Phần III : Đo các đại lượng không điện

Hình 13-1 : Sơ đồ mạch cầu nhiệt kế nhiệt điện trở

Hình 13-2 mô tả sơ đồ nguyên lí của mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là cơ cấu logomet từ điện. Với

sơ đồ này, có khả năng loại trừ sai số do điện áp nguồn cung cấp thay đổi.



Hình 13-2 : Sơ đồ nhiệt kế với chỉ thị logomet từ điện

Ba nhánh của mạch cầu R1, R2, R3 là các điện trở làm bằng manganin. Nhánh thứ 4 là nhiệt điện trở

Rt, 4 nhánh điện trở được mắc theo sơ đồ mạch cầu 3 dây.

Trong sơ đồ, R4 dùng chỉnh 0 thang đo (cầu cân bằng trước khi đo).

Điện trở Rp dùng bù với điện trở đường dây để đạt đến giá trị khắc độ (5Ω hoặc 15Ω). Rt là điện trở bù

nhiệt độ cho cơ cấu logomet. Khi hiệu chỉnh Rp người ta sử dụng điện trở Rk (có giá trị bằng giá trị nhiệt

điện trở). Rk được mắc vào nhánh cầu, sau đó điều chỉnh Rp cho đến khi kim chỉ logomet dừng ở vị trí xác

định trên thang thì dừng lại. Sau đó Rk được ngắn mạch khi đo.

Trong các ngành công nghiệp hiện nay, người ta thưòng thực hiện mạch cầu đo tự động tự ghi. Để đo

nhiệt độ bằng nhiệt điện trở. Phương pháp này có thể đo nhiệt độ tại một điểm hoặc một số điểm nhơ cơ

cấu chuyển mạch.

13.2.2 Dùng nhiệt kê cặp nhiệt ngẫu

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi

nhất.

Cấu tạo : gồm 2 dây hàn với nhau ở điểm 1 và luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt độ cao (hình 133). Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không gỉ. Để cách điện 2 dây một trong 2 dây

được lồng vào ống sứ nhỏ 3. Nếu vỏ làm bằng kim loại, cả 2 dây đều đặt vào ống sứ. Đầu ra của cặp nhiệt

ngẫu được nối vào hộp đầu nối 4. Mạch đo của nhiệt kế nhiệt ngẫu là milivonmet hoặc điện thế kế điện trở

nhỏ có giới hạn đo từ 0 ÷ 100mV.

Nguyên lý hoạt động : Đầu nối chung có nhiệt độ T2 , và đạt được nhiệt độ Tc khi đặt mối nối vào môi

trường đo có nhiệt độ không biết Tx . Tc phụ thuộc vào Tx và sự trao đổi nhiệt độ có thể với những môi

trường khác. 2 đầu còn lại của cặp nhiệt sẽ được giữ ở nhiệt độ không đổi T1 = const, được gọi là mối nối

chuẩn và được nối với mạch đo.

188



Hình 13-3 : Các loại cặp nhiệt điện thường dùng

Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng milivonmet sẽ gây sai số do nhiệt độ của mạch đo thay đổi. Nên

nếu đo sức điện động bằng bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng tiêu thụ bằng 0 khi tiến

hành phép đo.

Để khắc phục sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi, người ta dùng mạch bù sai số nhiệt độ như hình

13-4.



Hình 13-4 : Sơ đồ mạch bù nhiệt độ của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu.

Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu một chiều tại điểm A-B, trong đó Rt là nhiệt điện trở

tạo thành nhánh cầu. Điện trở Rt được mắc cùng vị trí với đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu và có nhiệt độ T0.

Cầu được tính toán sao cho nhiệt độ T0 = 0 và điện áp ra trên đường chéo cầu ΔU = 0. Khi nhiệt độ đầu tự

do thay đổi, điện áp ra của cầu ΔU ≠ 0 bù vào sức điện động mất đi do thay đổi nhiệt độ. Với phương pháp

bù này, sai số giảm xuống đến 0,04% trên 10oC.

Nhược điểm là phải dùng nguồn phụ và sai số do nguồn phụ gây ra.

13.2.3 Đo nhiệt độ dùng phần tử bán dẫn

Các linh kiện bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng các linh kiện bán dẫn như

diode, transitor mắc theo kiểu diode (nối bazor với collector), khi đó điện áp giữa 2 cực U là hàm của

nhiệt độ. Để tăng độ tuyến tính, độ ổn định và khả năng thay thế, mạch đo thường được mắc theo sơ đồ

sau.

Khi nhiệt độ thay đổi, mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp được biễu diễn :

K .T  I c1 



U d = U BE1 − U BE 2 =

. ln

q

 I c2 

Nếu giữ cho Ic1/Ic2 = const thì nhiệt độ tỉ lệ với điện áp và không phụ thuộc vào nguồn cung cấp.

189



Hình 13-5 : Sơ đồ nguyên lý do nhiệt độ dùng linh kiện bán dẫn transitor

Hiện nay, với kĩ thuật vi điện tử, các cảm biến đo nhiệt đô tích hợp các diode, transitor bán dẫn dưới

dạng các con IC bán dẫn đo nhiệt độ. Các cảm biến này cho đầu ra là điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ với nhiệt

độ cần đo với độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản, và độ nhạy cao. Nhược điểm là giới hạn đo hẹp chỉ từ

-50oC ÷ 150oC, do giới hạn chịu nhiệt của các phần tử bán dẫn.

13.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

13.3.1 Dùng phương pháp hồng ngoại

Năng lượng hồng ngoại (IR) là một phần của phổ điện từ với các đặc tính tương tự như ánh sáng nhìn thấy

được thông thường, chúng có khắp không gian và di chuyển với tốc độ của ánh sáng, chúng có thể được

phản xạ, khúc xạ, hấp thu và phát xạ. Bước sóng của năng lượng IR nằm ở dãi độ lớn trên bước sóng của

ánh sáng thông thường, giữa 0.7 và 1000 µm (phần triệu của mét). Các dạng chung khác của bức xạ điện

từ bao gồm sóng radio, tia cực tím và tia X

Tất cả các vật thể đều phát xạ hồng ngoại như là một đặc tính nhiệt độ của chúng. Năng lượng hồng

ngoại được tạo ra do rung động và chuyển động quay của nguyên tử và phân tử, nhiệt độ càng cao, nguyên

tử và phân tử chuyển động càng nhiều, càng tạo ra nhiều bức xạ hồng ngoại. Năng lượng này sẽ được

camera chụp ảnh hồng ngoại phát hiện, camera hồng ngoại không phát hiện nhiệt độ, chúng phát hiện bức

xạ nhiệt.

Cấu tạo một nhiệt kế hồng ngoại : gồm 4 phần cơ bản là ống dẫn sóng để thu gom năng lượng phát ra

từ đối tượng đo ; cảm biến có tác dụng chuyển đổi năng lượng điện sang tín hiệu điện ; bộ điều chỉnh độ

nhạy để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngoại với chỉ số bức xạ của vật thể cần đo ; một mạch cảm

biến bù nhiệt độ để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bên trong thiết bị không bị truyền đến ngõ ra.

Nguyên tắc cơ bản của nhiệt kế hồng ngoại là vật đo phát ra năng lượng hồng ngoại. Vật đo càng

nóng, các phân tử của nó hoạt động nhiều hơn, và năng lượng hồng ngoại phát ra càng lớn. Ống dẫn sóng

tập trung vào năng lượng hồng ngoại thu được từ vật đo vào cảm biến. Cảm biến chuyển đổi năng lượng

thành những tín hiệu điện, được khuyếch đại và thể hiện thành đơn vị nhiệt độ sau khi đã hiệu chỉnh với

sự biến động nhiệt độ môi trường xung quanh.

Nhiệt kế hồng ngoại cho phép người sử dụng đo nhiệt độ ở những ứng dụng mà bộ cảm biến truyền

thống không thể sử dụng hoặc không cho kết quả đo chính xác, chẳng hạn như:

- Khi cần đo nhanh, chẳng hạn với những đối tượng đo chuyển động (như máy cán, máy

chuyển dịch, hoặc đai của băng tải)

- Khi cần đo không tiếp xúc do nhiễm bẩn hoặc các lý do nguy hại khác (như điện áp cao)

- Khoảng cách hoặc chiều cao quá xa

- Nhiệt độ quá cao đối với thiết bị cảm biến

- Vật đo đặt trong chân không hoặc các bầu không khí có kiểm soát khác

- Vật đo được bao quanh bởi điện từ trường (như gia nhiệt cảm ứng)

Nhiệt kế hồng ngoại của hệ thống quang học, máy dò quang điện, bộ khuếch đại tín hiệu và xử lý tín

hiệu đầu ra hiển thị,. Và các thành phần khác. Hệ thống quang học trường nhìn của mục tiêu thu thập năng

190



lượng bức xạ hồng ngoại, hồng ngoại năng lượng tập trung vào các máy dò quang điện và thành tín hiệu

điện tương ứng, tín hiệu sau đó được chuyển đổi thành một đo bằng nhiệt độ mục tiêu.

13.3.2 Dùng phương pháp hỏa quang kế

Đây là phương pháp đo dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng

theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của một vật được đặc trưng bằng mật độ phổ E λ nghĩa

là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật và xảy ra trên một đơn

vị của độ dài sóng. Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng

được biểu diễn bằng công thức :



(



)



Eλ0 = C1 .λ−5 e C2 / λT − 1



−1



Tùy theo đại lượng vào ta gọi dụng cụ đo theo phương pháp này bằng các tên gọi khác nhau như : hỏa

quang kế phát xạ, hỏa quang kế cường độ sáng và hỏa quang kế màu sắc.

a. Hỏa quang kế phát xạ

Cấu tạo : gồm ống kim loại mỏng 1, phía cuối gắn gương lõm 3. Chùm tia phát xạ được gương lõm

phản xạ hội tụ trên nhiệt điện trở 2 và đốt nóng nó. Để tránh các tia phản xạ từ thành ống bên trong vào

nhiệt điện trở người ta gia công thêm những đường rãnh 5. Nhiệt điện trở được đạt trong hộp chắn 4.

Để bảo vệ mặt trong của hỏa quang kế phải sạch, ống thủy tinh hữu cơ trong suốt 6 được gắn phía đầu

ống. Nhiệt điện trở được mắc vào một nhánh cầu tự cân bằng, cung cấp từ nguồn xoay chiều tần số 50Hz.

Hỏa quang kế dùng để đo nhiệt độ từ 20 ÷ 100oC. Khi cần đo nhiệt độ cao hơn (100 ÷ 2500oC) mà tần số

bước sóng đủ lớn, người ta dùng thấu kính thạch anh hay thủy tinh đặc biệt để tập trung các tia phát xạ và

phần tử nhạy cảm với nhiệt độ được thay bằng cặp nhiệt ngẫu.



Hình 13- : Sơ đồ hỏa kế phát xạ

Trong nhiệt kế phát xạ thấu kính không thể đo ở nhiệt độ thấp vì các tia hồng ngoại không xuyên qua

được thấu kính.

Khoảng cách để đo giữa đối tượng và hỏa quang kế được xác định do kích thước của vật đốt nóng,

khoảng cách đó không được quá lớn. Chùm tia sáng từ đối tượng đo đến dụng cụ phải trùm hết tầm nhìn

ống ngắm của nhiệt kế.

Nhược điểm của các loại hỏa quang kế phát xạ là đối tượng đo phải là vật đen tuyệt đối, do đó trong

vật nóng có phát xạ nội tại và dòng phát xạ quan bề mặt. Do vậy, nhiệt độ của đối tượng đo khi dùng hỏa

quang kế phát xạ bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt độ ly thuyết tính toán.

