Nhiệt kế nhiệt điện

Cách mắc nối tiếp thuận :

Chú ý: thường mắc cùng một loạt cách mắc này đo chính xác hơn làm góc quay của kim chỉ lớn, sử dụng khi đo nhiệt độ nhỏ.

Cách mắc nối tiếp nghịch :

Dùng để đo hiệu nhiệt độ giữa hai điểm và thường chọn cặp nhiệt có đặc tính thẳng nhiệt độ đầu tự do như nhau.

Cách mắc song song :

Sử dụng để đo nhiệt độ trung bình của một số điểm.

Cách mắc để bù đầu lạnh cho cặp nhiệt chính :

Thường sử dụng cách này để tiết kiệm dây bù.

Cách chia độ cặp nhiệt :

Chia độ cặp nhiệt thực hiện khi chia độ một cặp nhiệt mới hay kiểm định cặp nhiệt sau 1 thời gian dài làm việc.

Chia độ cặp nhiệt là xác định quan hệ giữa suất nhiệt điện động và nhiệt độ của cặp nhiệt, còn kiểm định cặp nhiệt là đánh giá sự biến đổi của quan hệ trên sau khi đã dùng cặp nhiệt một thời gian, muốn chia độ và kiểm định cặp nhiệt thì ta phải tạo ra một môi trường có nhiệt độ nhất định không đổi, xác định nhiệt độ này bằng nhiệt kế chuẩn. Nhiệt độ không đổi trên có thể thực hiện bằng cách dùng điểm sôi, điểm đông đặc của các chất nguyên chất hoặc dùng bình hằng nhiệt, lò điện ống... Dùng điểm đông đặc hoặc điểm sôi thì phải làm rất thận trọng, công việc rất phức tạp do đó chỉ dùng chia độ các cặp nhiệt chuẩn hoặc cặp nhiệt ππ... thường thì từ 10 ÷ 300 ^oC dùng bình hằng nhiệt, nhiệt kế chuẩn thủy ngân và điện trở bạch kim chuẩn.

Từ 200 ÷ 1300 ^oC dùng lò điện ống và cặp nhiệt chuẩn ππ (đầu lạnh t_o = 0 ^oC).

Dùng milivolmet:

Nguyên lý: Khung dây đặt trong từ trường nam châm khi có dòng điện chạy qua thì có lực tác dụng vào khung dây phương chiều được xác định bằng qui tắc bàn tay trái => tạo nên mô men quay và làm khung dây quay.

Nếu tác dụng lên khung dây một mômen cản tỷ lệ với góc quay của khung dây thì khi khung dây quay đến vị trí mà hai mômen trên cân bằng nhau khung dây sẽ dừng lại. Ta tính toán thiết kế sao cho góc quay của khung dây φ chỉ phụ thuộc dòng điện qua khung dây I theo quan hệ đường thẳng thì milivôlmét có thước chia độ đều. Độ lớn của I thể hiện cho điện áp hoặc suất điện động cần đo.

- Ta có lực tác dụng lên khung F = C.n.l.I.B.sin α size 12{α} {}

α size 12{α} {} = (i ^B) = 90° ⇒ sin α size 12{α} {} = 1

⇒ M = F.R = C.n.l.I.B.2r cos φ

⇒ M = f ( I, φ )

Vậy làm sao cho M không phụ thuộc vào φ do đó ta có thể dùng lõi sắt đặt giữa tạo từ trường lõm => cos φ = 1 => M = K . I

Thực tế người ta tạo các mô men cản để giữ khung dây bằng các cách sau:

Mc = K₂ . φ φ = C_o .I ⇒ φ_max = Co . I_max

Về lý thuyết φ _max chỉ phụ thuộc I_max chạy qua khung

Vậy khung dây này ứng với mỗi loại cặp nhiệt có 1 góc quay cực đại khác nhau.

