Giáo trình Đo lường điện - Hoàng Dương Hùng

140 trang ngocly 1170

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Đo lường điện - Hoàng Dương Hùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_do_luong_dien_hoang_duong_hung.pdf

Nội dung text: Giáo trình Đo lường điện - Hoàng Dương Hùng

GIAÏO TRÇNH ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT - 1 - §§OO LL¦¦êêNNGG NNHHIIÖÖTT Më §ÇU CH¦¥NG 1 : NH÷NG KH¸I NIÖM VÒ §O L¦êNG CH¦¥NG 2 : §O NHIÖT §é CH¦¥NG 3 : §O ¸P SUÊT Vµ CH¢N KH¤NG CH¦¥NG 4 : §O L¦U L¦îNG M¤I CHÊT CH¦¥NG 5 : §O MøC CAO M¤I CHÊT CH¦¥NG 6 : PH¢N TÝCH CHÊT THµNH PHÇN TRONG HçN HîP
GIAÏO TRÇNH ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT - 2 - Më §ÇU Trong quaï trçnh âáúu tranh våïi thiãn nhiãn, con ngæåìi cáön phaíi nghiãn cæïu caïc qui luáût cuía sæû váût khaïch quan, vç váûy phaíi tçm hiãøu quan hãû giæîa læåüng vaì cháút cuía sæû váût cho nãn khäng thãø taïch råìi khoíi âo læåìng. Khoa hoüc kyî thuáût bàõt nguäön tæì âo læåìng. Sæû phaït triãøn cuía khoa hoüc, kyî thuáût liãn quan chàût cheî våïi sæû khäng ngæìng hoaìn thiãûn cuía kyî thuáût âo læåìng. Khäng coï âo læåìng thç khäng thãø coï báút kyì mäüt khoa hoüc tinh vi naìo, mäüt khoa hoüc æïng duûng naìo, mäüt thê nghiãûm naìo Kyî thuáût âo læåìng nhiãût coï liãn quan âãún nhiãöu ngaình kinh tãú quäúc dán, vç caïc tham säú cuía quaï trçnh nhiãût cuîng laì nhæîng tham säú quan troüng trong ráút nhiãöu quaï trçnh saín xuáút cäng nghiãûp, näng nghiãûp Âo læåìng nhiãût laì quaï trçnh âo caïc thäng säú traûng thaïi cuía mäi cháút cuía caïc quaï trçnh xaíy ra trong thiãút bë nhiãût . Vê duû nhæ âo nhiãût âäü t, âo aïp suáút p, âo læu læåüng Q, Thiãút bë nhiãût ngaìy caìng phaït triãøn våïi caïc tham säú cao, dung læåüng låïn, do âoï cáön phaíi coï caïc duûng cuû vaì phæång phaïp âo læåìng thêch håüp. Màût khaïc muäún tæû âäüng hoïa quaï trçnh saín xuáút nhiãût thç træåïc hãút phaíi âaím baío täút kháu âo læåìng nhiãût .Do âoï laì caïn bäü kyî thuáût nhiãût khäng nhæîng chè nàõm roí quïa trçnh saín xuáút cuía caïc thiãút bë nhiãût maì coìn phaií thaình thaûo caí viãûc læûa choün vaì sæí duûng caïc loaûi duûng cuû cuìng våïi caïc phæång phaïp âo khaïc nhau, coï khaí nàng xaïc âënh caïc sai säú âo læåìng, biãút âoaïn nháûn caïc nguyãn nhán gáy sai säú vaì biãút caïch khæí máút caïc nguyãn nhán gáy sai säú âoï ./.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 7 - CH¦¥NG 1 : NH÷NG KH¸I NIÖM C¥ B¶N VÒ §O L¦êNG 1.1. §O L¦êNG Vµ DôNG Cô §O L¦êNG 1.1.1. §Þnh nghÜa §o l−êng lµ mét qu¸ tr×nh ®¸nh gi¸ ®Þnh l−îng mét ®¹i l−îng cÇn ®o ®Ó cã kÕt qu¶ b»ng sè so víi ®¬n vÞ ®o. HoÆc cã thÓ ®Þnh nghÜa r»ng ®o l−êng lµ hµnh ®éng cô thÓ thùc hiÖn b»ng c«ng cô ®o l−êng ®Ó t×m trÞ sè cña mét ®¹i l−îng ch−a biÕt biÓu thÞ b»ng ®¬n vÞ ®o l−êng. Trong mét sè tr−êng hîp ®o l−êng nh− lµ qu¸ tr×nh so s¸nh ®¹i l−îng cÇn ®o víi ®¹i l−îng chuÈn vµ sè ta nhËn ®−îc gäi lµ kÕt qu¶ ®o l−êng hay ®¹i l−îng bÞ ®o . KÕt qu¶ ®o l−êng lµ gi¸ trÞ b»ng sè cña ®¹i l−îng cÇn ®o AX nã b»ng tû sè cña ®¹i l−îng cÇn ®o X vµ ®¬n vÞ ®o Xo. X => AX = => X = AX . Xo X 0 VÝ dô : ta ®o ®−îc U = 50 V ta cã thÓ xem kÕt qu¶ ®ã lµ U = 50 u 50 - lµ kÕt qu¶ ®o l−êng cña ®¹i l−îng bÞ ®o u - lµ l−îng ®¬n vÞ Môc ®Ých ®o l−êng lµ l−îng ch−a biÕt mµ ta cÇn x¸c ®Þnh. §èi t−îng ®o l−êng lµ l−îng trùc tiÕp bÞ ®o dïng ®Ó tÝnh to¸n t×m l−îng ch−a biÕt . Tïy tr−êng hîp mµ môc ®Ých ®o l−êng vµ ®èi t−îng ®o l−êng cã thÓ thèng nhÊt lÉn nhau hoÆc t¸ch rêi nhau. VÝ dô : S= ab môc ®Ých lµ m2 cßn ®èi t−îng lµ m. 1.1.2. Ph©n lo¹i Th«ng th−êng ng−êi ta dùa theo c¸ch nhËn ®−îc kÕt qu¶ ®o l−êng ®Ó ph©n lo¹i, do ®ã ta cã 3 lo¹i ®ã lµ ®o trùc tiÕp, ®o gi¸n tiÕp vµ ®o tæng hîp vµ ngoµi ra cßn cã 1 lo¹i n÷a lµ ®o thèng kª. §o trùc tiÕp: Lµ ta ®em l−îng cÇn ®o so s¸nh víi l−îng ®¬n vÞ b»ng dông cô ®o hay ®ång hå chia ®é theo ®¬n vÞ ®o. Môc ®Ých ®o l−êng vµ ®èi t−îng ®o l−êng thèng nhÊt víi nhau. §o trùc tiÕp cã thÓ rÊt ®¬n gi¶n nh−ng cã khi còng rÊt phøc t¹p, th«ng th−êng Ýt khi gÆp phÐp ®o hoµn toµn trùc tiÕp. Ta cã thÓ chia ®o l−êng trùc tiÕp thµnh nhiÒu lo¹i nh− : - PhÐp ®äc trùc tiÕp: VÝ dô ®o chiÒu dµi b»ng m, ®o dßng ®iÖn b»ng AmpemÐt, ®o ®iÖn ¸p b»ng V«nmÐt, ®o nhiÖt ®é b»ng nhiÖt kÕ, ®o ¸p suÊt
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 8 - - PhÐp chØ kh«ng (hay phÐp bï). Lo¹i nµy cã ®é chÝnh x¸c kh¸ cao vµ ph¶i dïng ngo¹i lùc ®Ó tiÕn hµnh ®o l−êng. Nguyªn t¾c ®o cña phÐp bï lµ ®em l−îng ch−a biÕt c©n b»ng víi l−îng ®o ®· biÕt tr−íc vµ khi cã c©n b»ng th× ®ång hå chØ kh«ng. VÝ dô : c©n, ®o ®iÖn ¸p - PhÐp trïng hîp : Theo nguyªn t¾c cña th−íc cÆp ®Ó x¸c ®Þnh l−îng ch−a biÕt. - PhÐp thay thÕ : Nguyªn t¾c lµ lÇn l−ît thay ®¹i l−îng cÇn ®o b»ng ®¹i l−îng ®· biÕt. VÝ dô : T×m gi¸ trÞ ®iÖn trë ch−a biÕt nhê thay ®iÖn trë ®ã b»ng mét hép ®iÖn trë vµ gi÷ nguyªn dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p trong m¹ch. - PhÐp cÇu sai : thay ®¹i l−îng kh«ng biÕt b»ng c¸ch ®o ®¹i l−îng gÇn nã råi suy ra. Th−êng dïng hiÖu chØnh c¸c dông cô ®o ®é dµi. §o gi¸n tiÕp: L−îng cÇn ®o ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tÝnh to¸n theo quan hÖ hµm ®· biÕt ®èi víi c¸c l−îng bÞ ®o trùc tiÕp cã liªn quan. - §¹i l−îng cÇn ®o lµ hµm sè cña l−îng ®o trùc tiÕp Y = f ( x1 xn ) VÝ dô : §o diÖn tÝch , c«ng suÊt. Trong phÐp ®o gi¸n tiÕp môc ®Ých vµ ®èi t−îng kh«ng thèng nhÊt, l−îng ch−a biÕt vµ l−îng bÞ ®o kh«ng cïng lo¹i. Lo¹i nµy ®−îc dïng rÊt phæ biÕn v× trong rÊt nhiÒu tr−êng hîp