Cảm biến nhiệt ngẫu
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai ...
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được 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 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 tượng trên có thể giải thích như sau:
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 thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng.
Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và ở nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t).
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.
Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu
Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0). 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 tương 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:
(5.1)
Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ngược chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có:
(5.2)
Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động tổng:
(5.3)
Hay:
(5.4)
Như vậy:
(5.5) Phương trình (5.5) gọi là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ phương trình (5.5) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t = const thì:
(5.6)
Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t0 = const biết trước làm nhiệt độ so sánh và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định được 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 5.2) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau.
Thật vậy:
- Trong trường hợp a:
Vì:
Nên:
Hình 5.2: Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba
- Trường hợp b:
Vì:
Nên:
Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh.
Vật liệu chế tạo
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 dể 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 5.3 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.
Hình 5.3: 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
- Cặp Platin - Rođi/Platin:
Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600oC , Eđ =16,77mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300oC. Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300oC thì E ˜ 0.
Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100oC.
Đường kính điện cực thường chế tạo φ = 0,5 mm.
Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn.
- Cặp nhiệt Chromel/Alumel:
Cực dương 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 ~1100oC, Eđ = 46,16 mV.
Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC.
Đường kính cực φ= 3 mm.
- Cặp nhiệt Chromel/Coben:
Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800oC, Eđ = 66 mV.
Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC.
- Cặp nhiệt Đồng/Coben:
Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben.
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC.
Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC.
Loại này được 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 5.4.
Hình 5.4: Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu
E-Chromel/Constantan RƯ Platin-Rodi (13%)/Platin
J- Sắt/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin
K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%)
Cấu tạo
Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp trình bày trên hình 5.5.
Hình 5.5: Cấu tạo cặp nhiệt
1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện
5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây
Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp.
Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở hai đầu dây của cặp nhiệt ngẫu. Độ chính xác của phép đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố. Muốn nâng cao độ chính xác cần phải:
- Giảm thiểu ảnh hưởng của tác động của môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự do.
- Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của cảm biến và mạch đo.
Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế
- Sơ đồ:
Trên hình 5.6 biểu diễn sơ đồ đo thông dụng sử dụng milivôn kế từ điện.
Hình 5.6: Sơ đồ mạch đo
Hình 5.7 : Sơ đồ đo vi sai
Khi nhiệt độ hai đầu tự do (2) và (3) bằng nhau thì sức điện động trong mạch chính là sức điện động của cặp nhiệt, nếu chúng khác nhau thì trong mạch xuất hiện suất điện động ký sinh ở các mối nối và làm sai lệch kết quả đo.
Để đo trực tiếp hiệu nhiệt độ giữa hai điểm người ta dùng sơ đồ đo vi sai như hình 5.7.
Trong sơ đồ này, cả hai đầu 1 và 2 của cặp nhiệt là đầu làm việc tương ứng với nhiệt độ t1 và t2. Kết quả đo cho phép ta xác định trực tiếp giá trị của hiệu số hai nhiệt độ t1 - t2.
Hình 5.8: Sơ đồ mắc nối tiếp
Hình 5.9: Hiệu chỉnh nhiệt độ đầu tự do
Trường hợp nhiệt độ môi trường đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt như hình 5.8. Sức điện động tổng của bộ mắc nối tiếp bằng nEAB(t,t0).
Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện thế kế
Trên hình 5.10 trình bày sơ đồ đo bằng phương pháp xung đối, dựa theo nguyên tắc so sánh điện áp cần đo với một điện áp rơi trên một đoạn điện trở.
Hình 5.10: Sơ đồ đo bằng phương pháp bù
Theo sơ đồ hình (5.10a) ta có:
Nếu EX = I0RAB thì IP = 0, tức là điện thế kế chỉ không, khi đó điện áp rơi trên AB bằng giá trị EX cần đo.
Ta có:
Nếu cố định được I0, L, R ta có Ex phụ thuộc đơn trị vào l tức là phụ thuộc vào vị trí con chạy của đồng hồ đo.
Trên sơ đồ hình (5.10b), EM là một pin mẫu, RM là một điện trở mẫu bằng manganin. Khi đóng P vào K thì điện áp rơi trên RM được so sánh với pin mẫu. Nếu kim điện kế chỉ không thì không cần điều chỉnh dòng I0, nếu kim điện kế lệch khỏi không thì dịch chuyển Rđc để kim điện kế về không. Khi đo đóng P vào D và xê dịch biến trở R để kim điện kế chỉ không, khi đó Ex = UAB.
