III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
X.2 Thiết bị đo nhiệt độ
X.2.4 Nhiệt kế điện trở
Nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ dựa trên nguyên tắc: Điện trở của các sợi dây kim loại có dòng điện chạy qua sẽ tăng lên nếu đốt nóng các sợi dây này.
195
Hình 10.18: Các hình thức kết cấu của đầu cảm nhiệt kế điện trở:
a – quấn lên thân dẹt bằng mica; b – quấn lên thân bằng sứ; c – quấn lên thân dẹt có bọc ngoài.
Sự phụ thuộc của điện trở theo nhiệt độ được xác định trong quá trình hiệu chỉnh và được biểu diễn dưới dạng các đồ thị hoặc hàm số. Nhiệt kế điện trở bao gồm sợi dây điện trở thích hợp làm đầu cảm nhiệt độ, thiết bị đo (mạch đo, dụng cụ chỉ) và nguồn điện.
Hình 10.17 giới thiệu sơ đồ nguyên lí của nhiệt kế điện trở.
X.2.4.1. Phạm vi sử dụng nhiệt kế điện trở
Nhiệt kế điện trở được sử dụng rộng rãi ở những phép đo đòi hỏi độ chính xác cao, các vị trí đo không thể đi đến để đọc trực tiếp kết quả đo hoặc số điểm đo rất nhiều mà chỉ bố trí được một thiết bị chỉ.
Nó được sử dụng để đo nhiệt độ trong khoảng -220 đến +6000C (trong các trường hợp đặc biệt có thể đo ở nhiệt độ cao hơn).
Nó đặc biệt thích hợp cho việc xác định nhiệt độ trung bình cho một trường nhiệt độ rộng, bằng cách căng sợi dây điện trở trong diện tích muốn đo đó.
Trong trường hợp này nhiệt kế phải có kết cấu phù hợp với vị trí đo đó. Một nhiệt kế điện trở đơn giản để đo nhiệt độ trung bình của một trường nhiệt độ gồm có nhiều sợi dây điện trở căng tự do trong môi trường đo. Ở đây phải chú ý rằng môi trường đo không phá hoại, ăn mòn dây điện trở hoặc làm biến dạng trong dây điện trở (ví dụ tốc độ cao của dòng chất lỏng hoặc chất khí).
Hình 10.19: Nhiệt kế điện trở và cơ cấu bảo vệ
Tuy nhiên, nhiệt kế điện trở có 2 nhược điểm là: không đo được nhiệt độ của một điểm và yêu cầu nguồn điện đi kèm.
X.2.4.2. Kết cấu của nhiệt kế điện trở.
Hình dạng kết cấu của nhiệt kế điện trở phụ thuộc rất nhiều vào mục đích sử dụng của nó (xem mục X.2.4.1). Nếu như ở vị trí đo mà môi trường đo không gây phá hoại hoặc tác dụng lên dây điện trở thì nó có thể được căng một cách tự do trong môi trường đo. Chú ý phải bảo đảm sự cách điện tuyệt đối.
Đại đa số các trường hợp dây điện trở được quấn lên các thân cách điện như hình 10.18. Thân có thể phẳng, tròn hoặc hình chữ nhật. Vật liệu của thân cách điện phụ thuộc nhiệt độ môi trường đo.
Khi sử dụng đến 2000C có thể dùng vật liệu nhân tạo, đến 3000C dùng mica, ở nhiệt độ cao hơn dùng thủy tinh hoặc sứ cách điện. Nhiệt kế điện trở bán ở
thị trường thì dây điện trở quán trên ống thạch anh hoặc thủy tinh, bên ngoài được bọc bằng thủy tinh mỏng và hàn chung với nhau. Ngoài ra nó còn thường được đặt trong ống bảo vệ chống lại các tải trọng cơ học (hình 10.19).