Sai số của số chỉ thị trên milivônmét

I = ESR size 12{ { {E} over {SR} } } {}∑R size 12{ Sum {R} } {} = R_ng + R_M R_M = R_kh + R_p

Hệ số nhiệt điện trở của khung dây αM=αK.RKRM size 12{α rSub { size 8{M} } =α rSub { size 8{K} } "." { {R rSub { size 8{K} } } over {R rSub { size 8{M} } } } } {} ( RK<<RM size 12{R rSub { size 8{K} } "<<"R rSub { size 8{M} } } {})

Do nhiệt độ môi trường lúc sử dụng khác lúc chia độ => điện trở của M thay đổi theo số đo.

Để R_k nhỏ thì khung dây có số vòng dây nhỏ, còn để R_M lớn thì người ta thêm R_p lớn bằng Mn nhưng không quá lớn vì dòng qua khung sẽ nhỏ.

Thông thường R_p = 2. R_k

Điện trở mạch ngoài R_ng = R_cn + R_dbù + R_dnối + R_th

Người ta ta thường dùng các điện trở R_ng = 0,6 , 5 ,15 , 25 [ Ω size 12{ %OMEGA } {}] và ghi trên mặt của mV.

Thường R_ng rất nhỏ so với R_M như vậy ta bỏ qua sai số do R_ng gây ra.

Trong R_ng thì R_cn biến đổi nhiều theo nhiệt độ R_bù và R_nối phụ thuộc nhiệt độ môi trường xung quanh => nói chung ta phải cấu tạo có α nhỏ.

=> Sai số tương đối S = jtt−jKdjKP=SRKd−SRttSRtt size 12{ { {j rSub { size 8{ ital "tt"} } -j rSub { size 8{ ital "Kd"} } } over {j rSub { size 8{ ital "KP"} } } } = { {SR rSub { size 8{ ital "Kd"} } -SR rSub { size 8{ ital "tt"} } } over {SR rSub { size 8{ ital "tt"} } } } } {}ϕ=kE∑R size 12{ϕ=k { {E} over { Sum {R} } } } {}

jtt size 12{j rSub { size 8{ ital "tt"} } } {} góc quay thực tế sử dụng mV.

jKd size 12{j rSub { size 8{ ital "Kd"} } } {} góc quay ở điều kiện khắc độ của mV.

Các loại milivônmét:

Trong kỹ thuật thường dùng các loại mV là chỉ thị và tự ghi

- Loại chỉ thị : của LX thì có các loại như và

ngoài ra còn có loại có lắp bộ cản dịu điện để giữ phần động của đồng hồ không bị chấn động.

- Loại tự ghi : Thường cho cả số chỉ có thể dùng cùng bộ với cặp nhiệt, hỏa kế bức xạ, bộ phân tích khí, nhiệt lượng kế. Của LX thì có loại CCX = 1,5 vừa chỉ thị vừa tự ghi 1 điểm, 3 điểm, 6 điểm.

Ví dụ : Có cặp nhiệt XA, dây bù XA, dây nối bằng dây Cu chiều dài cặp nhiệt 1,5m ; đường kính 3mm ; nhiệt độ đầu lạnh t_o = 20 ^oC dùng M.

Có RkRM=13 size 12{ { {R rSub { size 8{k} } } over {R rSub { size 8{M} } } } = { {1} over {3} } } {} R_b = 10 Ω size 12{ %OMEGA } {} R_n = 5 Ω size 12{ %OMEGA } {} R_M = 350 Ω size 12{ %OMEGA } {}

Nếu như đặt cặp nhiệt ở môi trường 1000 ^oC và đo, nhiệt độ xung quanh M t_o’ = 40 ^oC thì nhiệt độ do kim đồng hồ chỉ là bao nhiêu ?

