Bài giảng ĐO LƯỜNG NHIỆT Chương 2 Đo nhiệt độ Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt – Lạnh

 Theo lý thuyết động học phân tử: nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị động năng trung bình của chuyển động thẳng của các phân tử trong vật chất.. 2.2 Phân loại phương tiện đo nhiệt độ

CHƯƠNG 2: ĐO NHIỆT ĐỘ

thermometers, temperature measurement

Nội dung

2.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

2.2 Các phương pháp đo nhiệt độ và chia loại nhiệt kế 2.3 Nhiệt kế dãn nở

2.4 Nhiệt kê áp kế

2.5 Cặp nhiệt nhiệt điện

2.6 Nhiệt kế điện trở

2.7 Một số phương pháp đo điện trở của đầu đo

2.8 Lắp đặt đầu đo nhiệt độ

2.9 Đo nhiệt độ theo phương pháp không tiếp xúc

2.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

 Quan niệm cũ: Đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật được gọi là nhiệt độ

 Theo lý thuyết động học phân tử: nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị động năng trung bình của chuyển động thẳng của các phân

tử trong vật chất

Ek là động năng trung bình của phân tử (J), k là hằng số Bolzman (1,38065 10 -23 J/K), v là tốc độ tịnh tiến trung bình của phân tử nguyên tử,

m là khối lượng phân tử

 Thiết bị đo nhiệt độ gọi là nhiệt kế, nhiệt kế dùng đo nhiệt độ

2.1.2 Đơn vị nhiệt độ và thước đo nhiệt độ

°C=(°F−32)5/9 °R=°F+459.6 K=°C+273.15 °R=9/5×K

Nội dung thước đo nhiệt độ quốc tế như sau :

- Nhiệt độ được biểu thị bằng t, đơn vị đo nhiệt độ ký hiệu là [ o C] gọi là độ

Thước đo được xây dựng trên một số điểm chuẩn gốc:

- Các điểm chuẩn gốc đều được xác định ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn (thước đo 1968): Điểm sôi của ôxy: -182,97 o C Điểm tan của nước đá: 0,01 o C

Điểm sôi của nước : 100,00 o C Điểm sôi của lưu huỳnh: 444,60 o C

Điểm đông đặc của bạc :960,80 o C Điểm đông đặc của vàng 1063,00 o C

2.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ (tiếp)

2.1.3 Thang đo độ quốc tế năm 1990 (ITS-90)

Đơn vị đo đại lượng vật lý T90 là kelvin, ký hiệu là K

Đơn vị đo đại lượng vật lý t90 là độ Celsius, ký hiệu là °C

Ví dụ: Nhiệt kế điện trở Platin được chuẩn hoá

như nhiệt kế nội suy trong phạm vi từ -259 đến

R(T ) W(T )

R(273.16K)



2.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ (tiếp)

2.2 Phân loại phương tiện đo nhiệt độ

 Bộ phận nhạy cảm của nhiệt kế là bộ phận của nhiệt kế dùng biến nhiệt

năng thành một dạng năng lượng khác để nhận được những tín hiệu (tin tức) về nhiệt độ

 Nhiệt kế đo trực tiếp và đo gián tiếp

Theo nguyên lý đo:

2.2 Phân loại phương tiện đo nhiệt độ (tiếp)

 Nhiệt kế điện trở:

- Đo nhiệt độ bằng tính chất biến đổi điện trở khi nhiệt độ của vật dẫn hoặc bán dẫn thay đổi

- Khoảng đo từ -200 0 C đến 550 0 C

 Cặp nhiệt (nhiệt ngẫu, pin nhiệt điện):

- Đo nhiệt độ nhờ quan hệ giữa nhiệt độ với sức nhiệt điện động sinh ra trên 2 cực của cặp nhiệt điện (hiệu ứng nhiệt điện)