nÕu dïng c¸ch ®o trùc tiÕp th× qu¸ phøc t¹p. §o gi¸n tiÕp th−êng m¾c sai sè vµ lµ tæng hîp cña sai sè trong phÐp ®o trùc tiÕp. §o tæng hîp: Lµ tiÕn hµnh ®o nhiÒu lÇn ë c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau ®Ó x¸c ®Þnh ®−îc mét hÖ ph−¬ng tr×nh biÓu thÞ quan hÖ gi÷a c¸c ®¹i l−îng ch−a biÕt vµ c¸c ®¹i l−îng bÞ ®o trùc tiÕp, tõ ®ã t×m ra c¸c l−îng ch−a biÕt. VÝ dô : §· biÕt qui luËt d·n në dµi do ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é lµ : 2 L = Lo ( 1 + αt + βt ). VËy muèn t×m c¸c hÖ sè α, β vµ chiÒu dµi cña vËt ë 0 nhiÖt ®é 0 C lµ Lo th× ta cã thÓ ®o trùc tiÕp chiÒu dµi ë nhiÖt ®é t lµ Lt, tiÕn hµnh ®o 3 lÇn ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau ta cã hÖ 3 ph−¬ng tr×nh vµ tõ ®ã ta x¸c ®Þnh ®−îc c¸c l−îng ch−a biÕt b»ng tÝnh to¸n. §o thèng kÕ : §Ó ®¶m b¶o ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o nhiÒu khi ng−êi ta ph¶i sö dông ph−¬ng ph¸p ®o thèng kÕ, tøc lµ ta ph¶i ®o nhiÒu lÇn sau ®ã lÊy gi¸ trÞ trung b×nh. C¸ch ®o nµy ®Æc biÖt h÷u hiÖu khi tÝn hiÖu ®o lµ ngÉu nhiªn hoÆc khi kiÓm tra ®é chÝnh x¸c cña mét dông cô ®o. 1.1.3. Dông cô ®o l−êng
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 9 - Dông cô ®Ó tiÕn hµnh ®o l−êng bao gåm rÊt nhiÒu lo¹i kh¸c nhau vÒ cÊu t¹o, nguyªn lý lµm viÖc, c«ng dông XÐt riªng vÒ mÆt thùc hiÖn phÐp ®o th× cã thÓ chia dông cô ®o l−êng thµnh 2 lo¹i, ®ã lµ: vËt ®o vµ ®ång hå ®o. VËt ®o lµ biÓu hiÖn cô thÓ cña ®¬n vÞ ®o, vÝ dô nh− qu¶ c©n, mÐt, ®iÖn trë tiªu chuÈn §ång hå ®o: Lµ nh÷ng dông cô cã thÓ ®ñ ®Ó tiÕn hµnh ®o l−êng hoÆc kÌm víi vËt ®o. Cã nhiÒu lo¹i ®ång hå ®o kh¸c nhau vÒ cÊu t¹o, nguyªn lý lµm viÖc nh−ng xÐt vÒ t¸c dông cña c¸c bé phËn trong ®ång hå th× bÊt kú ®ång hå nµo còng gåm bëi 3 bé phËn lµ bé phËn nh¹y c¶m, bé phËn chØ thÞ vµ bé phËn chuyÓn ®æi trung gian. - Bé phËn nh¹y c¶m : (®ång hå s¬ cÊp hay ®Çu ®o) tiÕp xóc trùc tiÕp hay gi¸n tiÕp víi ®èi t−îng cÇn ®o. Trong tr−êng hîp b«û phËn nh¹y c¶m ®øng riªng biÖt vµ trùc tiÕp tiÕp xóc víi ®èi t−îng cÇn ®o th× ®−îc gäi lµ ®ång hå s¬ cÊp. - Bé phËn chuyÓn ®æi : Lµm chuyÓn tÝnh hiÖu do bé phËn nh¹y c¶m ph¸t ra ®−a vÒ ®ång hå thø cÊp, bé phËn nµy cã thÓ chuyÓn ®æi toµn bé hay mét phÇn, gi÷ nguyªn hay thay ®æi hoÆc khuyÕch ®¹i. - Bé phËn chØ thÞ ®ång hå : (§ång hå thø cÊp) c¨n cø vµo tÝn hiÖu cña bé phËn nh¹y c¶m chØ cho ng−êi ®o biÕt kÕt qu¶. C¸c lo¹i ®ång hå ®o: Ph©n lo¹i theo c¸ch nhËn ®−îc l−îng bÞ ®o tõ ®ång hå thø cÊp + §ång hå so s¸nh: Lµm nhiÖm vô so s¸nh l−îng bÞ ®o víi vËt ®o. L−îng bÞ ®o ®−îc tÝnh theo vËt ®o. VÝ dô : c¸i c©n, ®iÖn thÕ kÕ + §ång hå chØ thÞ: Cho biÕt trÞ sè tøc thêi cña l−îng bÞ ®o nhê thang chia ®é, c¸i chØ thÞ hoÆc dßng ch÷ sè. Amin Amax Amin Amax - Giíi h¹n ®o d−íi Amin & Giíi h¹n ®o trªn Amax. - Kho¶ng c¸ch gi÷a hai v¹ch gÇn nhÊt gäi lµ mét ®é chia. Th−íc chia ®é cã thÓ 1 phÝa, 2 phÝa, chøa hoÆc kh«ng chøa ®iÓm 0.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 10 - - Gi¸ trÞ cña ®é chia: lµ trÞ sè biÕn ®æi cña l−îng bÞ ®o lµm cho kim di chuyÓn 1 ®é chia, ®é chia cã thÓ ®Òu hay kh«ng ®Òu tïy gi¸ trÞ mçi ®é chia b»ng nhau hay kh¸c nhau. Cã thÓ ®äc trùc tiÕp hay ph¶i nh©n thªm c¸c hÖ sè nµo ®ã. - Kho¶ng ®o lµ kho¶ng chia cña thang tõ giíi h¹n d−íi ®Õn giíi h¹n trªn. + §ång hå tù ghi: lµ ®ång hå cã thÓ tù ghi l¹i gi¸ trÞ tøc thêi cña ®¹i l−îng ®o trªn giÊy d−íi d¹ng ®−êng cong f(t) phô thuéc vµo thêi gian. §ång hå tù ghi cã thÓ ghi liªn tôc hay gi¸n ®o¹n, ®é chÝnh x¸c kÐm h¬n ®ång hå chØ thÞ. Lo¹i nµy trªn mét b¨ng cã thÓ cã nhiÒu chØ sè + §ång hå tÝch ph©n: lµ lo¹i ®ång hå ghi l¹i tæng sè vËt chÊt chuyÓn qua trong mét sè thêi gian nµo ®ã nh− ®ång hå ®o l−u l−îng. + §ång hå kiÓu tÝn hiÖu: lo¹i nµy bé phËn chØ thÞ ph¸t ra tÝn hiÖu (¸nh s¸ng hay ©m thanh) khi ®¹i l−îng ®o ®¹t ®Õn gi¸ trÞ nµo ®ã 1 ®ång hå cã thÓ cã nhiÒu bé phËn chØ thÞ. Ph©n lo¹i theo c¸c tham sè cÇn ®o: + §ång hå ®o ¸p suÊt : ¸p kÕ - ch©n kh«ng kÕ + §ång hå ®o l−u l−îng : l−u l−îng kÕ + §ång hå ®o nhiÖt ®é : nhiÖt kÕ, háa kÕ + §ång hå ®o møc cao : ®o møc cña nhiªn liÖu, n−íc. + §ång hå ®o thµnh phÇn vËt chÊt : bé ph©n tÝch 1.2. C¸C THAM Sè CñA §åNG Hå Trong thùc tÕ gi¸ trÞ ®o l−êng nhËn ®−îc tõng ®ång hå kh¸c víi gi¸ trÞ thùc cña l−îng bÞ ®o. Gi¸ trÞ thùc kh«ng biÕt ®−îc vµ ng−êi ta thay gi¸ trÞ thùc nµy b»ng gi¸ trÞ thùc nghiÖm, gi¸ trÞ nµy phô thuéc phÈm chÊt ®ång hå ®o hay nãi c¸ch kh¸c lµ c¸c tham sè cña ®ång hå. Chóng ta chØ xÐt ®Õn nh÷ng tham sè chñ yÕu cã liªn quan dÕn ®é chÝnh x¸c cña sè ®o do ®ång hå cho biÕt, ®ã lµ : Sai sè vµ cÊp chÝnh x¸c, biÕn sai , ®é nh¹y vµ h¹n kh«ng nh¹y. 1.2.1. Sai sè vµ cÊp chÝnh x¸c Trªn thùc tÕ kh«ng thÓ cã mét ®ång hå ®o lý t−ëng cho sè ®o ®óng trÞ sè thËt cña tham sè cÇn ®o. §ã lµ do v× nguyªn t¾c ®o l−êng vµ kÕt cÊu cña ®ång hå kh«ng thÓ tuyÖt ®èi hoµn thiÖn. Gäi gi¸ trÞ ®o ®−îc lµ : A® Cßn gi¸ trÞ thùc lµ : At - Sai sè tuyÖt ®èi : lµ ®é sai lÖch thùc tÕ γ = Ad - At
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 11 - γ - Sai sè t−¬ng ®èi : γ o = .100% At γ Trong thùc tÕ ta tÝnh : γ o = .100% Ad - Sai sè qui dÉn: lµ tØ sè gi÷a s.sè tuyÖt ®èi ®èi víi kho¶ng ®o cña ®ång hå (%) γ δ qd = ⋅100% Amax − Amin - CÊp chÝnh x¸c : lµ sai sè quy dÉn lín nhÊt trong kho¶ng ®o cña ®ång hå max ⎛ γ max ⎞ CCX = δ qd = ⎜ ⎟ .100 % ⎝ AAmax− min ⎠ D·y cÊp chÝnh x¸c 0.1 ; 0.2 ; 0.5 ; 1 ; 1.5 ; 2.5 ; 4. Tiªu chuÈn ®Ó ®¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c cña dông cô ®o lµ CCX C¸c dông cô ®o cã CCX = 0.1 hay 0.2 gäi lµ dông cô chuÈn. Cßn dïng trong phßng thÝ nghiÖm th−êng lµ lo¹i cã CCX = 0.5 , 1. C¸c lo¹i kh¸c ®−îc dïng trong c«ng nghiÖp. Khi nãi dông cô ®o cã cÊp chÝnh x¸c lµ 1,5 tøc lµ Sqd = 1,5% C¸c lo¹i sai sè ®Þnh tÝnh: Trong khi sö dông ®ång hå ng−êi ta th−êng ®Ó ý ®Õn c¸c lo¹i sai sè sau - Sai sè cho phÐp: lµ sai sè lín nhÊt cho phÐp ®èi víi bÊt kú v¹ch chia nµo cña ®ång hå (víi quy ®Þnh ®ång hå v¹ch ®óng t/c kü thuËt) ®Ó gi÷ ®óng cÊp chÝnh x¸c cña ®ång hå. - Sai sè c¬ b¶n: lµ sai sè lín nhÊt cña b¶n th©n ®ång hå khi ®ång hå lµm viÖc b×nh th−êng, lo¹i nµy do cÊu t¹o cña ®ång hå. - Sai sè phô: do ®iÒu kiÖn kh¸ch quan g©y nªn. Trong c¸c c«ng thøc tÝnh sai sè ta dùa vµo sai sè c¬ b¶n cßn sai sè phô th× kh«ng tÝnh ®Õn trong c¸c phÐp ®o. 1.2.2. BiÕn sai Lµ ®é sai lÖch lín nhÊt gi÷a c¸c sai sè khi ®o nhiÒu lÇn 1 tham sè cÇn ®o ë cïng 1 ®iÒu kiÖn ®o l−êng : Adm - And max Chó ý : BiÕn sai sè chØ cña ®ång hå kh«ng ®−îc lín h¬n sai sè cho phÐp cña ®ång hå . 1.2.3. §é nh¹y ∆X S = ∆A
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 12 - ∆X : ®é chuyÓn ®éng cña kim chØ thÞ (m ; ®é ) ∆A : ®é thay ®æi cña gi¸ trÞ bÞ ®o. 3 VÝ dô : S = = 1,5 mm/oC 2 - Ta cã thÓ t¨ng ®é nh¹y b»ng c¸ch t¨ng hÖ sè khuÕch ®¹i (trong lóc nµy kh«ng ®−îc t¨ng sai sè c¬ b¶n cña ®ång hå) - Gi¸ trÞ chia ®é b»ng 1/s =C hay cßn gäi lµ h»ng sè cña dông cô ®o Gi¸ trÞ cña mçi ®é chia kh«ng ®−îc nhá h¬n trÞ tuyÖt ®èi cña sai sè cho phÐp cña ®ång hå. 1.2.4. H¹n kh«ng nh¹y Lµ møc ®é biÕn ®æi nhá nhÊt cña tham sè cÇn ®o ®Ó c¸i chØ thÞ b¾t ®Çu lµm viÖc. ChØ sè cña h¹n kh«ng nh¹y nhá h¬n 1/2 sai sè c¬ b¶n. * Trong thùc tÕ ta kh«ng dïng dông cô cã ®é nh¹y cao v× lµm kim dao ®éng dÉn ®Õn háng dông cô. 1.2.5. KiÓm ®Þnh ®ång hå X¸c ®Þnh chÊt l−îng lµm viÖc cña ®ång hå b»ng c¸ch so s¸nh víi ®ång hå chuÈn ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é lµm viÖc. Néi dung: XÐt sai sè cho phÐp : sai sè c¬ b¶n, biÕn sai, ®é nh¹y vµ h¹n kh«ng nh¹y cña ®ång hå. - §èi víi ®ång hå dïng trong c«ng nghiÖp CCX 2.5 th× kiÓm ®Þnh 3 ÷ 5 v¹ch chia ®é trong ®ã cã Amin & Amax. - §ång hå dïng trong phßng thÝ nghiÖm : kiÓm ®Þnh 10 ÷ 15 v¹ch vµ sau khi kiÓm tra dïng b¶ng bæ chÝnh. Th«ng th−êng dïng ®ång hå cã CCX lµ 0.1 ; 0.2 ®Ó kiÓm ®Þnh c¸c ®ång hå cÊp chÝnh x¸c lín h¬n 0.5 1. C¸c ®ång hå chuÈn cÊp 1 cã CCX < 0.1 th× kiÓm ®Þnh b»ng ph−¬ng ph¸p ®Æc biÖt vµ dïng ®ång hå chuÈn gèc. §ång hå chuÈn cÊp 2 (CCX 0.1; 0.2) th× dïng ®ång hå chuÈn cÊp 1 ®Ó kiÓm ®Þnh. 1.3. SAI Sè §O L¦êNG Trong khi tiÕn hµnh ®o l−êng, trÞ sè mµ ng−êi xem, ®o nhËn ®−îc kh«ng bao giê hoµn toµn ®óng víi trÞ sè thËt cña tham sè cÇn ®o, sai lÖch gi÷a hai trÞ sè ®ã gäi lµ sai sè ®o l−êng. Dï tiÕn hµnh ®o l−êng hÕt søc cÈn thËn vµ dïng c¸c c«ng cô ®o l−êng cùc kú tinh vi còng kh«ng thÓ lµm mÊt ®−îc sai sè ®o
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 13 - l−êng, v× trªn thùc tÕ kh«ng thÓ cã c«ng cô ®o l−êng tuyÖt ®èi hoµn thiÖn, ng−êi xem ®o tuyÖt ®èi kh«ng m¾c thiÕu sãt vµ ®iÒu kiÖn ®o l−êng tuyÖt ®èi kh«ng thay ®æi TrÞ sè ®o l−êng chØ lµ trÞ sè gÇn ®óng cña tham sè cÇn ®o, nã chØ cã thÓ biÓu thÞ bëi mét sè cã h¹n ch÷ sè ®¸ng tin cËy tïy theo møc ®é chÝnh x¸c cña viÖc ®o l−êng. Kh«ng thÓ lµm mÊt ®−îc sai sè ®o l−êng vµ còng kh«ng nªn t×m c¸ch gi¶m nhá nã tíi qu¸ møc ®é cã thÓ cho phÐp thùc hiÖn v× nh− vËy rÊt tèn kÐm. Do ®ã ng−êi ta thõa nhËn tån t¹i sai sè ®o l−êng vµ t×m c¸ch h¹n chÕ sai sè ®ã trong mét ph¹m vi cÇn thiÕt råi dïng tÝnh to¸n ®Ó ®¸nh gi¸ sai sè m¾c ph¶i vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ ®o l−êng. Ng−êi lµm c«ng t¸c ®o l−êng, thÝ nghiÖm, cÇn ph¶i ®i s©u t×m hiÓu c¸c d¹ng sai sè, nguyªn nh©n g©y sai sè ®Ó t×m c¸ch kh¾c phôc vµ biÕt c¸ch lµm mÊt ¶nh h−ëng cña sai sè ®èi víi kÕt qu¶ ®o l−êng. 1.3.1. C¸c lo¹i sai sè Tïy theo nguyªn nh©n g©y sai sè trong qu¸ tr×nh ®o l−êng mµ ng−êi ta chia sai sè thµnh 3 lo¹i sai sè sau: - Sai sè nhÇm lÉn - Sai sè hÖ thèng - vµ sai sè ngÉu nhiªn . 1- Sai sè nhÇm lÉn: Trong qu¸ tr×nh ®o l−êng, nh÷ng sai sè do ng−êi xem ®o ®äc sai, ghi chÐp sai, thao t¸c sai, tÝnh sai, v« ý lµm sai ®−îc gäi lµ sai sè nhÇm lÉn. Sai sè ®ã lµm cho sè ®o ®−îc kh¸c h¼n víi c¸c sè ®o kh¸c, nh− vËy sai sè nhÇm lÉn th−êng cã trÞ sè rÊt lín vµ hoµn toµn kh«ng cã quy luËt h¬n n÷a kh«ng biÕt nã cã xuÊt hiÖn hay kh«ng, v× vËy nªn rÊt khã ®Þnh ra mét tiªu chuÈn ®Ó t×m ra vµ lo¹i bá nh÷ng sè ®o cã m¾c sai sè nhÇm lÉn. C¸ch tèt nhÊt lµ tiÕn hµnh ®o l−êng mét c¸ch cÈn thËn ®Ó tr¸nh m¾c ph¶i sai sè nhÇm lÉn. Trong thùc tÕ còng cã khi ng−êi ta xem sè ®o cã m¾c sai sè nhÇm lÉn lµ sè ®o cã sai sè lín h¬n 3 lÇn sai sè trung b×nh m¾c ph¶i khi ®o nhiÒu lÇn tham sè cÇn ®o. 2- Sai sè hÖ thèng: Sai sè hÖ thèng th−êng xuÊt hiÖn do c¸ch sö dông ®ång hå ®o kh«ng hîp lý, do b¶n th©n ®ång hå ®o cã khuyÕt ®iÓm, hay ®iÒu kiÖn ®o l−êng biÕn ®æi kh«ng thÝch hîp vµ ®Æc biÖt lµ khi kh«ng hiÓu biÕt kü l−ìng tÝnh chÊt cña ®èi t−îng ®o l−êng TrÞ sè cña sai sè hÖ thèng th−êng cè ®Þnh hoÆc lµ biÕn ®æi theo quy luËt v× nãi chung nh÷ng nguyªn nh©n t¹o nªn nã còng lµ nh÷ng nguyªn nh©n cè ®Þnh hoÆc biÕn ®æi theo quy luËt. V× vËy mµ chóng ta cã thÓ lµm mÊt sai sè hÖ thèng trong sè ®o b»ng c¸ch t×m c¸c trÞ sè bæ chÝnh hoÆc lµ s¾p xÕp ®o l−êng mét c¸ch thÝch ®¸ng.