vật đo không tiếp xúc với môi tr−ờng đo, phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt của môi tr−ờng đo vào nhiệt độ, ví dụ đo nhiệt độ bằng hỏa kế. - 17 - D−ới đây nghiên cứu một số loại dụng cụ đo cơ bản và các dụng cụ thứ cấp th−ờng dùng khi đo nhiệt độ. 2.2. Nhiệt kế giãn nở 2.2.1. Nguyên lý đo Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế giản nở dựa vào sự giãn nở của vật liệu khi tăng nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ hầu hết các chất giản nở làm tăng thể tích. Thể tích của khối chất phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệ hàm số: (2.9) ( t1VV v0 α+= ) ) Trong đó: Vo, V: thể tích khối chất ở 0oC và ở nhiệt độ toC [m3]. αv: hệ số giản nở thể tích [1/độ]. Đối với vật thể rắn, quan hệ giữa chiều dài vật và nhiệt độ có dạng: (2.10) ( t1ll 0 α+= Trong đó: lo, l: chiều dài của vật thể ở 0 oC và ở nhiệt độ toC. α: hệ số giản nở dài [1/độ]. 2.2.2. Các loại nhiệt kế giãn nở a) Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn Trong thực tế, nhiệt kế dùng chất rắn th−ờng có hai loại: gốm và kim loại, kim loại và kim loại. - Nhiệt kế gốm - kim loại(Dilatomet): gồm một thanh gốm (1) đặt trong ống kim loại (2), một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại, đầu còn lại A nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị. 2 1 4 2 2 1 a) b) Hình 2.2 Nhiệt kế giãn nở a) Nhiệt kế gốm - kim loại b) Nhiệt kế kim loại - kim loại - 18 - Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại và của gốm là αk và αg. Do αk > αg, khi nhiệt độ tăng một l−ợng dt, thanh kim loại giãn thêm một l−ợng dlk, thanh gốm giãn thêm một l−ợng dlg với dlk>dlg, làm cho thanh gốm dịch sang phải. Dịch chuyển của thanh gốm phụ thuộc (dlk - dlg) do đó phụ thuộc nhiệt độ. - Nhiệt kế kim loại - kim loại: gồm hai thanh kim loại (1) và (2) có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc. Giả sử α1 > α2 , khi giãn nở nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh (2). Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn th−ờng dùng để đo nhiệt độ d−ới 700oC. b) Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Hình 2.3 trình bày cấu tạo của một nhiệt kế dùng chất lỏng. rẽ tiền, đo t−ơng đối chính xác Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ống mao dẫn (2) 1 3 2 Hình 2.3 Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng đơn giản và và chất lỏng (3). Chất lỏng sử dụng th−ờng dùng là thuỷ ngân có hệ số giãn nở nhiệt α =18.10-5/oC, vỏ nhiệt kế bằng thuỷ tinh có α =2.10-5/oC. Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt đ−ợc đặt tiếp xúc với môi tr−ờng đo. Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nở và dâng lên trong ống mao dẫn. Thang đo đ−ợc chia độ trên vỏ theo dọc ống mao dẫn. nh−ng không biến đổi đ−ợc thành tín hiệu điện. Dải nhiệt độ làm việc từ - 50 ữ 600oC tùy theo vật liệu chế tạo vỏ bọc. 2.3. Nhiệt kế điện trở 2.3.1. Nguyên lý đo Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở là dựa vào sự thay đổi điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Trong tr−ờng hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở của vật liệu theo nhiệt độ có dạng: ( ) ( )00 TTF.RTR −= (2.11) - 19 - Trong đó R0 là điện trở ở nhiệt độ T0, F là hàm đặc tr−ng cho vật liệu và F = 1 khi T = T0. Hiện nay th−ờng sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở hỗn hợp các oxyt bán dẫn. Tr−ờng hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng: ( )320 CTBTAT1R)T(R +++= (2.11) Trong đó nhiệt độ T đo bằng oC, T0 = 0 oC và A, B, C là các hệ số thực nghiệm. Các hệ số đ−ợc xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã biết tr−ớc. Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R ng−ời ta xác định đ−ợc 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∆α+=∆+ (2.13) Trong đó αR là hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T, xác định bởi công thức: ( ) dT dR TR 1 R =α (2.14) Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ, chẳng hạn ở 0oC platin (Pt) có αR=3,9.10-3/oC. Chất l−ợng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo đ−ợc min0 R R∆ , do đó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện đ−ợc: minoR min R R1 T ∆ α=∆ (2.15) Ví dụ nếu 6 min0 10 R R −=∆ và với những phép đo quanh điểm 0oC, vật liệu là platin thì 4min 10.6,2T −=∆ oC. 