Công thức tính : Đối với vật đen tuyệt đối, năng lượng bức xạ toàn phần trên một đơn vị bề mặt

ET0 = σ .T p4

Trong đó : σ = 4,96.10-2 J/m2.s.grad4

Tp – nhiệt độ của vật theo ly thuyết

191



Tt – nhiệt độ thực của vật

εT – hệ số bức xạ tổng, xác định tính chất của vật và nhiệt độ của nó.

Hỏa quang kế được khắc độ theo độ bức xạ của vật đen tuyệt đối nhung khi đo ở đối tượng thực, Tp

được tính theo công thức :

σ .T p4 = ε T .σ .Tt 4

Từ đó xác định được mối quan hệ giữa nhiệt độ thực và nhiệt độ ly thuyết

1

Tt = T p 4

εT

b. Hỏa quang kế cường độ sáng

Cấu tạo : cấu tạo của hỏa quang kế cường độ sáng có bộ chắn quang học được cho trên hình 13- . Ống

ngắm gồm kính vật 1, thị kính 5 qua đó có thể ngắm được đối tượng đo 8. Trước thị kính 5 có bộ lọc ánh

sáng đỏ 4, sợi đốt 6 của bóng đèn chuẩn được ngắm trực tiếp. Cường độ sáng của đối tượng đo 8 được

chắn và làm yếu đi bằng bộ chắn quang học 3. Góc quay của bộ chắn 3 tương ứng với cường độ sáng được

tính bằng thang đo 7. Dụng cụ đo có 2 giới hạn đo, sau bộ chắn quang học là bộ lọc ánh sáng 2. Cường độ

sáng của nguồn nhiệt và đèn sợi đốt được so sánh bằng mắt. So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhưng vẫn đảm

bảo độ chính xác nhất định vì cường độ sáng thay đổi nhiều gấp 10 lần sự thay đổi nhiệt độ.

Nguyên lý làm việc của hỏa quang kế cường độ sáng là so sánh cường độ sáng của đối tượng đo nhiệt

độ với cường độ sáng của nguồn sáng chuẩn trong dải phổ hẹp. Nguồn sáng chuẩn là một bóng đèn sợi đốt

vonfram sau khi đã được già hóa trong khoảng 100h với nhiệt độ 2000oC. Sự phát sáng của đèn đã ổn định

nếu sử dụng ở nhiệt độ từ 1400oC ÷ 1500oC. Cường độ sáng có thể thay đổi bằng cách dùng bộ lọc ánh

sáng.



Hình 13- : Sơ đồ hỏa quang kế cường độ sáng

Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt, ta sẽ thấy dây thẫm trên nền sáng

(hình a). Nếu độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt cho thấy dây sáng trên nền thẫm

(hình b). Lúc độ sáng bằng nhau hình dây sẽ biến mất (hình c) và đọc vị trí của bộ chắn sáng ở thang 7 để

suy ra nhiệt độ.



192



Hình 13- : Sơ đồ so sánh cường độ sang dây tóc bóng đèn với độ sáng đối tượng đo

c. Hỏa quang kế màu sắc

Đây là dụng cụ đo nhiệt độ dựa trên phương pháp đo tỉ số cường độ bức xạ của 2 ánh sáng có bước

sóng khác nhau λ1 và λ2.

Nếu năng lượng thu được :

−



C2

λ1 .T



C2



; E = ε .C .λ−5 .e − λ2 .T

E1 = ε 1 .C1 .λ .e

2

2

1 2

Từ đó, giá trị nhiệt độ T có thể được tính như sau

 1 1  E1 .ε 2 .λ52

T = C 2  − . ln

5

 λ1 λ2  E 2 .ε 1 .λ1

Từ biểu thức, trong dụng cụ hỏa quang kế màu sắc có thiết bị tính, tự động giải phương trình trong đó

các giá trị λ1 , λ2 , ε1 , ε2 được đưa vào trước. Nếu các thông số trên đưa vào sau sẽ gây ra sai số. Khi đo

nhiệt độ đến 2000oC ÷ 2500oC giá trị ε1 , ε2 có thể xác định bằng thực nghiệm.

