Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương 5: Cảm biến cặp nhiện điện. Hỏa kế

Bài 5 
CẢM BIẾN CẶP NHIỆN ĐIỆN. 
HỎA KẾ 
1 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
1 
3.2.1. Khái niệm, nguyên tắc hoạt động: 
- Khái niệm: Cặp nhiệt điện là loại cảm biến nhiệt dùng để đo nhiệt độ, hoạt động dựa trên các hiệu ứng: Peltier, Thomson, và Seebek. 
2 
  3.2. Cảm biến cặp nhiệt điện 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
2 
Hiệu ứng Peltier: 
Hai dây dẫn A và B chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được liên kết với nhau bằng mối hàn và tại đó có cùng nhiệt độ T thì sẽ tạo nên một hiệu điện thế tiếp xúc E AB (T). U này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ 
E AB (T) = V M -V N 
Hiệu ứng Thomson: 
Trong một vật dẫn đồng nhất A. Nếu ở hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau thì sẽ xuất hiện một sức điện động. Sức điện động này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ tại hai điểm 
σ A – Hệ số Thomson 
3 
  3.2.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
3 
Hiệu ứng Seebek: 
Một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A , B và hai đầu chuyển tiếp của chúng có nhiệt độ khác nhau T và T 0 sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện và gây nên một s ức điện động E AB do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. 
S ức điện động đó gọi là sức điện động Seebeck hay s ức điện động nhiệt . Độ lớn của SĐĐ này phụ thuộc vào các chất liệu dây dẫn và nhiệt độ của các đầu nối 
E A (T,T 0 ) và E B (T,T 0 ) khá nhỏ, có thể bỏ qua: 
Đây là phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện 
(Thông thường T 0 =0 0 C) 	 
4 
  3.2.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
4 
Nhận xét: Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi khi nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. 
5 
  3.2.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
5 
Vì 
nên 
Vì 
nên 
a . Vật liệu: 	- Kim loại 
Hợp kim 
Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo: 
	- Có sức điện động nhiệt điện đủ lớn; 
	- Có đủ độ bền cơ học và hoá học trong dải nhiệt độ làm việc; 
	- Dễ kéo sợi; 
	- Giá thành phù hợp. 
1.Telua; 2. Crôm; 3. Sắt; 4. Đồng; 
5. Graphit; 6. Hợp kim Platin-Rođi; 
7. Platin; 8. Nhôm; 9. Niken; 
10. Constan; 11. Côban. 
Hình 3.1. Sức điện động của một số vật liệu chế tạo điện cực so với điện cực Platin 
6 
  3.2.2. Cấu tạo cặp nhiệt điện 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
6 
Một số cặp nhiệt điện thường gặp: 
7 
  3.2.2. Cấu tạo cặp nhiệt điện (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
7 
Cặp nhiệt điện 
Ký hiệu 
Nhiệt độ làm việc 0 C 
E, mV 
Độ chính xác 
Đồng/Constan 
Ф = 1,63 mm 
T 
-270 ÷370 
-6,258 ÷ 19,027 
(-100 0 C ÷-40 0 C): ±2% 
(-40 0 C ÷100 0 C): ±0,8% 
(100 0 C 350 0 C): ±0,75% 
Sắt/Constan 
Ф = 3,25 mm 
J 
-210 ÷800 
-8,096 ÷ 45,498 
(0 0 C ÷400 0 C): ±3 0 C 
(400 0 C ÷800 0 C): ±0,75% 
Crôm/Nhôm 
Ф = 3,25 mm 
K 
-270 ÷1250 
-5,354 ÷ 50,633 
(0 0 C ÷400 0 C): ±3 0 C 
(400 0 C ÷1250 0 C): ±0,75% 
Crôm/Constan 
Ф = 3,25 mm 
E 
-270 ÷870 
-9,835 ÷ 66,473 
(0 0 C ÷400 0 C): ±3 0 C 
(400 0 C ÷1250 0 C): ±0,75% 
Platin-Rodi(10%)/Platin 
Ф = 0,51 mm 
S 
-50 ÷1500 
-0,236 ÷ 15,576 
(0 0 C ÷600 0 C): ±2,5% 
(600 0 C ÷1500 0 C): ±0,4% 
Platin-Rodi(13%)/Platin 
Ф = 0,51 mm 
R 
-50 ÷1700 
-0,226 ÷ 17,445 
(0 0 C ÷538 0 C): ±1,4% 
(538 0 C ÷1500 0 C): ±0,25% 
Platin-Rôđi(30%)/ Platin-Rôđi (6%)). 