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 th−ớc 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: - 20 - dT ds s 1 dT dl l 1 dT d1 dT dR R 1 R −+ρρ==α Đặt dT d1 ρ ρ=αρ ; dT dl l 1 l =α ; dT ds s 1 s =α , mặt khác ls 2α=α , ta có: lslR α−α=α−α+α=α ρρ Trên thực tế th−ờng nên có thể coi lα>>αρ ρα=αR . 2.3.2. Các loại nhiệt kế điện trở 2.3.2.1. Nhiệt kế điện trở kim loại a) Vật liệu Vật liệu dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở kim loại phải thỏa mãn các yêu cầu: + Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích th−ớc 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. Do vậy, vật liệu th−ờng dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở là Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W. - Platin : + 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 0oC bằng 3,9.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ữ 1000oC. Điện trở platin th−ờng đ−ợc chế tạo với đ−ờng kính dây từ 0,05 - 0,07 mm, điện trở Ro = 10Ω; 46Ω; 100 Ω. - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/oC. - 21 - + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC. Đồng đ−ợc sử dụng trong một số tr−ờng 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 th−ờng không v−ợt quá 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây dẫn đến làm tăng kích th−ớc 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 đ−ợc các điện trở cao với kích th−ớc 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 2.3. Đặc tr−ng vật lý quan trọng của một số vật liệu làm điện trở đo Thông số Cu Ni Pt W Tf ( oC) 1083 1453 1769 3380 c (JoC-1kg-1) 400 450 135 125 λ (WoC-1m-1) 400 90 73 120 αl x106 (oC) 16,7 12,8 8,9 6 ρ x108 (Ωm) 1,72 10 10,6 5,52 α x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5 b) Cấu tạo Để tránh sự làm nóng đầu đo, dòng điện chạy qua điện trở th−ờng giới hạn ở giá trị một vài mA. Mặt khác, để điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn, 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 th−ớc điện trở. Để hợp lý ng−ời ta th−ờng chọn điện trở R ở 0oC có giá trị vào khoảng 100Ω, khi đó với điện trở platin sẽ có đ−ờng kính dây cỡ vài àm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận đ−ợc nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm th−ơng mại th−ờng có điện trở ở 0oC là 50Ω, 500Ω và 1000Ω, các điện trở lớn th−ờng đ−ợc dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp. - 22 - - Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống đ−ợc va chạm mạnh và rung động. Do vậy, điện trở kim loại đ−ợc cuốn trên lõi và bao bọc trong bên ngoài bằng thuỷ tinh hoặc gốm, đồng thời đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 2.4 trình bày cấu tạo một số đầu đo điện trở th−ờng dùng trong công nghiệp. - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng th−ờng đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng 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 2.5. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài àm và kích th−ớc nhiệt kế cỡ 1cm2. Đặc tr−ng chính của nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC đối với tr−ờng hợp Ni và Fe-Ni. ~4.10-3/oC đối với tr−ờng hợp Pt. - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ữ 260 oC đối với Ni và Fe-Ni. 1 6 1 2 3 2 54 57 1 Hình 2.4 Đầu đo nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống sứ cách điện 4) Dây nối 5) Trục gá 6) Vỏ bọc 7) Xi măng Hình 2.5 Nhiệt kế bề mặt - 23 - -260oC ữ 1400 oC đối với Pt. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt l−u ý đến ảnh h−ởng biến dạng của bề mặt đo. 2.3.2.2. Nhiệt kế điện trở silic Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi đ−ợc kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở d−ơng, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC ở 25oC. Đầu đo của nhiệt kế điện trở silic đ−ợc chế tạo có kích th−ớc cỡ 500x500x240 àm, đ−ợc mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc. Trong dải nhiệt độ làm việc (-55 ữ 200oC) có thể lấy gần đúng giá trị điện trở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: ( ) ( )[ ]2000T TTBTTA1RR −+−+= Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn. Sự thay đổi nhiệt của điện trở t−ơng đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá bằng cách mắc thêm một điện trở phụ. ToC 2400 R(Ω) 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 -50 0 50 100 Hình 2.6 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic 2.3.2.3. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn a) Vật liệu chế tạo Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn đ−ợc chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể nh−: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức: - 24 - ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −β⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= 0 2 0 0 T 1 T 1 exp T T R)T(R (2.16) Trong đó R0(Ω) là điện trở ở nhiệt độ T0(K). Độ nhạy nhiệt có dạng: 2R T b+β=α Vì ảnh h−ởng của hàm mũ đến điện trở chiếm −u thế nên biểu thức (2.16) có thể viết lại: ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= 0 0 T 1 T 1 BexpR)T(R (2.17) Và độ nhạy nhiệt: 2R T B−=α Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K. c) Cấu tạo Hỗn hợp bột oxyt đ−ợc trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó đ−ợc nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000oC. Các dây nối kim loại đ−ợc hàn tại hai điểm trên bề mặt đã đ−ợc phủ bằng một lớp kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bằng vỏ thuỷ tinh. 32 1 Hình 2.7 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh 1) Vỏ bọc 2) Điện trở 3) Dây nối 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 - 10-3K. Đầu đo có kích th−ớc nhỏ nên có thể đo nhiệt độ tại từng điểm và nhiệt dung nhỏ nên thời gian hồi đáp bé. Tùy thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC. 2.3.2.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp a) Mạch đo dùng logomet Sơ đồ mạch đo trình bày trên hình 2.8. - 25 - Logomet gồm rôto (1) trên đó bố trí hai cuộn dây (2) bắt chéo nhau, đặt trong từ tr−ờng của nam châm vĩnh cữu (3). Rôto đ−ợc nối với hai lò xo cản (4), dòng điện đi vào các cuộn dây qua các lò xo cản. Giả sử Rt = Rt0, khi đó: 11pt22p RRRRR +=++ (2.18) Và 21 II = Mô men quay M1 và M2 sinh ra do hai dòng điện chạy qua các cuộn dây: 221 i.B.r.l.c.nM = 112 i.B.r.l.c.nM = Trong đó: n, l, r - số vòng, chiều dài cạnh và bán kính của khung dây. B1, B2 - từ thông qua các cuộn dây. c - hằng số. Do các lò xo cản và các khung dây c cấu tạo iống nhau và bố trí đối xứng, và ng−ợc chiều nên rô o đứng yên. 21 MM = Khi nhiệt độ tăng lên Rt tăng, là 22p RR + 44 M1 M2 3 2 1 Rp1Rp2 I2 I1 SN R2 R1 Rt Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo dùng logomet 1) Rôto 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu 4) Lò xo cản tm cho: 11pt RRR +>+ - 26 -ó (2.19) g Khi đó và làm cho rôto quay theo chiều của M21 II > 12 MM > 2, khi rôto quay M2 giảm xuống và M1 tăng lên cho đến khi 21 MM = thì ngừng quay. ở vị trí cân bằng: 1122 IBIB = ⇒ tp2p 11p 2 1 1 2 RRR E RR E I I B B ++ +== ⇒ 11p tp2p 1 2 RR RRR B B + ++= (2.20) Góc quay của rôto là hàm của tỉ số từ thông qua các cuộn dây và là hàm của nhiệt độ: ( )tf B B f 1 2 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=ϕ . Logomet dùng để đo nhiệt độ th−ờng đ−ợc chế tạo với cấp chính xác 1 và 2. b) Mạch đo dùng cầu cân bằng - Cầu hai dây dẫn: R1 R2 R3 Rt b) Rd1Rd2 G E R2 Rt b a E G Rd2 Rd1 R3 R1 a) Hình 2.9 Sơ đồ mạch đo dùng cầu cân bằng a) Cầu hai dây dẫn b) Cầu ba dây dẫn Trong sơ đồ cầu hai dây dẫn (hình 2.9a) khi ở nhiệt độ t0 = 0 oC thì: (2.21) 0t231 R.RR.R = - 27 - Khi đó, điện áp , dòng điện qua điện kế bằng 0 và kim điện thế kế (G) chỉ không. 