Điện - Chương 5: Đo nhiệt độ

Nội dung text: Điện - Chương 5: Đo nhiệt độ

1. I. Thang nhiệt độ + Thang Kelvin : đơn vị : oK. Trong thang Kelvin, người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thái nước, nước đá : 273,15oK + Thang Celsius: oC. Một độ Celsius bằng 1 độ kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được thể hiện: T (oC) = T (oK) – 273,15. + Thang Fahrenheit: oF. 9 T (o F )= T (oC)+ 32 5 5 T (oC) = (T (o F )− 32). 9 Tra ng 1
2. + Điểm chuẩn nhiệt độ: Nhiệt độ đo được chính là nhiệt độ của cảm biến và được ký hiệu là Tc. Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường Tx và sự trao đổi nhiệt với mơi trường bên ngịai. Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ mơi trường: - Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và mơi trường đo. - Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và mơi trường bên ngịai. Ví dụ: đo nhiệt độ trong lịng chất rắn : khoan 1 lỗ sâu L với bán kính r thì L ≥ 10.r và lỗ khoan phải được lấp đầy bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt. Tra ng 2
3. II. Nhiệt điện trở Nhiệt điện trở là thiết bị cĩ điện trở thay đổi tương ứng theo nhiệt độ. 1. Nhiệt điện trở kim loại Nguyên lý : sự thay đổi giá trị điện trở tuyến tính dương với nhiệt độ: khi nĩng thì giá trị điện trở tăng và khi lạnh thì giá trị điện trở giảm. Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: 2 3 R(T) = Ro[1+AT + BT + C(T-100) ] Xem như tuyến tính R = R0 (1 + α.ΔT) R0 : điện trở danh định tại nhiệt độ T0 ΔT : Chênh lệch nhiệt độ so với nhiệt độ chuẩn T0. α : Hệ số dẫn nhiệt Tra ng 3
4. 2. Nhiệt điện trở bán dẫn. Là thiết bị cĩ điện trở thay đổi tương ứng với nhiệt độ. Cĩ độ ổn định và độ nhạy rất cao. Bao gồm 2 lọai. + PTC : Nhiệt điện trở bán dẫn cĩ hệ số nhiệt điện trở dương: giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. + NTC : Nhiệt điện trở bán dẫn cĩ hệ số nhiệt điện trở âm: giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Nhiệt điện trở được chế tạo nhiều hình dáng khác nhau, phần tử nhạy cảm hoặc được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần Tra ng 4
5. 1. Nhiệt điện trở cĩ hệ số nhiệt điện trở âm (NTC : Negative Temperatur Coefficient) Đối với NTC thì điện trở giảm từ 3 → 5,5% / 1 độ. Đường đặc trưng nhiệt độ - điện trở của 1 NTC o RNTC tại 20 C = 5,5 kΩ o RNTC tại 100 C = 400 Ω Đặc tính của NTC khơng tuyến tính nên phải tuyến tính hĩa. Cách đơn giản là mắc điện trở nhiệt NTC song song với một điện trở khác Tra ng 5
6. U U c R R a = . 2 // NTC  R1 R1 + R2 //RNTC  Uc U U U U = c = c RNTC R2 a a R 1 1 1 + 1 R + +1 R //R 1  2 NTC  R2 RNTC Để giảm độ phi tuyến thì ta chọn R2 > 10. RNTC. Khi đĩ thì 1/R2 rất nhỏ so với 1/RNTC nên cĩ thể bỏ qua U U = c a 1 R1 + 1 RNTC Tra ng 6
7. 2. Nhiệt điện trở cĩ hệ số nhiệt điện trở duong (PTC : positive Temperatur Coefficient) Đường đặc tuyến của PTC chia làm 3 vùng: + Vùng nhiệt độ thấp TN Ứng dụng : mạch bảo vệ quá tải. Tra ng 7