Biết XA 1000 ^oC thì E = 41,32 mv ; Cr có α size 12{α} {} = 0,5.10^-3oC^-1

Cu có α size 12{α} {}_n = 4,28.10^-3oC^-1 Alumen có α size 12{α} {} = 1,1.10^-3oC^-1

Khung có α size 12{α} {}_k = 4,0.10^-3oC^-1

Giãi: ở điều kiện chia độ RΣ size 12{R rSub { size 8{Σ} } } {} = R_M + R_n + R_b

=> RΣkd size 12{R rSub { size 8{Σ ital "kd"} } } {} = 350 + 5 + 10 = 365 Ω size 12{ %OMEGA } {}

ở điều kiện thực tế :

RΣtt size 12{R rSub { size 8{Σ ital "tt"} } } {} = RMtt+Rntt+Rbtt size 12{R rSub { size 8{ ital "Mtt"} } +R rSub { size 8{ ital "ntt"} } +R rSub { size 8{ ital "btt"} } } {}

Vì dây bù XA là hỗn hợp gồm : 0,67Cr và 0,33 Alumen nên

Rntt=Rn1+αn.Dt size 12{R rSub { size 8{ ital "ntt"} } =R rSub { size 8{n} } left (1+α rSub { size 8{n} } "." Dt right )} {}, RMtt=23RM+13RM1+αK.Dt size 12{R rSub { size 8{ ital "Mtt"} } = { {2} over {3} } R rSub { size 8{M} } + { {1} over {3} } R rSub { size 8{M} } left (1+α rSub { size 8{K} } "." Dt right )} {}

= > R_tt và ta có => δ = R∑kd−R∑ttR∑tt=−0,026 size 12{ { {R rSub { size 8{ Sum { ital "kd"} } } - R rSub { size 8{ Sum { ital "tt"} } } } over {R rSub { size 8{ Sum { ital "tt"} } } } } = - 0,"026"} {}

= > E_tt = E ( 1 - δ ) và từ E_tt tra với cặp nhiệt XA ta có ttt = 972°C

Điện thế kế

Đối với loại sđđ nhỏ thì đo bằng milivônmét là thuận tiện hơn cả, nhưng dùng mV thì sai số đo do nhiệt độ môi trường xung quanh biến đổi có thể tới ±1% hơn nữa dòng điện do sđđ phát ra để quay khung dây nhỏ nên ma sát và trở lực của phần quay ảnh hưởng xấu đến độ chính xác và độ nhạy của đồng hồ. Nên mV không thích hợp với các phép đo tinh vi do đó đối với các phép đo tinh vi người ta dùng loại dụng cụ khác đó là điện thế kế.

Nguyên lý: Sử dụng phương pháp bù dựa trên sự cân bằng của điện áp cần đo với điện áp đã biết.

- Suất nhiệt điện động Ex được phân trên biến trở con chạy Rp, hai đầu của nó được nối với điện áp không đổi E sao cho U_ab ngược chiều Ex.

- Di chuyển con chạy trên Rp ta tìm được vị trí sao cho U_ab = Ex xác định vị trí này nhờ đồng hồ chỉ không G (i₂ = 0).

Ta có thể thay đổi U_ab bằng 2 cách là thay đổi R và thay đổi Rp

Ex = i₁ . R_ab

- Nếu thay đổi Rp thì i₁ không đổi

⇒ Ex = K. Rp . I₁

- Nếu thay đổi R thì Ex = R_ab . I₂

Ex = f (R_ab)

- Điện trở dây bù, dây nối không ảnh hưởng đến kết quả đo

E = f (i)

1-Điện thế kế có dòng làm việc không đổi:

El - là nguồn điện làm việc

Ec - là pin chuẩn (có sđđ không đổi và biết trước)

Ex - là điện áp hay suất nhiệt điện động cần đo

G - là điện kế dùng làm đồng hồ chỉ không

Rđ - là điện trở điều chỉnh

Rc - là điện trở chuẩn

Điện thế kế được nuôi bằng dòng 1 chiều có điện áp là E_l, dòng điện trong mạch làm việc được điều chỉnh bằng Rđ và để xác định dòng điện i không đổi . Muốn vậy thì điện trở chuẩn Rc không đổi

( Ec=1,018v size 12{ ital "Ec"=1,"018"v} {}Rc=509,3Ω size 12{R rSub { size 8{c} } ="509",3 %OMEGA } {} ⇒ i = 2 mA )

- Để xác lập dòng điện chính xác không đổi thì điện áp rơi trên Rc được so sánh với pin chuẩn Ec có sđđ không đổi .