- Khoảng đo thông thường từ 0 đến 1600 0 C

 Đo nhiệt độ theo phương pháp gián tiếp

- Khoảng đo trên 600 0 C

2.3 Nhiệt kế dãn nở chất rắn (nhiệt kế cơ khí)

Bimetallic thermometers

 Nguyên lý:

 Hay dùng làm rơle khống chế nhiệt độ hoặc cho tín hiệu nhiệt độ (rơ le

nhiệt) hoặc làm cái bù nhiệt độ cho một dụng cụ nào đó

 Phạm vi đo của nhiệt kế lưỡng kim là từ - 50 o C đến 500 o C Sai số

Lt = Lto.[1+α(t-to)]

 Cấu tạo: vật liệu tích cực (hệ số nở dài α

lớn) và vật liệu thụ động (hệ số α rất nhỏ)

 Nhiệt kế dãn nở kiểu ống

 Nhiệt kế bản kim loại kép

2.3 Nhiệt kế dãn nở chất rắn (nhiệt kế cơ khí)

Bimetallic thermometers (tiếp)

2.3 Nhiệt kế dãn nở chất rắn (nhiệt kế cơ khí)

Bimetallic thermometers (tiếp)

2.4 Nhiệt kế dãn nở chất nước (Nhiệt kế thủy tinh – chất lỏng)

Chất lỏng: thủy ngân hoặc chất nước hữu cơ

Ống thủy tinh:α = 0,02.10 -3 (1/oC)

Đặc điểm:

 Đơn giản, rẻ tiền, sử dụng dễ dàng, thuận tiện chính xác thích hợp sử dụng trong phòng TN

 Không dùng trong các ngành công nghiệp sản xuất do dễ bị vỡ, khó truyền tín hiệu đi

xa, không thể áp dụng cho kĩ thuật điều khiển

 Độ chính xác của nhiệt kế thủy tinh phụ thuộc vào chất lượng, phạm vi đo, và dự tiếp xúc với vật cần đo

Thủy ngân Chất nước hữu cơ (rượu, tooluen)

 α=0,18 10 -3 1/ o C

 Không dính vách ống

 Khó oxy hóa

 Phạm vi đo rộng

 Tuyến tính ở dải nhiệt độ thấp

 Nhiệt kế Hg nạp N ở 20 bar thì đo được tới 500 o C, ở 70

bar thì có thể đo tới 750 o C Với trường hợp nhiệt độ

thấp hơn ta có thể dùng rượu (-110 đến +50 °C), pentan

 Vị trí lắp đặt : nơi sáng sủa, ít chấn động,

sạch, thuận tiện đọc giá trị, đường ống

hẹp thì có thể đặt nghiêng

 Bảo vệ nhiệt kế: có vỏ bảo vệ kim loại,

ống và đầu giữ hàn vào ống dẫn

2.4 Nhiệt kế dãn nở chất nước (Nhiệt kế thủy tinh – chất lỏng) (tiếp) Glass thermometer

 Sai số

 Do sự xê dịch điểm không

 Do nhiệt kế cắm quá nông

 Quán tính do chất nước lớn bám vào thành ống do đó có thể xảy ra

khi nhiệt độ biến đổi làm cho chất nước lên xuống đột ngột Vách ống

hay chất nước bị bẩn cũng gây ra ảnh hưởng trên càng nghiệm trọng

 Quán tính nhiệt lớn

 Độ chia không chính xác

 Thước chia độ bị xê dịch

2.4 Nhiệt kế dãn nở chất nước (Nhiệt kế thủy tinh – chất lỏng) (tiếp)

Glass thermometer

2.5 Nhiệt kế áp suất

pressure thermometer, dPressure Guage thermometer

2.5.1 Nguyên lý:

Định luật của chất khí: Chất lỏng, khí chứa trong thể tích không đổi

Khi nhiệt độ tăng → giãn nở nhiệt→ V không tăng nhưng P tăng

2.5 Nhiệt kế áp suất (tiếp)

pressure thermometer, dPressure Guage thermometer

 Chọn dạng phần tử đàn hồi phụ thuộc vào AS bên trong HT, thông thường: + Màng đàn hồi: p ~ 0,5 MPa

+ Ống Bourdon và hộp đền xếp: p ~ 0,2 MPa đến 2,5

MPa

+ Ống dẹt nhiều vòng xoắn kiểu hình trụ: p ~ 2,5 MPa

đến 60 MPa

2.5.1 Chia loại nhiệt kế áp suất

a. Nhiệt áp kế chất lỏng

 Nguyên lý

- thể tích của bao nhiệt

- hệ số dãn nở thể tích theo NĐ của chất lỏng làm việc

- hệ số dãn nở dài theo NĐ của vật liệu làm bao nhiệt

2.5 Nhiệt kế áp suất: Nhiệt áp kế chất lỏng

Liquid filled expansion thermometer

2.5 Nhiệt kế áp suất: Nhiệt áp kế chất lỏng

Liquid filled expansion thermometer

 Đặc điểm

+ Môi chất nạp bên trong HT thường là Hg hoặc một số chất hữu cơ

khác: rượu metyl, rượu propyl,…)

+ Khoảng đo: -150 0 C đến +300 0 C

+ CL là môi chất không nén ép được nên thước chia độ của NK gần

như tuyến tính

+ Những yếu tố ảnh hưởng đến số chỉ của NK:

- AS và NĐ môi trường xung quanh

- Độ chênh lệch chiều cao giữa bao nhiệt và bộ phận chỉ thị

2.5 Nhiệt kế áp suất: Nhiệt áp kế chất lỏng (tiếp)

Liquid filled expansion thermometer

 Các loại nhiệt áp kế chất lỏng

Ví dụ

 Cấu tạo: bao nhiệt nối với một ống mao

dẫn nối với ống Buốc đông, hoặc màng

chắn

 Chất lỏng được điền đầy vào bên trong

thiết bị dưới áp suất cao (>70bar)

 Ống mao dẫn cũng giãn nở dưới tác động

của sự thay đổi nhiệt độ→ ngắn và mỏng

nhất có thể

2.5 Nhiệt kế áp suất: Nhiệt áp kế chất lỏng (tiếp)

Liquid filled expansion thermometer

Pmin và Pmax - áp suất khí ở các NĐ tương ứng với

điểm đầu tmin và điểm cuối tmax của thước chia độ

2.5 Nhiệt kế áp suất: Nhiệt áp kế chất khí

Gas filled expansion thermometer

 Đặc điểm

+ Môi chất nạp bên trong HT thường là Nitơ, đo nhiệt độ thấp có thể dùng khí He

+ Khoảng đo: -200 0 C đến 800 0 C

+ Sai số ± 0,6 % thang đo

+ Những yếu tố ảnh hưởng đến số chỉ của NK: AS và NĐ môi trường xung quanh

+ Khoảng cách tối đa giứa bầu chứa và thiết bị hiển thị là 100m

+ Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do Ni tơ không gây độc hại: trong công nghiệp chế biến thực phẩm, cơ khí, công nghiệp dược phẩm và hóa chất

+ Khoảng cách tối đa giứa bầu chứa và thiết bị hiển thị là 100m

2.5 Nhiệt kế áp suất: nhiệt áp kế chất khí (tiếp)

Gas filled expansion thermometer

22

2.5 Nhiệt kế áp suất:Nhiệt áp kế hơi bão hòa (kiểu ngƣng tụ)

Vapor-pressure thermometer

c Nhiệt áp kế hơi bão hòa

 Nguyên lý: dựa trên mối quan hệ giữa AS hơi bão hòa của CL trong NK và NĐ

Khoảng 3/4 bao nhiệt chứa CL có NĐ sôi thấp, phần còn lại chứa hơi bão hòa của nó

