Lịch sử của phép đo nhiệt độ
Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về tầm quan trọng và sự phát triển của công nghệ đo nhiệt độ. Chúng tôi sẽ đề cập đến chủ đề này đủ sâu để bạn có thể:
- Hiểu nhiệt độ là gì và tại sao nó lại quan trọng đến vậy
- Tìm hiểu về lịch sử của cảm biến nhiệt độ
- Xem cảm biến nhiệt độ quan trọng như thế nào trong các ứng dụng thử nghiệm và đo lường
Đại lượng vật lý được đo lường nhiều nhất trên thế giới
Nhiệt độ cực kỳ quan trọng đối với sức khỏe và môi trường của chúng ta: các tòa nhà mà chúng ta sống và làm việc, đường sá và cơ sở hạ tầng, và mọi máy móc trên thế giới. Nhiệt độ cơ thể bất thường của con người là một trong những dấu hiệu đầu tiên cho thấy chúng ta bị bệnh. Nhiệt độ khắc nghiệt có thể làm suy giảm hoặc phá hủy máy móc và cấu trúc. Đo nhiệt độ luôn là điều cực kỳ quan trọng, nhưng không phải lúc nào cũng có thể đo chính xác.
Nhiệt độ là gì?
 |
 |
Điểm đóng băng và điểm sôi của nước là một tham chiếu thực tế trong cả thang đo nhiệt độ Celsius và Fahrenheit
Nhiệt độ là phép đo vật lý về độ nóng hoặc lạnh của vật chất hoặc bức xạ. Nó cũng thể hiện dòng năng lượng từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn.
K (Kelvin) là hệ thống đơn vị quốc tế (SI) về nhiệt độ. Nhiệt độ lạnh nhất là “độ không tuyệt đối”, trạng thái hầu như không có hoạt động phân tử. Điểm này được tham chiếu đến 0 °K.
Nếu bạn thắc mắc, độ không tuyệt đối là −273,15 °C (−459,67 °F). Thật lạnh!
Trên thang nhiệt độ Celsius, 0 độ là điểm đóng băng của nước và 100 là điểm sôi. Fahrenheit cũng sử dụng hai điểm tham chiếu này, nhưng chúng được đặt thành 32 và 212 °F.
Trước đây là chuẩn mực thế giới, thang đo Fahrenheit đã được thay thế bằng thang đo Centigrade vào thế kỷ 20. Ngày nay, Fahrenheit chỉ được sử dụng ở Hoa Kỳ và một số quốc gia khác. Centigrade được đổi tên thành “Celcius” vào năm 1948 để vinh danh Anders Celsius, một nhà khoa học người Thụy Điển đã phát triển thang đo này vào năm 1742. Ông đề xuất rằng 0 độ là điểm sôi của nước và 100 độ là điểm đóng băng. Sau đó, thang đo này đã được đảo ngược để dễ hiểu hơn.
Thang nhiệt độ Celsius và Fahrenheit giao nhau ở nhiệt độ -40°.
Áp suất khí quyển (hay còn gọi là áp suất khí quyển hoặc áp suất không khí) ảnh hưởng đến hành vi của nước. Vì điểm đóng băng và điểm sôi của nước được sử dụng làm tham chiếu trong cả thang đo Celsius và Fahrenheit, nên quy định rằng các phép đo phải được thực hiện ở mực nước biển ở 1 atmosphere.
Chúng ta viết giá trị nhiệt độ theo định dạng này:
- 25 °C
- 107 °F
- 23,45 °K
Một khoảng trắng theo sau giá trị nhiệt độ và ký hiệu độ (°) theo sau là chữ viết tắt của đơn vị (C, F hoặc K). Giá trị có thể là số nguyên hoặc số thực, như 32 hoặc 32,938, tùy thuộc vào yêu cầu độ phân giải của ứng dụng.
Các phép đo tương đối ban đầu
Cho đến thế kỷ 17, phép đo nhiệt độ vẫn còn thô sơ. Không có dụng cụ nào có thể đo được giá trị nhiệt độ thực tế; chúng chỉ có thể thực hiện các phép đo tương đối.