Ф = 0,51 mm 
B 
0 ÷1700 
0 ÷ 12,42 
(870 0 C ÷1700 0 C): ±0,5% 
Hình 3-2. Sức điện động của một số cặp nhiệt điện thông dụng 
8 
  3.2.2. Cấu tạo cặp nhiệt điện (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
8 
b. Cấu tạo cặp nhiệt điện 
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. 
9 
  3.2.2. Cấu tạo cặp nhiệt điện (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
9 
a. Ưu điểm: 
	- Đơn giản, giá thành thấp; 
	- Đo được nhiệt độ cao (tới ); 
	- Tác động nhanh với sự thay đổi nhiệt độ. 
b. Nhược điểm: 
	- Ít nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ trong giới hạn nhỏ; 
	- Để đo chính xác nhiệt độ cần phải thực hiện bù nhiệt đầu tự do; 
	- Dây dẫn nối dài phải cùng loại với dây kim loại dùng trong cặp nhiệt điện; 
	- Phái có bọc kim chống nhiễu trên dây dẫn. 
10 
  3.2.3. Ưu, nhược điểm củacặp nhiệt điện 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
10 
Sơ đồ đo trực tiếp 
Dụng cụ đo là đồng hồ milivôn hoặc micrôvôn kiểu từ điện. 
Đầu 2,3 – đầu tự do (đầu lạnh) 
Đầu 1 – đầu đo (đầu nóng) 
Khi nhiệt độ hai đầu 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. 
11 
  3.2.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
11 
b. Sơ đồ đo vi sai 
Kết quả đo theo sơ đồ vi sai cho phép xác định trực tiếp giá trị của hiệu số nhiệt độ T 1 -T 2 . 
Trường hợp nhiệt độ môi trường đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để tăng độ nhạy phép đo nhiệt độ có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt điện (hình 3-4). Sức điện động tổng của các cặp nhiệt mắc nối tiếp bằng n.E AB (T,T 0 ). Đây chính là pin nhiệt điện. 
12 
  3.2.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
12 
Hình 3-3. Sơ đồ đo nhiệt kiểu vi sai 
Hình 3-4. Sơ đồ mắc nối tiếp các cặp nhiệt điện 
c. Bù nhiệt độ đầu tự do 
Thông thường cặp nhiệt điện được chuẩn hóa với T 0 =0 0 C ứng với: 
Giả định rằng, nhiệt độ đầu tự do bằng thì giá trị sức điện động đo được: 
 Cần bù nhiệt độ đầu tự do hay chính là bù vào phần sức điện động bị chênh lệch 
13 
  3.2.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
13 
Dùng dây bù: mắc thêm hai đoạn dây bù từ đầu ra cảm biến nhiệt độ đến thiết bị đo 
Sức điện động tại đầu vào thiết bị đo: 
Các dây dẫn bù và được chọn sao cho: 
	 	(4.18) 
do đó: 	 
	Vì nên: 
14 
  3.2.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
14 
Dùng cầu bù: 
Khi T 0 =0 0 C, cầu cân bằng U cd =0 U=E AB (T,T 0 ) 
Khi nhiệt độ đầu tự do tăng lên thì R d tăng lên, cầu mất cân bằng U cd ≠ 0 
Chỉnh R* sao cho: 
Sai số bù của cầu khi nhiệt độ T 0 thay đổi trong khoảng 0 ÷50 0 C là ±3% 
15 
  3.2.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
15 
HẾT BÀI 4 
16 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức