NHIỆT KẾ ĐIỆN TRỞ (NKĐT)

Điện trở là một đặc tính vật liệu có quan hệ với nhiệt độ. Nếu xác định được mối quan hệ có trước thì sau này chỉ cần đo điện trở là biết được nhiệt độ của vật. Hệ thống đo nhiệt độ theo nguyên tắc trên gồm : phần tử nhạy cảm nhiệt thường gọi là nhiệt kế điện trở. Dây nối và đồng hồ thứ cấp. Dùng nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ có thể đạt được chính xác rất cao, chính xác tới 0,02 ^oC thì thực hiện không khó khăn lắm, khi đo độ chênh nhiệt độ không lớn còn có thể đạt chính xác tới 0,005 ^oC. Cách đo này cho phép dễ dàng thỏa mãn các yêu cầu đưa số đi xa đo nhiều điểm và đo nhiệt độ thấp, phạm vi ứng dụng của nó -200^oC ÷ 1000°C.

Nguyên lý đo nhiệt độ bằng NKĐT

Nguyên lý: Dựa trên sự thay đổi điện trở (trở kháng) của vật liệu theo nhiệt độ.

Giã sử nhiệt kế điện trở có quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là :

R_t = R_to [ 1 + α( t - t_o )]

α- Hệ số nhiệt điện trở ; R_t và R_to là điện trở ở nhiệt độ t và t_o.

α = $\frac{R_{t} - R_{to}}{R_{to} (t - t_{o})}$ [^oC^-1] là hệ số nhiệt độ của điện trở, tức là độ biến đổi điện trở của 1 đơn vị điện trở khi nhiệt độ biến đổi 1 oC. Hệ số này của mỗi loại vật liệu một khác và nói chung đều biến đổi theo nhiệt độ.

α cũng chính là độ nhạy của đồng hồ, vì vậy đòi hỏi α phải có trị số lớn.

nếu α = hằng số và không phụ thuộc nhiệt độ => α = $\frac{R_{t} - R_{o}}{R_{o} t}$ [^oC^-1]

R_o : điện trở vật liệu ở 0 ^oC, R_tở (t ^oC)

α thay đổi theo nhiệt thì α = $\frac{1}{R_{o}} . \frac{dRt}{dt}$

α = 0,0035 ÷ 0,0065[^oC^-1] với vật liệu nguyên chất

Ta cũng có thể viết :

α( t - to ) = $\frac{R_{t} - R_{to}}{R_{to}}$

Và $\frac{R_{t} - R_{to}}{R_{to}}$ gọi là suất biến đổi điện trở và thường đây là số chỉ của đồng hồ và biểu thức đó biểu thị cho quy luật chia độ của đồng hồ.

Đặc điểm : Trong sơ đồ đo của NKĐT ta cần phải có nguồn điện ngoài ra kích thước của nó lớn nên phạm vi sử dụng bị hạn chế.

Vật liệu làm NKĐT phải có hệ số nhiệt trở lớn, bền hóa học, rẻ, dễ chế tạo.

Chọn vật liệu làm NKĐT : ít chọn hợp kim vì hệ số nhiệt điện trở của nó nhỏ, ngoài ra Ni và Fe mặc dù điện trở suất và α lớn nhưng đường đặc tính nhiệt độ điện trở phức tạp. Thường sử dụng Cu, Pt đường đặc tính nhiệt điện trở của chúng có dạng đường thẳng. Cu có khoảng đo từ -50 ÷ 80 ^oC, Pt có khoảng đo từ - 200 ÷ 1000 ^oC. Ngoài ra còn sử dụng chất bán dẫn.

Pt là kim loại quý, bền hóa học, dễ chế tạo, nguyên chất.

Điện trở suất của Pt : $ρ_{o} = 0, 0981 . 10^{- 6} Ω m$

Quan hệ nhiệt độ - điện trở :

+ 0 < t < 630°C Rt = Ro ( 1 + At + Bt² )

A , B : hằng số : - A = 3,96847.10^-3

- B = -5,847.10^-7

+ 0 < t < -183 Rt = Ro ( 1 + At + Bt² + Ct³) ( t-100)

C = -4,22.10^-22

Độ nguyên chất Pt được xác định bằng tỷ số $\frac{R_{100}}{R_{0}}$

Thường sử dụng Pt có độ nguyên chất 1,3925 ÷ 1,390 để làm nhiệt kế điện trở.

Nhiệt kế điện trở Pt trong công nghiệp được sản xuất và chia độ theo tiêu chuẩn và lấy R₀ ở nhiệt độ 0 ^oC của Pt

R₀ = 1 ; 5 ; 10 ; 50 ; 100 ; 500 $Ω$

Một số trường hợp Sử dụng R₀ = 46 $Ω$

Cu là vật liệu dẫn điện tốt

Điện trở suất $ρ_{0} = 0, 0155 . 10^{- 6} Ω m$

Dễ kiếm, nguyên chất, dễ gia công, rẻ nhưng ở nhiệt độ cao dễ bị oxy hóa.

Hệ số nhiệt điện trở α = ( 4,25 ÷ 4,28 ) 10^-3^oC^-1

Trong khoảng nhiệt độ từ - 50< t < 180°C thì Rt = Ro ( 1 + αt )

Độ nguyên chất của Cu dùng làm NKĐT là $\frac{R_{100}}{R_{0}}$ = 1,426 , nó có đặc điểm chỉ đo nhiệt độ môi trường không ăn mòn và không có hơi ẩm để tránh oxy hóa.

Độ sai số cho phép là 1%.

Chất bán dẫn có quan hệ R_T = R_o . $e^{B (T^{- 1} - T_{o}^{- 1})}$

Ro : Giá trị điện trở ở To = 273 ^oK

B : Hằng số của chất bán dẫn

Chất bán dẫn có độ nhạy cao, kích thước của đầu nhiệt kế điện trở nhỏ nên được sử dụng ngày càng nhiều.

Nhược: Khi cấu tạo đòi hỏi nguyên chất cao (vì tránh sai số lớn).

Sử dụng trong công nghiệp chưa nhiều Các chất bán dẫn thường dùng là hỗn hợp CuO , Mn , Mg , Ni , Coban.

Cấu tạo nhiệt kế điện trở (của bộ phận nhạy cảm)

Dây Pt dùng làm NKĐT được gấp đôi và quấn quanh lõi MiCa, dây không sơn cách điện, đường kính dây 0,07 mm, chiều dài dây l > 100 m (hoặc dây dẹt có diện tích tiết diện là 0,002mm²)

Cấu tạo khác: Thường ta dùng NK điện trở Pt làm nhiệt kế chuẩn. Còn nếu dùng dây Cu thì sơn cách điện dày $φ$ 0,1 mm và quấn thành lớp, lõi bằng nhựa dây nối đến đầu nhiệt kế bằng dây đồng $φ$ = 1 ÷ 1,5 mm ; một số trường hợp có thể đặt thêm một số vỏ bảo vệ.

NKĐT bán dẫn có cấu tạo:

Các cách đo điện trở Rt

Dùng điện thế kế và điện trở chuẩn :

Trong sơ đồ đo, điện trở chuẩn Rc và diện trở Rt được mắc nối tiếp và dùng điện thế kế để đo điện áp Uc và Ut.

Uc = Rc.i ; Ut = Rt.i => Rt = $\frac{U_{t}}{U_{c}} . R_{c}$

Phương pháp này tương đối chính xác được dùng trong phòng thí nghiệm.

Dùng cầu điện:

Có 3 cầu có thể dùng

Cầu cân bằng 1

R₂ ( R_l + R_t ) = R₃ ( R₁ + R_l ) ⇒ R_t = $\frac{R_{3} (R_{1} + Rl)}{R_{2}} - Rl$

Ta thường lấy R₂= R₃ ⇒ R_t = $\frac{R_{1} + Rl}{1} - Rl$ = R₁

Vậy : Rt = R1_{Người ta có thể xác định R_t nhờ đọc biến trở R₁ ảnh hưởng của dây dẫn là không đáng kể .}

Cầu cân bằng 2

Đối với mạch này ta có $\frac{r_{2} + R_{2}}{R_{3}} = \frac{r_{1} + R_{1} + R_{l}}{R_{t} + R_{l}}$

=> Rt = $\frac{r_{1} + R_{1}}{r_{2} + R_{2}} . R {}_{3} + (\frac{R_{3}}{R_{2} + R_{2}} - 1) . R_{l}$

Người ta thường bố trí sao cho R₃ & R₂ >> r_2max

\Rightarrow Rt = \frac{R_{1} + r_{1}}{R_{2} + r_{2}} . R_{3}

Nhược: - Phải điều chỉnh biến trở bằng tay sau đó phải tính toán ra kết quả

- Sơ đồ sau chính xác hơn nhưng tốn dây dẫn hơn

Cầu không cân bằng:

Khi đo ta đóng cầu dao D sang vị trí Đ => I_M = $U_{ab} . \frac{R_{1} . R_{3} - R_{2} . Rt}{K} .$

Trong đó K = R_M ( R₁ + R_t ) ( R₂+ R₃) + R₂ . R₃ (R₁ + R_t)+ R₁ . R_t ( R₂+ R₃)

( ở công thức trên xem R l không ảnh hưởng đến kết quả đo nên không viết )

Sơ đồ :

Nhận xét : Quan hệ I_M & R_t là không phải đường thẳng. Muốn xác định R_t phải cho U_ab là không đổi. Phải giữ U_ab cố định nên phải dùng R_đ, trong thực tế ít dùng vì phức tạp và hơn nữa cần có thêm mA.

