Khái niệm cơ bản

Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng.

Theo định lý Carnot: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ θ₁ và θ₂ trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ₁ và θ₂:

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(θ) = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:

Trong đó T₁ và T₂ là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn.

Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng:

Có thể chứng minh được rằng:

Trong đó R là hằng số khí lý tưởng, 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 tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện hiện tượng 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 người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước - nước 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 và một độ Celsius bằng một độ Kelvin.

Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:

Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là ^oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32^oF và điểm nước sôi là 212^oF.

Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius:

Bảng 3.1 Cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau.

Bảng 3.1

Nhiệt độ	Kelvin (K)	Celsius (oC)	Fahrenheit (oF)
Điểm 0 tuyệt đối	0	-273,15	-459,67
Hỗn hợp nước - nước đá	273,15	0	32
Cân bằngnước - nước đá - hơi	273,16	0,01	32,018
Nước sôi	373,15	100	212

Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải:

- Tăng cườnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo.

- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài.

Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc. Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:

Với:  - hệ số dẫn nhiệt.

A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.

T - thời gian trao đổi nhiệt.

Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:

Với: m - khối lượng cảm biến.

C - nhiệt dung của cảm biến.

Nêu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:

Đặt , gọi là hằng số thờigian nhiệt, ta có:

Nghiệm của phương trình có dạng:

Hình 3.1. Trao đổi nhiệt của cảm biến

Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp.

Các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm hai nhóm:

- Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm:

+ Cảm biến giản nở (nhiệt kế giản nở).

+ Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở).

+ Cặp nhiệt ngẫu.

- Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế.

Dưới đây nghiên cứu một số loại cảm biến cơ bản.