Muốn cho truyền nhiệt tốt, từ môi chất cần đo đến dây điện trở cần phải bảo đảm các khe hở nhỏ nhất. Người ta có thể cho vào các khe hở này bộ kim loại để cải thiện sự truyền nhiệt. Dây dẫn trong được nối từ dây điện trở ra ngoài, thường dùng dây đồng (Cu), niken (Ni), constantan và bạc (Ag), trong các trường hợp đặc biệt sử dụng vàng (Au). Nó phải được cách điện rất tốt. Dây dẫn trong thường có điện trở 3 Ω, dây dẫn ngoài có điện trở 7 – 10 Ω. Điện trở của dây đo (đầu cảm nhiệt độ) ở nhiệt độ 00C thường là 100 Ω và trong một số trường hợp sử dụng 50 Ω.
X.2.4.3. Sơ đồ mạch đo của nhiệt kế điện trở
Hiện nay người ta có hai phương pháp đo điện trở, đó là phương pháp chỉ trực tiếp và phương pháp cân bằng. Ở phương pháp đo điện trở người ta còn phân biệt theo máy chỉ, đó là đồng hồ đo quấn tròn và quấn chéo. Phương pháp chỉ trực tiếp cho phép đọc trực tiếp nhiệt độ hoặc điện trở trong máy chỉ, không phải qua sự điều chỉnh nên được ưa
thích hơn cả. Nó được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và trong cả một số phòng thí nghiệm khi mà phép đo không đòi hỏi độ chính xác cao lắm. Trong các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao thường sử dụng phương pháp cân bằng vì nó có độ chính xác cao hơn.
Hình 10.20a giới thiệu sơ đồ mạch của phương pháp cân bằng dưới dạng cầu. Trong sơ đồ này điện trở làm nhiệt kế nằm trong một nhánh của cầu. Qua thay đổi giá trị của biến trở W làm cho điện kế “không” không có dòng điện chạy qua. Ở biến trở W có khắc vạch để đọc được nhiệt độ. Nguồn điện sử dụng ở đây thường là pin, acquy hoặc nguồn điện từ luối điện qua bộ nắn dòng. Điện thế đo thường sử dụng 6 V.
Hình 10.20: Sơ đồ mạch của phương pháp cân bằng:
a – sơ đồ mạch 2 dây dẫn; b – sơ đồ mạch 3 dây dẫn.
Ở phương pháp cân bằng điện trở được đo trong tình trạng không có dòng điện chạy qua cho nên điện thế không ảnh hưởng đến kết quả đo. Ở đây có sự thay đổi điện trở của dây dẫn vì nhiệt độ thay đổi sẽ xuất hiện sai số. Sai số này có thể loại trừ được nhờ có sơ đồ 3 dây của phương pháp cân bằng chỉ ra ở hình 10.20b. Theo sơ đồ này người ta đặt hai dây dẫn của nhiệt kế vào hai nhánh của cầu vì vậy sự thay đổi điện trở của chúng được cân bằng. Dây dẫn thứ ba được nối từ dây của nhiệt kế qua điện kế. Ở những phép đo đòi hỏi độ chính xác rất cao, ta dùng phương pháp chiết áp (potentiometer).
Hình 10.21: Sơ đồ mạch của phương pháp chỉ trực tiếp với đồng hồ kiểu cực quay.
Nhược điểm cơ bản của phương pháp cân bằng là quá trình điều chỉnh rất phức tạp và lâu. Người ta có thể sử dụng điều chỉnh tực động song thiết bị đo rất phức tạp. Trong phương pháp chỉ trực tiếp người ta có thể dùng hai loại máy
chỉ khác nhau: máy chỉ kiểu cực quay và máy chỉ kiểu chiết áp. Hình 10.21 giới thiệu mạch cầu đơn giản nhất của phương pháp chỉ trực tiếp gồm có 3 điện trở cố định. Giá trị chỉ của điện kế G biểu thị giá trị nhiệt độ của nhiệt kế điện trở. Nhược điểm của sơ đồ này là giá trị chỉ phụ thuộc rất nhiều vào điện thế. Qua điện trở điều chỉnh người ta muốn giữ cho dòng trong cầu luôn luôn không đổi. Tất nhiên nhiệm vụ này có thể thực hiện được nhờ một bộ ổn áp.