Khoảng năm 250 trước Công nguyên, kỹ sư người Hy Lạp Philo Mechanicus của Byzantium đã đổ đầy không khí và nước vào một quả cầu chì rỗng và nối nó với một ống dẫn đến một bình đựng ngoài trời. Khi nhiệt độ không khí bên trong quả cầu tăng lên, quả cầu nở ra và đẩy nước vào ống. Khi nhiệt độ giảm xuống, nước rút đi.
Hero of Alexandria đã phát triển một nhiệt kế thô sơ vào khoảng năm 50 sau Công nguyên. Nó cũng dựa trên ý tưởng rằng nước hoặc không khí trong quả cầu sẽ giãn nở khi được làm nóng và co lại khi được làm lạnh. Điều này có thể di chuyển nước dọc theo một đường ống được kết nối để chỉ ra nhiệt độ tăng hoặc giảm.
Một trăm năm sau, bác sĩ người La Mã gốc Hy Lạp Galen đã tạo ra một nhiệt kế tương tự. Nhưng ông đã thêm một thang đo nhiệt độ nóng, lạnh và trung tính không nóng cũng không lạnh. Phải đến cuối những năm 1500 và 1600, nhiệt độ mới có những tiến bộ đáng kể.
Nhiệt kế
Nhà thiên văn học nổi tiếng người Ý Galileo Galilei (1564-1642) là một trong những nhà khoa học đứng sau phát minh ra nhiệt kế, cùng với Santorio Santorio, Robert Fludd và Cornelius Drebbel. Một bóng đèn gắn vào một ống dài được đặt trong một lọ nước màu. Không khí trong bóng đèn giãn nở ở nhiệt độ cao hơn, đẩy mực chất lỏng trong ống lên cao.
Pucicu, CC BY-SA 4.0 qua Wikimedia Commons
Galileo và những người cùng thời không nhận ra điều đó, nhưng những thay đổi đã ảnh hưởng đến các phép đo áp suất khí quyển này. Nhiệt kế giúp xác nhận quan sát về những thay đổi nhiệt độ tương đối nhưng không cung cấp các phép đo chính xác.
Sự ra đời của hiệu chuẩn
Vào đầu những năm 1700, nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Christensen Rømer đã phát minh ra thang nhiệt độ dựa trên điểm đóng băng và điểm sôi của nước, từ 7,5 đến 60 độ. Đây là thang nhiệt độ được hiệu chuẩn đầu tiên và hoàn toàn mới. Tất cả các phép đo nhiệt độ trước đây đều là phép đo tương đối.
Thật trùng hợp, nhà vật lý người Anh Isaac Newton đã đề xuất một thang đo nhiệt độ được hiệu chuẩn gần như chính xác cùng thời điểm. Newton đặt số không là điểm đóng băng của nước. Tuy nhiên, vì ông là người quản lý của Xưởng đúc tiền Anh, ông đã sử dụng các điểm tham chiếu thứ cấp như điểm nóng chảy của thiếc, chì và các kim loại khác.
Nhiệt kế thực tế đầu tiên
Để loại bỏ tác động của áp suất khí quyển lên kết quả đo, các nhà khoa học đã thử nghiệm bằng cách sử dụng chất lỏng bên trong bình thủy tinh kín. Ferdinando II de’ Medici, Đại công tước xứ Tuscany, đã chế tạo nhiệt kế như vậy bằng cồn từ năm 1654.
Năm 1709, Daniel Gabriel Fahrenheit người Ba Lan đã tạo ra nhiệt kế thủy tinh thực tế đầu tiên, đổ một phần thủy ngân màu vào một ống kín. Fahrenheit nảy ra ý tưởng về thang đo của mình sau khi đến thăm Rømer vào năm 1708. Ông đã đánh dấu ống bằng thang đo từ 32 tại điểm đóng băng của nước đến 212 tại điểm sôi của nước. Do đó, phát minh của Fahrenheit đã tạo ra các phép đo đáng tin cậy và được sử dụng thực tế trong y học và các ứng dụng khác.
Nhiệt kế
Với mục đích đo nhiệt độ bên trong lò nung của mình, thợ gốm người Anh Josiah Wedgewood đã phát minh ra nhiệt kế cơ học vào giữa thế kỷ 18.
Các nhiệt kế khác có cấu tạo phức tạp hơn, như nhiệt kế được hiển thị bên dưới. Dựa trên sự giãn nở của thanh kim loại (a) khi được nung nóng bằng lò nung, thanh giãn nở đẩy một kim dọc theo thang đo được đánh dấu. Khi nhiệt độ giảm, một lò xo đẩy thanh và kim trở lại vị trí ban đầu của chúng.
Cặp nhiệt điện Seebeck
Năm 1821, bác sĩ và nhà vật lý người Baltic Thomas Seebeck đã bị cuốn hút bởi mối quan hệ giữa nhiệt và từ tính. Ông phát hiện ra rằng việc kết nối hai kim loại dẫn điện khác nhau tại hai điểm và sau đó tiếp xúc một trong các mối nối với nguồn nhiệt sẽ tạo ra từ trường (và do đó là một điện áp nhỏ) dọc theo dây dẫn.
Ion vẫn chưa được phát hiện, vì vậy ông không nhận ra, nhưng ông đã quan sát thấy một lực điện động sau này được đặt tên là Hiệu ứng Seebeck để vinh danh ông. Seebeck cũng quan sát thấy dòng điện này tăng hoặc giảm dựa trên nhiệt độ môi trường xung quanh. Công trình của ông đã dẫn trực tiếp đến việc phát minh ra cặp nhiệt điện.
RTD
Tại Bài giảng Bakerian năm 1871, Sir Carl Wilhelm Siemens đã trình bày một bài báo về xu hướng của các dây dẫn điện tăng điện trở khi nhiệt độ tăng. Ông quan sát thấy điện trở có thể đo được trên một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ.
Ông đã phát minh ra RTD (máy dò nhiệt điện trở) dựa trên bạch kim, được nhà vật lý người Anh Hugh Longbourne Callendar cải tiến đáng tin cậy hơn và thành công về mặt thương mại vào năm 1885.
Không giống như cặp nhiệt điện, đầu ra của RTD là tuyến tính. Tuy nhiên, chúng cần nguồn điện cảm biến để cung cấp. Do đó, việc đấu dây phức tạp hơn cặp nhiệt điện. Bạn có thể tìm hiểu thêm về RTD và cách sử dụng chúng trong bài viết này:
 |
Cách đo nhiệt độ bằng cảm biến RTD [PT100, PT200, PT1000, …] |
Nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở là chất bán dẫn được làm từ oxit kim loại được ép thành hạt nhỏ, đĩa, wafer hoặc hình dạng khác và được thiêu kết ở nhiệt độ cao. Nó thường được phủ bằng epoxy hoặc thủy tinh.
Khi dòng điện chạy qua nhiệt điện trở, bạn có thể đọc điện áp trên nhiệt điện trở và xác định nhiệt độ của nó. Nhiệt điện trở thông thường có điện trở là 2000 Ω ở 25ºC. Hệ số nhiệt độ 3,9 phần trăm. Bạn có thể tìm hiểu thêm về nhiệt điện trở trong bài viết này:
Đo nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc
Nhiệt kế hồng ngoại
Nhà khoa học người Anh William Herschel đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ hồng ngoại vào đầu những năm 1800. Tuy nhiên, phải hơn 100 năm sau, nhà vật lý người Đức Max Planck mới phát triển các phương trình toán học của mình liên quan đến bức xạ điện từ. Ông kết hợp lý thuyết lượng tử và vật lý để mô tả độ sáng quang phổ.
