EN
Khái niệm về nhiệt độ
Từ góc độ vật lý, nhiệt là một thước đo năng lượng có trong vật thể do sự chuyển động không đều của các phân tử hoặc nguyên tử của nó. Giống như quả bóng tennis có nhiều năng lượng hơn khi tốc độ tăng lên, năng lượng nội bộ của vật thể hoặc khí tăng lên khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ là một biến số mô tả, cùng với các thông số khác như khối lượng và nhiệt dung riêng, nội dung năng lượng của vật thể.
Đơn vị cơ bản để đo nhiệt độ là Kelvin. Ở 0 ° K (Elvin), mọi phân tử trong vật thể đều ở trạng thái nghỉ và không còn nhiệt nữa. Do đó, không có khả năng nhiệt độ âm vì không có trạng thái năng lượng thấp hơn.
Trong sử dụng hàng ngày, thông lệ phổ biến là sử dụng độ Celsius (trước đây gọi là độ Centigrade). Điểm không của nó nằm ở nhiệt độ đóng băng của nước, điều này có thể dễ dàng tái tạo trong thực tế. Hiện nay, 0 °C tuyệt đối không phải là nhiệt độ thấp nhất, vì ai cũng biết từ kinh nghiệm. Bằng cách mở rộng thang độ Celsius đến nhiệt độ thấp nhất mà tại đó mọi chuyển động phân tử dừng lại, chúng ta đạt đến -273,15 độ.
Con người có khả năng đo nhiệt độ thông qua giác quan trong một phạm vi giới hạn. Tuy nhiên, anh ta không thể thực hiện các phép đo định lượng chính xác. Hình thức đo lường nhiệt độ định lượng đầu tiên được phát triển ở Florence vào đầu thế kỷ 17 và dựa trên sự giãn nở của cồn. Thang đo được xây dựng dựa trên các nhiệt độ cao nhất vào mùa hè và mùa đông. Một trăm năm sau, nhà thiên văn học Thụy Điển Celsius đã thay thế nó bằng điểm tan và điểm sôi của nước. Điều này cho phép đồng hồ đo nhiệt độ phóng to hoặc thu nhỏ bất kỳ lúc nào và tái tạo các chỉ số sau đó.
Đo lường nhiệt điện
Việc đo lường nhiệt độ là quan trọng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như kiểm soát tòa nhà, chế biến thực phẩm, và sản xuất thép và các sản phẩm hóa dầu. Các ứng dụng rất khác nhau này yêu cầu các cảm biến nhiệt độ có cấu trúc vật lý khác nhau và thường là công nghệ khác nhau.
Trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại, các điểm đo thường ở xa các điểm chỉ báo hoặc kiểm soát. Thông thường cần phải xử lý thêm các phép đo trong các bộ điều khiển, máy ghi dữ liệu hoặc máy tính. Các ứng dụng này không phù hợp để sử dụng trực tiếp các nhiệt kế mà chúng ta biết từ cuộc sống hàng ngày, nhưng cần chuyển đổi nhiệt độ thành một dạng tín hiệu khác của thiết bị, đó là tín hiệu điện. Để cung cấp tín hiệu điện từ xa này, RTD thường được sử dụng. Ngoài ra còn có thermistors và thermocouples.
RTD sử dụng đặc trưng của sự thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ. Chúng là cảm biến hệ số nhiệt dương (PTC) có điện trở tăng lên khi nhiệt độ tăng. Các kim loại chính được sử dụng là bạch kim và niken. Các cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất là cảm biến RTD 100 ôm hoặc 1000 ôm, hay còn gọi là nhiệt kế điện trở bạch kim.
RTD là cảm biến chính xác nhất cho các ứng dụng công nghiệp và cũng cung cấp độ ổn định lâu dài tốt nhất. Giá trị đại diện cho độ chính xác của điện trở platinum là ± 0.5% của nhiệt độ đo được. Sau một năm, có thể có sự thay đổi ± 0.05 °C do lão hóa. Nhiệt kế điện trở platinum có dải nhiệt độ từ – 200 đến 800 °C.
Sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ
Độ dẫn điện của một kim loại phụ thuộc vào khả năng di chuyển của các electron dẫn điện. Nếu áp dụng một điện áp vào đầu dây, các electron sẽ di chuyển đến cực dương. Các khuyết tật trong mạng tinh thể can thiệp vào chuyển động này. Chúng bao gồm các nguyên tử ngoài hoặc thiếu trong mạng tinh thể, các nguyên tử ở ranh giới hạt và giữa các vị trí mạng. Vì các vị trí lỗi này không phụ thuộc vào nhiệt độ, chúng tạo ra một điện trở không đổi. Khi nhiệt độ tăng lên, các nguyên tử trong mạng kim loại dao động mạnh hơn gần vị trí cố định của chúng, từ đó cản trở sự di chuyển của các electron dẫn điện. Vì dao động tăng lên tuyến tính theo nhiệt độ, nên sự gia tăng điện trở do dao động phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ.
Bạch kim đã được chấp nhận rộng rãi trong đo lường công nghiệp. Những ưu điểm của nó bao gồm sự ổn định hóa học, khả năng chế tạo tương đối dễ dàng (đặc biệt là cho việc sản xuất dây điện), khả năng thu được ở dạng độ tinh khiết cao, và các đặc tính điện có thể tái hiện. Những đặc điểm này khiến cảm biến điện trở bạch kim trở thành cảm biến nhiệt độ có thể thay thế rộng rãi nhất.
Thermistors được làm từ một số oxit kim loại và điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng. Vì đặc tính điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, nên nó được gọi là cảm biến hệ số nhiệt độ âm (NTC).
Do bản chất của quá trình cơ bản, số lượng electron dẫn điện tăng theo cấp số nhân khi nhiệt độ tăng; do đó, đặc trưng cho thấy sự gia tăng mạnh mẽ. Sự không tuyến tính rõ ràng này là một nhược điểm của điện trở NTC và giới hạn phạm vi nhiệt độ hiệu quả của chúng ở khoảng 100 °C. Tất nhiên, chúng có thể được tuyến tính hóa bằng máy tính tự động. Tuy nhiên, độ chính xác và tính tuyến tính không thể đáp ứng yêu cầu của dải đo lớn. Sự thay đổi của chúng ở nhiệt độ dao động cũng lớn hơn so với RTD. Việc sử dụng chúng bị giới hạn trong các ứng dụng giám sát và chỉ báo nơi nhiệt độ không vượt quá 200 °C. Trong ứng dụng đơn giản này, chúng thực tế vượt trội hơn so với các nhiệt điện trở và RTD đắt tiền hơn, xét về chi phí thấp và mạch điện tử tương đối đơn giản cần thiết.
Cơ sở của nhiệt điện trở là sự kết nối giữa hai kim loại khác nhau, thermistor. Điện áp được sinh ra bởi nhiệt điện trở và RTD tăng lên theo nhiệt độ. So với nhiệt kế điện trở, chúng có giới hạn nhiệt độ trên cao hơn, với lợi thế đáng kể ở mức vài nghìn độ Celsius. Độ ổn định lâu dài của chúng hơi kém (mấy độ sau một năm), và độ chính xác đo lường cũng hơi kém (trung bình + 0.75% của dải đo). Chúng thường được sử dụng trong lò nướng, lò luyện, đo khí thải và các lĩnh vực khác nơi nhiệt độ cao hơn 250 °C.
Hiệu ứng nhiệt điện
Khi hai kim loại được nối với nhau, điện áp nhiệt điện được tạo ra do sự khác biệt về năng lượng liên kết của electron và ion kim loại. Điện áp phụ thuộc vào chính kim loại và nhiệt độ. Để dòng điện có thể sinh ra từ điện áp nhiệt này, hai kim loại tất nhiên phải được nối với nhau ở đầu còn lại để tạo thành mạch kín. Như vậy, một điện áp nhiệt sẽ được sinh ra tại mối nối thứ hai. Hiệu ứng nhiệt điện được phát hiện bởi Seebeck vào năm 1822. Ngay từ năm 1828, Becquerel đã đề xuất sử dụng cặp nhiệt điện bạch kim - palladium để đo nhiệt độ.
Nếu nhiệt độ tại cả hai mối nối là như nhau, sẽ không có dòng điện chảy vì các áp suất cục bộ được tạo ra tại hai điểm này sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Khi nhiệt độ tại mối nối khác nhau, điện áp được sinh ra cũng khác nhau và dòng điện sẽ chảy. Do đó, cặp nhiệt điện chỉ có thể đo được sự chênh lệch nhiệt độ.
Điểm đo là một điểm nối bị phơi nhiễm nhiệt độ được đo. Điểm nối tham chiếu là một điểm nối ở nhiệt độ đã biết. Vì nhiệt độ đã biết thường thấp hơn nhiệt độ được đo, nên điểm nối tham chiếu thường được gọi là điểm lạnh. Để tính toán nhiệt độ thực tế của điểm đo, nhiệt độ đầu lạnh phải được biết.
Các dụng cụ cũ sử dụng hộp điều khiển điểm nối nhiệt để kiểm soát nhiệt độ điểm nối lạnh ở các giá trị đã biết như 50°C. Các dụng cụ hiện đại sử dụng RTD màng mỏng ở đầu lạnh để xác định nhiệt độ của nó và tính toán nhiệt độ của điểm đo.
Hiệu điện thế được tạo ra bởi hiệu ứng nhiệt điện rất nhỏ và chỉ vài microvolt trên mỗi độ Celsius. Do đó, cặp nhiệt không thường được sử dụng trong khoảng từ -30 đến +50°C, vì sự chênh lệch giữa nhiệt độ điểm nối tham chiếu và nhiệt độ điểm nối tham chiếu quá nhỏ để tạo ra tín hiệu không nhiễu.
Đấu dây RTD
Trong nhiệt kế điện trở, điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Để đánh giá tín hiệu đầu ra, một dòng điện hằng số đi qua nó và sự chênh lệch điện áp trên đó được đo lường. Đối với sự chênh lệch điện áp này, định luật Ohm được tuân thủ, v = IR.