Sơ đồ nguyên lý của hỏa quang kế màu sắc dùng tế bào quang điện.

Cường độ bức xạ từ đối tượng A qua hệ thống thấu kính 1 tập trung ánh sáng trên đĩa 2. Đĩa này quay

quanh trục nhờ động cơ 3. Sau khi ánh sáng qua đĩa 2 đi vào tế bào quang điện 4, trên đĩa khoan một số lỗ,

trong đó một nửa đặt bộ lọc ánh sáng đỏ (LĐ) còn nửa kia lọc ánh sáng xanh (LX). Khi đĩa quay, tế bào

quang điện lần lượt nhận ánh sáng xanh đỏ với tần số nhất định tùy theo tốc độ quay của động cơ. Dòng

quang điện được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại 5, sau đó đưa vào bộ chỉnh lưu pha 7. Nhờ bộ chuyển

mạch 8 tín hiệu được chia thành 2 phần tùy theo ánh sáng vào tế bào quang điện là xanh hay đỏ. Hai tín

hiệu này được đo bằng bộ chia 9. Tùy theo cường độ bức xạ của đối tượng đo, độ nhạy của khuếch đại

được điều chỉnh tự động nhờ thiết bị 6.

−5

1



Hình 13- : Sơ đồ nguyên lý hỏa quang kế màu sắc

Bộ chia thường là logomet từ điện, góc quay của nó tỉ lệ với nhiệt độ đo, và bộ chuyển mạch thường là

các role phân cực, làm việc đồng bộ với đĩa quay, nghĩa là sự chuyển mạch của khung logomet xảy ra

đồng thời với sự thay đổi bộ lọc ánh sáng mà dòng bức xạ đặt lên tế bào quang điện.

Ưu điểm : trong quá trình đo không phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đo đến đối tượng đo và không

phụ thuộc vào sự hấp thụ bức xạ của môi trường.

Nhược điểm : màu sắc của chúng tương đối phức tạp.



193



Chương 14



Đo thành phần và nồng độ của vật chất



14.1 Khái niệm chung

Việc tiến hành chính xác các quá trình nghiên cứu trong các lĩnh vực hóa học, sinh học, y học, vũ trụ

học v.v... phụ thuộc vào quá trình phân tích vật chất, bao gồm việc xác định nồng độ và thành phần các

chất khí, chất lỏng và vật rắn.

Công việc phân tích thường phức tạp vì phải đo nông độ riêng rẻ của từng chất hoặc một nhóm chất

trong môi trường nhiều thành phần với những điều kiện khác nhau như nhiệt độ, áp suất, tốc độ di chuyển

v.v... Do dải nồng độ thay đổi khá rộng với các điều kiện khác nhau nên phương pháp đo và dụng cụ đo

thành phần vật chất cũng khác nhau. Trong chương này, chúng ta chỉ xét các phương pháp điện dùng để

đo nồng độ và thành phần vật chất.

14.2 Phương pháp dùng chuyển đổi điện hóa

Phương pháp điện hóa và các dụng cụ đo nồng độ của vật chất dựa trên sự ứng dụng các chuyển đổi

điện hóa.

14.2.1 Phương pháp điện dẫn

Là phương pháp đo điện dẫn dung dịch nhờ các chuyển đổi điện dẫn tiếp xúc và không tiếp xúc.

Phương pháp này dùng để đo nồng độ muối trong dung dịch, trong nước ngưng và nước của máy hơi

nước, độ mặn của nước biển v.v ... Nó còn được dùng để xác định nồng độ chất khí do sự thay đổi điện

dẫn của dung dịch khi đưa vào các chất khí cần phân tích.

Sơ đồ cấu trúc của một thiết bị đo nồng độ dung dịch được vẽ trên hình 14-1.



