Chương 3: Cảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong số những đại lượng ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Nhiệt độ chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 3: Cảm biến nhiệt độ LOGOPowerPoint Chương 3 Cảm biến nhiệt độ 3.1.Khái niệm cơ bản Nhiệt độ là một trong số những đại lượng ảnh hưởng rất lớn đến tính chấtvật chất. Nhiệt độ chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệuvào nhiệt độ. 3.1.1.Thang đo nhiệt độ Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối: Thang Kelvin (K)Điểm cân bằng của ba trạng thái nước-nước đá-hơi = 273,15 K Thang Celsius: (0C) 1 0C = 1K T (0C)=T(K) - 273,15 Thang Fahrenheit (0F) T (0C)=(T(0F) – 32).(5/9) T(0F) = 9/5. T (0C) +32 Xuất xứ: dựa trên 3 điểm cân bằng: NH4Cl+nước đa = 00F; nước +nước đá = 32 0F; nhiệt độ cơ thể người =96 0F3.1.2.Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo Giả sử : Tx :Nhiệt độ thực của môi trường đo. Tc :Nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Khi đó Tx gọi là nhiệt độ cần đo,Tc gọi là nhiệt đọ đo được. Điều kiện để đo đúng : Tx =Tc tuy nhiên do nhiều nguyên nhân luôn tồntại 1 chênh lệch Tx –Tc nhất định.Độ chính xác của phép đo phụ thuộcvào hiệu số Tx –Tc hiệu số ngày càng bé thì độ chính xác càng cao.Muốnvậy khi đo cần phải: -Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa 2 bề mặt cảm biến và môi trườngđo. -Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trương bên ngoài. Khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc.Lượng nhiệt truyềntừ môi trường vào bộ cảm biến : dQ   A(Tx Tc )dtVới :  -hệ số dẫn nhiệt A-diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. T- Thời gian trao đổi nhiệt.Lượng nhiệt hấp thụ: dQ  mCdTcVới : m-Khối lượng cảm biến. C-Nhiệt lượng của cảm biến.Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ,ta có :  A(Tx Tc )dt  mCdtĐặt mC  ,gọi là hằng số thời gian nhiệt,ta có : A dTc  dt Tx Tc Nghiệm của phương trình có dạng : 1  Tc  Tx  keĐể tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và CB ta dùngcảm biến có tỉ nhiệt thấp,hệ số dẫn nhiệt cao,để hạn chế tổn từ CB ra bên ngoàithì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ sốdẫn nhiệt thấp3.1.3.Phân loại cảm biến đo nhiệt độ Các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm 2 nhóm : -Cảm biến tiếp xúc :cảm biến tiếp xúc môi trường đo,gồm : +Cảm biến giãn nở(nhiệt kế giãn nở). +Cảm biến điện trở(nhiệt điện trở). +Cặp nhiệt ngẫu. -Cảm biến không tiếp xúc : hỏa kế.Dưới đây là một số loại cảm biến cơ bản: 3.2.Nhiệt kế giãn nở. Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế giãn nở dựa vào sự co giãn nở của vật liệu khi tăng nhiệt độ.Nhiệt kế này kết cấu đơn giản,dễ chế tạo. 3.2.1.Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn Thường có 2 loại :gốm và kim loại,kim loại và kim loại. -Nhiệt kế gốm-kim loại: gồm 1 thanh gốm đạt trong ống kim loại,1 đầu thanhgốm liên kết với thanh kim loại,1 đầu nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉthị +Nguyên tắc : Hệ số giãn nở nhiệt g kl do đó lượng giãn nở dlk >dlg làmthanh gốm dịch chuyển sang phải.Di chuyển thanh gốm phụ thuộc dlk –dlg do đóphụ thuộc vào nhiệt độ. -Nhiệt kế kim loại-kim loại : gồm 2 thanh kim loại (1) va (2) có hệ số giãn nở khácnhau liên kết với nhau theo chiều dọc. +Nguyên tắc : giả sử    khi đó 2 thanh bị cong về phía thanh 2.Dựa vào độ 1 2cong của kim loại để xác định nhiệt độ. Dùng để đo nhiệt đọ dưới 7000 C3.2.2.Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng 1)Bình nhiệt 2)Mao dẫn 3)Chất lỏng Chất lỏng thường là thủy ngân   18.105 / 0 C Vỏ nhiệt kế bằng thủy tinh có   2.105 / 0 C3.3.Nhiệt kế điện trở Nguyên lý chung : Dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệutheo nhiệt độ. Trong trương hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ códạng: R(T) = Ro F(T - To) Ro - ®iÖn trë ë nhiÖt ®é To F - hµm ®Æc trng cho vËt liÖu, F= 1 khi T = ToĐiện trở kim loại : R(T) = Ro(1 + AT + BT2 + CT3) T ®o b»ng oC vµ To = 0oCĐiện trở là các oxyt bán dẫn :  1 1  R (t )  R o exp B   T T     o  T- Nhiệt đọ tuyệt đối,B thực nghiệmKhi T nhỏ,R thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ : R (T   T )  R (T ).(1  R  T ) 1 dR ...