Cầu cân bằng điện tử tự động:

Sự cân bằng của cầu được thực hiện bằng cách thay đổi R_p nằm trong nhánh cb có chứa Rt nếu hiệu điện thế các đỉnh c,d của cầu không bằng nhau thì có dòng qua đường chéo này và qua BKĐĐT tín hiệu ra từ BKĐ làm động cơ thuận nghịch quay và làm thay đổi vị trí cần gạt trên R_p cho đến khi cầu cân bằng, R_p được tính toán và chế tạo sao cho khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng đo thì cần gạt chạy từ đầu này đến đầu kia của biến trở .

Đại lượng m xác định vị trí cần gạt có thể xác định theo công thức :

$m = Δ Rt . \frac{R_{2}}{Rp (R_{2} + R_{3})}$ => m : Tỷ lệ với độ biến đổi R_t

Nhận xét: - Số chỉ cầu không phụ thuộc vào điện áp U

- Số chỉ phụ thuộc tuyến tính vào sự biến đổi của tham số cần đo

- Thực hiện phép đo tự động

- Sơ đồ mắc 3 dây cho phép loại bỏ điện trở của dây dẫn

- Có thêm các bộ KĐĐT và động cơ thuận nghịch

- Khó đo được điện trở nhỏ

Lôgômmét ( Tỷ số kế )

Sơ đồ nguyên Lý:

Điện trở hai khung như nhau = R_k = R_k1 = R_k2, hai khung đặt lệch nhau 1 góc θ

E là nguồn điện một chiều cho dòng điện i₁ đi qua khung dây P₁, dòng điện i₂ qua khung dây P₂ và và nhiệt kế điện trở R_t.

Các mô men quay M₁ = k₁. B₁ . i₁

M₂ = k₂_{. B₂ . i₂}

Các khung dây quấn sao cho M₁ và M₁ ngược chiều

=> k₁. B₁ . i₁= k₂_{. B₂ . i₂}

⇒ $\frac{i_{1}}{i_{2}} = \frac{K_{2} . B_{2}}{K_{1} . B_{1}} = \frac{B_{2}}{B_{1}}$ = f(φ)

( Do K₁ = K₂ phụ thuộc kết cấu của khung dây, còn tỷ số giữa B₂ và B₁ phụ thuộc vị trí khung dây φ ). Ngoài ra i₁ và i₂ là dòng của 2 nhánh.

⇒ $\frac{i_{1}}{i_{2}} = \frac{R_{t} + R_{k}}{R + R_{k}}$ ⇒ Rt = f(φ)

Tùy theo vị trí của kim mà ta sẽ biết được R_t hoặc nhiệt độ t tương ứng theo R_t.

Nhận xét :

- Quan hệ này nói chung không phải là đường thẳng. Tuy nhiên ta cấu tạo sao cho từ trường càng ra ngoài càng yếu và φ < 22^o thì quan hệ R_t = f(φ) là đường thẳng.

- Do có 3 đoạn dây nhỏ => nếu đứt 1 trong 3 dây thì mô men bị triệt tiêu và kim dao động => hỏng kim.

- Khi đứt mạch chính thì kim không chỉ.

- Nguồn điện không gây sai số đó (thường dùng E = 4v).

Sơ đồ lôgômmét đặt trong cầu không cân bằng:

Phối hợp tỷ số kế với cầu điện không cân bằng thì sẽ được một công cụ đo có nhiều tính năng tốt hơn loại tỷ số kế đơn giản trên để dùng trong công nghiệp.

R_KT dùng để kiểm tra sự chính xác ban đầu của lôgômmét ( R_KT = R_t).

Nhận xét :

Dùng cầu không cân bằng nhằm tăng tỷ số dòng qua 2 khung $\frac{i_{1}^{'}}{i_{1}^{''}}$ (Do khi các dòng $i_{1}^{'}$ và $i_{1}^{''}$ thay đổi theo nhiệt độ ) => độ nhạy cao hơn.

Nhờ cầu điện cho dòng điện không cân bằng đi qua nên khi $i_{1}^{'}$ và $i_{1}^{''}$ thay đổi thì tổng số $\frac{i_{1}^{'}}{i_{1}^{''}}$ tăng.