Chương 8: ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG ĐIỆN TRỞ 5.3.1 Độ nhạy nhiệt Trong trường hợp tổng quát, giá trò của một điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ: R(T) = R 0 F(T-T 0 ) (5-6) R 0 là điện trở ở nhiệt độ T 0 và F là hàm đặc trưng cho vật liệu, F=1 khi T=T 0 . Trường hợp kim loại : R(T) = R 0 (1+AT+BT 2 + CT 3 ) (5-7) Trong đó T đo bằng độ o C và T 0 =0 o C Trường hợp nhiệt điện trở (hỗn hợp của các oxit bán dẫn): R(T) = R 0 .exp{B[ 0 11 TT  ]} (5-8) Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối. Các hệ số được xác đònh chính xác bằng cách đo những nhiệt độ đã biết trước. Khi đã biết giá trò của các hằng số, từ giá trò của R người ta xác đònh được nhiệt độ cần đo. Khi độ biến thiên nhiệt độ T (xung quanh giá trò T) nhỏ, nhiệt độ có thể thay đổi theo hàm tuyến tín: R(T+ T)=R(T).(1+ R T) (5-9)  R = dT dR TR )( 1 (5-10)  R là hệ số nhiệt độ của điện trở hay độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. Hệ số  R phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ. Thí dụ, ở nhiệt độ 0 o C: -Platin (Pt) có hệ số  R = 3,9.10 -3 / o C. -Một số loại nhiệt điện trở có  R = 5,2.10 -2 / o C. Chất lượng của thiết bò đo xác đònh giá trò nhỏ nhất mà nó có thể đo được      0 R R min do vậy nó cũng xác đònh sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được      0 R R min  T min nghóa là T min = R  1      0 R R min Thí dụ, nếu      0 R R min =10 -6 và đối với những phép đo xung quanh điểm o C thì: - T min  2,6.10 –4o C đối với điện trở Pt - T min  2,0.10 -5o C đối với nhiệt điện trở Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở phụ thuộc đồng thời vào điện trở suất  và kích thước hình học của nó. Đối với một dây điện trở chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ được tính theo biểu thức:  R = dT dR TR )( 1 = dT ds sdT dl ldT d 111    (5-11) Trong đó :      dT d 1 - hệ số nhiệt độ của điện trở suất của vật liệu l dT dl l   1 -hệ số co giãn của vật liệu l dT ds s  2 1  Do đó: lR       Thông thường các điện trở sử dụng để đo nhiệt độ có các hệ số  R 10 -3 / C 0 , và  l 10 -5 / C 0 , cho nên trên thực tế R = P . 5.3.2 Điện trở kim loại 5.3.2.1 Chọn Kim Loại Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác người ta thường làm điện trở bằng Pt, Ni. Đôi khi còn dùng Cu, W để chế tạo điện trở. Plantin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999 ). Điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính chất điện củavật liệu. Ngoài ra, tính trơ về hoá học và sự ổn đònh về cấu trúc của plantin đảm bảo sự ổn của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này. Các điện trở làm bằng platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng với T=-200 C 0 1000 C 0 nếu như vỏ bảo vệ của nó cho phép. Nikel có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin. Điện trở của nikel ở 100 C 0 lớn gấp 1,617 lần so với giá trò ở 0 C 0 . Đối với platin sự chênh lệch của điện trở ở hai nhiệt độ này chỉ bằng 1,385. Tuy vậy nikel là chất có hoạt tính hoá học cao, nó dễ bò ôxy hoá khi nhiệt độ làm việc tăng. Điều này làm giảm tính ổn đònh của nó và hạn chế dải nhiệt độ làm việc của điện trở. Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt độ thấp hơn 250 C 0 . Đồng được sử dụng trong một số trường hợp bởi vì sự thay đổi nhiệt của các điện trở chế tạo bằng đồng có độ tuyến tính cao. Tuy vậy, do hoạt tính hóa học của đồng quá lớn nên các điện trở loại này chỉ được sử ở nhiệt độ T<180 C 0 . Ngoài ra, do điện trở suất của đồng nhỏ nên muốn có điện trở trò số cao phải tăng chiều dài của dây làm tăng kích thước của điện trở. Wonfram có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn. Từ wonfram có thể chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trò số cao, hoặc là tối thiểu hoá kích thước của các điện trở. Tuy nhiên ứng suất (tạo ra trong quá trình kéo sợi) trong wonfram rất khó có thể bò triệt tiêu hoàn toàn bằng phương pháp ủ nhiệt. Vì thế các điện trở wonfram có độ ổn đònh nhiệt nhỏ hơn so với các điện trở chế tạo từ platin. Trong bảng 5.2 dưới đây liệt kê một số đặc trưng vật lý quan trọng của các vật liệu thường được sử dụng để chế tạo điện trở. Các ký hiệu trong bảng có ý nghóa như sau: T f - nhiệt độ nóng chảy c - nhiệt lượng riêng ở 20 o C t  - độ dẫn nhiệt l  - hệ số giãn nở tuyến tính  - điện trở suất ở 20 o C   - hệ số nhiệt độ của điện trở suất ở 20 o C Bảng 5.2 Cu Ni Pt W )( CT o f 1083 1453 1769 3380 )( 11  kgCJc o 400 450 135 125 )( 11  mCW o t  400 90 73 120 )( 1 C o l  16,7. 