0Uab = Khi ở nhiệt độ t, Rt thay đổi và t231 R.RR.R ≠ làm cho cầu mất cân bằng ( ), điều chỉnh R0Uab ≠ 2 sao cho cầu đạt cân bằng mới, nếu bỏ qua thay đổi của điện trở dây nối thì vị trí của con chạy của biến trở R2 phụ thuộc đơn trị vào nhiệt độ cần đo. - Cầu ba dây dẫn: khi tính đến điện trở của dây nối, ở nhiệt độ t ta có: ( )2d1dt231 RRR.RR.R ++= (2.22) Nh− vậy R2 không phụ thuộc đơn trị vào nhiệt độ đo nên gây ra sai số. Để khắc phục sai số này ng−ời ta dùng sơ đồ cầu ba dây dẫn nh− hình 2.9b, khi đó: ( ) ( )1dt232d1 RR.RR.RR +=+ (2.23) Trong ph−ơng trình (2.23) ảnh h−ởng của nhiệt độ tới điện trở dây nối phân ra hai vế nên tăng độ chính xác phép đo, do đó có thế đạt cấp chính xác 0,2. - Cầu cân bằng điện từ: Hình 2.10 trình bày sơ đồ cấu tạo của một mạch đo dùng cầu cân bằng điện từ. Các bộ phân cơ bản của mạch đo gồm: cầu cân bằng (1), bộ khuếch đại (2) và động cơ (3). RCu Rm Rk RH A Rt 4 Rm RP ∆U ĐC 1 3 Hình 2.10 Sơ đồ mạch dùng cầu cân bằng điện từ 1) Cầu cân bằng 2) Bộ khuếch đại 3) Động cơ Nguyên lý hoạt động: Giả sử ở nhiệt độ t0 cầu cân bằng, khi đó , động cơ (3) và con chạy của biến trở R 0U =∆ p đứng yên. Khi Rt thay đổi, cầu mất cân bằng và - 28 - 0U ≠∆ , tín hiệu qua bộ khuếch đại (2) vào động cơ (4), động cơ quay một mặt làm quay kim chỉ, một mặt làm dịch chuyển con chạy của biến trở Rp cho đến khi cầu đạt cân bằng mới. Thiết bị đo đ−ợc chế tạo với cấp chính xác 0,5 và cầu cân bằng của nhóm nào thì đi cùng với nhiệt kế điện trở của nhóm ấy. 2.4. Cặp nhiệt ngẫu 2.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện Ph−ơng pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Ng−ời ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ hai vật liệu có bản chất hoá học khác nhau đ−ợc nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện 1 2 A t t0 B Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu : Trong kim loại luôn luôn tồn tại ản chất kim loại và nhiệt độ. Thông A là NA(t0), trong B là NB(t0) và ở g B là NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì 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 t−ợng trên có thể giải thích nh− sau một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc b th−ờng khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng. Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), tron nói chung N (t) > N (t). A B Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A → B và ở chổ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t) có tác dụng cản trở sự khuếch tán. Khi đạt cân bằng eAB(t) sẽ không đổi. T−ơng tự, tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0). - 29 - 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 t−ơng ứng trong A là eA(t,t0) và trong B là eB(t,t0). 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 +++= (2.24) Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ng−ợc 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 t0 khi đó sức điện động tổng: 0)t(e)t(eE 0BA0ABAB =+= Hay: )t(e)t(e 0AB0BA −= (2.25) Nh− vậy: (2.26) )t(e)t(eE 0ABABAB −= Ph−ơng trình (2.26) gọi là ph−ơng trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ ph−ơng trình (2.26) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t0 = const thì: )t(fC)t(eE ABAB =+= (2.27) Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t0 = const biết tr−ớc làm nhiệt độ so sánh và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định đ−ợc 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 2.12) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. B t1 4 t 1 B t1 t0 3 2 1 C A t0 3 t0 2 C B A t a) b) Hình 2.12 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba - 30 - - Trong tr−ờng 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 −= - Tr−ờng 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. 2.4.2. Vật liệu chế tạo cực nhiệt điện Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Tuy nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Sức điện động đủ lớn (để dễ 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 2.13 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 d−ơng là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. Đặc tính: + Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600oC , Eđ =16,77mV. + Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300oC. + Đ−ờng đặc tính có dạng đ−ờng cong bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300oC thì Eđ ≈ 0. - 31 - + Trong môi tr−ờng có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100oC. Các cực của cặp nhiệt ngẫu PtRd - Pt th−ờng đ−ợc chế tạo với đ−ờng kính φ = 0,5 mm. Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau t−ơng đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này th−ờng đ−ợc dùng làm cặp nhiệt chuẩn. 7 6 2 1 3 9 10 Eđ