ENKhái niệm về nhiệt độ
Từ quan điểm vật lý, nhiệt là thước đo năng lượng chứa trong cơ thể do sự chuyển động bất thường của các phân tử hoặc nguyên tử của nó. Giống như quả bóng tennis có nhiều năng lượng hơn với tốc độ ngày càng tăng, năng lượng bên trong cơ thể hoặc khí tăng lên khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ là một biến, cùng với các thông số khác như khối lượng và nhiệt dung riêng, mô tả hàm lượng năng lượng của cơ thể.
Thước đo nhiệt độ cơ bản là độ Kelvin. Ở 0 ° K (Elvin), mọi phân tử trong cơ thể đều nghỉ ngơi và không còn nhiệt. Do đó, không có khả năng nhiệt độ âm vì không có trạng thái năng lượng thấp hơn.
Trong sử dụng hàng ngày, thực hành thông thường là sử dụng centigrade (trước đây là centigrade). Điểm không của nó nằm ở điểm đóng băng của nước, có thể dễ dàng tái tạo trong thực tế. Bây giờ 0 ° C không có nghĩa là nhiệt độ thấp nhất, bởi vì mọi người đều biết từ kinh nghiệm. Bằng cách mở rộng thang đo độ C đến nhiệt độ thấp nhất mà tại đó tất cả các chuyển động phân tử dừng lại, chúng ta đạt được - 273,15 độ.
Con người có khả năng đo nhiệt độ thông qua các giác quan của mình trong một phạm vi hạn chế. Tuy nhiên, ông không thể tái tạo chính xác các phép đo định lượng. Hình thức đo nhiệt độ định lượng đầu tiên được phát triển ở Florence vào đầu thế kỷ 17 và dựa vào sự mở rộng của rượu. Tỷ lệ dựa trên nhiệt độ cao nhất vào mùa hè và mùa đông. Một trăm năm sau, nhà thiên văn học người Thụy Điển Celsius đã thay thế nó bằng các điểm nóng chảy và sôi của nước. Điều này cho phép nhiệt kế có cơ hội phóng to và thu nhỏ bất cứ lúc nào và tái tạo các bài đọc sau đó.
Nhiệt độ đo điện
Đo nhiệt độ rất 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. Những ứng dụng rất khác nhau này yêu cầu cảm biến nhiệt độ với các cấu trúc vật lý khác nhau và thường là các công nghệ khác nhau
Trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại, các điểm đo thường cách xa các điểm chỉ dẫn hoặc điểm kiểm soát. Xử lý thêm các phép đo thường được yêu cầu trong bộ điều khiển, máy ghi âm hoặc máy tính. Các ứng dụng này không phù hợp để chỉ dẫn trực tiếp nhiệt kế vì chúng ta biết chúng từ việc sử dụng hàng ngày, nhưng cần chuyển đổi nhiệt độ thành một dạng thiết bị khác, tín hiệu điện. Để cung cấp tín hiệu điện từ xa này, RTD thường được sử dụng. Nhiệt điện trở và cặp nhiệt điện.
RTD áp dụng đặc tính của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ. Chúng là những cảm biến hệ số nhiệt độ dương (PTC) có điện trở tăng theo nhiệt độ. Các kim loại chính được sử dụng là bạch kim và niken. Các cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất là RTDS 100 ohm hoặc 1000 ohm hoặc nhiệt kế điện trở bạch kim.
RTD là cảm biến chính xác nhất cho các ứng dụng công nghiệp và cũng cung cấp sự ổn định lâu dài tốt nhất. Giá trị đại diện của độ chính xác điện trở bạch kim là + 0,5% nhiệt độ đo. Sau một năm, có thể có + 0,05 ° C thay đổi thông qua lão hóa. Nhiệt kế điện trở bạch kim có dải nhiệt độ từ – 200 đến 800 ° C.
Thay đổi điện trở với nhiệt độ
Độ dẫn điện của kim loại phụ thuộc vào tính di động của các electron dẫn điện. Nếu một điện áp được đặt vào cuối dây, các electron di chuyển đến cực dương. Khiếm khuyết trong mạng cản trở chuyển động này. Chúng bao gồm các nguyên tử mạng tinh thể bên ngoài hoặc bị thiếu, các nguyên tử ở ranh giới hạt và giữa các vị trí mạng tinh thể. Vì các vị trí đứt gãy này độc lập với nhiệt độ, chúng tạo ra điện trở không đổi. Với sự gia tăng nhiệt độ, các nguyên tử trong mạng kim loại thể hiện dao động tăng gần vị trí đứng yên của chúng, do đó cản trở sự chuyển động của các electron dẫn điện. Vì dao động tăng tuyến tính theo nhiệt độ, sự gia tăng điện trở gây ra bởi dao động phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ.
Bạch kim đã được chấp nhận rộng rãi trong đo lường công nghiệp. Ưu điểm của nó bao gồm ổn định hóa học, chế tạo tương đối dễ dàng (đặc biệt là sản xuất dây), khả năng thu được nó ở dạng tinh khiết cao và tính chất điện có thể tái tạo. Những đặc điểm này làm cho cảm biến điện trở bạch kim trở thành cảm biến nhiệt độ có thể hoán đổi cho nhau rộng rãi nhất.
Nhiệt điện trở được làm bằng một số oxit kim loại và điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng. Bởi vì đặc tính điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, nó được gọi là cảm biến hệ số nhiệt độ âm (NTC).
Do tính chất của quá trình cơ bản, số lượng electron dẫn điện tăng theo cấp số nhân theo nhiệt độ; Do đó, đặc tính cho thấy sự gia tăng mạnh mẽ. Tính phi tuyến rõ ràng này là một nhược điểm của điện trở NTC và giới hạn phạm vi nhiệt độ hiệu dụng của nó vào khoảng 100 ° C. Tất nhiên, chúng có thể được tuyến tính hóa bằng máy tính tự động. Tuy nhiên, độ chính xác và tuyến tính không thể đáp ứng yêu cầu của khoảng đo lớn. Sự trôi dạt của chúng ở nhiệt độ xen kẽ cũng lớn hơn RTD. Việc sử dụng chúng được giới hạn trong việc giám sát và chỉ ra các ứng dụng có nhiệt độ không vượt quá 200 ° C. Trong ứng dụng đơn giản này, chúng thực sự vượt trội so với các cặp nhiệt điện và RTD đắt tiền hơn, xem xét chi phí thấp và các mạch điện tử tương đối đơn giản cần thiết.
Cơ sở của cặp nhiệt điện là kết nối giữa hai kim loại khác nhau, nhiệt điện trở. Điện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện và RTD tăng theo nhiệt độ. So với nhiệt kế điện trở, chúng có giới hạn nhiệt độ trên cao hơn, với lợi thế đáng kể là vài nghìn độ C. Độ ổn định lâu dài của chúng hơi kém (vài độ sau một năm) và độ chính xác của phép đo hơi kém (trung bình + 0, 75% phạm vi đo). Chúng thường được sử dụng trong lò nướng, lò nung, đo khí thải và các khu vực khác có nhiệt độ cao hơn 250 ° C.
Hiệu ứng nhiệt điện
Khi hai kim loại được kết nối với nhau, điện áp nhiệt điện được tạo ra do năng lượng liên kết khác nhau của electron và ion kim loại. Điện áp phụ thuộc vào chính kim loại và nhiệt độ. Để điện áp nhiệt này tạo ra dòng điện, hai kim loại tất nhiên phải được kết nối với nhau ở đầu kia để tạo thành một mạch kín. Bằng cách này, một điện áp nhiệt được tạo ra ở ngã ba thứ hai. Hiệu ứng nhiệt điện được phát hiện bởi Seebeck vào năm 1822. Ngay từ năm 1828, Becquerel đã đề nghị sử dụng cặp nhiệt điện paladi bạch kim để đo nhiệt độ.
Nếu có cùng nhiệt độ ở cả hai điểm nối, không có dòng điện vì áp suất riêng phần được tạo ra tại hai điểm triệt tiêu lẫn nhau. Khi nhiệt độ tại ngã ba khác nhau, điện áp được tạo ra là khác nhau và dòng điện chạy. Do đó, cặp nhiệt điện chỉ có thể đo chênh lệch nhiệt độ.
Điểm đo là một điểm tiếp xúc với nhiệt độ đo. Ngã ba tham chiếu là một ngã ba ở nhiệt độ đã biết. Vì nhiệt độ đã biết thường thấp hơn nhiệt độ đo được, điểm nối tham chiếu thường được gọi là điểm lạnh. Để tính nhiệt độ thực tế của điểm đo, phải biết nhiệt độ cuối lạnh.
Các dụng cụ cũ hơn sử dụng các hộp nối điều khiển tĩnh nhiệt để kiểm soát nhiệt độ điểm lạnh ở các giá trị đã biết như 50c. 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.
Điện áp được tạo ra bởi hiệu ứng nhiệt điện rất nhỏ và chỉ là một vài microvolt trên mỗi độ C. Do đó, cặp nhiệt điện thường không được sử dụng trong phạm vi - 30 đến + 50 ° C, vì 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.
Hệ thống dây điện RTD
Trong nhiệt kế điện trở, điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Để đánh giá tín hiệu đầu ra, một dòng điện không đổi đi qua nó và điện áp giảm qua nó được đo. Đối với sự sụt giảm điện áp này, định luật Ohm được tuân theo, v = IR.
Dòng đo phải càng nhỏ càng tốt để tránh làm nóng cảm biến. Có thể coi rằng dòng đo 1mA sẽ không đưa ra bất kỳ lỗi rõ ràng nào. Dòng điện tạo ra sự sụt giảm điện áp 0,1V trong PT 100 ở 0 °C. Điện áp tín hiệu này bây giờ phải được truyền qua cáp kết nối đến điểm chỉ dẫn hoặc điểm đánh giá với sự sửa đổi tối thiểu. Có bốn loại mạch kết nối khác nhau:
Mạch 2 dây
Cáp 2 lõi được sử dụng để kết nối giữa nhiệt kế và thiết bị 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 thêm vào với nhau và các thiết bị điện tử giải thích nó là sự gia tăng nhiệt độ. Đối với khoảng cách xa hơn, điện trở đường dây có thể đạt tới vài ohms và tạo ra độ lệch đáng kể trong giá trị đo.
Mạch 3 dây
Để giảm thiểu ảnh hưởng của điện trở đường dây và sự dao động của nó với nhiệt độ, mạch ba dây thường được sử dụng. Nó bao gồm chạy các dây bổ sung trên một trong các tiếp điểm của RTD. Điều này dẫn đến hai mạch đo, một trong số đó được sử dụng làm tài liệu tham khảo. Mạch 3 dây có thể bù điện trở đường dây về số lượng và sự thay đổi nhiệt độ của nó. Tuy nhiên, cả ba dây dẫn đều được yêu cầu phải có cùng đặc tính và tiếp xúc với cùng nhiệt độ. Điều này thường được áp dụng ở một mức độ đủ để làm cho mạch 3 dây trở thành phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Không cần cân bằng dòng.
Mạch 4 dây
Hình thức kết nối tốt nhất của nhiệt kế điện trở là mạch 4 dây. Phép đo không phụ thuộc vào điện trở đường dây cũng như những thay đổi do nhiệt độ gây ra. Không cần cân bằng dòng. Nhiệt kế cung cấp dòng đo thông qua kết nối nguồn. Sự sụt giảm điện áp trên đường đo được lấy bởi đường đo. Nếu điện trở đầu vào của thiết bị điện tử lớn hơn nhiều lần so với điện trở đường dây, thì có thể bỏ qua điện trở sau. Sự sụt giảm điện áp được xác định theo cách này độc lập với các đặc tính của dây kết nối. Kỹ thuật này thường chỉ được sử dụng cho các dụng cụ khoa học yêu cầu độ chính xác đo một phần trăm.
Máy phát 2 dây
Bằng cách sử dụng máy phát 2 dây thay vì cáp nhiều dây, có thể tránh được sự cố mạch 2 dây như mô tả ở trên. Máy phát chuyển đổi tín hiệu cảm biến thành tín hiệu dòng điện chuẩn hóa 4-20mA, tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Nguồn cung cấp cho máy phát cũng hoạt động thông qua hai kết nối giống nhau, sử dụng dòng điện cơ bản 4 mA. Máy phát 2 dây cung cấp một lợi thế bổ sung, đó là khuếch đại tín hiệu làm giảm đáng kể tác động của nhiễu bên ngoài. Có hai cách sắp xếp để định vị máy phát. Vì khoảng cách giữa các tín hiệu không khuếch đại phải càng ngắn càng tốt, bộ khuếch đại có thể được lắp đặt trực tiếp trên nhiệt kế trong đầu cuối của nó. Giải pháp tốt nhất này đôi khi không thể thực hiện được vì lý do cấu trúc hoặc cân nhắc rằng máy phát có thể khó tiếp cận trong trường hợp hỏng hóc. Trong trường hợp này, máy phát gắn trên đường ray được lắp đặt trong tủ điều khiển. Ưu điểm của việc truy cập được cải thiện là nó được mua với chi phí khoảng cách xa hơn mà tín hiệu không khuếch đại phải truyền đi.
Hệ thống dây điện nhiệt điện
Điện trở của nhiệt điện trở thường lớn hơn vài bậc so với bất kỳ dây dẫn nào. Do đó, ảnh hưởng của điện trở chì đến số đọc nhiệt độ là không đáng kể, trong khi nhiệt điện trở hầu như luôn được kết nối theo cấu hình 2 dây.
Hệ thống dây cặp nhiệt điện
Không giống như RTDS và nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện có chân dương và âm, do đó phải quan sát cực tính. Chúng có thể được kết nối trực tiếp với máy phát 2 dây cục bộ và dây đồng có thể được đưa trở lại thiết bị nhận. Nếu dụng cụ nhận có thể chấp nhận đầu vào cặp nhiệt điện trực tiếp, thì phải sử dụng cùng một dây cặp nhiệt điện hoặc dây nối dài cặp nhiệt điện cho đến tận dụng cụ nhận.
Tin tức nổi bật