Hình 14-1 : Sơ đồ thiết bị đo nồng độ dung dịch bằng phương pháp điện dẫn

Trong đó, rx là chuyển đổi điện dẫn được mắc vào mạch cầu tự động dòng xoay chiều. Để hiệu chỉnh

sai số nhiệt độ, người ta mắc thêm điện trở rk làm bằng manganin đặt trong dung dịch, song song với điện

trở rs của mạch cầu. Khi nồng độ thay đổi, điện trở rx cũng thay đổi và điện áp ra của mạch cầu tỉ lệ với rx ,

qua đó suy ra nồng độ cần đo.

Ngoài những mạch trên, người ta còn sử dụng các dụng cụ có mạch đo tần số, trong đó các máy phát

RC-LC hoặc RL được nối với các chuyển đổi điện dẫn tiếp xúc hoặc không tiếp xúc để tạo thành mạch

cộng hưởng. Sự thay đổi nồng độ dung dịch gây nên thay đổi thông số mạch điện làm tần số của nó thay

đổi, đo tần số có thể biết được nồng độ dung dịch.

14.2.2 Phương pháp điện thế, sử dụng chuyển đổi gavanic đo độ pH, nồng độ

Phương pháp này dùng phổ biến trong các dụng cụ đo pH là dụng cụ đo hoạt độ của các ion hydro

cũng như các thiết bị phân tích khí. Sơ đồ thiết bị phân tích khí bằng chuyển đổi gavanic được cho trên

hình 14-2.

194



Hình 14-2 : Sơ đồ thiết bị phân tích khí dùng chuyển đổi gavanic

Thiết bị này ứng dụng đo nồng độ thấp của oxi trong hỗn hợp khí, với chuyển đổi gồm phần tử

ganvanic kiềm, có anot 1 làm bằng các tấm chì nhúng trong chất điện phân, catot 2 là tấm lưới bạc ghép

các giấy lọc.

Làm việc : khi có chất khí cần phân tích đi qua, oxi khuếch tán theo bề mặt của catot trong chất điện

phân, xảy ra phản ứng điện hóa kèm theo đó xuất hiện sức điện động tỉ lệ với nồng độ oxi trong hỗn hợp

khí cần phân tích. Sức điện động ban đầu được bù bằng điện áp của mạch cầu 3 mắc ngược với điện áp rơi

trên phụ tải 4 của chuyển đổi, hiệu điện áp được đưa vào khuếch đại 5 để khuếch đại tín hiệu sau đó đưa

đến dụng cụ tự ghi 6.

Giới hạn đo dưới của thiết bị khoảng 0,001% O2 theo khối lượng. Giới hạn trên không vượt quá 0,1%

do khi nồng độ vượt quá 0,02 ÷ 0,05% O2 gây ra độ nhạy bị giảm đi và đặc tuyến giữa sức điện động của

chuyển đổi với nồng độ O2 trở nên phi tuyến. Sai số của các thiết bị phân tích khí đạt được ±(1 ÷ 10)%,

sai số nhiệt độ bằng 2,4% vì vậy cần phải ổn định nhiệt độ hoặc sử dụng mạch sai số nhiệt độ.

Trong các thiết bị phân tích khí hiện đại có sử dụng thiết bị tự động khắc độ và kiểm tra bằng cách

dùng khí hydro, có bổ sung một lượng oxi cho trước bằng điện phân và từ đó xác định theo dòng điện

phân.

Ngoài thiết bị trên, hình 14-3 là sơ đồ nguyên lý của dụng cụ đo pH của dung dịch, nó được sử dụng

rộng rãi để kiểm tra các quá trình hóa học khác nhau.



Hình 14-3 : Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo pH

Dụng cụ này gồm chuyển đổi gavanic và mạch đo, trong thực tế người ta hay dùng các chuyển đổi

gavanic với các bán phần tử có cấu trúc khác nhau. Chọn loại nào là tùy theo giới hạn đo pH và điều kiện

sử dụng cụ thể.



195