- Khi cầu dao D ở vị trí 1 ta điều Rđ để cho đồng hồ G chỉ 0 thì dòng điện xác lập i = EcRc=0,002A size 12{ { {E rSub { size 8{c} } } over {R rSub { size 8{c} } } } =0,"002"A} {}

- Khi chuyển D sang 2 và điều chỉnh R sao cho đồng hồ G chỉ số 0, lúc đó điện áp U_AC = Ex

U_AC = i .m .R = EcRc.m.R size 12{ { {E rSub { size 8{c} } } over {R rSub { size 8{c} } } } "." m "." R} {}= K . R

=> Ta có thể chia độ theo vị trí con chạy C. Sai số của điện thế kế < 0,05%

Đặc điểm:

- ở thời điểm đo không xuất hiện dòng trong mạch của cặp nhiệt

- không cần dụng cụ đo trong hệ thống điện kế.

- G dùng làm đồng hồ chỉ 0 nên cần độ chính xác cao.

2- Điện thế kế có điện trở không đổi:

Mạch làm việc có cặp nhiệt, khi đóng khóa K ta điều chỉnh Rd sao cho điện kế G có giá trị 0 và ta đọc giá trị Ex = R . i ≈ I

đồng hồ mA cho biết dòng i còn R không đổi đã biết nên ta có được Ex.

Đặc điểm:

- Loại này không cần pin chuẩn

- Thêm một đồng hồ đo dòng điện mA phải có độ chính xác cao => đắt tiền

3- Điện thế kế tự động hay điện thế kế điện tử:

Dùng để đo sđđ bằng phương pháp bù không cần sự tham gia của con người khi chỉ định dòng điện làm việc và khi đo lường.

Điện thế kế cần có các bộ phận sau :

-Bộ phận chỉ huy hay tính hiệu để chỉ huy thao tác

-Bộ phận thi hành đó là động cơ thi hành (động cơ xoay chiều thuận nghịch)

-Bộ phận khuếch đại trung gian dùng khuếch đại tín hiệu chỉ huy và tạo

đủ công suất cho động cơ thuận nghịch hoạt động.

- Bộ phận đổi nối để kiểm tra kỹ thuật.

Sơ đồ ĐTK (hình vẽ)

Theo sơ đồ trên, khi đo lường thì cầu dao D đóng về phía Đ, suất nhiệt điện động E_T của cặp nhiệt T được so sánh với điện áp giữa 2 đỉnh ef của cầu điện không cân bằng, bộ khuếch đại điện tử BKĐĐT đóng vai trò của điện kế dùng làm đồng hồ chỉ không. Nếu E_T > Uef thì dòng điện qua BKĐĐT theo 1 chiều nhất định, động cơ thuận nghịch PD sẽ quay theo chiều làm di chuyển tiếp điểm e sao cho Uef tăng dần cho tới khi Uef = E_T thì dòng điện qua BKĐĐT trái chiều trước, PD quay ngược chiều nói trên, khi Uef = E_T thì PD ngừng quay và tiếp điểm e dừng lại ở vị trí xác định. Nhờ kim chỉ hoặc bút ghi có chuyển động tương ứng với chuyển động của tiếp điểm e nên cho biết số đo được trên thước chia độ. Độ chênh lệch giữa E_T và Uef chính là tín hiệu chỉ huy sự làm việc của PD.

Khi chỉnh định dòng điện làm việc cầu dao D đóng về phía K, sđđ của pin chuẩn E_M được so sánh với điện áp rơi trên R_H do dòng điện làm việc cung cấp bởi pin làm việc E_L gây nên. Nếu U_RH ≠ E_M thì PD sẽ kéo tiếp điểm trượt lên R_đ và r_đ làm biến đổi điện áp cung cấp đặt trên đỉnh ab của cầu điện, nhờ đó dòng điện làm việc qua R_H cũng biến đổi, khi U_RH bù được E_M thì quá trình chỉnh định dòng điện kết thúc, lúc đó có I_RH = E_M : R_H dòng điện làm việc theo các vế cầu cũng có trị số đúng qui định.