8. III. Cặp nhiệt ngẫu. 1. Hiệu ứng nhiêt điện: + Hiệu ứng Peltier Tại mối nối của 2 dây dẫn A và B khác nhau nhưng cĩ cùng nhiệt độ sẽ hình thành một điện áp chỉ phụ thuộc vào lọai dây dẫn và nhiệt độ T Vm −Vn = PA/ B Định luật Volta: Trong một mạch kín đẳng nhiệt, tổng các sức điện động Peltier bằng 0 T T T T PA/ B + PB /C + PC / D + PD / A = 0 Tra ng 8
9. + Hiệu ứng Thomson Giữa 2 điểm M, N cĩ nhiệt độ khác nhau của một thanh dẫn đồng chất sẽ hình thành một sức điện động chỉ phụ thuộc vật liệu và nhiệt độ. T1 T2 E=0 TM TMTN EA = hAdT1 T1 T3 TN hA là hệ số Thomson của một vật liệu. Định luật Magnus: nếu hai đầu của một mạch điện làm bằng một dây dẫn đồng nhất và cĩ cùng nhiệt độ thì sức điện động Thomson bằng 0 Tra ng 9
10. + Hiệu ứng Seebeck 2 Vật liệu A và B với nhiệt độ khác nhau ở 2 đầu mối nối → hình thành cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện tạo ra một sức điện động gọi là sức điện động Seebeck. T2 T2T1 T2 T1 EA / B = PA / B − PA / B + (hA − hB )dT T1 eAB = . T : Là hệ số Seebeck Tra ng 10
11. 2 1 : mối hàn làm việc. 2, 3 : mối hàn trung hòa khi t1 không đổi. Nhiệt độ tại 2 mối hàn phải bằng nhau và dây dẫn nối thêm ra phải đồng chất để khơng phát sinh suất điện động ký sinh tại 2, 3 Tra ng 11
12. E (t ,t ) E (t ,t ) I = AB 1 0 = AB 1 0 RAB + RFD + RC + Rdc + Rf + R Rng + RM Rng = RAB + RFD + RC + Rdc RM = Rf + Rp EAB(t,t0 ) Uab = I.RM = Sai số phép đo sẽ nhỏ khi 1+ Rng / RM Rng/RM nhỏ Tra ng 12
13. Một số cặp nhiệt điện thơng dụng Vật liệu Lọai Phạm vi đo Độ nhạy Chrom-Alu K -200 – 1000oC 41μV/oC CHrom- E -200 – 1000oC 68μV/oC Constantan Platinum- R, S >1500oC 68μV/oC Rhodium Tra ng 13
14. IV. Đo nhiệt độ dùng Diode, Transistor Nguồn dịng I cung cấp cho Diode hoặc Transistor Điện áp ra khơng những phụ thuộc vào nhiệt độ mà cịn phụ thuộc vào dịng điện cung cấp Độ nhạy : S = dV/dT cĩ giá trị khỏang -2,5mV/oC Phạm vi đo : -500C – 1500C Tra ng 14
15. KT I1 V1 = ln q I 0 KT I 2 V2 = ln q I 0 KT I1 KT Vd = Log = Logn q I 2 q Tra ng 15
16. V. Vi mạch cảm biến tích hợp (IC) 1. Nguyên Lý chung. + Nhận tín hiệu nhiệt độ và chuyển thành tín hiệu điện áp hoặc dịng điện + Cĩ thể đo độ C, độ K hoặc độ F tùy lọai + Giới hạn đo từ khỏang -55oC đến 150oC với độ chính xác 1 hoặc 2oC + Tác dụng của nhiệt độ là tăng tỷ lệ ion và lỗ trống tự do trong chất bán dẫn → tăng điện áp hoặc dịng điện thuận của tiếp xúc p-n Tra ng 16
17. 2. IC cảm biến LM34 (đo độ F) / LM35 (Đo độ C) + LM34 cĩ ngõ ra 10mV/oF và làm việc tuyến tính trong khỏang -50oF – 300oF. Tra ng 17
18. Ứng dụng : + Nhiệt kế vi sai: Tra ng 18
19. 2. IC cảm biến AD592 Là cảm biến nhiệt cung cấp dịng điện ra tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối. Do cơng nghệ chế tạo phát triển nên AD592 đo rất chính xác + Sử dụng nguồn cung cấp đơn cho phép đo độ chính xác 0,5oC + Khỏang đo nhiệt độ: -25 – 105oC + Khơng bị nhiễu điện áp. Tra ng 19
20. Chỉnh biến trở R=100Ω sao cho ngõ ra o Vout = 1mV/ K Ứng dụng: đo nhiệt độ trung bình và đo nhiệt độ nhỏ nhất Trang 20
21. MỘT CẢM BIẾN CÓ ĐƯỜNG ĐẶC TUYẾN CHUYỂN ĐỔI CHO Ở HÌNH TRÊN HÃY GỌI TÊN CỦA CHUYỂN ĐỔI VIẾT PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỔI (TUYẾN TÍNH) CHO CẢM BIẾN TRONG KHOẢNG ĐO 100OC ĐẾN 150OC Tra ng 21