Vật lý - Bài 5: Cảm biến cặp nhiện điện, hỏa kế

Bài 5CẢM BIẾN CẶP NHIỆN ĐIỆN.HỎA KẾ  * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức*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.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *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 EAB(T). U này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độEAB(T) = VM -VNHiệu 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 điểmσA – Hệ số Thomson* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *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 T0 sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện và gây nên một sức điện động EAB do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. Sức điện động đó gọi là sức điện động Seebeck hay sức điện động nhiệt. Độ lớn của SĐĐ này phụ thuộc vào các chất liệu dây dẫn và nhiệt độ của các đầu nốiEA(T,T0) và EB(T,T0) khá nhỏ, có thể bỏ qua:Đây là phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện(Thông thường T0=00C) * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *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.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *VìnênVìnêna. Vật liệu: - Kim loạiHợp kimYêu 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* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *Một số cặp nhiệt điện thường gặp: * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *Cặp nhiệt điệnKý hiệuNhiệt độ làm việc 0CE, mVĐộ chính xácĐồng/Constan Ф = 1,63 mm T-270 ÷370-6,258 ÷ 19,027(-1000C ÷-400C): ±2% (-400C ÷1000C): ±0,8% (1000C 3500C): ±0,75% Sắt/Constan Ф = 3,25 mm J-210 ÷800-8,096 ÷ 45,498(00C ÷4000C): ±30C (4000C ÷8000C): ±0,75% Crôm/NhômФ = 3,25 mm K-270 ÷1250-5,354 ÷ 50,633(00C ÷4000C): ±30C (4000C ÷12500C): ±0,75% Crôm/Constan Ф = 3,25 mm E-270 ÷870-9,835 ÷ 66,473(00C ÷4000C): ±30C (4000C ÷12500C): ±0,75% Platin-Rodi(10%)/Platin Ф = 0,51 mm S-50 ÷1500-0,236 ÷ 15,576(00C ÷6000C): ±2,5% (6000C ÷15000C): ±0,4% Platin-Rodi(13%)/Platin Ф = 0,51 mm R-50 ÷1700-0,226 ÷ 17,445(00C ÷5380C): ±1,4% (5380C ÷15000C): ±0,25% Platin-Rôđi(30%)/ Platin-Rôđi (6%)).Ф = 0,51 mmB0 ÷17000 ÷ 12,42(8700C ÷17000C): ±0,5% Hình 3-2. Sức điện động của một số cặp nhiệt điện thông dụng * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *b. Cấu tạo cặp nhiệt điện1.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. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *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. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *Sơ đồ đo trực tiếpDụng 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. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *b. Sơ đồ đo vi saiKết quả đo theo sơ đồ vi sai cho phép xác định trực tiếp giá trị của hiệu số nhiệt độ T1-T2. 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.EAB(T,T0). Đây chính là pin nhiệt điện. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *Hình 3-3. Sơ đồ đo nhiệt kiểu vi sai Hình 3-4. Sơ đồ mắc nối tiếp các cặp nhiệt điệnc. Bù nhiệt độ đầu tự doThông thường cặp nhiệt điện được chuẩn hóa với T0=00C 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 * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *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: * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *Dùng cầu bù:Khi T0=00C, cầu cân bằng Ucd=0  U=EAB(T,T0)Khi nhiệt độ đầu tự do tăng lên thì Rd tăng lên, cầu mất cân bằng Ucd ≠ 0Chỉnh R* sao cho:Sai số bù của cầu khi nhiệt độ T0 thay đổi trong khoảng 0÷500C là ±3%* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *  * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức