ĐỒ án môn đo LƯỜNG tđ hóa TRONG TBL đề tài đo NHIỆT độ

- Hệ thống lạnh và nhiệt nói chung thường có các động cơ nhiệt, động cơ điện, máynén, các dàn ống dẫn môi chất, các bộ trao đổi nhiệt…Các đại lượng cần xác định giá trịtrong hệ thống lạn

KHOA CƠ KHÍ- CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN MÔN : ĐO LƯỜNG & TĐ HÓA TRONG TBL

ĐỀ TÀI

ĐO NHIỆT ĐỘ

Giáo viên hướng dẫn: Lê Quang Giảng

Sinh viên thực hiện:

Khóa: 2018- 2022

Lớp : DH18NL

Tp HCM, ngày 19 tháng 11 năm 2021

TP.HCM LỜI NHẬN XÉT

LỜI NÓI ĐẦU

khoa học kỹ thuật và các ngành công nghệ đã có những bước tiến vượt bậc, đo lường càng trở nên cần thiết Có thể nói đo lường là khâu đầu tiên để nhận được các

TP.HCM số liệu trong kỹ thuật và trong tính toán đo lường là

khâu quyết định sự chính xác của các kết quả các phép tính

- Hệ thống lạnh và nhiệt nói chung thường có các động cơ nhiệt, động cơ điện, máynén, các dàn ống dẫn môi chất, các bộ trao đổi nhiệt…Các đại lượng cần xác định giá trịtrong hệ thống lạnh và nhiệt gồm các thông số trạng thái của chất công tác là nhiệt độ,

áp suất, lưu lượng, mức lỏng trong bình chứa; các thông số của chất tải lạnh hay tảinhiệt trung gian là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng; các thông số của môi trường khôngkhí như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất; các thông số của thiết bị như nhiệt độ máy, nhiệt độ

và áp suất dàu bôi trơn, mức dầu trong máy, tốc độ máy hay động cơ, nhiệt độ vào và racủa nước hoặc không khí làm mát thiết bị … Hầu hết các đại lượng trên không phải cácđại lượng điện, bởi vậy để điều khiển hệ thống hoạt động được bình thường và tự độnghoá các quá trình hoạt động trong hệ thống, cần phải biến đổi các đại lượng là cáctín hiệu không điện thành tín hiệu điện

- Nhiệt độ là một tham số vật lý quan trọng, thường hay gặp trong kỹ thuật, công nghiệp,nông nghiệp và trong đời sống sinh hoạt hàng ngày Nó là tham số có liên quan đến tínhchất của rất nhiều vật chất, thể hiện hiệu suất của các máy nhiệt và là nhân tố trọng yếuảnh hưởng đến sự truyền nhiệt Vì lẽ đó mà trong các nhà máy, trong hệ thống nhiệt đều phải dùng nhiều dụng cụ đo nhiệt độ khác nhau Chất lượng và số lượng sản phẩmsản xuất được đều có liên quan tới nhiệt độ, nhiều trường hợp phải đo nhiệt độ để đảmbảo cho yêu cầu thiết bị và cho quá trình sản xuất Hiện nay yêu cầu đo chính xác nhiệt

độ từ xa cũng là một việc rất có ý nghĩa đối với sản xuất và nghiên cứu khoa học

MỤC LỤC

LỜI NHẬN XÉT i LỜI NÓI ĐẦU ii 1.1 KHÁI NIỆM 1

ii

TP.HCM 1.1.1 Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

1

1.1.2 Phân loại nhiệt kế 2

1.2 NHIỆT KẾ GIÃN NỞ 4

1.2.1 Nhiệt kế giãn nở chất rắn 4

1.2.2 Nhiệt kế giãn nở chất nước 4

1.3 NHIỆT KẾ KIỂU ÁP KẾ 6

1.3.1 Nhiệt kế chất nước 6

1.3.2 Nhiệt kế chất khí 7

1.3.3 Nhiệt kế hơi bão hoà 7

1.4 NHIỆT KẾ NHIỆT ĐIỆN 8

1.4.1 Khái niệm 8

1.4.2 Hiệu ứng nhiệt điện 9

1.4.3 Các phương pháp nối cặp nhiệt 11

1.4.4 Một số yêu cầu đối với vật liệu dùng làm cặp nhiệt 12

1.4.5 Một số loai cặp nhiệt thường dùng 12

1.4.6 Nhiệt kế cặp nhiệt trong công nghiệp 13

1.4.7 Đo nhiệt độ cao bằng cặp nhiệt 15

1.5 NHIỆT KẾ ĐIỆN TRỞ 15

1.5.1 Khái niệm 15

1.5.2 Yêu cầu đối với các vật liệu dùng làm nhiệt kế điện trở 16

1.5.3 Các loại nhiệt kế điện trở 16

1.6 HỎA KẾ BỨC XẠ 22

1.6.1 Khái niệm 22

1.6.2 Hoả quang kế phát xạ 23

1.6.3 Hỏa quang kế cường độ sáng 25

1.6.4 Hoả quang kế màu sắc 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

b) Thang đo và đơn vị nhiệt độ:

Để đo nhiệt độ phải có thang đo và đơn vị

Nguyên tắc chia đơn vị: chọn hai điểm cố định t1, t2 và để tái tạo điểm gốc (thườngchọn điểm sôi hay điểm đông đặc) Chia khoảng t1, t2 thành n khoảng chẵn :

t2−t1

luật nhiệt động II và gọi là "Thang đo nhiệt độ nhiệt động học"

Thang đo chuẩn:

Năm 1927 Hội nghị cân đo quốc tế 7 đã quyết định tạm thời dùng thang đo TNQT-27.Năm 1933 Liên minh cân đo quốc tế 8 chính thức sử dụng TNQT-27 sau khi đã chínhxác hoá một số vấn đề sau:

- Nhiệt độ được biểu thị : t0 (0C) gọi là độ chuẩn quốc tế

- Nhiệt độ giữa các điểm chuẩn gốc được xác định bằng cách nội suy hoặc ngoại suydựa vào các nhiệt kế đặc biệt

- Trong khoảng nhiệt độ -200 0C ÷ 0 0C được xác định bằng phương pháp nội suy quanhiệt kế điện trở Bạch kim bằng công thức:

Rt = R0(1 + At + Bt2 + Ct3(t-100))

R0 là nhiệt trở của Bạch kim ở 0 0C

1

- Trị số 1 số điểm chuẩn gốc lấy chính xác hơn.

TNQT-48 vì nó xác định được chính xác điểm mốc và lấy kéo dài hơn về phía "-" sát 0

0K

1.1.2 Phân loại nhiệt kế

1) Căn cứ vào các bộ phận cảm biến chia thành : Loại trực tiếp, loại gián tiếp

2) Căn cứ theo nguyên lý làm việc của các loại nhiệt kế:

a Nhiệt kế kiểu áp kế (khoảng đo -150 0C ÷ 600 0C): Đo nhiệt độ dựa trên mối quan hệgiữa nhiệt độ và áp suất của chất khí, chất nước hoặc hơi bão hoà chứa trong mộtdung tích kín

b Nhiệt kế điện trở (khoảng đo -200 0C ÷ 650 0C): Đo nhiệt độ dựa trên mối quan hệnhiệt độ và điện trở của vật dẫn, bán dẫn

c Nhiệt kế nhiệt điện (khoảng đo -50 0C÷ 1600 0C): Đo nhiệt độ dựa trên mối quan

hệ giữa nhiệt độ và sức nhiệt điện động của cặp nhiệt

TP.HCM d Nhiệt kế hoả kế (khoảng đo 600 0C ÷ 2000 0C): Đonhiệt độ dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng bức xạ nhiệt của vật thể,

có thể đo tới nhiệt độ 4000 0C

3) Chia theo công dụng:

 Nhiệt kế chuẩn

 Nhiệt kế mẫu

 Nhiệt kế thí nghiệm

 Nhiệt kế kỹ thuật

4) Theo dải nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau

Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải : nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình

và cao ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa

là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao

đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo Bảng 2.1 cho

ta biết các dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ với các dải khác nhau thông dụng trong công nghiệp

1  2 0,1

1  2

1  3 0,05 0,1 0,01 5 15 12 5

10

1.2 NHIỆT KẾ GIÃN NỞ

1.2.1 Nhiệt kế giãn nở chất rắn.

Nhiệt kế kiểu đũa

- Ống 1: làm từ kim loại có hệ số nở dài αrất lớn(đồng thau, thép, Ni)

- Đũa 2: Làm từ vật liệu có hệ số nở dài α rất nhỏ (sứ, thạch anh, hợp kim Inva(64%Fe + 36%Ni))

α Inva = 0,9.10-6 1/ 0C

- Kết cấu đơn giản, độ chính xác không cao thường được dùng trong các mạch báotín hiệu nhiệt độ hoặc mạch đơn giản kiểu 2 vị trí

- Nhiệt kế bản kim loại kép

- Được ghép từ hai vật liệu có hệ số nở dài khác xa nhau Có cấu tạo đơn giản, cấp chínhxác không cao Chủ yếu sử dụng trong mạch báo tín hiệu nhiệt độ, mạch đo nhiệt độđơn giản kiểu hai vị trí hoặc trong các mạch bù nhiệt độ

1.2.2 Nhiệt kế giãn nở chất nước.

Cấu tạo chung: Hình 2.1

Hình 2.1

1 Bao nhiệt ; 2 Mao quản ; 3 Đoạn dự phòng

a) Môi chất là thủy ngân:

TP.HCM -Thủy ngân có hệ số giãn nở thấp α = 18.10-5 1/ 0C

- Nhiệt độ đông đặc : tđông = -38,87 0C;

- Nhiệt độ sôi : tsôi = 356,6 0C

áp suất sử dụng : 20 bar với 500 0C; 70 bar với 750 0C

b) Môi chất là chất nước hữu cơ:

Các chất lỏng hữu cơ thường dùng là chất C2H2OH, các nhóm tôluen, rẻ tiền , dễkiếm, cấu trúc đơn giản nên sử dụng rộng rãi

c) Sai số khi đo và khi sử dụng:

hết phần cột chất lỏng dâng lên Trong trường hợp không cắm ngập đựơc hết thìphải cộng thêm số bổ chính vào kết quả:

t = tđọc + ∆ t (2.1)

∆ t = k.n.(tđọc – t’)k: hệ số giãn nở từng đôi của chất lỏng trong nhiệt kế so với thủy tinh

Ví dụ : k Hg−tt =α Hg −α tt= 18.10-5 – 2.10-5 = 16.10-5 1/ 0C

n: phần cột chất lỏng nằm ngoài môi trường đo tính bằng vạch chia

t’: nhiệt độ lúc khắc độ

trong trường hợp không cắm hết phần đuôi thì cũng phải cộng thêm số bổ chính như

5

TP.HCM trường hợp trên.

- Do quán tính nhiệt của nhiệt kế

- Do cột chất lỏng bị đứt

- Do thước chia độ bị xê dịch

- Do đọc kết quả không chính xác (hạn chế bằng dùng kính lúp trong khi đọc kếtquả)

- p0, t0: áp suất và nhiệt độ ban đầu

- p, t: áp suất và nhiệt độ lúc đo lường

- α, β: hệ số giãn nở, nén ép thể tích của chất nước

ε =V V a 0

b 0(t a −t0)

- ε: sai số giãn nở thể tích của áp kế

- Va0: thể tích của áp kế ở điều kiện lúc chia độ

- Vb0: thể tích của bao nhiệt ở điều kiện lúc chia độ

- ta: nhiệt độ môi trường xung quanh áp kế lúc sử dụng

- t0: nhiệt độ môi trường lúc chia độ

ε mq =V qm0

V b 0 (t qm −t0)

- ε mq: sai số giãn nở thể tích của mao quản

- Vmq0: thể tích của mao quản ở điều kiện lúc chia độ

- Vb0: thể tích của bao nhiệt ở điều kiện lúc chia độ

- Để giảm sai số trên khi chế tạo người ta thường làm sao cho thể tích của bao nhiệt lớnhơn rất nhiều so với thể tích của mao quản Mặt khác người ta còn có thể dùng thêmống bù (có kết cấu tương đương cũng có mao quản nhưng không có bao nhiệt), tấmbù

- Sai số thủy tĩnh do cột áp thủy tĩnh gây ra

Trường hợp 1: ε Δp = H1.λ

Trường hợp 2: ε Δp = H2 λ

Trường hợp 3: ε Δp= 0

môi chất có p0 =10÷ 20 kg/cm2 Các chất nước dùng trong nhiệt áp kế loại này phảiđảm bảo sao cho hệ số giãn nở thể tích lớn không làm hư hỏng bao nhiệt, mao quản,ống lò xo, tỷ nhiệt nhỏ (suất dẫn nhiệt cao) Điểm sôi và điểm đông đặc phải đảmbảo đủ khoảng đo của nhiệt kế(như thủy ngân, Grixêrin, rượu mêtilic)

1.3.2 Nhiệt kế chất khí

Môi chất nạp trong hệ thống là chất khí Đối với khí lý tưởng nếu thể tích của hệ thốngkín không đổi thì nhiệt độ và áp suất của hệ thống có quan hệ:

pt = p0[1+α (t-t0)] (2.3)

t0, p0: nhiệt độ và áp suất ban đầu

t, pt: nhiệt độ vá áp suất lúc đo lường

α: hệ số giãn nở nhiệt

7

1

Hình 2.2 H1

2 3 H2

TP.HCM Đặc điểm:

- Khi môi trường xung quanh thay đổi khác lúc chia độ thì xuất hiện một sai số do

sự giãn nở thể tích là ε a, ε mq và cách hạn chế cũng tương tự như của nhiệt kế chất nước

- Sai số do áp suất thủy tĩnh gây ra ε Δ Prất nhỏ, có thể bỏ qua, sai số do khí quyển gây ra

có thể hạn chế bằng cách dùng các chất khí có áp suất p0 = 20÷ 30 kg/cm2

- Chất khí thường là các khí trơ có tính chất gần giống với khí lý tưởng thường là He, N,trong đó N được dùng nhiều hơn vì có tỷ nhiệt thấp, dễ kiếm

- Dải đo của nhiệt kế chất khí trong khoảng (150÷ 6000C)

1.3.3 Nhiệt kế hơi bão hoà

- tbh ≈ tmt (tbh tương ứng pbh) Như vậy nhiệt độ xung quanh (txq) không ảnh hưởng tới sốchỉ của nhiệt áp kế (do txq thay đổi thì không làm thay đổi nhiệt độ bão hòa(tbh)

- Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ là:

lgP =−a T +1,75.lgT – bT + c (2.4)Với các hệ số a, b, c được tìm từ thực nghiệm và phụ thuộc vào môi chất

trong hệ thống (P<Pth) Do đó hạn đo trên của nhiệt áp kế loại này phụ thuộc vàođiểm tới hạn Hạn đo dưới được quyết định bởi điểm sôi Khi chọn môi chấtthường là những môi chất có nhiệt độ sôi thấp để có dải đo rộng

- Dải đo của nhiệt áp kế loại này khoảng (-50÷ 300 0C)

- Các nhiệt áp kế loại này cũng có sai số thủy tĩnh và sai số do khí quyển gây ra

TP.HCM Để loại trừ nó thì dùng các biện pháp tương tự như của áp

- Có thể đo từ xa và dùng các đồng hồ tự ghi

- Đo được nhiệt độ trong các trường hợp đặc biệt mà các nhiệt kế khác không đo được(như đo nhiệt độ bề mặt, đo nhiệt độ một điểm hay đo trong những đối tượng rất nhỏ)

- Sử dụng dễ dàng, rẻ tiền, không có khó khăn về kỹ thuật

1.4.2 Hiệu ứng nhiệt điện

vật dẫn đồng chất bao giờ cũng chứa một lượng điện tử nhất định, biểu thị bởi mật

độ điện tử tự do của vật dẫn Mật độ điện tử tự do phụ thuộc vào nhiệt độ của vật

- Gọi NA là mật độ điện tử tự do trong vật dẫn A Giả sử nhiệt độ hai đầu vật là t và t0(với t > t0) tương ứng có NA0, NAt , (NAt > AA0) Khi đó sẽ xuất hiện sự chuyển dịch củacác điện tử tự do từ đầu có mật độ NA lớn sang đầu có mật độ NA nhỏ hơn và tạo ra sựchênh lệch điện thế ở hai đầu, từ đó làm xuất hiện điện trường chống lại sự chuyểndịch đó Đến một thời điểm nào đó đạt tới trạng thái cân bằng động, một sức điện độngđược sinh ra, gọi hiện tượng đó là hiệu ứng Thomson Sức điện động eA(t, t0) :

TP.HCM -σ

A- hệ số Thomson của vật liệu A,

- Khi có hai dây dẫn A, B khác nhau hai đầu nối với nhau đặt ở hai nhiệt độ t và t0 sẽxuất hiện sức điện động tương ứng :

EAB(t,t0) = EAB(t) - EAB(t0) (2.9)

- Nếu giữ nhiệt độ t0 không đổi thì EAB(t0) = const , khi đó sẽ được:

EAB(t,t0) = EAB(t) – C = F(t) t0=const (2.10)

- Khi tiến hành làm thí nghiệm với nhiều vật liệu khác nhau và tìm ra mối quan hệ

EAB(t, t0) phụ thuộc nhiệt độ, kết quả thu được cho thành dạng bảng số hoặc sổ tay kỹthuật

- Hai vật dẫn khác nhau như trên người ta gọi là cặp nhiệt (hay nhiệt ngẫu, can nhiệt, pinnhiệt điện) Vật A, B được gọi là các cực nhiệt điện, đầu mối hàn có nhiệt độ được đặt

TP.HCM trong môi trường cần đo gọi là đầu nóng của cặp nhiệt

hoặc đầu làm việc Đầu mối hàn có nhiệt độ t0 = const gọi là đầu lạnh hay đầu tự docủa cặp nhiệt Sức điện động do nhiệt phát ra gọi là sức nhiệt điện động, nó có đặc tínhdương(+), âm(-) Khi viết tên sức nhiệt điện động quy ước viết cực dương “+” trước(cực có mật độ điện tử tự do lớn hơn) và cực âm “-” sau (cực có mật độ điện tử tự donhỏ hơn); (EAB(t) = - EBA(t)), từ đó biểu thức (1) có thể viết lại là:

EAB(t,t0) = EAB(t) + EBA(t0) (2.11)

- Xét trường hợp khi trong cặp nhiệt có vật dẫn thứ ba:

+ Trường hợp vật dẫn C nằm giữa A và B:

E Σ = EAB(t) + EBC(t2) + ECA(t1)Nếu coi t1 = t2 = t0 thì :

E Σ= EAB(t) + EBC(t0) + ECA(t0)Giữ t = t0 = const:

Dẫn tới E Σ= 0 , từ đó :

EAB(t0) + EBC(t0) + ECA(t0) = 0, hay EBC(t0) + ECA(t0) = - EAB(t0) thay vào sẽ có:

E Σ= EAB(t) - EAB(t0) = EAB(t,t0)+ Trường hợp vật dẫn C nằm giữa một trong hai cực t, t0:

E Σ= EAB(t) - EBC(t2) + ECB(t1) + EBA(t0)Nếu t1 = t2 thì:

EBC(t1) + ECB(t1) = EBC(t1) - EBC(t1) = 0Như vậy:

E Σ= EAB(t2) + EBA(t0) = EAB(t, t0)

Từ hai trường hợp trên rút ra kết luận:

- Có thể hàn đầu làm việc của cặp nhiệt bằng bất kỳ phương pháp nào cũng khôngảnh hưởng đến sức nhiệt điện động nó sinh ra nhưng kích thước của mối hàn phảiđảm bảo sao cho nhiệt độ ở mọi điểm là như nhau

độ ở chỗ mối nối phải như nhau

11

TP.HCM -Nếu trong mạch cặp nhiệt có một vật dẫn khác mà

nhiệt độ hai ở đầu nối của nó khác nhau làm cho sức điện động ở hai đầu mối nốikhông giống nhau và không triệt tiêu được nhau thì sẽ ảnh hưởng đến trị số sức điệnđộng của cặp nhiệt Vì lý do đó vật liệu dùng làm cực của cặp nhiệt điện phải có tínhđồng nhất để loại trừ sức điện động ký sinh đó

1.4.3 Các phương pháp nối cặp nhiệt

1 Nối tiếp thuận (-) nối với(+):

- Dùng khi đo nhiệt độ thấp (t < 1000C)

- Khi độ chênh nhiệt độ t & t0 thấp

2 Mắc nối tiếp ngược (+) nối với (+): cần phải biết t1 hoặc t2 để xác định độ chênh:

∆ t= t1 – t2

3 Mắc song song(+) nối với (+) và (-) nối với (-): dùng để đo nhiệt độ trung bìnhcủa nhiều điểm

1.4.4 Một số yêu cầu đối với vật liệu dùng làm cặp nhiệt

1 Vật liệu phải có sức nhiệt điện động lớn, đặc trưng bằng độ nhạy :

S= ∆ E ∆ t

2 Đặc tính trên phải đơn trị

3 Vật liệu phải có tính đồng nhất

4 Vật liệu phải dễ chế tạo thay thế

5 Dễ gia công cơ khí(kéo thành sợi) và rẻ tiền

6 Có độ bền hóa học, độ bền cơ học tốt

chế tạo thay thế

loại này cũng có đặc tính không ổn định và gặp khó khăn trong vẫn đề chế tạo và thaythế

1.4.5 Một số loai cặp nhiệt thường dùng

TP.HCM Bảng 2.1

Tên cặp nhiệt

Ký hiệu (Liên xô, Trung Quốc)

 Đường kính các dây cực khoảng 1,5 ÷ 3 mm

Đặc điểm loại này là không bền trong môi trường có tính khử ôxy (như SO2_H2S)

b) Loại Crômen-Alumen(XA-EU)

(Cr + Ni) =(+)

(Al + Ni) =(-)

 Đường kính các dây cực khoảng 1,5 ÷ 3 mm

Cũng không bền trong môi trường có tính khử ôxy

Cấu tạo cặp nhiệt

Dùng ống cách điện(cao su, sứ, tơ, thủy tinh, sơn cách điện)

- Thủy tinh < 5000C

- Sứ < 1300 ÷ 15000C

- Thạch anh < 10000C

- Cao su < 60 ÷ 800C

- Tơ, sơn cách điện < 1800C

Các đầu cặp nhiệt được đặt trong ống bảo vệ

Dùng hồ quang để hàn cặp nhiệt(chập mạch), có chất trợ chảy thì mối hàn của cặpnhiệt tốt hơn

1.4.6 Nhiệt kế cặp nhiệt trong công nghiệp

dây hàn với nhau ở điểm 1 và luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt độ cao Vớinhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không rỉ Để cách điện giữa hai dây,một trong hai (dây được lồng vào ống sứ nhỏ 3 Nếu vỏ làm bằng kim loại cả haidây 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 milivônmét hoặc điện thế kế điện trở nhỏ cógiới hạn đo từ (0 ÷ 100) mV Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng milivônmét sẽgây sai số do nhiệt độ của mạch đo thay đổi Dòng điện chạy qua chỉ thị lúc đó là: