CHƯƠNG 4
ĐO NHIỆT ĐỘ
Chuẩn đầu ra của chương:
_ Định nghĩa năng lượng nhiệt ,mối quan hệ giữa thang đo nhiệt độ và năng lương nhiệt , và
phương pháp cân chuẩn thang đo nhiệt độ .
_ Hiểu biết cách chuyển đổi các đơn vị nhiệt độ khác nhau như 0C ( Celsius ) , 0F ( Farenheit)
và nhiệt độ tuyệt đối K ( Kelvin )
_ Thiết kế ứng dụng cảm biến nhiệt điện trở RTD cho một yêu cầu cụ thể của đo nhiệt độ
_ Hiểu biết về nguyên lý hoạt động của cảm biến cặp nhiệt điện và các định lý cơ bản trong
mạch cặp nhiệt .
_ Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt và mạch bù đầu tự do .
_ Hiểu biết về phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc

Hầu như yêu cầu về kiểm soát nhiệt độ là tồn tại trong các ngành công nghiệp quan trọng như
dầu khí , công nghiệp thực phẩm , công nghiệp nhựa , sản xuất vật liệu xây dựng ….Như thế ,
tầm nhiệt độ phù hợp cho các hoạt đông sản xuất này cũng trãi rất rộng , có thể từ nhiệt độ âm
hàng trăm 0C đến dương hàng ngàn 0C. Tương tự , các phép đo là đa dạng như dạng tiếp xúc
trực tiếp với nguồn nhiệt cần đo hoặc không tiếp xúc mà nhờ vào ảnh nhiệt để suy ra nhiệt độ.

4.1 Mối quan hệ cơ bản giữa vật liệu và nhiệt độ
Các vật thể dù từ tự nhiên mà có hay do chúng ta tự tạo ra đều là sự kết hợp của các nguyên tử
.Thế giới vật lý tồn tại dưới dạng : chất rắn , chất lỏng và chất khí tùy theo mức độ chặt chẽ của
sự liên kết các nguyên tử/ phân tử cấu tạo nên chúng.Khi vật thể nhận được thêm năng lượng từ
bên ngoài , chẳng hạn như nhiệt năng , tốc độ dao động của các nguyên tử /phân tử gia tăng
nhanh chóng.Nếu ta lấy giá trị trung bình của năng lượng nhiệt của mọi nguyên tử/phân tử
ta được nhiệt độ của vật thể. Khi tốc độ dịch chuyển của các nguyên tử/phân tử tăng lên thì nhiệt
độ của vật thể tăng lên. Nếu muốn đo lường trực tiếp nhiệt năng là không thể được mà ta chỉ
nhận biết tác dụng của nó qua sự thay đổi của nhiệt độ.Đôi khi , sự tăng nhiệt lượng không phải
lúc nào cũng làm tăng nhiệt độ . Chẳng hạn như khi nước đã sôi , nếu tăng nhiệt lượng chỉ làm





10650C . Các điểm nhiệt độ này tương ứng với trạng thái cân bằng xảy ra trong quá trình chuyển
pha vậtchất của một số vật liệu tiêu biểu sau :

Bảng 4.1
Vật liệu

Trạng thái cân bằng chuyển pha0C

Oxigen

khí >>> lỏng

-182.962

Nước

khí >>> lỏng>>> rắn

0.01

Nước

lỏng >>> khí

100.00

Kẽm


rắn >>> lỏng

231.968

Chì

rắn >>> lỏng

327.502

Lưu huỳnh

khí >>> lỏng

444.6

Antimoine

rắn >>> lỏng

630.74

Nhôm

rắn >>> lỏng

660.37

Khi nhiệt độ ở trong khoảng giữa các điểm nhiệt độ đã xác định ( các điểm nhiệt độ sơ cấp và
thứ cấp ) ,nhiệt độ được xác định bởi các đáp ứng của các cảm biến nhiệt đại diện tiêu biểu .

Vật liệu làm chuẩn

lưu huỳnh

nhiệt kế dùng cặp nhiệt

Phương trình chuẩn

phương trình
có dạng parabol

Antimoine , bạc , vàng phương trình dạng parabol
Định luật Planck

Quang hỏa kế

4.3.2 Quan hệ các đơn vị nhiệt độ
Các đơn vị nhiệt độ xuất phát từ các cách cân chuẩn khác nhau .Thang nhiệt độ tương
đối chỉ khác thang nhiệt độ tuyệt đối ở sự dịch điểm zero. Như vậy khi hai thang nhiệt độ
này chỉ cùng điểm nhiệt độ zero thì chúng không có cùng ở mức nhiệt năng zero. Tương ứng
là hai hệ thống đơn vị nhiệt độ : 0C ( tương ứng là 0F ) và K ( tương ứng là R) .
T( 0C ) = T( K ) – 273.15
T(0F) = T (R ) – 459.6
Hay :

T(0 F) = 9/5 T(0C) +32

4.4 Cảm biến nhiệt có mô hình dạng thụ động
4.4.1 Cảm biến nhiệt điện trở RTD ( Resistance Temperature Detector)
Kim loại là sự kết hợp của các nguyên tử trong chất rắn theo đó các nguyên tử riêng


Công nghiệp

Cách dùng
- 200  5000C

I,A

- 200  6480C

I , S ,A

dễ vỡ
chắc chắn

I ngâm trong nước A không khí S đo bề mặt

mica

Muốn chế tạo cảm biến Pt , ta dùng dây Pt có ∅ 7  50μm
quấn trên lỏi ceramic hình trụ và được bao bọc một lớp
mica mõng cách điện trước khi cho vào vỏ kim loại.

Dây Pt

Sứ

Quan hệ điện trở/nhiệt độ của Pt100




 T  100  T
 T  100   T  
 1   T   


  
 100  100
 100   100  

3

Với : ∝ , β , δ là các hằn số cân chuẩn như sau :
_ ∝ được xác định khi đo Pt100 ở 1000C
_

{ ∝ = 0.00390C-1 }

β được xác định khi đo Pt ở -182.960C và β = 0 khi nhiệt độ dương

_  được xác định khi đo Pt ở 444.70C

{  = 1.49 }

Hệ số nhiệt của điện trở kim loại
Tính chất điện trở kim loại thể hiện sự phụ thuộc cho đặc trưng biến đổi theo nhiệt đô tùy theo
hệ số nhiệt độ của nó
=

R

đến vài trăm 0C ,khi đó mối quan hệ điện trở /nhiệt độ thường được cho bởi phương trình tuyến
tính hóa trong khoảng nhiệt độ T1 và T2 được viết :

R (T ) = R (T0) { 1 + 0T }
Với

T1 < T < T2

T = T – T0 , R (T) điện trở tại nhiệt độ T , R(T0) điện trở tại nhiệt độ T0
0 tỉ số thay đổi điện trở cho mỗi 0C tại T0
0 =

1
R(T

0

R R 


)T T 
2

1

2

1

Thí dụ : Cảm biến nhiệt điện trở có bảng đặc tính sau :

85

111.46

90

112.53

đến 750F và được biểu diễn :
R(T) = 108.22 [ 1 + 0.002(T – 700F)]

Chuyển đổi 200C thành 680F
R(680F) = 108.22 [ 1 + 0.022( 68-70)]
= 107.79 Ω

Các thông số ảnh hưởng đế tính chính xác của RTD khi dùng đo nhiệt độ
Ảnh hưởng của sự tự đốt nóng
Do có đặc trưng điện trở ( mô hình thụ động ) ,khi sử dụng RTD luôn phải được cấp nguồn
từ bên ngoài . Dòng điện chảy vào RTD sẽ biến thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của RTD
ngay khi chưa tiếp xúc với nguồn nhiệt cần đo ,dẫn đến sai số . Vì thế , để khắc phục điều này
RTD phải sử dụng để đo nguồn nhiệt có nhiệt độ thường là cao hơn nhiệt độ môi trường.


Đặc trưng này là do khả năng tiêu tán nhiệt được xác định bởi hằng số tiêu tán nhiệt γ
γ( mW/0C) =

PD

T


(0.1 C )(0.006W / C )
I
100

Khi cảm biến ngâm trong nước :

(0.1 C )(0.1W / C )
I
100

0

0

0

= 2.4 mA

0

= 10 mA

Thời gian đáp ứng của RTD
Đáp ứng động của RTD là hàm bậc nhất của bộ lọc thông thấp do quán tính lớn của nhiệt
độ. Thời hằng của RTD khoảng 0.5  5 giây . Tuy nhiên đ85c trưng này còn phụ thuộc vào
cách truyền nhiệt giữa cảm biến và môi trường . chẳng hạn như khi ngâm trong nước thời hằng
có thể lên đến 2 giây .
Ảnh hưởng của dây nối dài cảm biến



. Cảm biến RTD có R0 =100 Ω , =0.00385/0C tại 00C

Rr

γ= 40mW/0C khi ngâm trong nước có vận tốc 0.4 m/s .
Tính chọn Rr khi sử dụng áp chuẩn Vr =5 V .
Giải
Độ phân giải của nhiệt độ cần đo bị giới hạn bởi sự tự đốt nóng bởi vì bất kỳ sự thay đổi của
công suất tiêu tán đều dẫn đế sự thay đổi điện trở .
Nếu muốn :

R

I2









r

  VR r 

2

R

(40mW / C )(o.1 / C )
0

0


Phương pháp dùng cầu điện trở ( Cầu Wheatstone)
Căn cứ vào độ nhạy của RTD : S = R0 với α = 0,0039 Ω /0C
và R0 = 100 Ω của Pt100 thì S
R1
Vr

a
R3

trở < 1Ω khi cần có độ phân giải < 10C sẽ phải dùng phương

R2
Va-Vb

0.4 Ω /0C . Sự thay đổi điện

b
RTD

pháp đo đặc biệt dạng vi sai hay dạng cầu điện trở .
Thông thường mạch gồm 4 nhánh trong đó có 3 nhánh điện
trở có giá trị không đổi ,còn nhánh còn lại là cảm biến RTD

Khi nhiệt độ thay đổi , điều mong muốn sẽ tạo ra được sự

Giải
Áp dụng ; V = 10mV =

(120)(10V )
RTD(10V )

120  120 120  RTD


Giải ra tính được ;

RTD = 119.52 Ω
R = 0.38 Ω

Độ phân giải

Lưu ý với thí dụ này ta thấy độ phân giải của RTD xấp xỉ với độ nhạy cho mỗi 0C của Pt100
Chuẩn hóa điện áp ra từ cầu điện trở và tuyến tính hóa
Vấn đề đặt ra là khi có sự thay đổi điện trở từ RTD điện áp thu được chính là áp offset của cầu
thường rất nhỏ ( như thí dụ trên ) . Vậy nếu muốn ghép nối vào mạch điều khiển hoặc bộ chuyển
đổi A/D ta cần chuẩn hóa điện áp này ở mức 5V ( hoặc 10 V). Hơn nữa , đặc trưng phi tuyến của
RTD có thể được tuyến tính hóa bằng hồi tiếp âm sử dụng trong mạch đo .
Một số mạch sử dụng KĐ OP-AMP có nguồn cung cấp lưỡng cực
cho phù hợp với cầu điện trở đang cấp nguồn đơn cực + VC

 VCC cần phải được ghép

+VCC
_
VC

phục điều này , cầu đo thường được thay đổi cách đấu dây vào RTD từ cách đấu 2 dây thành
cách đấu 3 dây như hình sau :
Điều kiện là các chiều dài l1,l2 và l3 phải có điện trở bằng nhau
c
R1

