Cảm biến và đo lường - Chương 3: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Tham khảo tài liệu cảm biến và đo lường - chương 3:cảm biến nhiệt độ, kỹ thuật - công nghệ, tự động hoá phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến và đo lường - Chương 3:CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘTài liệu môn Cảm biến và đo lườngChương 3 : CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Trong các đ ại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số nhữ ng đại lượng được quan tâmnhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết đ ịnh trong nhiều tính chất của vật chất. Mộttrong nhữ ng đặc điểm tác động củ a nhiệt độ là làm thay đổi mộ t cách liên tục các đại lượngchịu sự ảnh hưởng củ a nó, thí dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổ i pha hayđiểm Curi củ a các vật liệu từ tính. Bởi vậ y, trong nghiên cứu khoa họ c, trong công nghiệp vàtrong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt đ ộ là điều rất cần thiết. Có nhiều cách đo nhiệt đo: - Phương p háp qu ang d ựa trên sự p hân b ố p hổ bức xạ nhiệt d o d ao đ ộng nhiệt (hiệu ứng Doppler). - Phương p háp cơ dựa trên sự giản nở củ a vật rắn, lỏng ho ặc khí (với áp suất khô ng đổ i), hoặc dựa trên tố c đ ộ âm. - Phương p háp điện dựa trên sự p hụ thuộ c củ a đ iện trở vào nhiệt đ ộ (hiệu ứng S eebeck), ho ặc d ựa trên sự tha y đổ i tần số dao độ ng của thạch anh.I. THANG NHIỆT ĐỘ Thang nhiệt đ ộ tu yệt đố i được xác đ ịnh dự a trên tính chất củ a khí lý tưở ng. 1. Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối Thang Kelvin: đ ơn vị là K. Ngườ i ta gán nhiệt độ củ a điểm cân bằng củ a batrạng thái nước – nước đ á – hơi mộ t giá trị số b ằng 273,1 5K. 2. Thang Celsius Đơn vị nhiệt đ ộ là (0 C). Qu an hệ giữa nhiệt đ ộ Celsiu s và nhiệt đ ộ Kelvin chotheo biểu thức: T (0 C) = T (K) – 273,15 3. Thang Fahrenheit Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F). Quan hệ giữa nhiệt đ ộ Celsius và Fahrenheitđược cho bởi biểu thứ c: 5 T( 0 C)   T( 0 F)  32    9 9 T( 0 F)  T( 0 C)  32 5 Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chính là nhiệt độ của cảmbiến, ký hiệu Tc. Tc phụ thuộ c vào nhiệt đ ộ môi trường Tx và sự trao đổ i nhiệt. Điều cần thiết là phải giảm hiệu số Tx – Tc, có 2 biện p háp: Tăng sự trao đ ổi nhiệt giữa cảm biến và môi trườ ng đo. - Giảm sự trao đổ i nhiệt giữa cảm b iến và môi trường b ên ngoài. - Trang III- 1Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Để đo nhiệt độ củ a mộ t vật rắn, từ bề m ặt vật ngườ i ta khoan mộ t lỗ nhỏ vớ i đườn gkính r và độ sâu L để đ ưa cảm biến vào sâu trong vật rắn. Để tăng đ ộ chính xác, phải đ ảmbảo 2 điều kiện: - Chiều sâu lỗ khoan L ≥ 1 0r. - Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm b iến bằng cách giảm kho ảng cách giữa vỏ cảm b iến và t hành lỗ kho an, ho ặc lấp đầ y bằng mộ t vật liệu d ẫn nhiệt tốt.II. CẢ M BIẾN N HIỆT Đ IỆN TRỞ Ưu đ iểm của nhiệt đ iện trở là đơ n giản, độ nhạy cao, ổ n đ ịnh d ài hạn. Các nhiệtđiện trở có thể chia thành 3 loại: đ iện trở kim lo ại, đ iện trở b án dẫn và nhiệt đ iện trở. 1. Nhiệt điện t rở kim loại Thường có dạng d â y ho ặc m àng mỏ ng kim lo ại có đ iện trở suất tha y đ ổ i nhiềutheo nhiệt độ . Ngườ i ta thường làm đ iện trở b ằng p latin, niken, đ ôi khi cũ ng sử d ụngđồng và vonfram. - Platin đượ c chế tạo với đ ộ tinh k hiết cao nhằ m tăng độ chính xác của đ ặc tín h điện. Platin trơ về hóa họ c và ổ n đ ịnh về tinh thể cho p hép hoạt đ ộng tốt trong dải nhiệt rộ ng t ừ -200C ÷ 1000 C. - Niken có đ ộ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so vớ i p latin. Điện trở niken ở 10 0C gấp 1 ,617 lần ở 0C, đố i với platin chỉ b ằng 1,38 5. Tuy nhiên, niken dễ bị o xy hó a khi nhiệt đ ộ tăng d o đó dải nhiệt b ị giới hạn d ưới 250C. - Đồ ng được dử dụ ng trong một số trườ ng hợp vì sự thay đổ i điện trở theo nhiệt đ ộ có độ tu yến tính cao. Dải làm việc b ị hạn chế dưới 1 80 C. - Vonfram có đ ộ nhạ y nhiệt cao hơn p latin khi ở nhiệt đ ộ dưới 10 0C và có đ ộ tu yến tính cao hơ n, có thể sử d ụ ng ở nhiệt đ ộ cao hơn. Vonfram có thể chế tạo thành các sợi m ảnh. Tuy nhiên ứng suất tro ng vonfram (tạo ra trong quá trình kéo sợi) khó triệt tiêu nên điện trở vo nfram có độ ổ n đ ịnh nhỏ hơn đ iện trở p latin. Để có độ nhạy cao, đ iện trở p hải lớ n. Muố n vậ y p hải: - Giảm tiết d iện d ây, việc này b ị hạn chế vì tiết d iện càng nhỏ dâ y càng dễ d ứt. - Tăng chiều d ài dâ y, việc này cũng b ị giới hạn vì tăng chiều dài làm tăng kích thước củ a điện trở. Do đó các đ iện trở kim loại có giá trị R vào khoảng 100Ω ở 0oC. Trên thực tế cácsản phẩm thương mại có điện trở ở 0 oC là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở có trị số lớ nthường dùng đo ở dải nhiệt đ ộ thấp, ở đó cho p hép đo với đ ộ nhạ y tốt. ...