 Ranh giới giữa lỏng và hơi luôn nằm ở trong bầu chứa

 Hơi thoát ra ở phía trên được nối với ống mao dẫn

 Đặc điểm

 Môi chất nạp trong HT thường là: pentan, tôluen, benzen, axêton, propylen, Freon-22,

clomêtin,…

 Khoảng đo: -50 0 C đến +350 0 C

 AS hơi bão hòa là hàm mũ của NĐ nên thước chia độ của NK là không đều, độ chia dãn dần

về cuối thang đo

 Sai số khi đo nhiệt độ thấp lớn hơn sai số khi đo nhiệt độ cao rất nhiều

 Môi trường xung quanh không làm thay đổi chỉ số của nhiệt kế

 Hạn đo dưới là trạng thái bão hòa, hạn đo trên là nhiệt độ tới hạn

2.5 Nhiệt kế áp suất: Nhiệt áp kế hơi bão hòa (tiếp)

Vapor-pressure thermometer

2.5 Nhiệt kế áp suất

Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng :

+ Cấu tạo đơn giản, chịu được chấn động

+ Có thể đưa số đo đi xa (tới 50 m)

+ Thích hợp với môi trường có nguy cơ cháy, nổ

+ Độ chính xác không cao

+ Số chỉ bị chậm trễ tương đối lớn

+ Phải hiệu chỉnh luôn và sửa chữa tương đối khó khăn

+ Không đo được nhiệt độ của điểm, bề mặt

+ Chịu được chấn động

2.6 Nhiệt kế nhiệt điện

Thermocouples

Nguyên lý: đo NĐ dựa trên mối quan hệ giữa sức nhiệt điện động (s.n.đ.đ) sinh ra

trong mạch của cặp nhiệt và nhiệt độ

2.6.1 Hiệu ứng nhiệt điện và nguyên lý đo NĐ

 Hiệu ứng nhiệt điện do Seebeck tìm ra 1821

+ Hai vật dẫn (hoặc bán dẫn) A và B khác loại, ghép với nhau thành mạch kín Giả sử

( ) 1

A

At T

d N t k

+ Hiệu điện thế do tiếp xúc (Hiệu ứng Peltier 1834):

+ Hiệu điện thế trong mạch điện của cặp nhiệt AB (s.n.đ.đ):

Sau một vài phép biến đổi toán học, có thể rút gọn:

Nếu lấy tích phân trên, ta được:

N k

31

- Thông thường dùng ký hiệu EAB thay cho f, tức là:

- Nếu tách rời 2 đầu dây dẫn tại đầu có NĐT0 ta sẽ đo

được

- Nếu duy trì T0 = const, thì:

- Hai dây dẫn A và B có cấu tạo như trên,

gọi là cặp nhiệt (CN) Dây dẫn A và B là

- Mối hàn giữa 2 CNĐ được đặt tại nơi cần đo NĐ và gọi

là đầu nóng hay đầu làm việc của CN

- Đầu dây CNĐ không hàn được đặt ngoài môi trường đo

và gọi là đầu lạnh hay đầu tự do của CN

- Người ta không dùng tính toán để xác định

mà dùng thực nghiệm và cho biết s.n.đ.đ này dưới dạng

bảng số, công thức hoặc đồ thị (quá trình khắc độ CN)

- Quá trình đo NĐ là quá trình ngược lại của quá trình

Thông thường chỉ nối CN cùng loại để thuận tiện dùng

đồng hồ và tính toán

 Mắc nối tiếp thuận:

- Cực (+) CN này với cực (-) CN tiếp theo Pin nhiệt điện

- Ứng dụng: khi đo NĐ thấp hoặc T khác rất ít với T

2.6.2 Các cách mắc nối CN

 Mắc nối tiếp ngược:

- Cực (+) của CN này với cực (+) của CN tiếp theo hoặc ngược lại

- Ứng dụng: đo độ chênh nhiệt độ Nếu quan hệ

s.n.đ.đ của CN và NĐ phi tuyến phải biết 1 trong 2 NĐ 1 2

T T T

  

2.6.2 Các cách mắc nối CN (tiếp)

 Mắc song song:

- Nối các cực cùng dấu của các CN với nhau

- Ứng dụng: đo NĐ trung bình của nhiều điểm

2.6.2 Các cách mắc nối CN (tiếp)

 Các p.p làm mất ảnh hưởng gây nên bởi NĐ đầu tự

1- Phương pháp tính toán:

- Đo , tra bảng tìm

- Từ đồng hồ đo, biết được

- Tính:

- Tra bảng ngược lại, tìm được T

 Thực tế, các đồng hồ thường chia độ theo NĐ chứ

không theo s.n.đ.đ Để thuận tiện, dùng công thức:

K- Hệ số tỷ lệ, tra từ bảng số hoặc đồ thị, phụ thuộc vào

loại CN và khoảng NĐ cần đo K =1 nếu đường đặc tính của CN là tuyến tính

' 0

' 0

2- Phương pháp đ/c điểm 0 cơ khí của đồng hồ thứ cấp:

- Trước khi đo, đ/c điểm 0 của đồng hồ dịch đi 1 đoạn

cố định:

- Khi đọc kết quả luôn nhận được:

- Phương pháp này chỉ áp dụng được với các đồng hồ thứ cấp loại từ điện (vd: mV-mét) và khi

3- Phương pháp sử dụng dây bù đi kèm với một số biện pháp khác:

 Dây bù (dây kéo dài CNĐ): làm từ vật liệu giống như các

CNĐ hoặc có t/c nhiệt điện giống như các CNĐ trong

khoảng biến đổi NĐ đầu tự do của CN

 Nhờ có dây bù đầu tự do của CN được đưa ra xa khỏi đối tượng

 Một số biện pháp đi kèm:

- Đặt đầu tự do của CN trong các ống nghiệm chứa dầu, hoặc nước đá đang tan

- Đặt đầu tự do của CN trong hộp sắt hoặc hộp chứa dầu

- Đặt đầu tự do của CN trong ống nhồi chất cách nhiệt và chôn dưới đất khoảng 1,5 - 2 m

- Đặt đầu tự do của CN trong bình hằng nhiệt có đ/c NĐ

2.6.3 Các phương pháp bù NĐ đầu tự do CN (tiếp)

R5 - khác nhau cho các loại CN

2.6.3 Các phương pháp bù NĐ đầu tự do CN (tiếp)

5- Phương pháp bù TĐ sử dụng CN phụ:

Tổng s.n.đ.đ đưa tới

đồng hồ đo:

- P.p này nếu áp dụng cho 1 CN thì không kinh tế

- Trong công nghiệp, thường sử dụng khi đo NĐ ở nhiều điểm khác nhau bằng các

CN cùng loại, nhưng chỉ dùng 1 đồng hồ thứ cấp thông qua chuyển mạch

2.6.3 Các phương pháp bù NĐ đầu tự do CN (tiếp)

6- Phương pháp bù TĐ thông qua các mạch điện bên trong đồng hồ đo:

 Điện thế kế TĐ

 mV-mét điện tử sử dụng các IC chuyên dùng

7- Phương pháp bù TĐ sử dụng phần mềm:

- Chỉ có thể áp dụng với những đồng hồ đo có sử dụng bộ vi xử lý

- Nguyên lý: giống p.p tính toán nhưng dùng phần mềm

- Khi thay đổi loại CN, thay đổi chương trình

P



2.6.3 Các phương pháp bù NĐ đầu tự do CN (tiếp)

Khi viết tên CN cực (+) viết trước, cực (-) viết sau UB KT điện quốc tế IEC đưa ra 1 tiêu chuẩn thống nhất cho 8 loại CN thường dùng:

- Thường sử dụng trong đo lường thí nghiệm

- Chịu được môi trường ôxy hóa và khử ôxy

2- CN Nickel - Crôm /Constantan

- Ký hiệu khắc độ: E hoặc NiCr - CuNi (90% Ni,10% Cr - 55% Cu, 45% Ni)

- Khoảng đo: -250 0C đến +800 0C Đo nhanh trong môi trường ôxy hóa có thể tới +1000 0C

3- CN Sắt /Constantan

- Ký hiệu khắc độ: J hoặc Fe - CuNi (Fe - 55% Cu, 45% Ni)

- Khoảng đo: -200 0C đến +800 0C Đo nhanh có thể tới

+1000 0C

- Độ nhạy: khoảng 52 - 55

- Làm việc tốt trong môi trường ôxy hóa và khử ôxy

- Có đặc tính tương đương với CN loại Ж (Nga)

4- CN Nickel- Crôm /Nickel-Alumini

- Ký hiệu khắc độ: K hoặc NiCr - NiAl (90% Ni,10% Cr - 95% Ni, còn lại là Al, Si, Mn), đôi khi gọi là NiCr – Ni

- Khoảng đo: -200 0C đến +1000 0C Đo nhanh có thể tới +1200 0C

5- CN Nickel- Crôm-Silic /Nickel-Silic

- Ký hiệu khắc độ: N hoặc NiCrSi - NiSi CN này còn có tên gọi là Nicrosil - Nisil

- Đặc tính nhiệt điện rất giống với CN loại K, độ ổn định và tuổi thọ lớn gấp 3 lần

- Khoảng đo: -200 0C đến +1000 0C Đo nhanh có thể tới +1300 0C

6- CN Bạch kim - Rôđi / Bạch kim loại S

Ký hiệu khắc độ: S hoặc Pt10Rh Pt (90% Pt,10% Rh Pt)

- Đây là loại CN kim loại quí phổ biến nhất

- Khoảng đo: -0 0C đến +1300 0C Đo nhanh có thể tới

+1600 0C

- Độ nhạy: khoảng 6 -12

- Làm việc tốt trong môi trường ôxy hóa, dễ bị ảnh hưởng bởi Si và Fe, không thể chịu được trong môi trường khử ôxy Rh có thể khuyếch tán hoặc thăng hoa từ cực (+)

sang cực (-) làm thay đổi đặc tính của nó

- Đặc tính tương đương với CN loại ΠΠ (Nga) và LB (TQ)

7- CN Bạch kim - Rôđi / Bạch kim loại R

Ký hiệu khắc độ: R hoặc Pt13Rh Pt (87% Pt,13% Rh Pt)

- CN loại này có tính chất gần giống loại S, chỉ khác là %

Rh trong cực (+) nhiều hơn, cho tín hiệu ra s.n.đ.đ lớn hơn 1 chút và độ ổn định cao hơn

8- CN Bạch kim - Rôđi / Bạch kim - Rôđi loại B

trong dải NĐ < 100 0C không cần bù NĐ đầu tự do

 Dây bù được làm từ các vật liệu giống như dây cực CN hoặc từ các vật liệu đặc biệt có t/c nhiệt điện giống như

CN trong khoảng NĐ giới hạn

 Các dây bù tiêu chuẩn được dùng cho các CN tiêu

chuẩn

 Tính chất điện và cơ của chúng được qui định trong Tiêu chuẩn IEC 584 -3

 Dây bù được nhận biết qua mã chữ cái hoặc mã màu.Vd:

- KX là dây bù cho CN khắc độ loại K, làm từ vật liệu

giống như CN Vỏ cáp bọc có màu xanh lá cây, dây (+)

có màu giống màu của vỏ bọc cáp, dây (-) có màu trắng

- RCA là dây bù cho CN khắc độ R, làm từ vật liệu đặc

biệt loại A Vỏ cáp bọc có màu da cam, dây (+) có màu

giống màu của vỏ bọc cáp, dây (-) có màu trắng

2.6.5 Một số dây bù tiêu chuẩn