10 - 6 12,8. 10 - 6 8,9. 10 -6 6. 10 -6 ).( m   1,72. 10 - 8 10. 10 -8 10,6. 10 - 8 5,52. 10 - 8 )( 1 C o   3,9. 10 -3 4,7. 10 -3 3,9. 10 -3 4,5. 10 -3 5.3.2.2 Chế Tạo Nhiệt Kế Giá trò điện trở và kích thước dây: Một cách tổng quát, sự thay đổi nhiệt của một điện trở R=R R T sẽ gây nên một điện áp do V m =R.i, trong đó i là dòng điện chạy qua điện trở. Thông thường i được giới hạn ở giá trò một vài mA để tránh làm nóng đầu đo. Để có độ nhạy cao phải sử dụng các điện trở tương đối lớn. Muốn vậy phải: - Giảm tiết diện dây. Việc này bò hạn chế bởi vì tiết diện dây càng nhỏ thì dây càng dể bò đứt. - Tăng chiều dài dây. Việc này cũng bò giới hạn vì tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở. Giải pháp nhân nhượng : Một giải pháp nhân nhượng thường được áp dụng: ấn đònh giá trò R  100 ở 0 o C. Khi đó, nếu dùng platin đường kính dây cỡ vài chục m và chiều dài khoảng 10cm, sau khi cuốn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở 0 o C là 50 , 500, và 1000. Các điện trở trò số lớn thường được sử dụng để đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt. Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động. Trong trường hợp này điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm đặt trong vỏ kín bằng thép. Khi chọn vật liệu chế tạo nhiệt kế cần chú ý đến hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu cấu thành để tránh gây ứng suất trong quá trình làm việc. Độ kín của vỏ bọc cần được đảm bảo một cách tuyệt đối. Ngoài ra vật liệu bọc dây điện trở phải có độ cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân có thể dẫn đến làm hỏng kim loại. Vì lý do này mỗi loại vật liệu chỉ được dùng trong một khoảng nhiệt độ nhất đònh: dưới 500 o C đối với thủy tinh và dưới 10000 o C đối với gốm. Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Nó thường được chế tạo bằng phương pháp quan hoá và sử dụng các vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt (Pt được sử dụng khi cần độ chính xác cao). Chiều dày lớp kim loại cỡ một vài m và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm 2 . Các đặc trưng của nhiệt kế bề mặt như sau: -Độ nhạy  R : 5. 10 -3 / o C đối với trường hợp Ni và Fe-Ni 4. 10 -3 / o C đối với trường hợp Pt -Dải nhiệt độ sử dụng: từ - 195 o C đến 260 o C đối với Ni và Fe-Ni từ - 260 o C đến 1400 o C đối với Pt Khi sử dụng nhiệt kế được dán trên bề mặt cần đo nhiệt độ. Tỷ lệ bề mặt /thể tích cao và trở kháng nhiệt nhỏ của đế đảm bảo cho thời gian hồi đáp cỡ mili giây. Tuy nhiên cần phải lưu ý là nhiệt kế bề mặt rất nhặy với mọi biến dạng của cấu trúc bề mặt được dán nhiệt kế. Hệ số cảm biến của nikel phụ thuộc vào biến dạng: giá trò của nó nhỏ khi bò nén. Bởi vậy nếu không thể dán nhiệt kế trên vùng không có biến dạng thì tốt nhất là dán nó trên vùng bò biến dạng nén. Một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sai số của phép đo là biến dạng gây nên do sự khác nhau giữa độ giãn nở của nhiệt kế và của cấu trúc nằm dưới bề mặt. Hiệu ứng này đặc biệt lớn khi nhiệt độ đo lớn hơn nhiều so nhiệt đô(â của môi trường xung quanh. Bởi vậy các nhà thiết kế phải được cung cấp những số liệu về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ đối với vật liệu cần đo. . 1 083 1453 1769 3 380 )( 11  kgCJc o 400 450 135 125 )( 11  mCW o t  400 90 73 120 )( 1 C o l  16,7. 10 - 6 12 ,8. 10 - 6 8, 9. 10 -6 6. 10 -6 ).( m   1,72. 10 - 8 10. 10 -8 10,6. 10 - 8 5,52 để chế tạo điện trở. Plantin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999 ). Điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính chất điện củavật liệu. Ngoài ra, tính trơ về hoá học và. m   1,72. 10 - 8 10. 10 -8 10,6. 10 - 8 5,52. 10 - 8 )( 1 C o   3,9. 10 -3 4,7. 10 -3 3,9. 10 -3 4,5. 10 -3 5.3.2.2 Chế Tạo Nhiệt Kế Giá trò điện trở và kích thước dây: Một cách tổng quát, sự thay