C4 do nhiet do cam bien ki thuat do

Nhiệt độ có thể đo được là nhờ hiện tượng trao đổi nhiệt giữa các vật có nhiệt độ khác nhau, hoặc dựa vào sự thay đổi tính chất vật lý của các vật thể khi bị nung nóng hoặc làm lạnh, tức

Chương 4

Đo nhiệt độ

4.1 KHÁI QUÁT

1 Mục đích ý nghĩa đo nhiệt độ

Nhiệt độ là thông số biểu thị trạng thái của môi chất, nó cho ta biết được một số tính chất cơ bản của môi chất ở môi trường nhiệt độ mà môi chất đó chịu ảnh hưởng Nhiệt độ có thể đo được là nhờ hiện tượng trao đổi nhiệt giữa các vật có nhiệt độ khác nhau, hoặc dựa vào sự thay đổi tính chất vật lý của các vật thể khi bị nung nóng hoặc làm lạnh, tức là khi nó bị thay đổi nhiệt độ

Quá trình phát triển và tối ưu hoá động cơ đốt trong luôn gắn liền với sự nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt Trong đó đặc biệt là quá trình truyền nhiệt giữa môi chất công tác (khí mới và khí cháy) với thành buồng cháy, vì nó ảnh hưởng quyết định tới hiệu suất tức là tiêu hao nhiên liệu và chất lượng khí xả cũng như tỉ trọng nhiệt của các chỉ tiêu tạo ra buồng cháy, tức là tuổi thọ của động cơ Mặt khác, sự truyền nhiệt từ môi chất đến thành buồng cháy là thông số cơ bản để phân tích và mô hình hoá quá trình cháy, là điều kiện biên trong việc tính toán tải trọng lên các chi tiết cũng như sự xuất hiện của khí xả có hại

2 Đơn vị đo nhiệt độ

Cơ sở của đơn vị đo nhiệt độ là dựa vào các chuẩn theo quy ước quốc tế như sau: Nhiệt độ nóng chảy của nước đá ở áp suất 760 torr là 0 độ và nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 760 torr là 100 độ, chia khoảng trên ra 100 phần, mỗi phần ứng với 1

độ Khoảng chia của đơn vị nhiệt độ theo cách trên gọi là độ celsius viết tắt là 0C (gọi

là 0C để kỉ niệm người đầu tiên nghĩ ra phương pháp phân chia nhiệt độ như trên Anders Celsius (1701-1744) vào năm 1736)

Để thực hiện việc phân chia nhiệt độ ở các khoảng nhiệt độ khác lớn hơn 1000C

và nhỏ hơn 00C phải quy định các điểm chuẩn như sau:

+ Nhiệt độ sôi của Oxy ở áp suất 760 torr là -182,970C

+ Điểm nóng chảy của nước đá ở áp suất 760 torr là 0,00 0C

+ Điểm sôi của nước ở áp suất 760 torr là 100,000C

+ Điểm sôi của lưu huỳnh ở áp suất 760 torr là 444,600C

+ Điểm đông đặc của bạc ở áp suất 760 torr là 960,800C

+ Điểm đông đặc của vàng ở áp suất 760 torr là 1063,000C

và dùng các phương pháp đo đặc biệt sau để phân chia:

a) giữa nhiệt độ hoá lỏng của nước đá và 630,50C nhiệt độ hoá lỏng của an-ti-moan dùng nhiệt kế điện trở Platin theo công thức sau:

Rt = R0 (1 + At + Bt2)

Các giá trị R0, A và B là các hằng số được xác định bởi điện trở ở các điểm hoá lỏng của nước đá, điểm nước sôi và điểm lưu huỳnh sôi

b) Từ -1900 đến điểm tan của nước đá dùng nhiệt kế điện trở platin theo công thức sau:

Rt = R0 [1 + At + Bt2+ (C - 100)t3]

