Chương CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ Khái niệm chung Nhiệt kế giãn nở Nhiệt kế điện trở Cặp nhiệt ngẫu Hỏa kế Các loại nhiệt kế khác Khái niệm chung 1.1 Nhiệt độ: • Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt vật chất ảnh hưởng lớn đến nhiều tính chất vật chất → đo nhiệt độ đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp nhiều lĩnh vực • Đo nhiệt độ: gián tiếp, dựa vào phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ 1.2 Thang đo nhiệt độ a)Thang nhiệt độ động học: Thomson Kelvin xây dựng sở định luật nhiệt động học thứ hai: cơng chu trình Cacnơ tỷ lệ với độ chênh nhiệt độ không phụ thuộc chất đo nhiệt độ - Điểm chuẩn: điểm tan nước đá =273,15K - Một độ K độ chênh nhiệt độ ứng với 1% cơng chu trình Cacnơ điểm sơi nước điểm tan nước đá áp suất bình thường 1.2 Thang đo nhiệt độ • Quan hệ nhiệt độ cơng: • Thang đo nhiệt độ tuyệt đối có tính chất túy lý luận, thể (K) thực tế, thống đơn vị đo nhiệt độ (do không phụ thuộc chất đo) • Đối với chất khí lý tưởng: ⇒ Nhiệt kế khí độ xác cao T= PV 100 (K) P100 V100 − P0 V0 1.2 Thang đo nhiệt độ b) Thang Celsius : Andreas Celsius thành lập (1742) Đơn vị oC điểm nước đá tan ⇒ 0oC • - điểm nước sơi ⇒ 100oC Nhận xét: Điển chuẩn: oC = 1K T(oC) = T(K) – 273,15 1.2 Thang đo nhiệt độ c)Thang Fahrenheit: Fahrenheit thành lập (1706) Đơn vị oF Quan hệ • Điểm chuẩn: oF oC: Điểm nước đá tan ⇒ • Điểm nước sơi o 32 F o ⇒ 212 F 1.3 Nhiệt độ cần đo & nhiệt độ đo • • • Nhiệt độ cần đo (Tx): nhiệt độ thực môi trường Nhiệt độ đo (Tc): nhiệt độ phận cảm nhận cảm biến T Tx T1 Tc = Tx − ke Xét cảm biến đo tiếp xúc (hình vẽ) ⇒ Sai số: ∆T = Tx Tc ≠ τ Với • Sai số∆T phụ thuộc: - Trao đổi nhiệt cảm biến môi trường đo - Trao đổi nhiệt cảm biến bên mc τ= αA − t τ t 1.4 Phương pháp đo nhiệt độ a) Phương pháp đo tiếp xúc: đo, cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa tượng: + Giản nở vật liệu + Biến đổi trạng thái vật liệu + Thay đổi điện trở vật liệu + Hiệu ứng nhiệt điện 1.4 Phương pháp đo nhiệt độ b) Phương pháp đo không tiếp xúc: đo cảm biến không tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa vào phụ thuộc xạ nhiệt môi trường đo vào nhiệt độ: + Đo hỏa kế xạ + Đo hỏa kế quang Nhiệt kế giãn nở 2.1 Nguyên lý đo: dựa vào giãn nở (hoặc co lại) vật liệu nhiệt độ tăng (hoặc giảm) • • Thể tích: Chiều dài: t - nhiệt độ V (t ) = V0 ( + α v t ) l (t ) = l0 ( + α l t ) 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp  Nguyên tắc làm việc: EAB(t,t0) → (i) → làm khung dây góc (ϕ): Với milivôn kế quay k1 ϕ= i = S.i k2 k = c1 n.e.r.l.B k2 - hệ số phụ thuộc vào độ cứng lò xo cản k1 S = độ nhạy milivôn kế k2 Thang đo milivôn kế khắc độ theo nhiệt độ đồng hồ cặp nhiệt theo đồng hồ đo cặp nhiệt 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp Sai số đo: - Do ảnh hưởng nhiệt độ đầu tự o t’o ≠ to = C - Do ảnh hưởng điện trở mạch đo: Rt, Rd, Rv 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp Ảnh hưởng nhiệt độ đầu tự do: • • t0 C Khi t’o=to=0oC: ’ t0 Khi t’o ≠ to = 0oC: D A E AB (t, t '0 ) = e AB (t ) − e AB (t '0 ) [ E AB (t, t ) = E AB (t, t ) + e AB (t ) − e AB (t ) ' ⇒Khắc phục cách bù nhiệt' ' E AB (dot ) = E AB (t, t ) + E AB (t '0 , t ) độ đầu tự t , mV t’0 t0 B ] t E EAB(t,t’0) EAB(t’0,to) t’0 t o t C 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp  Phương pháp bù nhiệt độ đầu tự do: • Dùng dây bù: C, D dây bù: C • ’ t0 Chọn C, D cho: E ⇒ e AB (t ) − e CA (t '0 ) + e BD (t '0 ) − e CD (t ) = e CA (t '0 ) = e DB (t '0 ) E = e AB ( t ) − e CD ( t ) mV t’0 A Khi đó: t0 D t0 B t E C E = e AB ( t ) − e AB ( t ) A D B t 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp  Dùng cầu bù: • Khi t0 = 0oC, cầu C cân Ucd = • t’0 t’0 Khi t’0 ≠ 0oC: Rd tăng → cầu cân bằng: Ucd ≠ c C B A t0 Rd a R1 d t0 R2 b R3 t • ⇒ Chọn cho: Ucd = EAB(t’0,t0) E AB (t, t '0 ) + U cd = E AB (t, t ) mV Es 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp  Ảnh hưởng điện trở mạch đo: t0 ⇒ Khi • t1 Rv >> Rt+Rd, ta có: RV Vm = E + ( ) Rv = Rkd AB Rtf, t để tăng Rt + Rd + R V Vm ≈ E AB ( t, t ) Rd t0 t1 A B Rt t Rv thường chọn RP>>Rkd để giảm ảnh hưởng Rkd Rt ảnh hưởng (trừ cặp PtRd/Pt) RV 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp b) Sơ đồ mạch đo xung đối • E Sơ đồ 1: Nguyên lý hoạt động: E X = I C R AB + I P (R d + R x + R G ) E X = (I + I P )R AB + I P (R d + R x + R G ) IP = R AB E X − I R AB =0 + Rd + R X + RG Rđc iC RG A i0 B R G iP Rd EX + - Rx EX = I0RAB • Khi đo điều chỉnh chạy R cho IP = ⇒ E X = I RAB t l = I0 R L ⇒Cố định I0 → Ex = F(l) tức phụ thuộc vào vị trí chạy biến trở R 4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp  Sơ đồ 2: • Trước đo điều chỉnh I0: đóng P→K, điều chỉnh Rđc để (G) khơng • E Khi đo đóng P→D, điều chỉnh R để (G) không Rđc A RM B R G EM P K E X = I RAB l = I0 R L EX D Hoả kế 5.1 Hoả kế xạ toàn phần: Nguyên lý chế tạo: dựa định luật Kiêc-khôp: xạ) Cấu tạo nguyên lý hoạt động: a) b) (σ hệ số E = σT 4 5 a) Loại có ống kính hội tụ b) Loại có kính phản xạ 1) Nguồn xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ 4) Bộ phận thu lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp 5.1 Hoả kế xạ tồn phần  Đặc điểm: • Đo khơng tiếp xúc → giảm nhẹ điều kiện lao động • Đo nhiệt độ cao >1000oC, sai số ±27oC • Loại hội tụ tổn thất lượng lớn (30 - 40%) chịu ảnh hưởng bụi ẩm • Loại phản xạ tổn thất lượng bé (~ 10%) chịu ảnh hưởng lớn bụi ẩm 5.1 Hoả kế xạ toàn phần  Điều kiện đo: • Vật đo phải có độ đen xấp xỉ • Tỉ lệ D/L khơng nhỏ 1/16 Khoảng cách đo tốt ± 0,2 mét • Nhiệt độ mơi trường 20 ± 2oC ∆T ε1 ε2 ε3 Hiệu chỉnh kết đo ε Tvật 5.2 Hoả kế quang c) Đặc điểm: • • • • • Đo không tiếp xúc Đo nhiệt độ cao (> 1.000oC) Kết đo phụ thuộc vào khả nhận xét màu Ảnh hưởng khoảng cách đo nhỏ Khi ε