Đo lường bức xạ nhiệt

Đo lường là việc xác định độ lớn, không chỉ các đại lượng vật lý mà có thể là bất cứ khái niệm gì có thể so sánh được với nhau. Đo lường cung cấp các chuẩn mực về độ lớn cho giao dịch trong đời sống. Đo lường nói riêng, hay quan sát và thí nghiệm nói chung, cũng là một bước quan trọng trong nghiên cứu khoa học (khoa học tự nhiên và khoa học xã hội).

1

Mục lục

Lời mở đầu 2

Chương 1 3

KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG 3

1 Khái niệm về đo lường: 3

2 Phân loại quá trình đo: 3

2.1 Đo trực tiếp 3

2.2 Đo gián tiếp 3

2.3 Đo tổng hợp 3

3 Dụng cụ đo lường: 4

Đồng hồ đo 4

4 Sai số đo lường: 5

4.1 Sai số nhầm lẫn 5

4.2 Sai số hệ thống 5

4.3 Sai số ngẫu nhiên 5

5 Một số hình ảnh minh hoạ các quá trình đo lường phổ biến hiện nay: 5

Chương 2 7

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG BỨC XẠ 7

1 Giới thiệu tổng quan về khái niệm đo lường bức xạ 7

1.1 Khái niệm bức xạ nhiệt : 7

1.2 Một số định luật về bức xạ nhiệt: 9

2 Dụng cụ đo nhiệt độ bằng phương pháp gián tiếp: 12

2.1 Hoả kế quang học 12

2.2 Hoả kế bức xạ toàn phần 15

2.3 Hỏa kế quang điện 20

2.4 Hỏa kế so màu sắc 21

2.5 Hoả kế bức xạ hồng ngoại 22

KẾT LUẬN 26

Tài liệu tham khảo 27

2

Lời mở đầu

Đo lường là việc xác định độ lớn, không chỉ các đại lượng vật lý

mà có thể là bất cứ khái niệm gì có thể so sánh được với nhau Đo lường cung cấp các chuẩn mực về độ lớn cho giao dịch trong đời sống Đo lường nói riêng, hay quan sát và thí nghiệm nói chung, cũng là một bước quan trọng trong nghiên cứu khoa học (khoa học tự nhiên và khoa học xã hội)

Ngày nay, với sự phát triển vượt bật của khoa học công nghệ Thì các quá trình đo lường có vai trò vô cùng quan trọng trong việc ứng dụng cũng như phát triển các loại máy móc, chi tiết trong các nhà máy hay trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta

Các thiết bị ngày nay càng cải tiến, quy mô phát triển lớn thì ta nên chọn các phương pháp đo lường thích hợp Để đảm bảo độ

an toàn cũng như tiến độ trong khâu sản xuất

3

Chương 1

KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG

1 Khái niệm về đo lường:

_ Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng một đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo Hoặc có thể định nghĩa rằng đo lường là hành động cụ thể thực hiện bằng công cụ

đo lường để tìm trị số của một đại lượng chưa biết biểu thị bằng đơn vị đo lường

2 Phân loại quá trình đo:

_ Có 3 loại đo chính: đo trực tiếp, đo gián tiếp và đo tổng hợp

2.1 Đo trực tiếp

_ Là ta đem lượng cần đo so sánh với lượng đơn vị bằng dụng

cụ đo hay đồng hồ chia độ theo đơn vị đo

2.2 Đo gián tiếp

_ Lượng cần đo được xác định bằng tính toán theo quan hệ hàm

đã biết đối với các lượng bị đo trực tiếp có liên quan

2.3 Đo tổng hợp

_ Là tiến hành đo nhiều lần ở các điều kiện khác nhau để xác định được một hệ phương trình biểu thị quan hệ giữa các đại lượng chưa biết và các đại lượng bị đo trực tiếp, từ đó tìm ra các lượng chưa biết