Nhiệt kế hồng ngoại đầu tiên được giới thiệu vào năm 1931, nhưng công nghệ này đã phát triển nhanh chóng vì Chiến tranh thế giới thứ hai vào những năm 1940. Các cảm biến hồng ngoại ban đầu rất đắt tiền và không thực tế để sử dụng hàng ngày cho đến những năm 1960 khi Bác sĩ người Đức Theodore Benzinger phát triển một nhiệt kế cầm tay giá rẻ cho các ứng dụng y tế.
Nhiệt kế hồng ngoại được sử dụng phổ biến nhất là nhiệt kế đo nhiệt độ, hay nhiệt kế đo nhiệt độ hồng ngoại “điểm”. Một chấm laser đỏ vô hại giúp người dùng ngắm nhiệt kế, được tìm thấy trong các ứng dụng kiểm tra ở hầu hết mọi ngành công nghiệp.
Camera ảnh nhiệt
Nhiệt kế hồng ngoại tại chỗ chỉ có thể đo nhiệt độ tại một vị trí cụ thể tại một thời điểm. Nhưng nếu chúng ta muốn nhìn vào một động cơ đang chạy và xem nhiệt độ trên đó thì sao? Hoặc toàn bộ cơ thể con người? May mắn thay, có một giải pháp cho điều đó được gọi là hình ảnh nhiệt.
Nhà vật lý người Hungary Kálmán Tihanyi đã cấp bằng sáng chế cho nhiều công nghệ đột phá liên quan đến phát minh ra tivi vào đầu những năm 1920. Năm 1929, ông chuyển đến London và làm việc với Bộ Không quân Anh để tạo ra một chiếc camera sử dụng công nghệ IR để hệ thống phòng không có thể nhìn thấy hiệu quả trong bóng tối. Vì vậy, ông đã phát minh và cấp bằng sáng chế cho chiếc camera IR đầu tiên cùng năm đó.
Gần cuối Thế chiến II, các nhà khoa học Đức tiếp tục công nghệ “nhìn ban đêm” của Tihanyi cho các ứng dụng nhắm mục tiêu quân sự. Đến những năm 1970, công nghệ IR đã tiến triển, nhưng các cảm biến vẫn phải được làm mát bằng nitơ lỏng và khá lớn và đắt tiền.
Một trong những nhánh của Sáng kiến Phòng thủ Chiến lược Hoa Kỳ của Hoa Kỳ vào những năm 1980 là phát minh ra “cảm biến thông minh”. Nó kết hợp cảm biến với xử lý, lọc và các tính toán tiên tiến khác trong một gói duy nhất. Những tiến bộ trong cảm biến thông minh và sức mạnh xử lý đã thúc đẩy công nghệ này tiến xa hơn nữa.
Điều hòa tín hiệu cảm biến nhiệt độ
Tất cả các bộ ghi dữ liệu và hệ thống DAQ đều cung cấp điều kiện tín hiệu cho cặp nhiệt điện và cảm biến RTD. Mặc dù có thể kết nối nhiệt kế trực tiếp với hệ thống DAQ, nhưng điều này rất hiếm. Camera IR có đầu ra kỹ thuật số và trình điều khiển phần cứng có thể được kết nối trực tiếp với hệ thống DAQ dựa trên máy tính.
Bản tóm tắt
Đo nhiệt độ đã quan trọng trong nhiều thế kỷ, nhưng khả năng đo nhiệt độ một cách chính xác và nhất quán là một sáng kiến tương đối mới. Ngày nay, hàng tỷ cảm biến nhiệt độ được sử dụng trên toàn thế giới mỗi giây mỗi ngày. Từ các nhiệt điện trở nhỏ nhất đến các camera IR tiên tiến nhất, nhiệt độ vẫn là phép đo quan trọng đối với sứ mệnh.
Hệ thống DAQ của Dewesoft cung cấp khả năng xử lý tín hiệu tốt nhất cho các cặp nhiệt điện, RTD, nhiệt điện trở và giao diện kỹ thuật số hiện đại dành cho các hệ thống hình ảnh nhiệt tiên tiến.
