CHIA SẺ KIẾN THỨC KỸ THUẬT

Dec 27, 2017

Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ trong nhiệt kế điện trở


Nguyên lý.

Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở là dựa vào sự biến thiên điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Nhiệt độ tăng thì điện trở tăng hoặc nhiệt độ giảm thì điện trở giảm. Ưu điểm của nhiệt kế điện trở là độ chính xác cao, số chỉ ổn định, có thể tự ghi và truyền kết quả đi xa. 



Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng:


Ro là điện trở ở nhiệt độ To, F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F = 1 khi T = To.

Hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxyt bán dẫn.

Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng:


Trong đó nhiệt độ T đo bằng oC, To = 0oC và A, B, C là các hệ số thực nghiệm.

Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxyt bán dẫn:


T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm.


Các hệ số được xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã biết trước. Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo.

Khi độ biến thiên của nhiệt độ ΔT (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính:


Trong đó:


Được gọi 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 0oC platin (Pt) có  αr =3,9.10^-3 [1/oC]. Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được.


Do đó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được:


Ví dụ nếu:


Và với những phép đo quanh điểm 0oC, vật liệu là platin thì:


Thực ra, điện trở không chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện trở suất mà còn chịu tác động của sự thay đổi kích thước hình học của nó. Bởi vậy đối với một điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ có dạng:


 Trên thực tế thường αρ >> α1 nên có thể coi αr = αρ.

Nhiệt kế điện trở kim loại.

Vật liệu.

Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:

- Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu Ro lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ.
- Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu.
- Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc.
- Dễ gia công và có khả năng thay lẫn.

Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W.

>>> Platin:

- Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện.
- 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.
- Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9.10^-3[1/oC].
- Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC.
- Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ÷1000oC.

>>> Nikel:

- Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10^-3[1/oC].
- Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC.
- Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.
- Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC.

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở.

Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các điện trở cao với kích thước nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở.



Cấu tạo nhiệt kế điện trở.

Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn.

Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở. Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 0oC có giá trị vào khoảng 100Ω, khi đó với điện trở platin sẽ có đường kính dây cỡ vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0oC là 50Ω, 500Ω và 1000Ω, các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp.

- Nhiệt kế công nghiệp:

Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình minh họa là các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin.


Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin

- Nhiệt kế bề mặt:

Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thường được chế tạo bằng phương pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng như hình bên dưới. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài μm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2.


Nhiệt kế bề mặt

Đặc trưng chính của nhiệt kế bề mặt:

- Độ nhạy nhiệt: ~5.10^-3 [1/oC] đối với trường hợp Ni và Fe-Ni
~ 4.10^-3 [1/oC] đối với trường hợp Pt.
- Dải nhiệt độ sử dụng: (-195oC ÷ 260oC) đối với Ni và Fe-Ni.
(- 260oC ÷1400oC) đối với Pt.

Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo.

Đặc tính nhiệt kế điện trở Pt100



Đặc tính nhiệt kế điện trở Ni100

Nhiệt kế điện trở silic.

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương. Hệ số nhiệt điện trở ~0,7% [1/oC] ở 25oC.
Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic được chế tạo có kích thước 500x500x240 μm được mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc.

Trong dải nhiệt độ làm việc (-55 ÷ 200oC) có thể lấy gần đúng giá trị điện trở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức:


Trong đó Ro và To là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn.

Sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá bằng cách mắc thêm một điện trở phụ.


Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic

Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn.

Vật liệu chế tạo.

Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.

Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức:

 (*)

Trong đó Ro là điện trở ở nhiệt độ To(K).

Độ nhạy nhiệt có dạng:


Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên biểu thức (*) có thể viết lại:


Và độ nhạy nhiệt:



Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K.

Cấu tạo.



Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh

Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ ~1000oC. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ tinh.

Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10^-4 đến 10^-3 [K]. Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC.

Chúc các bạn thành công!

Loading...

DMCA.com Protection Status

Loading...

0 nhận xét:

Post a Comment

 
All Rights Reserved by EBOOKBKMT © 2015 - 2018