4

3 Dụng cụ đo lường:

Đồng hồ đo _ Là những dụng cụ có thể đủ để tiến hành đo lường hoặc kèm với vật đo Có nhiều loại đồng hồ đo khác nhau về cấu tạo, nguyên

lý làm việc nhưng xét về tác dụng của các bộ phận trong đồng

hồ thì bất kỳ đồng hồ nào cũng gồm 3 bộ phận là bộ phận nhạy cảm, bộ phận chỉ thị và bộ phận chuyển đổi trung gian

Đồng hồ đo áp suất

Đồng hồ đo lưu lượng nước

5

4 Sai số đo lường:

Có 3 loại sai số khi đo lường là: Sai số nhầm lẫn, sai số hệ

thống, sai số ngẫu nhiên

4.1 Sai số nhầm lẫn

_ Trong quá trình đo lường, những sai số do người xem đo đọc sai, ghi chép sai, thao tác sai, tính sai, vô ý làm sai, được gọi là sai số nhầm lẫn

4.2 Sai số hệ thống

_ Sai số hệ thống thường xuất hiện do cách sử dụng đồng hồ đo không hợp lý, do bản thân đồng hồ đo có khuyết điểm, hay điều kiện đo lường biến đổi không thích hợp và đặc biệt là khi không hiểu biết kỹ lưỡng tính chất của đối tượng đo lường

4.3 Sai số ngẫu nhiên

_ Trong quá trình đo lường, những sai số mà không thể tránh khỏi gây bởi sự không chính xác tất yếu do các nhân tố hoàn toàn ngẫu nhiên được gọi là sai số ngẫu nhiên

5 Một số hình ảnh minh hoạ các quá trình đo lường phổ biến hiện nay:

Đo nhiệt độ

6

Đo độ ẩm

Đo bức xạ

7

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐO

LƯỜNG BỨC XẠ

1 Giới thiệu tổng quan về khái niệm đo lường bức xạ

1.1 Khái niệm bức xạ nhiệt :

nhiệt độ của vật lớn hơn độ không tuyệt đối thì sự va chạm giữa

tử hoặc phân tử Điều này dẫn đến làm tăng tốc điện tích và/hoặc gây dao động lưỡng cực, từ đó sản sinh ra bức xạ điện từ và độ rộng phổ của bức xạ tương ứng với độ rộng phổ của năng lượng

và gia tốc ở một nhiệt độ nhất định

là bức xạ vật đen

_ Khi một vật phát ra bức xạ, năng lượng và nhiệt độ của nó giảm

_ Khi một vật hấp thụ bức xạ, năng lượng và nhiệt độ của nó tăng

8

Hình ảnh về hiện tượng bức xạ nhiệt

_ Bất kỳ một vật nào sau khi nhận nhiệt thì cũng có một phần nhiệt năng chuyển đổi thành năng lượng bức xạ, số lượng được chuyển đổi đó có quan hệ với nhiệt độ

_ Dụng cụ dựa vào tác dụng bức xạ nhiệt để đo nhiệt độ của vật gọi là hỏa kế bức xạ, chúng thường được dùng để đo nhiệt độ trên

600 0C

10

Nếu T < 3000 oK và λ T < 0,3 cm.K thì sử dụng công thức trên là khá chính xác

11

sẽ quan hệ với nhiệt độ theo biểu thức:

Bức xạ ứng với mỗi nhiệt độ tuân theo định luật Wien

12

Định luật Planck (minh họa bằng các đường cong màu)

2 Dụng cụ đo nhiệt độ bằng phương pháp gián tiếp:

2.1 Hoả kế quang học

_ Hoả kế quang học chế tạo dựa trên định luật Planck

_ Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang học là so sánh cường

độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau Từ hình trên ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị, do đó người ta thường cố định bước sóng ở 0,65μm

13

Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào bước sóng và nhiệt độ

Sơ đồ hoả kế quang học

1) Nguồn bức xạ 2)Vật kính 3) Kính lọc 4&6) Thành ngăn

5) Bóng đèn mẫu 7) Kính lọc ánh sáng đỏ 8) Thị kính

_ Khi đo, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sánh đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh

vật cần đo

sóng λ trong khoảng 0,4 ÷ 0,7 μm thì mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối có quan hệ với nhiệt độ theo định luật Planck:

EOλ = C1λ−5eCλT2

_ Đối với vật thật:

Eλ = 𝜖λC1λ−5eCλT2

_ Sai số khi đo:

Sai số do độ đen của vật đo ε < 1 Khi đó Tđo xác định bởi công thức:

14

_ Giá trị của ΔT cho theo đồ thị

_ Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách

đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ Khi môi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng

Sơ đồ hoả kế quang học tiếng anh

15

Thiết bị hoả kế quang học

2.2 Hoả kế bức xạ toàn phần

_ Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của

vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của

16

_ Trong sơ đồ hình a: ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính hội tụ (2) đập tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5)

_ Trong sơ đồ hình b: ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4),

bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5)

_ Bộ phận thu năng lượngcó thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc

là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu:

+ Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây

+ Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đo _ Trên hình bộ thu năng lượng trình bày cấu tạo của một bộ thu

là tổ hợp cặp nhiệt Các cặp nhiệt (1) thường dùng cặp crômen/côben mắc nối tiếp với nhau Các vệt đen (2) phủ bằng bột platin Hoả kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp (~10%), hoả kế dùng thấu kính hội tụ có thể tổn thất tới 30 - 40% Tuy nhiên loại thứ nhất lại có nhược điểm là khi môi trường nhiều

bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó tăng sai số

_ Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt

+ Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1

+ Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 1/16

Bộ thu năng lượng

17

1) Cặp nhiệt 2) Lớp phủ platin

_ Trong thực tế độ đen của vật đo e <1, khi đó

_ Thông thường xác định theo công thức sau:

(hình hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen ) Khoảng cách đo tốt nhất

_ Tốc độ đáp ứng nhanh, có thể đo các đối tượng chuyển động

_ Không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách từ khoảng cách đến đối tượng đo

18

Nhược điểm:

_ Không tuyến tính, độ nhạy kém

_ Tính sẵn có của vật liệu quang học làm giới hạn các bước sóng

có thể đo được

_ Cấu tạo đơn giản nhưng giá thành, chi phí lắp đặt cao

_ Sự phát xạ của vật liệu đối tượng ảnh hưởng đến phép đo

_ Nếu có bất kì 1 nguồn nhiệt nào khác đối tượng đo sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo

19

Một số hình ảnh về thiết bị đo hoả kế bức xạ toàn phần

20

2.3 Hỏa kế quang điện

_ Nguyên tắc đo nhiệt độ của hỏa kế quang điện cũng tương tự như hỏa kế quang học song nhờ dùng đèn quang điện làm bộ phận nhạy cảm và thực hiện điều chỉnh độ sáng của bóng đèn một cách

tự động nên hỏa kế quang điện là dụng cụ tự động đo được nhiệt

độ các quá trình biến đổi nhanh có thể tự ghi số đo một cách liên tục và dùng trong các hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ

21

2.4 Hỏa kế so màu sắc

_ So sánh cường độ bức xạ hoặc độ sáng đối với hai sóng bức xạ khác nhau nhiệt độ đo trong trường hợp này gọi là nhiệt độ so độ sắc Nguyên lý làm việc: Cường độ bức xạ từ vật đo 1 qua thấu kính hội tụ và tập trung ánh sáng trên đĩa quay, đĩa này quay quanh trục nhờ động cơ xoay chiều Sau khi ánh sáng qua đĩa thì

đi đến phần tử quang điện Trên đĩa quay có khoan một số lỗ, trong đó một nửa đặt bộ lọc màu đỏ còn nữa kia đặt bộ lọc màu xanh Sự chênh lệch giữa hai dòng quang điện do các xung lượng tạo ra gây nên trong BKĐ, một tín hiệu tỷ lệ với lôgarít tự nhiên của tỷ số hai dòng quang điện khi tấm chắn quay

_ Khoảng đo từ 1400 ÷ 2800°C

Ưu điểm:

_ Nhiệt độ so màu sắc gần giống nhiệt độ thực hơn so với nhiệt

độ độ sáng và nhiệt độ bức xạ

_ Hồng ngoại là sóng có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến

(nhìn thấy) Mắt người bình thường có thể thấy ánh sáng có bước

sóng khoảng từ 0.36µm tới 0.72µm

_ Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quốc phòng, an ninh, công

nghiệp sản xuất Riêng trong lĩnh vực sản xuất,

_ Trên thị trường hiện có rất nhiều nhà sản xuất súng đo bức xạ

hồng ngoại: Eurotron, Flir, Kimo, IRTEK, Fluke,

điện tử Cảm biến hồng ngoại sẽ đo mức năng lượng của vật, từ

đó sẽ tính toán ra nhiệt độ

Bộ cảm biến nhiệt

23

Sử dụng cảm biến hồng ngoại trong nhà máy

2.5.1 Lưu ý khi sử dụng/chọn mua súng đo nhiệt độ hồng

ngoại:

24

2.5.2 Ứng dụng thực tế của súng đo nhiệt độ:

Súng đo nhiệt độ trong quá trình sản xuất thủy tinh thành phẩm

Súng đo nhiệt độ trong quá trình sản xuất kính chắn gió cho ô tô

và dân dụng

25

Súng đo nhiệt độ trong lò đốt

Súng đo nhiệt độ trong quá trình cán, ép nhựa

26

KẾT LUẬN

Việt Nam đang dần hội nhập với nền phát triển công nghiệp trên thế giới, đặc biệt với các cường quốc công nghiệp như Mỹ, Nhật, Đức, Anh, Các máy móc, thiết bị cũng trở nên đa dạng hơn, thì việc sử dụng các phương pháp đo lường là điều vô cùng quan trọng Nó giúp thiết bị trở nên chính xác, độ an toàn cao cho nhà sản xuất và người sử dụng Qua bài tiểu luận trên, nhóm đã nghiên cứu và đưa ra một trong những phương pháp đo phổ biến trong

của quá trình đo, ứng dụng thực tế, và các ưu nhược điểm Công nghệ đo bức xạ phù hợp hầu hết với nhiều nhà máy, xí nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường, kiểm tra độ chính xác Cụ thể trong nhà máy sản xuất xi măng, sản xuất gạch men, sản xuất kính ô tô, Và trong cuộc sống hằng ngày cũng không thể thiếu thiết bị đo lường bức xạ, cụ thể trong việc xác định nhiệt

độ của ấm nước sôi, xác định nhiệt độ CPU vi tính,

27

Tài liệu tham khảo

1 Giáo trình đo lường nhiệt_Hoàng An Quốc – Hoàng Dương Hùng – Lê Xuân Hòa

2 xa-radiation-pyrometer.html

https://blogdiencongnghiep.blogspot.com/2016/05/hoa-ke-buc-3 https://voer.edu.vn/c/hoa-ket/13775a37/6010122a

4 ong-cua-hoa-ke.html

http://www.ebookbkmt.com/2016/05/phan-tich-nguyen-ly-hoat-5 https://vi.wikipedia.org/wiki/Định_luật_Planck

6 https://vi.wikipedia.org/wiki/Bức_xạ_nhiệt

7 http://doc.edu.vn/tai-lieu/bai-giang-buc-xa-nhiet-11964/

8 hoa-ke-hong-ngoai-%7C-nhiet-ke-hong-ngoai-:-su-dung-sao-cho-dung -631.html