Phương pháp chỉ trực tiếp dùng đồng hồ kiểu chiết áp ngày nay được sử dụng rộng rãi, loại này cũng có thể mắc theo sơ đồ mạch cầu. Hình 10.22a, b biểu diễn sơ đồ mạch đo này. Ưu điểm căn bản của nó so với các phương pháp chỉ trực tiếp khác là không phụ thuộc điện thế nguồn. Hình thức kết cấu của đồng hồ đo cũng thể hiện rất phong phú.
Hình 10.22a là kiểu quấn chữ thập, có hai cuộn dây được quấn đan vào nhau và nó không cần lực cơ khí ngược chiều để đưa kim về vị trí ban đầu. Trong đó một cuộn dây được nối với điện trở đo và với điện trở cân bằng của dây dẫn, một cuộn dây khác được nối với điện trở so sánh cố định. Tỷ số dòng điện đi qua hai cuộn dây được chỉ bởi kim của máy đo và giá trị này có thể được hiệu chỉnh trực tiếp ra nhiệt độ. Với sơ đồ tương tự nhưng trường hợp vị trí đo và máy chỉ đặt quá xa nhau, ngườ ta dùng mạch 3 dây dẫn. Ở đó đầu nối của điện trở so sánh B được chuyển đến điểm nối dây dẫn của nhiệt kế điện trở. Kết cấu như vậy khi thay đổi nhiệt độ của dây dẫn sẽ ảnh hưởng đến hai mạch như nhau nên cho phép loại trừ được sai số về điện trở của dây dẫn.
Hình 10.22b giới thiệu sơ đồ mạch đo với đồng hồ hai cuộn dây mắc mạch cầu. Nó cũng không phụ thuộc điện thế của nguồn. Đồng hồ đo trong mạch cầu biểu diễn ở hình b được quấn theo dạng chữ T. Cuộn dây nối với đường chéo của cầu được nối với mạch đo còn cuộn kia là cạnh của cầu dùng để quay kim trở về vị trí ban đầu. Theo phương pháp
Hình 10.23: Định nghĩa về hằng số nhiệt điện trở.
mạch cầu này, để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở của dây dẫn, người ta cũng có thể lắp cầu có 3 dây tương tự như hình 10.20b
Hình 10.22: Sơ đồ của phương pháp chỉ trực tiếp với đồng hồ kiểu chiết áp;
a – đồng hồ quấn hình chữ thập; b – đồng hồ quấn chữ T.
Trong các kết cấu của nhiệt kế điện trở cũng có kết cấu cho phép đo chênh lệch nhiệt độ. Nếu muốn đo nhiệt độ của nhiều vị trí khác nhau bằng nhiều nhiệt kế điện trở, người ta cũng có thể dùng một máy chỉ với một bộ công tác hai cực. Song bộ công tắc hai cực này phức tạp hơn bộ công tác hai cực dùng cho cặp nhiệt ngẫu. Ở bộ công tắc này phải bảo đảm trước khi đổi mạch (cho điện trở khác) phải cắt nguồn điện vì nếu không dễ gây quá tải trên đồng hồ đo. Sau khi nối vào mạch đo mới, người ta lại cho nguồn vào.
Những bộ công tắc như vậy người ta phải chú ý giữ cho điện trở nhỏ và không thay đổi.
Hiện nay có những bộ công tắc có thể nối cho 24 điểm đo trên cùng một thiết bị chỉ.
X.2.4.4. Vật liệu làm nhiệt kế điện trở
Vật liệu làm nhiệt kế điện trở phải bảo đảm các yêu cầu sau:
- Điện trở làm thay đổi một cách đều đặn và liên tục.
- Hằng số nhiệt độ lớn.
- Vật liệu dễ đạt được chất lượng đồng đều có khả năng thay thế được khi sử dụng.
- Có thể gia công thành các sợi mảnh có đường kính khoảng 0,05 đến 0,2 mm.
- Ngoài ra phải có độ bền tốt ở nhiệt độ cao (oxy hóa, nóng chảy).
Người ta còn đưa ra định nghĩa về độ dốc của đường cong bằng một giá trị gọi là hằng số (hệ số) nhiệt độ của vật liệu. Hằng số nhiệt độ là sự tăng điện trở tương đối trung
Hình 10.24: Giá trị cơ bản của nhiệt kế điện trở platin và niken.
bình trong phạm vi nhiệt độ giữa 0 ÷ 1000C khi nung nóng 10C, được quy về 00C và kí hiệu là α (hình 10.23). Giá trị điện trở của nhiệt kế điện trở niken và platin được cho ở bảng 10.4.
Vật liệu dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở phổ biến nhất là platin và niken. Hình 10.24 giới thiệu đồ thị của sự phụ thuộc của nhiệt độ vào điện trở của hai vật liệu quan trọng đó. Đồ thị trên biểu diễn khoảng đường cong được sử dụng cho việc đo nhiệt độ trong phạm vi lâu dài của hai kim loại trên.
Platin là loại vật liệu tốt nhất bảo
đảm các yêu cầu trên và do nhiệt độ nóng chảy cao cũng như tính chống ăn mòn tốt nên có thể dùng để đo nhiệt độ đến 1100C. Song platin có nhược điểm là giá thành cao nên người ta thường thay thế nó bằng loại vật liệu khác nếu có thể được.
Niken có hằng số nhiệt độ rất cao, tùy theo độ tinh khiết của nó có thể đạt đến 6,75.10-3. Trong sử dụng thường cho giá trị α = 6,17.10-3. Trong khoảng nhiệt độ từ -65 đến +15 nhiệt kế điện trở niken có tính chất tốt hơn nhiệt kế điện trở platin. Tuy vậy nó không chịu được môi trường của hơi và khí ăn mòn. Ở các môi trường đó phải dùng hợp kim vàng-bạc để đo nhiệt độ giữa -30 và +1200C.
Vàng có hệ số nhiệt độ 4,0.10-3. Ở nhiệt độ đến 4000C nó rất bền đối với môi trường ăn mòn, ngay cả với lưu huỳnh và khí amoniac. Song vàng lại có điện trở rất nhỏ, so với platin điện trở của vàng bằng khoảng 1/5. Vì vậy để có trị số điện trở giống như của platin khi có đường kính bằng nhau phải có khối lượng vàng gấp 5 lần platin. Vì vậy rất đắt và tốn kém.
Bảng 10.4: Điện trở của nhiệt kế điện trở platin và niken.
Nhiệt độ
0C
Platin α = 6,17.10-3
(độΩ)-1
Niken α = 6,17.10-3
(độΩ)-1
Nhiệt độ
0C
Platin α = 3,85.10-3
(độΩ)-1
- 200 18,53 + 200 175,86
- 180 27,05 + 220 183,20
- 160 35,48 + 240 190,49
- 140 43,80 + 260 197,75
- 120 52,04 + 280 204,94
- 100 60,20 + 300 212,08
- 80 68,28 + 320 219,16
- 60 76,28 69,50 + 340 226,20
- 40 84,21 79,10 + 360 233,19
- 20 92,13 89,30 + 380 239,15
0 100,00 100,00 + 400 247,07
+ 20 107,80 111,30 + 420 253,95
+ 40 115,54 123,00 + 440 260,04
+ 60 123,34 135,30 + 460 267,57
+ 80 130,91 148,20 + 480 274,31
+ 100 138,50 161,70 + 500 280,94
+ 120 146,07 175,90
+ 140 153,59 190,90
+ 160 160,06 206,70
+ 180 168,48 223,10
Sắt rất nhạy cảm với môi trường oxy hóa nên nếu được sử dụng cũng chỉ đo được đến 1000C. Hằng số nhiệt độ của sắt nguyên chất là 6,5.10-3, song nó bị ảnh hưởng rất lớn của tạp chất, ví dụ như thành phần cacbon. Cho đến nay người ta còn gặp rất nhiều khó khăn hay có thể nói là chưa đạt được việc cung cấp dây sắt có chất lượng đồng đều về điện trở. Vì vậy trong thực tế sắt rất ít được sử dụng. Đồng (Cu) cũng có tính chất tương tự, ngoài ra đồng có điện trở rất nhỏ. Vì vậy nhiệt kế điện trở bằng đồng chỉ dùng trong một số trường hợp rất hạn chế, ví dụ như máy phát hoặc biến áp để đo sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình làm việc (sự phát nóng).
