Cảm biến đo nhiệt độ là gì -Khái niệm – Phân loại – Công Ty BFF

Cảm biến đo nhiệt độ là gì ? Khái niệm cảm biến đo nhiệt độ ? Thang đo nhiệt độ là gì và còn rất nhiều nội dung liên quan về nhiệt độ. Qua bài viết này mình sẽ chia sẽ với các bạn nhiều hơn về cảm biến đo nhiệt độ.

1.Khái niệm cơ bản

Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ.

2. Thang đo nhiệt độ

Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng.

Theo định lý Carnot: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ θ1 và θ2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2:

η = F(θ1)/ F(θ2)

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(θ)= T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:

η = 1 -T1/T2

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn.

Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng :

p.v= G(θ)

Có thể chứng minh được rằng: G(θ)= RT

Trong đó R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ động học tuyệt đối.

Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại.

Thang Kelvin(Thomson Kelvin – 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là . Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273,15K.

Thang Celsius ( Andreas Celsius – 1742): thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là ºC và một độ Celsius bằng một độ Kelvin.

Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:

T(ºC)=T(K) – 273,15

Thang Fahrenheit (Fahrenheit – 1706): Đơn vị nhiệt độ là ºF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm đá tan là 32ºF và điểm nước sôi là 212ºF.

Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius:

Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau.

3.Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx – Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx – Tc, hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy, khi đo cần phải:

• Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo.
• Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài.

Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc. Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:

dQ=αA(Tx – Tc)dt

Với:

α – hệ số dẫn nhiệt

A – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

T – thời gian trao đổi nhiệt

Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:

dQ = mCdTc

 Với:

m – khối lượng cảm biến

C – nhiệt dung của cảm biến

Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:

Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp.

4.Phân loại cảm biến đo nhiệt độ

Các cảm biên đo nhiệt độ được chia làm hai nhóm:

1.Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm:

• Cảm biến giản nở( nhiệt kế giản nở).
• Cảm biến điện trở(nhiệt điện trở).
• Cặp nhiệt ngẫu.

Cảm biến không tiếp xúc: hỏa kế.

Dưới đây nghiên cứu một số loại cảm biến cơ bản.

4. Nhiệt kế giãn nở

Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế giãn nở dựa vào sự giãn nở của vật liệu khi tăng nhiệt độ. Nhiệt kế loại này có ưu điểm kết cấu đơn giản, dễ chế tạo.

5. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn 

Thường có hai loại: gốm và kim loại, kim loại và kim loại.

Nhiệt kế gốm – kim loại (Dilatomet): Gồm một thanh gốm (1) đặt trong ống kim loại (2), một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại, còn đầu A nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị. Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại và của gốm là αk và αg. Do αk > αg, khi nhiệt độ tăng một lượng dt, thanh kim loại giãn thêm một lượng dl(k), thanh gốm giãn thêm dl(g) với dl(k) > dl(g), làm cho thanh gốm dịch sang phải. Dịch chuyển của thanh gốm phụ thuộc dl(k) – dl(g) do đó phụ thuộc nhiệt độ.

Nhiệt kế kim loại – kim loại: gồm hai thanh kim loại (1) và (2) có hệ số giãn nỡ nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc. Giả sử α1 > α2, khi giãn nở nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh (2). Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ.

Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn thường dùng đê đo nhiệt độ dưới 700 độ C.

6. Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng

Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ông mao dẫn (2) và chất lỏng (3). Chất lỏng sử dụng thường dùng là thủy ngân có hệ số giãn nở nhiệt, vỏ nhiệt kế bằng thủy tinh.

Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt được đặt tiếp xúc với môi trường đo. Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nở và dâng lên trong ống mao dẫn. Thang đo được chia độ trên vỏ theo dọc ống mao dẫn.

Dải nhiệt độ làm việc từ -50÷600°C tùy theo vật liệu chế tạo vỏ bọc.

Bài viết mang tính chất chia sẽ, hy vọng giúp ích các bạn trong qua trình học tập và nghiên cứu.

xem thêm: Nguyên lý chế tạo cảm biến 

Xem thêm: Các dòng cảm biến Pt100 

Rate this post