Trong khi chỉ định dòng điện làm việc, nếu các R_đ , r_đ đã bị ngắn mạch mà vẫn không đạt được thì đó là do E_L đã quá yếu cần phải thay pin khác ; có điện thế kế báo cho biết tình trạng trên bằng dấu hiệu “thay pin“ xuất hiện trên thước chia độ. Thao tác chỉnh định dòng điện làm việc trong một số điện thế cũng được tự động hóa nhờ các cơ cấu cơ khí và thực hiện theo chu kỳ ( 8 giờ hoặc 24 giờ chỉnh định 1 lần ).

Sơ đồ trên dùng 2 điện trở dây quấn R cấu tạo hoàn toàn như nhau và nối như hình vẽ, giữ cho điện trở bị tiếp điểm làm mòn đều hơn, tổng trở của mạch cặp nhiệt không biến đổi. Thông thường khi sản xuất điện trở R không thể đảm bảo hoàn toàn như nhau, vì vậy phải dùng R_S để điều chỉnh giữ cho điện trở của nhánh R // R_S có trị số qui định ( thường là 90 ôm ). Điện trở nhánh R_v + r_v được chọn tùy theo khoảng thước chia độ, R_v là điện trở cố định còn r_v là điện trở phụ thêm để tiện điều chỉnh hạn đo trên.

Tất cả các điện trở trong sơ đồ đều làm bằng Manganin, riêng R_M thì làm bằng đồng (hoặc Ni) để tự động bù nhiệt độ đầu lạnh của cặp nhiệt, đầu lạnh của cặp nhiệt được đặt trong hộp chứa R_M nên có nhiệt độ như R_M. Điện trở R₁ và r₁ dùng xác định hạn đo dưới nên cũng làm như R_v và r_v để tiện điều chỉnh.

Điện trở R₂ chỉ là điện trở của vế cầu. Điện trở R₃ nối // với BKĐĐT có tác dụng giảm bớt độ nhạy của BKĐĐT khi chỉnh định dòng điện làm việc, nhiệm vụ của R₃ cũng giống như điện trở nối // với đồng hồ chỉ không.

Để giảm bớt mức độ can nhiễu có thể ảnh hưởng tới BKĐĐT, trong mạch cặp nhiệt có mạch lọc tạo bởi R_T và C_T. Đầu ra của mạch đo lường có hai tụ điện C, để làm mất tia lửa của tiếp điểm, giảm bớt can nhiễu.

Điện áp Uef để bù E_T có thể tính theo nhánh edbf hoặc ecaf nhưng thường là tính theo nhánh ecaf vì thuận tiện hơn và trong đó có cả điện trở R_M.

Tính năng của ĐTKĐT:

- cấp chính xác thông thường đối với phần chỉ thị 0,5 ÷ 0,1.

- phần tự ghi 1,5 ÷ 1.

- hạn nhạy cỡ 10μv.

- thời gian tác động từ 4 ÷ 20 giây.

- nó có thể chỉ thị cũng như ghi lại số đo 1 hoặc nhiều điểm .

Nhờ ứng dụng những thành tựa trong kỹ thuật bán dẫn nên điện thế kế tự động ngày càng được cải tiến hoàn thiện hơn. Gần đây người ta đã dùng loại ĐTKTĐ không có biến trở dây quấn, không dùng pin làm việc và pin chuẩn mà thay bằng một nguồn cung cấp điện có điện áp ổn định.

Nút nhấn K nhằm để kiểm tra sự sai hay đúng của sơ đồ, khi ấn nút K thì đồng hồ phải chỉ nhiệt độ đầu tự do của cặp nhiệt hoặc khi không dùng đo nhiệt độ thì đồng hồ phải chỉ một trị số xác định.