Dòng điện đo lường nên nhỏ nhất có thể để tránh làm nóng cảm biến. Có thể coi rằng dòng điện đo lường 1mA sẽ không gây ra bất kỳ lỗi rõ rệt nào. Dòng điện này tạo ra sự chênh lệch điện áp 0,1V ở PT 100 tại 0 ℃. Tín hiệu điện áp này bây giờ phải được truyền qua cáp kết nối đến điểm chỉ thị hoặc điểm đánh giá với sự thay đổi tối thiểu. Có bốn loại mạch kết nối khác nhau:
Mạch 2 dây
Một cáp 2 lõi được sử dụng để kết nối giữa nhiệt kế và hệ thống điện tử đánh giá. Giống như bất kỳ dây dẫn điện nào khác, cáp có điện trở nối tiếp với nhiệt kế điện trở. Kết quả là, hai điện trở được cộng lại với nhau và hệ thống điện tử giải thích điều này như là sự tăng nhiệt độ. Đối với khoảng cách xa hơn, điện trở của dây có thể đạt vài ohm và tạo ra sai số đáng kể trong giá trị đo được.
Mạch 3 dây
Để giảm thiểu ảnh hưởng của điện trở đường dây và sự biến động của nó theo nhiệt độ, thường sử dụng mạch ba dây. Nó bao gồm việc chạy thêm dây trên một trong các điểm tiếp xúc của RTD. Điều này tạo ra hai mạch đo, một trong số đó được sử dụng làm tham chiếu. Mạch 3 dây có thể bù đắp điện trở đường dây về mặt giá trị và sự biến thiên theo nhiệt độ. Tuy nhiên, tất cả ba dây dẫn đều cần có cùng đặc tính và phải chịu cùng nhiệt độ. Phương pháp này thường được áp dụng đủ tốt để khiến cho mạch 3 dây trở thành phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Không cần cân bằng đường dây.
Mạch 4 dây
Hình thức kết nối tốt nhất của nhiệt điện kế là mạch bốn dây. Đo lường không phụ thuộc vào điện trở đường dây hay những thay đổi do nhiệt độ gây ra. Không cần cân bằng đường dây. Nhiệt điện kế cung cấp dòng điện đo lường thông qua kết nối nguồn. Sự chênh lệch điện áp trên dây dẫn đo lường được thu thập bởi dây dẫn đo lường. Nếu điện trở đầu vào của một thiết bị điện tử lớn hơn nhiều lần so với điện trở dây dẫn, thì điện trở dây dẫn có thể bị bỏ qua. Sự chênh lệch điện áp xác định theo cách này độc lập với đặc tính của dây dẫn kết nối. Kỹ thuật này thường chỉ được sử dụng cho các thiết bị khoa học yêu cầu độ chính xác đo lường đến một phần trăm.
Bộ truyền hai dây
Bằng cách sử dụng bộ truyền tín hiệu 2 dây thay vì cáp nhiều dây, vấn đề của mạch 2 dây như đã mô tả ở trên có thể được tránh. Bộ truyền đổi tín hiệu cảm biến thành tín hiệu dòng điện chuẩn từ 4-20mA, tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Nguồn điện cho bộ truyền cũng hoạt động thông qua cùng hai kết nối đó, sử dụng dòng cơ bản là 4 mA. Bộ truyền 2 dây cung cấp một lợi thế bổ sung, đó là việc khuếch đại tín hiệu làm giảm đáng kể tác động của nhiễu bên ngoài. Có hai cách bố trí để đặt bộ truyền. Vì khoảng cách giữa các tín hiệu chưa được khuếch đại nên ngắn nhất có thể, bộ khuếch đại có thể được lắp trực tiếp trên nhiệt kế trong đầu cuối của nó. Đây là giải pháp tốt nhất nhưng đôi khi không khả thi do lý do cấu trúc hoặc lo ngại rằng bộ truyền có thể khó tiếp cận nếu xảy ra sự cố. Trong trường hợp này, bộ truyền gắn ray được lắp trong tủ điều khiển. Lợi thế của việc dễ tiếp cận hơn là phải trả giá bằng một khoảng cách dài hơn mà tín hiệu chưa được khuếch đại phải di chuyển.
Kết nối thermistor
Độ kháng của một thermistor thường lớn hơn hàng nghìn lần so với dây dẫn. Do đó, ảnh hưởng của độ kháng dây dẫn đến kết quả đọc nhiệt độ là có thể bỏ qua, trong khi thermistors hầu như luôn được kết nối theo cấu hình hai dây.
Kết nối thermocouple
Khác với RTDS và thermistors, thermocouples có chân dương và âm, vì vậy phải tuân thủ cực tính. Chúng có thể được kết nối trực tiếp với bộ truyền tín hiệu hai dây tại chỗ và dây đồng có thể được đưa trở lại thiết bị nhận. Nếu thiết bị nhận có thể chấp nhận đầu vào thermocouple trực tiếp, cùng một dây thermocouple hoặc dây mở rộng thermocouple phải được sử dụng suốt đường về đến thiết bị nhận.
Tin nóng