R2
b

a
R3

l1
L3

d

l2





RTD


BÀI TẬP CHO ĐO NHIỆT ĐỘ DÙNG RTD
Quá trình công nghiệp có mô hình như hình vẽ . Hơi nưóc

Bài thiết kế mẩu

Với điều kiện sai số tối đa 10C do sự tự đốt nóng , sẽ tính dòng điện tối đa chảy qua RTD

I

PD

PD = γ



T = (30 mW/0C)( 10C ) = 30 MW

R 80

I = 13.7 mA
Chọn mạch gia công là cầu điện trở với áp nguồn cung cấp là 5 V ( thưởng sử dụng ) .Xem các
linh kiện trong phần Cầu điện trở Wheatstone ta có :
Chọn R2 : do có dòng điện 13.7 mA chạy qua , sụt áp ngang RTD tại 800C là :
V = IR = (13.7 mA) (159 Ω ) = 2.17 V


Vậy R2 được chọn : ( 5 – 2.17)V / (13.7 )mA = 206.5 Ω Ta sẽ chọn R2 =220 Ω theo chuản
thương mại hơn nữa nếu dòng điện thấp sai số sẽ dễ được thỏa . Để chỉnh cầu cân bằng chọn tiếp
R1 = 220 Ω và dung biến trở chỉnh cho R3 ở 141 Ω .
Để tính các giá trị điện áp lệch của cầu khi RTD thay đổi :
Tại 500C , V =

5

Tại 800C , V =

Mạch cảnh báo dùng mạch so sánh có mức ngưỡng là (13.8)( 0.2338 ) = 3.23 V
+5V
220Ω

220Ω

10KΩ

128KΩ

10KΩ

_

_
141Ω

V0

+

+

RTD
10KΩ

10KΩ

10KΩ


R3= R0(1+x)

Đầu tiên chỉnh R4 để có cầu cân bằng
R1

Đặt k =



R4

-

-

R2
R0

Tính :
a) Điện áp ra V0
b) Gọi Sb =

dV o

dx

là độ nhạy của

cầu . Tính Sb
c) Xét điều kiện cực đại của Sb

Điện áp

T2

T1

Trong thí nghiệm Seebeck phát hiện rằng khi đốt nóng
thanh kim loại tại một đầu , sẽ tạo ra được điện áp giữa

hai đầu của chúng và có độ lớn tỉ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ
và đặc trưng riêng của kim loại. Seebeck phát biểu rằng đó là
hiệu ứng nhiệt điện ( năng lượng nhiệt tạo ra dòng điện ) . Liên quan đến tính chất này còn có các
định luật của Peltier và Thompson . Trong phạm vi ứng dụng vào cảm biến đo nhiệt độ ta chỉ tập
trung vào hiệu ứng Seebeck với cách giải thích dùng nguyên lý bán dẫn .
Kim loại được xem như là vật dẫn điện tốt ( các điện tử tự do dễ dàng bứt ra khỏi cấu tạo
nguyên tử khi nhận được năng lượng từ bên ngoài ) . Tuy nhiên khi ở đều kiện bình thường sự di
chuyển hỗn loạn của các điện tử tự do sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau nên không thể tạo thành dòng điện
. Trong thí nghiệm trên , ở đầu được đốt nóng số điện tử tự do sẽ phát sinh vượt bậc và do hiện
tượng khuyếch tán nó sẽ di chuyển có hướng vè phía đầu còn lại tạo ra dòng điện tử . Trong quá
trình này cũng tạo ra hiện tượng kết hợp giữa điện tử và lổ trống với kết quả tạo ra sự trung hòa
vế điện tích . Sau một thời gian nếu nhiệt năng không tiếp tục tăng , một điện áp tĩnh điện đã
được tạo ra , đó là kết quả của hiệu ứng Seebeck .
Cấu tạo của cảm biến cặp nhiệt dựa trên định luật Seebeck

T1

T2

Nếu chỉ sử dụng một vật liệu kim loại để tạo ra một
vòng dây như hình bên sẽ không tạo ra được điên áp


A

T1

T1
T2

B

B




Đồng

V
Đồng

Khối đẳng nhiệt

Có hai cách tạo thành cảm biến cặp nhiệt :
a ) Dùng hai mối nối cặp nhiệt đấu chung một đầu cùng vật liệu , đầu kia để hở và nối vào
một Volt kế để đo sức điện động nhiệt điện .
b ) Chỉ dùng một mối nối cặp nhiệt , nhưng đầu còn lại phải luôn tạo thành mạch kín với một
Volt kế có dây dẫn cùng vật liệu ( dây đo bằng đồng ) . Hơn nữa hai mối nối vào Volt kế phải
được giữ cùng nhiệt độ thông qua khối đẳng nhiệt ( isothermal block).
4.5.2


n
đơn vị nhiệt độ khi dòng điện chảy từ B sang A Tương tự
eA/B là hiệu điện thế mối nối cho mỗi đơn vị nhiệt độ khi dòng điện chảy từ A sang B .
Ta có :

eB/ A = - eA/B
T 2 T1

Vậy : E 0 = eB/A ( T1 – T2 )
A/ B

Cách sử dụng cảm biến : Nhiệt độ T1 là nhiệt độ cần đo để cảm biến tiếp xúc , nhiệt độ T2 là
nhiệt độ cố định đã biết . Với eB/A là hằng số Seebeck phụ thuộc vào cấu tạo của hai vật liệu A/B
Định luật 2
T 2 T1

Sức điện động cặp nhiệt E 0 của mạch cặp nhiệt chỉ phụ thuộc
A/ B

A
T3

T1

điểm nhiệt độ nào khác trong mạch điện . Điều này cũng có nghĩa

IT
3

B T4

T2

điện động của toàn mạch vẫn không thay đổi.

T 2 T1

E0
A/ B
Định luật 4

C
Tj

A
Ti
T1

I

A

Khi xen vào một trong hai nhánh của cặp nhiệt một kim loại

T2

khác sẽ tạo thành hai mối nối mới giả sử đang ở nhiệt độ Ti
và Tj .

T 2 T1


T1

=

T2 + T2

T1

B

B

A

B

B

T 3T1

T 2 T1

E0
A/ B

E0
A/ B

T 3 T1


giá trị E 35 T X
. Hãy dùng bảng tra để tính TX?

 8.335mV

Áp dụng định luật 5 :

E 0/ T X

E E
0 / 35

35 T X

tra bảng để có E0/35 = 5.768 mV

E0/TX = 8.335 mV + 5.768mV = 13.703 mV
Tra bảng có TX là
Định luật 6

A

B

A

T1T 2

T1T 2



B

C

E0
B /C

C


Áp dụng định luật này có thể chế tạo ra các loại cặp nhiệt tùy theo yêu cầu khi có được bảng đặc
tính về sức điện động của các vật liệu có cùng đầu vật liệu chuẩn là Pt
Vật liệu

Độ nhạy ( V/0C )

Constantan

- 35

Đồng

+6.5

Nickel

-15

Vàng


4.5.3 Các phương pháp tạo điểm nhiệt độ chuẩn
Nhiệt độ của đầu tự do rất quan trọng trong việc sử dụng cảm biến cặp nhiệt để đo nhiệt độ ,vì
nhiệt độ này phải được giữ luôn là hằng số . Có ba cách để tạo ra nhiệt độ chuẩn :
a) Nhiệt độ chuẩn được giữ ở 00C
Đây là cách tốt nhất để có sự ổn định và trị chính xác của sức
A
điện động nhiệt của cảm biến và có thể dung bảng tra để đọc t
tiếp giá trị nhiệt độ tương ứng của điểm cần đo . Tuy nhiên
phương pháp này đòi hỏi việc bão dưỡng thường xuyên và đắt tiền

B

B

Nước đá đang tan

b) Nhiệt độ chuẩn được giữ ở nhiệt độ môi trường cố định và có giá trị lớn hơn nhiều so với
nhiệt độ cần đo
Tương tự phương pháp giữ điểm nhiệt độ chuẩn ở 00C , dung bộ điều khiển nhiệt độ kết hợp lò
nhiệt để tạo ra nhiệt độ điểm chuẩn mong muốn với điều kiện lớn hơn nhiệt độ cần đo .
c/Nhiệt độ chuẩn đang ở nhiệt độ môi trường bất kỳ


Do là nhiệt độ môi trường ,sự thay đổi liên tục được tao ra làm thay đổi giá trị điểm nhiệt độ
chuẩn ,từ đó gần như không thể xác định trị chính xác cho sức điện động cặp nhiệt .
Tuy nhiên đây là điều kiện thực tế trong tất cả các phép đo dùng cặp nhiệt và để khắc phục
việc này ta phải áp dụng phương pháp bổ chính sự thay đổi nhiệt độ đầu tự do
Nguyên lý bù điện áp thay đổi của đầu tự do
Ta có :




0c T a

E0
A/ B



TaTc

E0
A/ B

TaTc

Để E 0 không phụ thuộc sự thay đổi của Ta
A/ B
TaTc

và có thể đọc trực tiếp từ bảng tra thì E 0
A/ B



0c T a

0c T c


Mạch cầu điện trở có một nhánh là cảm biến nhiệt điện trở sẽ tạo ra điện áp vTa thay đổi theo
nhiệt độ môi trường Ta và được công vào với sức điện động theo chiều ngược lại để làm tác
dụng bù khi nhiệt độ Ta thay đổi .
Mạch bù khi sử dụng dây nối dài cho cặp nhiệt
Khi cần nối dài cặp nhiệt do đoạn dây nối cũng là kim loại dẫn điện nên tự nó sẽ phối hợp với
cặp nhiệt đang sử dụng tạo thành cặp nhiệt phụ dẫn đến sai số .

A

A’

Dây đồng

V
B

B’

Dây đồng


0c T c

Khi cặp nhiệt A/B muốn được kéo dài đến mạch đo để có vm = E 0 mà phải nối dài bằng đoạn
A/ B
dây A’B’ thì phải thỏa điều kiện :
a) Các mối nối A/A’ và B/B’ phải có cùng nhiệt độ T2
b) Cặp nhiệt tạo ra bởi A’/B’ phải có cùng sức điện động nhiệt với cặp nhiệt A/B tại nhiệt
0c T 2


Mạch ổn áp REF 3040 tạo nguồn áp chuẩn 4.096 V cung cấp cho D1 được dùng như cảm biến
nhiệt bán dẫn với độ nhạy là -2mV/0C và qua các điện trở R1 ,R2 và R3 tạo nên áp bổ chính nhiệt
độ cho đầu chuẩn .Mạch KĐ dụng cụ OPA335 có độ lợi G = R8/R7 . R6 dùng chỉnh Zero cho áp
ra

Tên gọi cặp nhiệt

Vật liệu ( + )

Vật liệu ( - )
Pt – 6% Rh

B

Pt- 30%Rh

R

Pt – 13% Rh

Pt

S

Pt - 10% Rh

Pt

K


+
LM

_

35DT

+Vc
+
_

+Vs GND Vout

V0=10mV/0C

8.8mV/0C

Cảm biến IC nhiệt LM35 dựa
trên nguyên lý sự phụ thuộc của điện áp mối nối P-N theo nhiệt độ và sau đó được KĐ lên theo
sơ đồ trên để có độ nhạy là 10mV/0C . Cách sử dụng khá đơn giản với dạng vỏ TO 220 có ba
chân ra như hình vẽ


Ta chỉ việc cấp nguồn sẽ có điện áp rat hay đổi theo nhiệt độ .

Vs (4:10V)
LM35

+Vs
V0


 14 μm