BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG NHÓM 7: SV1: MSSV: SV2: MSSV: SV3: MSSV: ……………………………. 5:16 PM TPHCM Tháng 04 -2014 1 NỘI DUNG BÁO CÁO SV cần làm rõ các nội dung • CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ • Khái niệm • Hình dạng – cách nhận biết • Ký hiệu – cách sử dụng (đọc từ datasheet) • Ứng dụng thực tế 5:16 PM 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ▪ SV cần làm rõ các nội dung được gợi ý từ các slide có đề nghị phương pháp thực hiện màu tím. ▪ SV tìm hiểu thêm tài liệu và đưa vào nội dung để là rõ cho các ý của bài. ▪ SV cần tìm các datasheet liên quan các cảm biến mà mình báo cáo để chỉ dẫn cách sử dụng ▪ SV phải tìm các ứng dụng thức tế (video) 5:16 PM 3 6.2 Đặc tính cảm biến nhiệt độ 6.3 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 6.4 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu bán dẫn silic 6.5 Kỹ thuật nối dây 5:16 PM 4 Đại lượng nhiệt độ Phân tích và giải thích ▪ Khoâng gioáng vôùi caùc ñaïi löôïng khaùc nhö: chieàu daøi, thôøi gian,.
Nhieät ñoä laø ñaïi löôïng vaät lyù khoâng theå ño tröïc tieáp ñöôïc, nhöng coù theå xaùc ñònh ñöôïc thoâng qua söï thay ñoåi cuûa caùc ñaïi löôïng phuï thuoäc (ñieän trôû, söï giaõn nôû). ▪ Vì vaäy maø nhieät ñoä coøn coù theå goïi laø ñaïi löôïng “aûo”. Vaø vieäc nhaân chia, coäng tröø giaù 5:16 PM 5 trò cuûa ñaïi löôïng nhieät ñoä laø khoâng coù yù Đại lượng nhiệt độ Phân tích và giải thích Các đại lượng nhiệt độ có thể xác định dựa vào: ▪ Söï thay ñoåi traïng thaùi cuûa chaát loûng. Söï thay ñoåi chieàu daøi (hay bieán daïng) cuûa vaät theå.
▪ Söï thay ñoåi ñieän trôû cuûa daây daãn. ▪ Söï thay ñoåi aùp suaát cuûa chaát khí (vôùi ñieàu kieän theå tích laø CONST ). ▪ Söï thay ñoåi maøu saéc cuûa boùng ñeøn daây 5:16 PM 6 toùc. Thang đo nhiệt độ TrìnhFbày (θ1 ) và giải thích • Thang đo nhiệt độ tuyệt đối.
η = F(θ 2 ) • Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F() = T chúng ta sẽ xác định T như là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ T1 được viết như sau: η = 1− T2 5:16 PM 7 Thang đo nhiệt độ Trình bày và giải thích • Thang Kelvin: Năm 1852, Thomson Kelvin xác định thang đo nhiệt độ đơn vị là 0K và điểm cân bằng 3 trạng thái của nước là 273,15 0K. Một độ Celsius bằng một độ Kelvin và quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức: T(0C) = T(0K) – 273,15 5:16 PM 8 Thang đo nhiệt độ Trình bày và giải thích • Thang Celsius: T(0C) = T(0K) – 273,15 0 T( C) = T( F) − 32 0 5 9 • Năm 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điển đưa ra thang nhiệt độ bách phân.
Trong thang này đơn vị đo nhiệt độ là 0C. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và Fahrenheit được cho theo biểu thức: 5:16 PM 9 Thang đo nhiệt độ Trình bày và giải thích • Thang Fahrenheit: 9 0 T( F) = T( C) + 32 0 5 • Năm 1706 Fahrenheit nhà vật lý Hà Lan đưa ra thang nhiệt độ có điểm nước đá tan là 320 và sôi ở 2120. Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F). 5:16 PM 10 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Trình bày và giải thích Kelvin Celsius Fahrenheit Nhiệt độ (0K) (0C) (0F) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp nước – nước 273,15 0 32 đá Cân bằng nước – nước 273,16 0,01 32,018 đá – hơi nước Nước sôi 373,15 100 212 5:16 PM 11 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo Phân tích và giải thích Nhiệt độ đo được - Nhiệt độ đo được nhờ một điện trở hay một cặp nhiệt, chính bằng nhiệt độ của cảm biến và kí hiệu là TC.
Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường TX và vào sự trao đổi nhiệt độ trong đó. Nhiệm vụ của người thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số TX – TC xuống nhỏ nhất. 5:16 PM 12 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo Phân tích và giải thích Nhiệt độ đo được - Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa TX và TC: + Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo. + Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài.
5:16 PM 13 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo Phân tích và giải thích Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn - Thông thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngoài. Để đo nhiệt độ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoan một lỗ nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L. Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong chất rắn. Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện: 5:16 PM 14 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo Phân tích và giải thích Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn + Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần đường kính của nó (L≥ 10r).
+ Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt 5:16 PM 15 Bản chất của dòng điện trong kim loại Phân tích và giải thích Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại Chuyển động của e khi chưa có điện trường ngoài 5:16 PM 16 Bản chất của dòng điện trong kim loại Quan sát và giải thích Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại - Điện trường do nguồn điện ngoài sinh ra đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường tạo ra dòng điện. E 5:16 PM Chuyển động của e khi có điện trường ngoài 17 Bản chất của dòng điện trong kim loại Phân tích và giải thích Ở nhiệt độ bình thường, các ion chỉ dao động nhiệt quanh các vị trí cân bằng của chúng, còn các electron thì có thể chuyển động tự do trong khoảng không gian giữa các ion bên trong vật thể kim loại. 5:16 PM 18 Bản chất của dòng điện trong kim loại Phân tích và giải thích ▪ Khi nhiệt độ càng cao → các ion dao động càng mạnh → sự mất trật tự càng tăng → vận tốc chuyển động nhiệt của electron tăng → khả năng va chạm giữa ion dương với electron càng lớn.
Chính sự va chạm giữa electron với các ion dương nằm mất trật tự trong mạng tinh thể là nguyên nhân gây ra điện trở. → Vậy điện trở sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng. 5:16 PM 19 E Quan sát và giải thíc Bản chất của dòng điện trong kim loại + + - + - + - + + + 5:16 PM 20 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Phân tích và giải thích ▪ R(t) = R0 (1 + A.t3 +…) ▪ R0: điện trở được xác định ở một nhiệt độ nhất định. ▪ t2, t3: các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu chính xác của phép đo.
▪ A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt độ và điện trở một cách rõ ràng. 5:16 PM 21 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Phân tích và giải thích ▪ Nguyên lý Dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng: R(T ) = R0 F (T − T0 ) Với R0 là điện trở ở nhiệt độ T0 F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F=1 khi T=T0. Có 3 loại điện trở thường sử dụng hiện nay là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxit bán dẫn.
5:16 PM 22 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Quan sát và giải thích Điện trở Sắt Đồng Than 0 200 400 600 800 Nhiệt độ 5:16 PM 23 Các loại cảm biến nhiệt điện trở kim loại ◼ Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng: R(T ) = R0 (1 + AT + BT 2 + CT 3 ) ◼ Trong đó T đo bằng °C Phân tích và giải thíc ◼ T0=0⁰C và A, B, C là các hệ số thực nghiệm. ◼ Khi độ biến thiên của nhiệt độ nhỏ điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính: R( + ) = R ( )(1 + ) R Các loại cảm biến nhiệt điện trở kim loại Phân tích và giải thích 1 dR ◼ Với R = R(T ) dT gọi là hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. ◼Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ ◼ Ví dụ: ở 00C platin có αR =3,9. ◼ Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được là R R0 min ➔ Xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được: 1 R Tmin = R R0 min Các loại cảm biến nhiệt điện trở kim loại Quan sát và giải thích Nhiệt điện trở dây quấn Nhiệt điện trở màng mỏng 5:16 PM 26 Nhiệt điện trở Platin Phân tích và giải thích o Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện.
o Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. o Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9. o Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. o Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ÷1000oC.
5:16 PM 27 Nhiệt điện trở Platin Phân tích và giải thích ▪ Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. ▪ Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu. ▪ Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar - Van Dusen: R(t) = R0 (1 + A.