Các giá trị R0, A và B là các hằng số đã được xác định trên phần a) Giá trị C cũng là hằng số và được xác định nhờ điểm sôi của Oxy

c) Giữa 630,50 và điểm hoá lỏng của vàng 10630, việc chia nhiệt độ được thực hiện bởi cặp nhiệt ngẫu Platin-Platin Rhodium tiêu chuẩn; một đầu đặt ở 00C và đầu kia ở nhiệt độ đo, ta có quan hệ:

E = a + bt + ct2

ở đây a, b và c là các hằng số được xác định nhờ điểm đông đặc của antimoan, bạc và vàng

d) Nhiệt độ trên điểm nóng chảy của vàng xác định bằng các phép đo dùng cường độ ánh sáng

Ngoài thang nhiệt độ được qui ước quốc tế thừa nhận và sử dụng đã trình bày ở

trên, trong vật lí và trong kỹ thuật còn sử dụng rộng rãi thang nhiệt độ nhiệt động học

do Kelvin đưa ra năm 1892 và được gọi là độ không tuyệt đối, viết tắt là K

Quan hệ giữa 0C và K như sau: 00C = 273,15K

Người ta thường xuyên tính toán chuyển đổi từ độ C sang độ K Trong kỹ thuật, các phép đo có thể sử dụng công thức sau: T(K) = t(0C) + 273

Ngoài hai hệ đơn vị được dùng phổ biến ở hầu khắp các nước trên thế giới, ở

Mỹ còn dùng một hệ đơn vị nhiệt độ khác được gọi là 0F (Fahrenheit) Quan hệ đơn vị giữa 0F và 0C như sau:

0C = 5/9 (0F - 32)

Có thể lấy ví dụ nước sôi ở áp suất 760mm Hg là 1000C hay là 212 0F và nước

đá tan ở 00C hay là 320F

3 Phân loại các phương pháp đo nhiệt độ

a Đo nhiệt độ nhờ phương pháp tiếp xúc

Kiểu cơ khí: Thay đổi thể tích, thay đổi lực căng Kiểu điện: Thay đổi điện trở, sinh điện

b Đo nhiệt độ nhờ bức xạ

Toàn phần, một phần, bức xạ màu

Phương pháp đo nhiệt độ

Phương pháp

cơ học

Phương pháp điện

Các phương pháp khác

Thay đổi

thể tích

Thay đổi lực căng

Thay đổi điện trở sinh điện Nhiệt kế nóng chảy Nhiệt

Nhiệt biểu thị màu

Bức xạ toàn phần

Bức xạ một phần

Bức xạ màu

Sơ đồ phân loại trên cho thấy dựa vào phương thức truyền nhiệt từ vật cần đo

đến đầu cảm của thiết bị đo, người ta chia thiết bị đo nhiệt độ ra làm 2 loại là thiết bị

đo nhiệt độ dựa vào truyền nhiệt tiếp xúc và dựa vào truyền nhiệt bức xạ

Bằng hai phương thức truyền nhiệt đó đã có hàng loạt các thiết bị đo nhiệt độ ra

đời và được sử dụng ở mọi lĩnh vực của kỹ thuật Phạm vi ứng dụng của các thiết bị đo

nhiệt độ trong kỹ thuật như sau:

Nhiệt kế thủy tinh chất lỏng : -200 đến + 7000C

Nhiệt kế đàn hồi chất lỏng : - 35 đến + 6000C

Bức xạ kế : 0 đến + 6000C và đến +30000C

4.2 CÁC LOẠI NHIỆT KẾ

Hình 4.1 Nhiệt kế chất khí, nhiệt kế chất lỏng

1.Nhiệt kế thủy tinh chất lỏng

Nhiệt kế thuỷ tinh chất lỏng đo nhiệt độ dựa vào sự giãn nở khác nhau giữa chất lỏng làm nhiệt kế và thủy tinh khi nhiệt độ thay đổi

Nhiệt kế thuỷ tinh chất lỏng được dùng phổ biến là nhiệt kế thuỷ ngân (nhiệt kế thuỷ tinh có chất lỏng được dùng là thuỷ ngân) để đo nhiệt độ giữa -300C đến +6250C, nếu là thạch anh có thể đo đến +7500C

Ở các loại nhiệt kế tốt (có độ chính xác cao và đo ở nhiệt độ cao) thì không gian

ở phía trên thuỷ ngân (ở trong ống nhỏ) phải được hút chân không nhằm loại trừ sự oxy hoá thuỷ ngân Trong trường hợp đo nhiệt độ trên 2500C người ta phải đưa vào không gian này khí trơ, thường là Nitơ, để tránh sự oxy hoá và bay hơi của thuỷ ngân

Để đo nhiệt độ thấp, chất lỏng được dùng trong nhiệt kế thuỷ tinh chất lỏng là các chất hữu cơ như pentan, rượu, toluen Nhược điểm của loại chất lỏng này là hệ số giãn nở của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ cho nên các vạch chia không thể đều được Ngoài ra các loại chất lỏng này có khả năng dẫn nhiệt kém nên sức ỳ lớn, tức là thời gian cần thiết để đọc kết quả kéo dài

Sự lão hoá của thuỷ tinh có thể làm cho nó bị thay đổi thể tích dẫn đến sai số điểm không của nhiệt kế Với các loại thuỷ tinh tốt, người ta tiến hành quá trình lão hoá nhân tạo có thể loại trừ được hiện tượng sai số nói trên

Ngoài ra trong quá trình sử dụng có thể gặp các nguyên nhân sai số khác nhau song các loại nhiệt kế tốt phải bảo đảm các sai số do nhiệt kế sinh ra nằm trong phạm

vi sai số đọc Sai số thường gặp nhất là tiết diện của ống dẫn chất lỏng không đều Sai

số này được làm sáng tỏ khi hiệu chỉnh nhiệt kế

Khi lắp ghép nhiệt kế thuỷ tinh để đo nhiệt độ phải chú ý bảo đảm điều kiện đọc kết quả thuận lợi tránh sai số đọc do chiếu sáng không đồng đều gây ra

2 Nhiệt kế đàn hồi chất lỏng (Nhiệt kế kiểu áp kế)

Loại nhiệt kế này áp suất của chất lỏng là độ lớn

trực tiếp để đo nhiệt độ áp suất sinh ra do sự giãn nở

của chất lỏng khi nhiệt độ thay đổi Chất lỏng được sử

dụng phổ biến nhất là thuỷ ngân Ngoài ra người ta

cũng sử dụng các chất hữu cơ ở thể lỏng

Phạm vi đo của loại nhiệt kế này nằm trong

khoảng -35 đến + 6000C

Ưu điểm của loại nhiệt kế này so với nhiệt kế

thuỷ tinh chất lỏng là:

- Ít nhạy cảm với rung động và áp suất

- Có thể dẫn kết quả đi xa

- Có thể ghi một cách liên tục kết quả đo

Hình 4.2 giới thiệu kết cấu của một nhiệt kế đàn

hồi chất lỏng Đầu cảm nhiệt độ 1 được nối với ống 2

thẳng hoặc quanh co ống nhỏ 2 chính là bộ phận truyền kết quả đi xa, nó được nối với

Hình 4.2: Sơ đồ

nguyên lí của nhiệt kế đàn hồi chất lỏng

bộ phận chỉ Bộ phận chỉ (hiện kết quả đo) bao gồm ống đàn hồi 3, đòn truyền động 4, vành bánh xe 5, bánh xe 6 và kim chỉ 7 Tất cả các bộ phận đầu cảm, ống nhỏ truyền

áp suất 2 và ống đàn hồi 3 đều chứa chất lỏng làm áp kế dùng để truyền áp suất từ đầu cảm đến bộ phận chỉ

Khi nhiệt độ đầu cảm tăng thì áp suất ở đó tăng lên và áp suất này được dẫn đến ống đàn hồi 3 làm cho nó dịch chuyển Nhờ đó mà kim chỉ thay đổi vị trí tương ứng với nhiệt độ ở đầu cảm

Vật liệu làm đầu cảm phải chịu được áp suất và nhiệt độ cao cũng như chịu được tác dụng của môi trường đo Ngoài ra nó còn phải bền với thuỷ ngân Vì vậy trong đại đa số trường hợp phải dùng thép hợp kim Nhờ đó khi sử dụng nhiệt kế đàn hồi không cần phải lưu ý bảo vệ nó

Nhiệt kế đàn hồi có quán tính tương đối nhỏ Người ta có thể hạ thấp được quán tính của nó bằng cách tăng diện tích bề mặt của đầu cảm nhiệt độ so với thể tích chất lỏng (làm chiều dài lớn mà đường kính nhỏ)

Ưu điểm của loại nhiệt kế này là có thể lắp thiết bị báo nhiệt cách xa điểm cần

đo Nhiệt kế kiểu áp kế có thể dùng môi chất công tác là: chất lỏng, hơi và khí

Tùy thuộc vào chất lỏng cho vào nhiệt kế đàn hồi mà nó được phân ra các loại nước, hơi và khí, thường có các loại sau:

- Clorua metyl (CH3Cl), khoảng đo 0 đến +1000C

- Ête etyl (C(C2H5 )2O), khoảng đo 0 đến +1500C

- Aceton (C(CH3 )2CO), khoảng đo 0 đến +1700C

Ngoài ra có loại nhiệt kế đàn hồi chất lỏng là khí Nitơ hay Heli có khoảng đo

-130 đến +5500C Loại này có ưu điểm là đo được khoảng nhiệt độ lớn và ở trong đầu cảm, ống dẫn, ống đàn hồi có áp suất lớn nên ít chịu ảnh hưởng của áp suất môi trường

đo

Trong quá trình sử dụng có thể gặp phải sự dịch chuyển điểm không do sự thay đổi thể tích và sự đàn hồi của vật liệu, nên sau một thời gian sử dụng nhiệt kế đàn hồi phải được kiểm tra lại bằng cách so sánh với nhiệt kế thuỷ tinh và trong các trường hợp cần thiết phải điều chỉnh lại

Nếu như ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không loại trừ được (nhờ cơ cấu

bù trừ), thì sự thay đổi nhiệt độ của môi trường so với nhiệt độ hiệu chỉnh sẽ làm cho nhiệt kế đàn hồi thuỷ ngân có sai số sau:

1-Nhiệt kế không có cơ cấu bù trừ nhiệt độ

Sai số chỉ cho mỗi một met ống dẫn khi chênh lệch nhiệt độ ± 10C so với nhiệt

độ hiệu chỉnh là ± 0,02% khoảng chỉ (lấy thể tích của bộ phận đàn hồi bằng 5m ống dẫn)

2-Nhiệt kế có bù trừ một phần (không có bù trừ ống dẫn)

Sai số chỉ cho mỗi một met ống dẫn khi chênh lệch nhiệt độ là ± 10C so với nhiệt độ hiệu chỉnh là ± 0,008% phạm vi chỉ

Ví dụ: Nhiệt kế không có bù trừ nhiệt độ có phạm vi chỉ là a = 3000C, chiều dài ống dẫn là L = 5m, thay đổi nhiệt độ môi trường tu = +100C

Sai số sẽ là: f = Ätu.(L + 5).a.0,02.10-2 (0C)

= +10.(5+5).300.0,02.10-2

= + 6 0C Ngoài ra còn phải tính đến sai số của cơ cấu chỉ, bình thường khoảng ± 1% khoảng chỉ Khi lắp đặt đầu cảm nhiệt độ vào môi trường có áp suất cao còn phải chú

ý đến sai số do áp suất thay đổi gây ra Sai số này thường khoảng 0,1% phạm vi chỉ khi thay đổi áp suất 15 atm

Như vậy ta thấy loại nhiệt kế này có độ chính xác không cao Nếu yêu cầu độ chính xác cao và vị trí đo khó đến gần phải sử dụng các thiết bị đo nhiệt độ bằng điện

Để loại trừ ảnh hưởng của sự chênh lệch nhiệt độ môi trường xung quanh người

ta thường làm thêm bộ phận bọc bảo vệ đường ống

3 Nhiệt kế điện

a Nhiệt kế điện trở nhiệt

Thang đo -273oC đến + 1300oC

Nguyên lý làm việc của nhiệt kế điện trở dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt

độ của các vật liệu dẫn điện

Bên ngoài nhiệt kế điện trở nhiệt trông như ống đo bình thường Vỏ bảo vệ có thể là thủy tinh, kim loại hoặc gốm, bên trong là dây điện trở quấn quanh tấm cách điện Loại đơn giản làm việc trong môi trường không bị tác dụng hoá học thì không cần lớp vỏ bảo vệ Vật liệu thường được dùng để chế nhiệt kế điện trở nhiệt là Platin, đồng, niken

Platin: Là vật liệu dễ nóng cao độ thuần khiết nhất, có tính ôxy hóa cao trong

môi trường ôxy hóa, đồng thời dễ phục hồi lại nhiệt kế chế tạo từ Platin cho kết quả đo chính xác nhất Trong vòng từ 0  1000C có thể đo với độ chính xác 0,0010C

Giới hạn đo: - 200  13000C

Loại này có giá thành cao Liên quan giữa Rt và nhiệt độ không tuyến tính

Từ - 200  00C

Rt = Ro {1 + aT + bT2 + c (T - 100)T3}

Từ - 0  6500 C

Rt = Ro {1 + aT + bT2 }

Đồng: Dùng để đo vùng nhiệt độ thấp Trong vùng -500C  1500C liên quan giữa Rt và nhiệt độ tuyến tính

Niken: Ứng dụng để đo nhiệt độ trong vùng -500C  2000C Nhược điểm cơ bản là khó tạo ra được Niken nguyên chất nên các tạp chất có lẫn trong niken ảnh hưởng rất lớn đến hệ số nhiệt Nhiệt kế điện trở có thể mắc theo cầu đo Wheatstone để

đo

b Nhiệt kế bán dẫn (Thermistor)

Đó là loại nhiệt kế

mà phần tử cảm biến nhiệt

độ được chế tạo bằng chất

bán dẫn được gọi là

Termisto Đặc điểm của

Termisto là điện trở của nó

biến đổi rất lớn theo nhiệt

độ và theo quan hệ

T B

R =

Trong đó: - A: hệ số phụ thuộc vào kích thước, hình dạng

- B: Hệ số phụ thuộc vào vật liệu Thành phần chính của Termisto là bột của các oxyt kim loại như Mangan, Sắt, Niken hoặc các hỗn hợp tinh thể MgAL4O4 và ZnTiO4 Nhiệt kế Termisto được chế tạo bằng cách ép định hình, sau đó nung trên 10000C ở môi trường oxy hóa Trong những năm gần đây nhiệt kế Termisto được dùng nhiều do các ưu điểm: độ nhạy cao, rất ổn định, kích thước nhỏ và hình dạng dễ thay đổi khi chế tạo, nó có thể dùng để đo nhiệt độ của các chi tiết chuyển động của động cơ

Một số sơ đồ mắc nhiệt kế Termisto:

- Đo bằng vôn kế và ampe kế

Hình 4.4 Một số cách lắp nhiệt kế điện trở nhiệt

Hình 4.3 Nhiệt kế điện trở nhiệt

Điện cực

Dây điện trở

Điện cực

Vỏ

Hình 4.5 Sơ đồ mắc nhiệt kế bán dẫn

a Đo bằng vôn kế và ampe kế; b Đo bằng phương pháp so sánh

Nhiệt kế Rt được cung cấp từ nguồn Ui dòng I chạy trong mạch được điều chỉnh nhờ biến trở Rđc đo bằng Ampe kế có điện trở trong r Điện áp 2 đầu nhiệt kế được đo bằng vôn kế Điện trở của nhiệt kế được tính bằng công thức:

t

U rI U

−

- Đo bằng phương pháp so sánh:

Dùng vôn kế có điện trở trong r để đo điện áp tại 2 đầu nhiệt kế (UR)và điện trở

Ur Dù vôn kế đặt ở vị trí nào ta vẫn có I không đổi:

R t

r

U

U

=

c Cặp nhiệt ngẫu

Thang đo -250oC đến + 1800oC (có thể đến +3000oC) Sai số 0,1÷3 %

Cặp nhiệt ngẫu được chế tạo bằng 2 dây kim loại khác nhau Hai dây kim loại

đó được hàn hoặc ghép nguội với nhau ở một đầu đó là đầu đo 1, hai đầu còn lại được nối với 2 dây dẫn, từ đó nối đến bộ chỉ thị nhiệt độ

Hình 4.6 Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu

Khi đưa đầu đo 1 vào môi trường cần đo nhiệt độ, do hiệu ứng nhiệt điện trong cặp nhiệt ngẫu phát sinh một sức điện động Người ta thấy rằng: sức điện động của cặp nhiệt ngẫu không chỉ phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu đo 1 và đầu

đo 2 mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ bản thân của mỗi đầu

E = f(T1) - f(T2) Nếu điểm 2 được giữ ở nhiệt độ không đổi thì:

E = f(T1) - A Điểm 2 còn được gọi là điểm so sánh

Điểm so sánh thường được giữ ở nhiệt độ 00C (bằng nước đá) hoặc 200C Để tránh tác động ảnh hưởng của nhiệt bức xạ và những tác động khác ảnh hưởng đến nhiệt độ điểm so sánh, người ta phải kéo điểm so sánh bằng một đoạn dây gọi là dây

bù Dây bù phải có tính chất về điện tương đương với kim loại của cặp nhiệt ngẫu

Đối với cặp nhiệt ngẫu làm bằng các dây kim loại không hiếm (ví dụ Fe - ko) thì dây bù có thể làm bằng chính các vật liệu đó nhưng có đường kính lớn hơn để giảm

sự sụt áp trên dây dẫn Đối với các cặp nhiệt ngẫu làm bằng vật liệu hiếm (ví dụ PtRh - Pt) thì dây bù làm bằng kim loại khác rẻ tiền hơn

Cặp nhiệt ngẫu có 2 đầu dây ra để đấu với dây bù, đầu + được đánh dấu bằng màu đỏ và đầu - thường không sơn màu Ngoài ra, các cặp nhiệt ngẫu khác nhau được sơn vỏ bằng các màu khác nhau để dễ phân biệt.Ví dụ:

Hình 4.7 Kết cấu cặp nhiệt ngẫu loại có vỏ bọc

Cặp nhiệt ngẫu: Đồng - Konstantan (Cu - KO) sơn màu nâu

Sắt - Konstantan (Fe - KO) sơn màu xanh da trời Nicrom - Niken (NiCr - Ni) sơn màu xanh lá cây Platin - Platin Rodium (Pt - PtRh) sơn màu trắng Bảng 4.1 Các qui định sử dụng dây bù của một số loại cặp nhiệt ngẫu

Đồng - Konstantan

Cromen - Alrimen

Platin - Platin Rodium

Sắt - Konstantan

Sắt - Côpen Cromen - Côpen

Đồng Đồng Đồng Sắt Sắt Cromen

Đỏ

Đỏ

Đỏ Trắng Trắng Tím

Konstantan Côpen

Đặc tính của cặp nhiệt ngẫu thường được cung cấp kèm thiết bị, có thể tham khảo trong các tài liệu kỹ thuật

Bảng 4.2 Đặc tính cơ bản của một số loại cặp nhiệt ngẫu

 1% (t400 C)

 1%(t400 C) PlatineRodium

13% - Platine

 0,5%(t400C)