Bên cạnh các nhiệt kế điện trở bằng kim loại còn có loại nhiệt kế điện trở bằng vật liệu bán dẫn và vật liệu sứ. Ở Mỹ, nhiệt kế điện trở bằng bán dẫn được sử dụng khá phổ biến trong các thiết bị điều chỉnh nhiệt độ có hằng số điện trở khoảng 10-2/độ và gọi là thermistor. Vật liệu bán dẫn thường dùng đo nhiệt độ trong khoảng từ -50 đến +4500C.
Đặc điểm của loại vật liệu này là có thể dùng để sản xuất được nhiệt kế điện trở có kích thước rất nhỏ, nên tạo điều kiện để đo nhiệt độ gần như của một điểm. Các vật liệu bán dẫn thường có hệ số nhiệt độ âm, tức là điện trở càng giảm khi nhiệt độ càng tăng.
X.2.4.5. Độ chính xác của phép đo
Điều kiện tiên quyết bảo đảm cho phép đo nhiệt độ bằng nhiệt kế điện trở được thực hiện hoàn hảo là đảm bảo sự cách điện tốt của tất cả các chi tiết dẫn điện, tức là cách điện với đất và giữa các thành phần. Điện trở cách điện của các dây dẫn phải đạt ít nhất là 20 mΩ.
Ngoài ra phải chú ý đến sự nung nóng dây điện trở do dòng điện đo chạy qua. Để loại trừ sai số này, dòng điện đo không được vượt quá 10 mA. Độ chính xác phép đo nói chung nằm trong phạm vi độ chính xác của dụng cụ chỉ.
Giới hạn sai số trong phép đo nhiệt độ bằng nhiệt kế điện trở được quyết định bởi các nhân tố như vật liệu làm đầu cảm nhiệt, sự thận trọng trong quá trình hiệu chỉnh điện trở với nhiệt độ chuẩn cũng như sơ đồ mạch của quá trình đo. Ngoài ra trước khi đưa vào sử dụng hệ thống đo phải đưa trị số điện trở của dây dẫn về trị số điện trở đã được xác định trong lúc hiệu chỉnh.
Trong thực tế có thể thực hiện quá trình xác định giá trị của điện trở cân bằng như sau: người ta lắp thay thế đầu cảm nhiệt kế điện trở bằng một điện trở thay thế không phụ thuộc nhiệt độ. Điện trở thay thế này có giá trị điện trở tương ứng với điện trở đo (điện trở đầu cảm) ở một nhiệt độ nhất định nào đó, ví dụ ở 1500C. Người ta thay đổi giá trị của điện trở cân bằng cho đến khi máy đo chỉ nhiệt độ cho trước, tức là 1500C. Như vậy thì điện trở dây dẫn bằng giá trị lúc hiệu chỉnh.
Nếu có một sơ đồ mạch đo thích hợp thì độ chính xác của phép đo bằng nhiệt kế điện trở được dùng trong các xí nghiệp bằng độ chính xác của nhiệt kế thủy ngân. Nếu sử dụng các máy đo (máy chỉ) chính xác cao và có các mạch đo thích hợp thì độ chính xác của phép đo nhiệt độ bằng nhiệt kế điện trở đạt được cao nhất, sai số sinh ra có thể hạn chế nhỏ hơn 0,1%. Cho nên có thể nói rằng đo nhiệt độ bằng nhiệt kế điện trở là phương pháp đo nhiệt độ chính xác nhất trong phạm vi từ 0 đến +6000C.
Ngoài ra sai số về điện thế của nguồn đo có thể xem xét ở mục X.3.8.3. Ở đó còn trình bày các phương pháp loại trừ sai số do điện trở dây dẫn thay đổi theo nhiệt độ gây ra.