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 14 - NÕu xÕp theo nguyªn nh©n th× chóng ta cã thÓ chia sai sè hÖ thèng thµnh c¸c lo¹i sau : a- Sai sè c«ng cô : lµ do thiÕu sãt cña c«ng cô ®o l−êng g©y nªn. VÝ dô : - Chia ®é sai - Kim kh«ng n»m ®óng vÞ trÝ ban ®Çu - tay ®ßn cña c©n kh«ng b»ng nhau b- Sai sè do sö dông ®ång hå kh«ng ®óng quy ®Þnh : VÝ dô : - §Æt ®ång hå ë n¬i cã ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é, cña tõ tr−êng, vÞ trÝ ®ång hå kh«ng ®Æt ®óng quy ®Þnh c- Sai sè do chñ quan cña ng−êi xem ®o. VÝ dô : §äc sè sím hay muén h¬n thùc tÕ, ng¾m ®äc v¹ch chia theo ®−êng xiªn d- Sai sè do ph−¬ng ph¸p : Do chän ph−¬ng ph¸p ®o ch−a hîp lý, kh«ng n¾m v÷ng ph−¬ng ph¸p ®o NÕu xÐt vÒ mÆt trÞ sè th× cã thÓ chia sai sè hÖ thèng thµnh 2 lo¹i. e- Sai sè hÖ thèng cè ®Þnh : Sai sè nµy cã trÞ sè vµ dÊu kh«ng ®æi trong suèt qu¸ tr×nh ®o l−êng. VÝ dô sai sè do träng l−îng cña qu¶ c©n f- Sai sè hÖ thèng biÕn ®æi : TrÞ sè cña sai sè biÕn ®æi theo chu kú, t¨ng hoÆc gi¶m theo quy luËt (sè mò hay cÊp sè ). VÝ dô : §iÖn ¸p cña pin bÞ yÕu dÇn trong qu¸ tr×nh ®o l−êng, sai sè khi ®o ®é dµi b»ng mét th−íc ®o cã ®é dµi kh«ng ®óng VËy ®Ó h¹n chÕ sai sè hÖ thèng th× ®ång hå ph¶i ®−îc thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o thËt tèt, ng−êi ®o ph¶i biÕt sö dông thµnh th¹o dông cô ®o, ph¶i biÕt lùa chän ph−¬ng ph¸p ®o mét c¸ch hîp lý nhÊt vµ t×m mäi c¸ch gi÷ cho ®iÒu kiÖn ®o l−êng kh«ng thay ®æi. 3- Sai sè ngÉu nhiªn : Trong qu¸ tr×nh ®o l−êng, nh÷ng sai sè mµ kh«ng thÓ tr¸nh khái g©y bëi sù kh«ng chÝnh x¸c tÊt yÕu do c¸c nh©n tè hoµn toµn ngÉu nhiªn ®−îc gäi lµ sai sè ngÉu nhiªn. Sù xuÊt hiÖn mçi sai sè ngÉu nhiªn riªng biÖt kh«ng cã quy luËt . Nguyªn nh©n g©y sai sè ngÉu nhiªn lµ do nh÷ng biÕn ®æi rÊt nhá thuéc rÊt nhiÒu mÆt kh«ng cã liªn quan víi nhau x¶y ra trong khi ®o l−êng, mµ ta kh«ng cã c¸ch nµo tÝnh tr−íc ®−îc. V× vËy chØ cã thÓ thõa nhËn sù tån t¹i cña sai sè ngÉu nhiªn vµ t×m c¸ch tÝnh to¸n trÞ sè cña nã chø kh«ng thÓ t×m kiÕm vµ khö c¸c nguyªn nh©n g©y ra nã. Lo¹i sai sè nµy cã tÝnh t−¬ng ®èi vµ gi÷a chóng kh«ng cã ranh giíi. Mçi sai sè ngÉu nhiªn xuÊt hiÖn kh«ng theo quy luËt kh«ng thÓ biÕt tr−íc vµ kh«ng thÓ khèng chÕ ®−îc, nh−ng khi tiÕn hµnh ®o l−êng rÊt nhiÒu lÇn th× tËp
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 15 - hîp rÊt nhiÒu sai sè ngÉu nhiªn cña c¸c lÇn ®o ®ã sÏ tu©n theo quy luËt thèng kª. 1.3.2. TÝnh sai sè ngÉu nhiªn trong phÐp ®o trùc tiÕp a- Qui luËt ph©n bè sè ®o vµ sai sè ngÉu nhiªn: §o liªn tôc vµ trùc tiÕp mét tham sè cÇn ®o ë ®iÒu kiÖn ®o l−êng kh«ng ®æi ta ®−îc mét d·y sè ®o x1 , x2 , , xi, , xn vµ gi¶ thiÕt lóc ®o rÊt cÈn thËn (kh«ng cã sai sè nhÇm lÉn vµ sai sè hÖ thèng). Gäi X lµ trÞ sè thËt cña tham sè cÇn ®o. Ta kh«ng thÓ biÕt ®−îc mét c¸ch tuyÖt ®èi ®óng trÞ sè cña X v× trong bÊt kú sè ®o xi nµo còng cã sai sè ngÉu nhiªn. Song cã thÓ biÕt trÞ sè gÇn ®óng ®Õn mét chõng mùc nµo ®ã cña X tïy theo chÊt l−îng cña viÖc ®o l−êng. Dïng trÞ sè gÇn ®óng thay cho X th× sÏ m¾c sai sè, ta kh«ng biÕt ®−îc cô thÓ sai sè ®ã lµ bao nhiªu nh−ng cã thÓ biÕt ®−îc lµ trÞ sè sai sè chØ trong mét kho¶ng giíi h¹n nµo ®ã víi mét ®¶m b¶o nhÊt ®Þnh nhê c¸ch tÝnh to¸n sai sè ngÉu nhiªn. Trong phÐp ®o trªn, nÕu ta cµng ®o nhiÒu lÇn h¬n ®Ó ®−îc sè lÇn ®o n thËt lín th× ta thÊy r»ng (nh− h×nh vÏ) Sè lÇn xuÊt hiÖn xi X x §−êng cong ph©n bè c¸c sè ®o - C¸c sè ®o xi ®Òu ph©n bè mét c¸ch ®èi xøng víi mét trÞ sè X. - C¸c sè ®o xi cã trÞ sè cµng gÇn X cµng nhiÒu, - C¸c sè ®o xi cµng kh¸c xa X cµng Ýt vµ c¸c sè ®o xi kh¸c X rÊt lín thùc tÕ hÇu nh− kh«ng cã. Theo ®−êng cong ph©n bè c¸c sè ®o ta thÊy X lµ trÞ sè tiªu biÓu nhÊt trong d·y sè ®o xi v× c¸c lÇn thu ®−îc c¸c sè ®o cã trÞ sè b»ng X lµ lín nhÊt vµ xem X lµ trÞ sè thùc cña tham sè cÇn ®o. NÕu gäi δi lµ sai sè ngÉu nhiªn cña sè ®o xi th× ta cã δi = xi - X.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 16 - Gäi y lµ c¬ héi xuÊt hiÖn sai sè ngÉu nhiªn cã trÞ sè lµ δ th× ta cã ®−êng cong ph©n bè cña sai sè ngÉu nhiªn nh− h×nh vÏ (®−êng ph©n bè Gauss). − δ 2 1 2 σ 2 y = .e σ 2π Trong ®ã : e - lµ c¬ sè logarit δ - lµ sai sè ngÉu nhiªn n 2 ∑()δ i σ = i=1 - lµ sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng cña sai sè n n - lµ sè lÇn ®o y 1 σ 2π 1 1 δ1 σ 2 2π δ2 0 Tõ rÊt nhiÒu thö nghiÖm t−¬ng tù mang tÝnh chÊt ngÉu nhiªn ng−êi ta còng ®−îc kÕt qu¶ t−¬ng tù nh− trªn, chóng hoµn toµn phï hîp víi c¸c tiªn ®Ò cña lý thuyÕt x¸c suÊt dïng lµm c¬ së lý luËn ®Ó tÝnh to¸n sai sè ngÉu nhiªn. + Tiªn ®Ò vÒ tÝnh ngÉu nhiªn : Khi tiÕn hµnh mét phÐp ®o víi sè lÇn n rÊt lín th× c¬ héi xuÊt hiÖn sai sè ngÉu nhiªn cã trÞ sè ®èi nhau lµ nh− nhau. + Tiªn ®Ò vÒ tÝnh ph©n bè : Khi tiÕn hµnh mét phÐp ®o víi sè lÇn n rÊt lín th× c¬ héi xuÊt hiÖn sai sè ngÉu nhiªn cã trÞ sè tuyÖt ®èi nhá nhiÒu h¬n lµ c¬ héi xuÊt hiÖn sai sè ngÉu nhiªn cã trÞ sè tuyÖt ®èi lín. C¬ héi xuÊt hiÖn sai sè ngÉu nhiªn cã trÞ sè tuyÖt ®èi qu¸ lín lµ rÊt hiÕm hoÆc b»ng kh«ng. VËy trong khi ®o l−êng phÐp ®o nµo mµ sai sè kh«ng phï hîp víi 2 tiªn ®Ò trªn th× ch¾c ch¾n lµ sai sè trong phÐp ®o ®ã kh«ng chØ hoµn toµn do nguyªn nh©n
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 17 - ngÉu nhiªn g©y ra mµ cßn chÞu ¶nh h−ëng cña sai sè hÖ thèng vµ sai sè nhÇm lÉn. b- Sai sè cña d·y sè ®o: − δ 2 1 2 σ 2 Víi hµm ph©n bè chuÈn cña sai sè ngÉu nhiªn y = .e σ 2π NÕu σ cµng nhá th× sai sè nhá cµng dÔ xuÊt hiÖn, tøc lµ ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o cµng lín. VËy víi sè lÇn ®o n rÊt lín ( n -> ∞ ) th× n 2 ∑()δ i σ = i=1 (víi δ = x - X ) lµ sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng vµ ®Æc n i i tr−ng cho ®é chÝnh x¸c cña d·y sè ®o. Trong thùc tÕ n lµ h÷u h¹n nªn ta kh«ng thÓ t×m ®−îc X mµ ta lÊy gi¸ trÞ trung 1 n b×nh to¸n cña c¸c sè ®o L = ∑ xi thay cho X vµ lóc nµy ta cã sai sè d− n i=1 υ = xi - L vµ ta tÝnh gÇn ®óng sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng cña d·y sè ®o ®−îc lµ : n 2 ∑()ν i σ = i=1 (víi n lµ h÷u h¹n) nã ®Æc tr−ng cho ®é chÝnh x¸c cña d·y sè n ®o. Ngoµi sai sè σ ng−êi ta cßn dïng sai sè ngÉu nhiªn ρ, sai sè trung b×nh to¸n θ vµ sai sè giíi h¹n δlim nh÷ng sai sè ®ã ®Òu thuéc lo¹i sai sè ngÉu nhiªn cña d·y sè ®o thu ®−îc. §Þnh nghÜa cña c¸c sai sè ®ã nh− sau: + NÕu P (-ρ, +ρ) = 1/2 th× ρ gäi lµ sai sè ngÉu nhiªn cña d·y sè biÕn ®æi vµ tra b¶ng tÝch ph©n x¸c suÊt ta ®−îc ρ = 2/3 σ. 1 n + θ = ∑ δ i biÕn ®æi vµ tÝnh to¸n ta ®−îc θ = 4/5σ. Tra ng−îc l¹i b¶ng ta n i=1 cã P (-θ ,+θ ) = 58%. + Sai sè giíi h¹n δlim lµ sai sè cã trÞ sè ®ñ lín sao cho trong thùc tÕ hÇu nh− kh«ng cã sai sè ngÉu nhiªn nµo trong phÐp ®o cã trÞ sè lín h¬n δlim. Ng−êi ta th−êng dïng δlim = 3σ lóc nµy P (-δlim ,+δlim) = 99,7%. Cã khi ta dïng δlim = 2σ. ϕ(δ
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 18 - -δlim -σ -θ -ρ 0 ρ θ σ δlim c- Sai sè cña kÕt qu¶ ®o l−êng: 1 n n Theo trªn tõ L = ∑ xi => nL = ∑ xi do ®ã ta cã n i=1 i=1 n n n 1 δ i δ i ∑ = ∑(xi − X ) = nL - nX => L - X = ∑ . L lµ trÞ sè dïng i=1 i=1 n i=1 lµm kÕt qña ®o l−êng nªn còng gäi λ = L - X lµ sai sè ngÉu nhiªn cña kÕt qu¶ 1 n n ®o l−êng. VËy λ = ∑δ i v× c¸c δi cã trÞ sè tr¸i dÊu nªn ∑δ i cã thÓ rÊt nhá n i=1 i=1 mÆc dÇu d·y sè ®o ®−îc kh«ng cã ®é chÝnh x¸c cao. Muèn ®¸nh gi¸ ®−îc møc ®é chÝnh x¸c cña d·y sè ®o ®−îc th× tiªu chuÈn ®¸nh gi¸ cÇn ph¶i ¶nh h−ëng ®−îc møc ®é lín nhá cña δi.V× vËy ng−êi ta chän tiªu chuÈn so s¸nh lµ S = σ λ2 biÕn ®æi vµ tÝnh ra ®−îc S = vµ gäi S lµ sai sè trung b×nh b×nh n ph−¬ng cña kÕt qu¶ ®o l−êng. Ngoµi S ®Ó ®¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c cña kÕt qu¶ ®o l−êng ng−êi ta cßn cã thÓ dïng mét trong c¸c lo¹i sai sè sau : ρ R = - Sai sè ngÉu nhiªn cña kÕt qu¶ ®o l−êng . => X = L ± R n θ T = - Sai sè trung b×nh to¸n cña kÕt qu¶ ®o l−êng. => X = L ± T n λ lim = 3S - Sai sè giíi h¹n cña kÕt qu¶ ®o l−êng. => X = L ± λ lim Chó ý: - B¶n th©n c¸c sai sè S, R, T còng cã sai sè nªn trong c¸c phÐp ®o tinh vi nhÊt ( phÐp ®o mµ ρ/L < 0,1% ) th× chóng ta cÇn ph¶i xÐt ®Õn. Sai sè cña S, R, T còng gåm 3 lo¹i nh− trªn tøc lµ øng víi R th× cã rR, sR, tR.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 19 - Lóc nµy ta cã thÓ viÕt X = L ± ( R ± rR) . T−¬ng tù còng víi S vµ T. - Trong tr−êng hîp phÐp ®o kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc víi ®iÒu kiÖn ®o l−êng nh− nhau th× ®é chÝnh x¸c cña mçi sè ®o kh«ng nh− nhau, v× vËy cÇn xÐt ®Õn møc ®é tin cËy cña c¸c sè ®o thu ®−îc. Sè dïng biÓu thÞ møc ®é tin cËy ®ã gäi lµ träng ®é p, vµ ta dïng trÞ trung b×nh céng träng ®é. n n 2 xi pi ∑ ()υ i p i i=1 ∑ L = vµ i =1 víi υ = x − L . o n σ = n i i 0 p ∑ i ∑ p i i=1 i =1 1.3.3. TÝnh sai sè ngÉu nhiªn trong phÐp ®o gi¸n tiÕp Theo ®Þnh nghÜa cña phÐp ®o gi¸n tiÕp ta cã : y = f ( x1, x2, xn). V× c¸c tham sè x1, x2, xn ®−îc x¸c ®Þnh b»ng phÐp ®o trùc tiÕp nªn ta sÏ thu ®−îc xi = Li ± ξi ξi - lµ sai sè tuyÖt ®èi. Tõ c¸c trÞ sè ®· thu ®−îc ta cã thÓ tÝnh to¸n (lÊy vi ph©n råi b×nh ph−¬ng 2 vÕ vµ bá qua bËc cao) ®Ó x¸c ®Þnh ®−îc y lµ l−îng ch−a biÕt cña phÐp ®o gi¸n tiÕp vµ viÕt ®−îc : yi = Ly ± ξy Víi 2 m ⎛ ∂ y ⎞ ⎜ ⎟ 2 ; LfLLL= , , , ξ y = ∑ ⎜ ⎟ ξ i ym( 12 ) i = 1 ⎝ ∂ x i ⎠ Nh− vËy ta dïng ®¹o hµm riªng vµ c¸c sai sè ξi cña c¸c d·y sè ®o mµ ta tÝnh ®−îc ξy cña d·y sè ®o t−¬ng øng cña tham sè ®o gi¸n tiÕp. BiÕt ®−îc ξy ta sÏ tÝnh ®−îc c¸c lo¹i sai sè kh¸c theo quan hÖ gi÷a c¸c sai sè σ y mµ ta ®· biÕt trong phÐp ®o trùc tiÕp. VÝ dô: Sy = ë ®©y n lµ sè lÇn ®o cña n phÐp ®o trùc tiÕp dïng ®o c¸c tham sè xi ®Ó x¸c ®Þnh tham sè ®o gi¸n tiÕp y. Mét sè tr−êng hîp cô thÓ th−êng gÆp trong phÐp ®o gi¸n tiÕp : + Tr−êng hîp : y = a1x1 + a2x2 + + amxm Trong ®ã c¸c tham sè ai lµ c¸c hÖ sè cè ®Þnh cña c¸c tham sè ®o trùc tiÕp x1, x2, xm. ¸p dông c¸ch tÝnh to¸n ta ®−îc c«ng thøc tÝnh sai sè tuyãût ®èi : n n 2 2 ξy = ∑ ai ξi vµ Ly = ∑ ai Li i=1 i=1 ξ y ξ y Sai sè t−¬ng ®èi : ξoy = ta th−êng dïng ξoy = y Ly a1 a2 am + Tr−êng hîp : y = kx1 .x2 xm . k - lµ hÖ sè cè ®Þnh
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 20 - cßn c¸c ai lµ c¸c h»ng sè. Ta cã sai sè t−¬ng ®èi : 2 2 2 222 ξ oy = aa1 ξξ01 +++2 02 amm ξ0 . ξ i aa12 am ξ = Ly = k. LL12. Lm . 0 i . Vµ ξy = Ly.ξoy x i Mét sè vÝ dô: VÝ dô 1: Mét h×nh vu«ng cã c¹nh lµ 5,00 ± 0,05m. H·y tÝnh sai sè g©y nªn do c¸c c¹nh ®èi víi diÖn tÝch h×nh vu«ng ? Gi¶i: a- Gäi c¹nh h×nh vu«ng lµ x th× diÖn tÝch h×nh vu«ng sÏ lµ y = x2 2 2 2 2 ⎛ 0,05 ⎞ Ta biÕt r»ng ξoy = a1 .ξ ox = 2 ⎜ ⎟ = 0,02 ⎝ 5,00 ⎠ 2 2 2 Ly = 5,00 x 5,00 = 25,0000 m → ξy = 0,02 . 25 m = 0,5 m VËy trÞ sè ®óng cña y lµ y = 25 ± 0,5 m2 . b- Ta còng cã thÓ tÝnh sai sè tuyÖt ®èi tr−íc råi t×m sai sè t−¬ng ®èi 2 ⎛ ∂ ⎞ ∂ y 2 ⎜ y ⎟ 2 ξ = ξ = 2x.ξ v× y = x nªn theo ®Þnh nghÜa ξy = ⎜ ⎟ ξ x => y x x ⎝ ∂ x ⎠ ∂ x 2 2 ξy = 2 x 5,00 x 5,00 = 25m ; Ly = 5,00 x 5,00 = 25m VËy y = 25 ± 0,5m2. 0,5 Ta còng ®−îc : ξ = = 0,02 = 2% oy 25 VÝ dô 2: Tõ kÕt qu¶ ®o trùc tiÕp dßng ®iÖn I = 7,130 ± 0,018 Ampe , U = 218,7 ± 0,4 volt , t = 800,0 ± 0,6 sec . NÕu x¸c ®Þnh ®iÖn n¨ng A b»ng ph−¬ng ph¸p gi¸n tiÕp th× trÞ sè cña A lµ bao nhiªu ? Gi¶i: Ta biÕt r»ng A = U I t . Víi kÕt qu¶ ®o gi¸n tiÕp trªn ta tÝnh ®−îc kÕt qu¶ ®o gi¸n tiÕp A lµ : LA = 7,13 x 218,7 x 800 = 12474,65 jun. Sai sè t−¬ng ®èi cña kÕt qu¶ ®o gi¸n tiÕp lµ : 2 2 2 ⎛ 0 , 018 ⎞ ⎛ 0 , 4 ⎞ ⎛ 0 , 6 ⎞ ξ oA = ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ = 0 , 0032 . ⎝ 7 ,13 ⎠ ⎝ 218 , 7 ⎠ ⎝ 800 ⎠ Sai sè tuyÖt ®èi cña kÕt qu¶ ®o lµ : ξξAA= 0 . LA = 0,0032 x 12474,65 = 39,9 jun VËy A = 12470,00 ± 39,9 jun.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 1 - 21 - Chó ý: VÒ mÆt ®o l−êng ta cÇn ph©n biÖt râ sù kh¸c nhau cña c¸c biÓu thøc to¸n cã gi¸ trÞ nh− nhau vÒ mÆt to¸n nh−ng viÕt kh¸c nhau. XÐt 2 vÝ dô : 1- Víi y = x.x.x , biÕn x ®−îc cho 3 lÇn riªng rÏ nh− nhau khi t×m thÓ tÝch khèi lËp ph−¬ng cã c¹nh lµ x. Ta còng cã thÓ viÕt y = x3, tr−êng hîp nµy cã nghÜa lµ chØ ®o 1 c¹nh x vµ dïng phÐp ®o gi¸n tiÕp ®Ó x¸c ®Þnh y. Sai sè cña y trong 2 tr−êng hîp trªn râ rµng lµ kh«ng gièng nhau. cô thÓ : y = x.x.x vËy ξoy = 3 ξox 3 cßn y = x vËy ξoy = 3 ξox 2- Víi y = 2x vµ y = x + x cã sai sè lµ ξy = 2 ξx vµ ξy = 2 ξx Ta thÊy r»ng khi ®o riªng lÎ th× sai sè nhá h¬n. Së dÜ nh− vËy lµ v× khi ®o riªng lÎ c¸c sai sè ngÉu nhiªn cña chóng bï trõ cho nhau.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 21 - CH¦¥NG 2 : §O NHIÖT §é 2.1. NH÷NG VÊN §Ò CHUNG NhiÖt ®é lµ mét tham sè vËt lý quan träng, th−êng hay gÆp trong kü thuËt, c«ng nghiÖp, n«ng nghiÖp vµ trong ®êi sèng sinh ho¹t hµng ngµy. Nã lµ tham sè cã liªn quan ®Õn tÝnh chÊt cña rÊt nhiÒu vËt chÊt, thÓ hiÖn hiÖu suÊt cña c¸c m¸y nhiÖt vµ lµ nh©n tè träng yÕu ¶nh h−ëng ®Õn sù truyÒn nhiÖt. V× lÏ ®ã mµ trong c¸c nhµ m¸y, trong hÖ thèng nhiÖt ®Òu ph¶i dïng nhiÒu dông cô ®o nhiÖt ®é kh¸c nhau. ChÊt l−îng vµ sè l−îng s¶n phÈm s¶n xuÊt ®−îc ®Òu cã liªn quan tíi nhiÖt ®é, nhiÒu tr−êng hîp ph¶i ®o nhiÖt ®é ®Ó ®¶m b¶o cho yªu cÇu thiÕt bÞ vµ cho qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. HiÖn nay yªu cÇu ®o chÝnh x¸c nhiÖt ®é tõ xa còng lµ mét viÖc rÊt cã ý nghÜa ®èi víi s¶n xuÊt vµ nghiªn cøu khoa häc 2.1.1. Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Tõ l©u ng−êi ta ®· biÕt r»ng tÝnh chÊt cña vËt chÊt cã liªn quan mËt thiÕt tíi møc ®é nãng l¹nh cña vËt chÊt ®ã. Nãng l¹nh lµ thÓ hiÖn t×nh tr¹ng gi÷ nhiÖt cña vËt vµ møc ®é nãng l¹nh ®ã ®−îc gäi lµ nhiÖt ®é. VËy nhiÖt ®é lµ ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cho tr¹ng th¸i nhiÖt, theo thuyÕt ®éng häc ph©n tö th× ®éng n¨ng cña vËt 3 E = KT. 2 Trong ®ã K- h»ng sè Bonltzman. E - §éng n¨ng trung b×nh chuyÓn ®éng th¼ng cña c¸c ph©n tö T - NhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt . Theo ®Þnh luËt 2 nhiÖt ®éng häc: NhiÖt l−îng nhËn vµo hay táa ra cña m«i chÊt trong chu tr×nh C¸cn« t−¬ng øng víi nhiÖt ®é cña m«i chÊt vµ cã quan hÖ T Q 1 T 2 = T2 Q T 1 2 Q2-Q1 T1 Q1 s VËy kh¸i niÖm nhiÖt ®é kh«ng phô thuéc vµo b¶n chÊt mµ chØ phô thuéc nhiÖt l−îng nhËn vµo hay táa ra cña vËt. Muèn ®o nhiÖt ®é th× ph¶i t×m c¸ch x¸c ®Þnh ®¬n vÞ nhiÖt ®é ®Ó x©y dùng thµnh thang ®o nhiÖt ®é (cã khi gäi lµ th−íc ®o nhiÖt ®é, nhiÖt giai ). Dông cô dïng ®o nhiÖt ®é gäi lµ nhiÖt kÕ, nhiÖt kÕ dïng ®o nhiÖt ®é cao cßn gäi lµ háa kÕ. Qu¸ tr×nh x©y dùng thang ®o nhiÖt ®é t−¬ng ®èi phøc t¹p. Tõ n¨m 1597 khi
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 22 - xuÊt hiÖn nhiÖt kÕ ®Çu tiªn ®Õn nay th−íc ®o nhiÖt ®é th−êng dïng trªn quèc tÕ vÉn cßn nh÷ng thiÕu sãt ®ßi hái cÇn ph¶i tiÕp tôc nghiªn cøu thªm. 2.1.2. §¬n vÞ vµ thang ®o nhiÖt ®é 1. S¬ l−îc vÒ qu¸ tr×nh x©y dùng thang ®o nhiÖt ®é : Qu¸ tr×nh thµnh lËp th−íc ®o nhiÖt ®é còng lµ qu¸ tr×nh t×m mét ®¬n vÞ ®o nhiÖt ®é thèng nhÊt vµ liªn quan mËt thiÕt tíi viÖc chÕ t¹o nhiÖt kÕ. 1597 : Galilª dùa trªn sù d·n në cña n−íc vµ ®· chÕ t¹o ra nhiÖt kÕ n−íc ®Çu tiªn ; Víi lo¹i nµy chØ cho chóng ta biÕt ®−îc vËt nµy nãng (l¹nh) h¬n vËt kia mµ th«i. TiÕp ®ã nhiÒu ng−êi ®· nghiªn cøu chÕ t¹o nhiÖt kÕ dùa vµo sù d·n në cña c¸c nguyªn chÊt ë 1 pha. Thang ®o nhiÖt ®é ®−îc quy ®Þnh dùa vµo nhiÖt ®é chªnh lÖch gi÷a 2 ®iÓm kh¸c nhau cña mét nguyªn chÊt ®Ó lµm ®¬n vÞ ®o do NEWTON ®Ò nghÞ ®Çu tiªn, vµ c¸ch quy ®Þnh ®o nhiÖt ®é nµy ®−îc dïng m·i cho ®Õn nay. 1724 : Farenheit lËp thang ®o nhiÖt ®é víi 3 ®iÓm : 0 ; +32 vµ +96 , t−¬ng øng víi -17,8 oC ; 0 oC vµ 35,6 oC sau ®ã lÊy thªm ®iÓm +212 øng víi nhiÖt ®é s«i cña n−íc ë ¸p suÊt khÝ quyÓn (100 oC) . 1731 : Reomua sö dông r−îu lµm nhiÖt kÕ. ¤ng lÊy r−îu cã nång ®é thÝch hîp nhóng vµo n−íc ®¸ ®ang tan vµ lÊy thÓ tÝch lµ 1000 ®¬n vÞ vµ khi ®Æt trong h¬i n−íc ®ang s«i th× lÊy thÓ tÝch lµ 1080 ®¬n vÞ, vµ xem quan hÖ d·n në ®ã lµ ®−êng th¼ng ®Ó chia ®Òu th−íc øng víi 0 oR ®Õn 80 oR. 1742 : A.Celsius sö dông thñy ng©n lµm nhiÖt kÕ. ¤ng lÊy 1000C øng víi ®iÓm tan cña n−íc ®¸ cßn 0oC lµ ®iÓm s«i cña n−íc vµ sau nµy ®æi l¹i ®iÓm s«i lµ 100oC cßn ®iÓm tan cña n−íc ®¸ lµ 0oC . Trªn ®©y lµ mét sè vÝ dô vÒ c¸c thang ®o nhiÖt ®é, ®¬n vÞ nhiÖt ®é trong mçi lo¹i th−íc ®o ®ã ch−a thèng nhÊt, c¸c nhiÖt kÕ cïng lo¹i khã b¶o ®¶m chÕ t¹o cã th−íc chia ®é gièng nhau. Nh÷ng thiÕu sãt nµy lµm cho ng−êi ta nghÜ ®Õn ph¶i x©y dùng th−íc ®o nhiÖt ®é theo mét nguyªn t¾c kh¸c sao cho ®¬n vÞ ®o nhiÖt ®é kh«ng phô thuéc vµo chÊt ®o nhiÖt ®é dïng trong nhiÖt kÕ. 1848 : Kelvin x©y dùng th−íc ®o nhiÖt ®é trªn c¬ së nhiÖt ®éng häc. Theo ®Þnh luËt nhiÖt ®éng häc thø 2, c«ng trong chu tr×nh C¸cn« tû lÖ víi ®é chªnh nhiÖt ®é chø kh«ng phô thuéc chÊt ®o nhiÖt ®é. Kelvin lÊy ®iÓm tan cña n−íc ®¸ lµ 273,1 ®é vµ gäi 1 ®é lµ chªnh lÖch nhiÖt ®é øng víi 1% c«ng trong chu tr×nh C¸cn« gi÷a ®iÓm s«i cña n−íc vµ ®iÓm tan cña n−íc ®¸ ë ¸p suÊt b×nh th−êng . Q Q 100 = T 100 ⇒ 100 = T 100 . − − Q 0 T 0 QQ100 0 TT100 0
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 23 - NÕu tõ nhiÖt ®é T0 ®Õn T100 ta chia lµm 100 kho¶ng ®Òu nhau vµ gäi mçi kho¶ng lµ 1 ®é th× ta cã thÓ viÕt : QQ− .100 T100 - T0 = 100 = T 100 ( 100 0) ⇒ T100 = Q 100 − Q 100 QQ100 0 Q Tæng qu¸t ta cã : T = .100 ®é. Q100 − Q0 Thang ®o nhiÖt ®é nhiÖt ®éng häc trªn thùc tÕ kh«ng thÓ hiÖn ®−îc, nã cã tÝnh chÊt thuÇn tóy lý luËn, nh−ng nhê ®ã mµ thèng nhÊt ®−îc ®¬n vÞ nhiÖt ®é. MÆt kh¸c quan hÖ gi÷a c«ng vµ nhiÖt ®é theo ®Þnh luËt nãi trªn hoµn toµn gièng quan hÖ thÓ tÝch vµ ¸p suÊt ®èi víi nhiÖt ®é khÝ lý t−ëng tøc lµ : P V T PV 100 100 = 100 vµ ta còng cã T = .100 ®é. P0V0 T0 P100V100 − P0V0 Nªn ng−êi ta cã thÓ x©y dùng ®−îc th−íc ®o nhiÖt ®é theo ®Þnh luËt cña khÝ lý t−ëng vµ hoµn toµn thùc hiÖn ®−îc trªn thùc tÕ. Tuy r»ng khÝ thùc cã kh¸c víi khÝ lý t−ëng nh−ng sè hiÖu chØnh do sù kh¸c nhau ®ã kh«ng lín vµ ng−êi ta cã thÓ ®¹t ®−îc ®é chÝnh x¸c rÊt cao. NhiÖt kÕ dïng thùc hiÖn thang ®o nhiÖt ®é nµy gäi lµ nhiÖt kÕ khÝ. 1877 : ñy ban c©n ®o quèc tÕ c«ng nhËn th−íc chia ®é Hydrogen b¸ch ph©n lµm th−íc chia nhiÖt ®é c¬ b¶n, 0 vµ 100 øng víi ®iÓm tan cña n−íc ®¸ vµ ®iÓm s«i cña n−íc ë ¸p suÊt tiªu chuÈn (760 mmHg). H 2 (V) Hg Th−íc ®o nµy rÊt gÇn víi th−íc ®o nhiÖt ®é nhiÖt ®éng häc, lo¹i nµy cã h¹n chÕ lµ giíi h¹n ®o chØ trong kho¶ng -25 ®Õn +100 ®é (v× ë nhiÖt ®é cao H cã ®é khuyÕch t¸n m¹nh nªn bÞ lät vµ khã chÝnh x¸c). ViÖc sö dông nhiÒu th−íc ®o nhiÖt ®é tÊt nhiªn kh«ng tr¸nh khái viÖc tÝnh ®æi tõ th−íc ®o nµy sang th−íc ®o kh¸c vµ kÕt qu¶ tÝnh ®æi ®ã th−êng kh«ng phï hîp víi nhau. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò ®ã th× :
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 24 - 1933 : Héi nghÞ c©n ®o Quèc tÕ ®· quyÕt ®Þnh dïng th−íc ®o nhiÖt ®é Quèc tÕ, th−íc ®o nµy lÊy nhiÖt ®é tan cña n−íc ®¸ vµ nhiÖt ®é s«i cña n−íc ë ¸p suÊt b×nh th−êng lµ 0 vµ 100 ®é ký hiÖu ®¬n vÞ nhiÖt ®é lµ [ oC ] vµ dùa trªn mét hÖ ®iÓm nhiÖt ®é cè ®Þnh ®Ó chia ®é cßn c¸c nhiÖt ®é trung gian th× x¸c ®Þnh b»ng c¸c dông cô néi suy. 1948 : Sau khi söa ®æi vµ bæ sung thªm, héi nghÞ c©n ®o quèc tÕ ®· x¸c ®Þnh th−íc ®o nhiÖt ®é quèc tÕ n¨m 1948. Theo th−íc ®o nµy nhiÖt ®é ký hiÖu lµ t, ®¬n vÞ ®o lµ [ oC ]. Th−íc ®−îc x©y dùng trªn mét sè ®iÓm chuÈn gèc, ®ã lµ nh÷ng ®iÓm nhiÖt ®é c©n b»ng cè ®Þnh ®−îc x¸c ®Þnh b»ng nhiÖt kÕ khÝ, trÞ sè cña ®iÓm chuÈn gãc ®−îc lÊy lµ trÞ sè cã x¸c suÊt xuÊt hiÖn cao nhÊt cña nhiÖt kÕ khÝ khi ®o nhiÖt ®é ®iÓm chuÈn gãc ®ã. TrÞ sè nhiÖt ®é gi÷a c¸c ®iÓm chuÈn gãc ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c nhiÖt kÕ ®Æc biÖt. - C¸c ®iÓm chuÈn gèc ®Òu ®−îc x¸c ®Þnh ë ¸p suÊt khÝ quyÓn tiªu chuÈn vµ gåm c¸c ®iÓm quy ®Þnh sau : - §iÓm s«i cña «xy - 182,97 oC - §iÓm tan cña n−íc ®¸ 0,00 oC - §iÓm s«i cña n−íc 100,00 oC - §iÓm s«i cña l−u huúnh 444,60 oC - §iÓm ®«ng ®Æc cña b¹c 960,80 oC - §iÓm ®«ng ®Æc cña vµng 1063,00 oC C¸ch néi suy vµ ngo¹i suy ®Ó x¸c ®Þnh nhiÖt ®é kh¸c ®−îc quy ®Þnh nh− sau: + NhiÖt ®é trong kho¶ng tõ 0 ®Õn ®iÓm ®«ng ®Æc cña sitibiom (630oC) dïng nhiÖt kÕ chuÈn lµ nhiÖt kÕ ®iÖn trë b¹ch kim mµ ®é tinh khiÕt cña sîi b¹ch kim tháa m·n yªu cÇu sau : R100/ R0 ≥ 1,3920, ë ®©y R0 vµ R100 lµ ®iÖn trë cña ®iÖn trë b¹ch kim ë 0oC vµ ë 100oC. Quan hÖ gi÷a trÞ sè ®iÖn trë b¹ch kim ë nhiÖt ®é t (Rt) vµ nhiÖt ®é t ®−îc 2 quy ®Þnh lµ : Rt = Ro [ 1+At +Bt ] . o o Ro, A, B lµ c¸c h»ng sè x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o Rt øng víi t = 0,01 C, 100 C vµ 444,6 oC sau ®ã gi·i hÖ 3 ph−¬ng tr×nh. + NhiÖt ®é trong kho¶ng tõ -182,97 oC ®Õn 0 oC vÉn dïng nhiÖt kÕ ®iÖn trë 2 3 b¹ch kim nh−ng theo quan hÖ kh¸c : Rt = Ro.[1+At +Bt +Ct (t-100)] Trong ®ã C lµ h»ng sè t×m ®−îc do ®Æt ®iÖn trë b¹ch kim ë nhiÖt ®é -182,97 oC cßn c¸c hÖ sè kh¸c còng ®−îc tÝnh nh− trªn. + NhiÖt ®é trong kho¶ng 630 oC ®Õn 1063 oC dïng cÆp nhiÖt b¹ch kim vµ b¹ch kim+R«®i lµm nhiÖt kÕ chuÈn .
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 25 - + NhiÖt ®é trªn ®iÓm 1063oC th× dïng háa kÕ quang häc chuÈn gèc hoÆc ®Ìn nhiÖt ®é lµm dông cô chuÈn, nhiÖt ®é t ®−îc x¸c ®Þnh theo ®Þnh luËt Planck. Vµ sau ®ã c¨n cø vµo ®Þnh nghÜa míi cña ®¬n vÞ nhiÖt ®é (®é Kelvin) nªn ®· cã thay ®æi Ýt nhiÒu vÒ th−íc ®o nhiÖt ®é. 1968 : Héi nghÞ c©n ®o quèc tÕ quyÕt ®Þnh ®−a ra th−íc ®o nhiÖt ®é quèc tÕ thùc dông. Th−íc ®o nµy còng ®−îc x©y dùng dùa trªn 6 ®iÓm chuÈn gèc : - §iÓm s«i cña «xy - 182,97 oC - §iÓm ba pha cña n−íc 0,01 oC - §iÓm s«i cña n−íc 100,00 oC - §iÓm ®«ng ®Æc cña kÏm 419,505 oC - §iÓm ®«ng ®Æc cña b¹c 960,80 oC - §iÓm ®«ng ®Æc cña vµng 1063,00 oC ë c¸c n−íc ph¸t triÓn viÖc gi÷ g×n vµ lËp l¹i th−íc ®o nhiÖt ®é quèc tÕ thùc dông ®Òu do c¬ quan chuyªn tr¸ch cña nhµ n−íc phô tr¸ch nh− ViÖn ®o l−êng tiªu chuÈn Th−íc ®o nhiÖt ®é thùc dông quèc tÕ vÉn ch−a hoµn toµn ®−îc hoµn thiÖn, vÝ dô nh− ch−a cã quy ®Þnh ®èi víi kho¶ng nhiÖt ®é d−íi - 182,97oC. C¸c quy ®Þnh ch−a thËt b¶o ®¶m cho th−íc ®o nhiÖt ®é thùc dông quèc tÕ ®óng víi th−íc ®o nhiÖt ®é nhiÖt ®éng häc V× vËy cÇn ph¶i tiÕp tôc nghiªn cøu thªm ®Ó hoµn thiÖn. 2.1.3. Dông cô vµ ph−¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 26 - Cã nhiÒu lo¹i dông cô ®o nhiÖt ®é, tªn gäi cña mçi lo¹i mét kh¸c nh−ng th−êng gäi chung lµ nhiÖt kÕ. Trong dông cô ®o nhiÖt ®é ta th−êng dïng c¸c kh¸i niÖm sau : NhiÖt kÕ lµ dông cô (®ång hå) ®o nhiÖt ®é b»ng c¸ch cho sè chØ hoÆc tÝn hiÖu lµ hµm sè ®· biÕt ®èi víi nhiÖt ®é. Bé phËn nh¹y c¶m cña nhiÖt kÕ lµ bé phËn cña nhiÖt kÕ dïng ®Ó biÕn nhiÖt n¨ng thµnh mét d¹ng n¨ng l−îng kh¸c ®Ó nhËn ®−îc tÝn hiÖu (tin tøc) vÒ nhiÖt ®é. NÕu bé phËn nh¹y c¶m tiÕp xóc trùc tiÕp víi m«i tr−êng cÇn ®o th× gäi lµ nhiÖt kÕ ®o trùc tiÕp vµ ng−îc l¹i. Theo thãi quen ng−êi ta th−êng dïng kh¸i niÖm nhiÖt kÕ ®Ó chØ c¸c dông cô ®o nhiÖt ®é d−íi 600oC, cßn c¸c dông cô ®o nhiÖt ®é trªn 600oC th× gäi lµ háa kÕ. Theo nguyªn lý ®o nhiÖt ®é, ®ång hå nhiÖt ®é ®−îc chia thµnh 5 lo¹i chÝnh. 1/ NhiÖt kÕ d·n në ®o nhiÖt ®é b»ng quan hÖ gi÷a sù d·n në cña chÊt r¾n hay chÊt n−íc ®èi víi nhiÖt ®é. Ph¹m vi ®o th«ng th−êng tõ -200 ®Õn 500oC . VÝ dô nh− nhiÖt kÕ thñy ng©n, r−îu 2/ NhiÖt kÕ kiÓu ¸p kÕ ®o nhiÖt ®é nhê biÕn ®æi ¸p suÊt hoÆc thÓ tÝch cña chÊt khÝ, chÊt n−íc hay h¬i b·o hßa chøa trong mét hÖ thèng kÝn cã dung tÝch cè ®Þnh khi nhiÖt ®é thay ®æi. Kho¶ng ®o th«ng th−êng tõ 0 ®Õn 300 oC. 3/ NhiÖt kÕ ®iÖn trë ®o nhiÖt ®é b»ng tÝnh chÊt biÕn ®æi ®iÖn trë khi nhiÖt ®é thay ®æi cña vËt dÉn hoÆc b¸n dÉn. Kho¶ng ®o th«ng th−êng tõ -200 ®Õn 1000°C . 4/ CÆp nhiÖt cßn gäi lµ nhiÖt ngÉu, pin nhiÖt ®iÖn. §o nhiÖt ®é nhê quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é víi suÊt nhiÖt ®iÖn ®éng sinh ra ë ®Çu mèi hµn cña 2 cùc nhiÖt ®iÖn lµm b»ng kim lo¹i hoÆc hîp kim. Kho¶ng ®o th«ng th−êng tõ 0 ®Õn 1600oC 5/ Háa kÕ bøc x¹ gåm háa kÕ quang häc, bøc x¹ hoÆc so mµu s¾c. §o nhiÖt ®é cña vËt th«ng qua tÝnh chÊt bøc x¹ nhiÖt cña vËt. Kho¶ng ®o th−êng tõ 600 ®Õn 6000 oC . §©y lµ dông cô ®o gi¸n tiÕp. NhiÖt kÕ cßn ®−îc chia lo¹i theo møc ®é chÝnh x¸c nh−: - Lo¹i chuÈn - Lo¹i mÉu - Lo¹i thùc dông . HoÆc theo c¸ch cho sè ®o nhiÖt ®é ta cã c¸c lo¹i : - ChØ thÞ - Tù ghi - §o tõ xa 2.2. NHIÖT KÕ D·N Në ThÓ tÝch vµ chiÒu dµi cña mét vËt thay ®æi tïy theo nhiÖt ®é vµ hÖ sè d·n në cña vËt ®ã. NhiÖt kÕ ®o nhiÖt ®é theo nguyªn t¾c ®ã gäi lµ nhiÖt kÕ kiÓu d·n
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 27 - në. Ta cã thÓ ph©n nhiÖt kÕ nµy thµnh 2 lo¹i chÝnh ®ã lµ : NhiÖt kÕ d·n në chÊt r¾n (cßn gäi lµ nhiÖt kÕ c¬ khÝ) vµ nhiÖt kÕ d·n në chÊt n−íc. 2.2.1. NhiÖt kÕ d·n në chÊt r¾n Nguyªn lý ®o nhiÖt ®é lµ dùa trªn ®é d·n në dµi cña chÊt r¾n. Lt = Lto [ 1 + α ( t - to ) ] Lt vµ Lto lµ ®é dµi cña vËt ë nhiÖt ®é t vµ to α - gäi lµ hÖ sè d·n në dµi cña chÊt r¾n C¸c lo¹i : + NhiÖt kÕ kiÓu ®òa : C¬ cÊu lµ gåm - 1 èng kim lo¹i cã α1 nhá vµ 1 chiÕc ®òa cã α2 lín ÄÚng kim loaûi + KiÓu b¶n hai kim lo¹i (th−êng dïng lµm r¬le trong hÖ thèng tù ®éng ®ãng ng¾t tiÕp ®iÓm). HÖ sè d·n në dµi cña mét sè vËt liÖu VËt liÖu HÖ sè d·n në dµi α (1/®é) Nh«m Al 0,238 . 104 ÷ 0,310 . 104 §ång Cu 0,183 . 104 ÷ 0,236 . 104 Cr - Mn 0,123 . 104 ThÐp kh«ng rÜ 0,009 . 104 H kim Inva (64% Fe & 36% N) 0,00001 . 104 2.2.2. NhiÖt kÕ d·n në chÊt láng Nguyªn lý: t−¬ng tù nh− c¸c lo¹i kh¸c nh−ng sö dông chÊt láng lµm m«i chÊt (nh− Hg , r−îu )
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 28 - CÊu t¹o: Gåm èng thñy tinh hoÆc th¹ch anh trong ®ùng chÊt láng nh− thñy ng©n hay chÊt h÷u c¬. 1 - PhÇn tiÕp xóc m«i tr−êng cÇn ®o gäi lµ 4 bao nhiÖt. 2 - èng mao dÉn cã ®−êng kÝnh rÊt nhá. 3 - thang ®o. 2 3 4 - ®o¹n dù phßng. NÕu dïng Hg th× α = 0,18.103 oC-1 cßn thñy tinh th× α = 0,02 . 103 oC-1 ( nªn cã thÓ bá qua) 1 Tuy Hg cã α kh«ng lín nh−ng nã kh«ng b¸m vµo thñy tinh khã bÞ «xy hãa, dÔ chÕ t¹o, nguyªn chÊt, ph¹m vi ®o nhiÖt ®é réng. ë nhiÖt ®é < 200 oC th× ®Æc tÝnh d·n në cña Hg vµ t lµ quan hÖ ®−êng th¼ng nªn nhiÖt kÕ thñy ng©n ®−îc dïng nhiÒu h¬n c¸c lo¹i kh¸c. NhiÖt kÕ thñy ng©n nÕu ®o nhiÖt ®é < 100 oC th× trong èng thñy tinh kh«ng cÇn n¹p khÝ, khi ®o ë nhiÖt ®é cao h¬n vµ nhÊt lµ khi muèn n©ng cao giíi h¹n ®o trªn th× ph¶i n©ng cao ®iÓm s«i cña nã b»ng c¸ch n¹p khÝ tr¬ (N2) vµo. o - NÕu n¹p N2 víi ¸p suÊt 20 bar th× ®o ®Õn 500 C o - NÕu n¹p N2 víi ¸p suÊt 70 bar th× ®o ®Õn 750 C Ng−êi ta dïng lo¹i nµy lµm nhiÖt kÕ chuÈn cã ®é chia nhá vµ thang ®o tõ 0 ÷ 50° ; 50 ÷ 100 o vµ cã thÓ ®o ®Õn 600 oC. ¦u ®iÓm : ®¬n gi¶n rÎ tiÒn sö dông dÔ dµng thuËn tiÖn kh¸ chÝnh x¸c. KhuyÕt ®iÓm : ®é chËm trÔ t−¬ng ®èi lín, khã ®äc sè, dÔ vì kh«ng tù ghi sè ®o ph¶i ®o t¹i chç kh«ng thÝch hîp víi tÊt c¶ ®èi t−îng (ph¶i nhóng trùc tiÕp vµo m«i chÊt). Ph©n lo¹i : NhiÖt kÕ chÊt n−íc cã rÊt nhiÒu h×nh d¹ng kh¸c nhau nh−ng : + XÐt vÒ mÆt th−íc chia ®é th× cã thÓ chia thµnh 2 lo¹i chÝnh : - H×nh chiÕc ®òa - Lo¹i th−íc chia ®é trong
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 29 - + XÐt vÒ mÆt sö dông th× cã thÓ chia thµnh c¸c lo¹i sau: - NhiÖt kÕ kü thuËt : khi sö dông phÇn ®u«i ph¶i c¾m ngËp vµo m«i tr−êng cÇn ®o (cã thÓ h×nh th¼ng hay h×nh ch÷ L). Kho¶ng ®o - 30 ÷ 50°C ; 0 ÷ 50 500 §é chia : 0,5 oC , 1oC. Lo¹i cã kho¶ng ®o lín ®é chia cã thÓ 5 oC - NhiÖt kÕ phßng thÝ nghiÖm : cã thÓ lµ 1 trong c¸c lo¹i trªn nh−ng cã kÝch th−íc nhá h¬n. - Chó ý : Khi ®o ta cÇn nhóng ngËp ®Çu nhiÖt kÕ vµo m«i chÊt ®Õn møc ®äc. * Lo¹i cã kho¶ng ®o ng¾n ®é chia 0,0001 ÷ 0,02 oC dïng lµm nhiÖt l−îng kÕ ®Ó tÝnh nhiÖt l−îng. * Lo¹i cã kho¶ng ®o nhá 50 oC do ®Õn 350 oC chia ®é 0,1 oC. * Lo¹i cã kho¶ng ®o lín 750 oC ®o ®Õn 500 oC chia ®é 2 oC. Ngoµi ra : ta dïng nhiÖt kÕ kh«ng dïng thñy ng©n thang ®o - 190 oC Error! Not a valid link.100 oC vµ lo¹i nhiÖt kÕ ®Æc biÖt ®o ®Õn 600 oC Trong tù ®éng cßn cã lo¹i nhiÖt kÕ tiÕp ®iÓm ®iÖn. C¸c tiÕp ®iÓm lµm b»ng b¹ch kim Trong CN ph¶i ®Æt n¬i s¸ng sña s¹ch sÏ Ýt chÊn ®éng thuËn tiÖn cho ®äc vµ vËn hµnh. Bao nhiÖt ph¶i ®Æt ë t©m dßng chÊt láng víi ®é s©u quy ®Þnh. - NÕu ®−êng kÝnh èng ®ùng m«i chÊt lín th× ta ®Æt nhiÖt kÕ th¼ng ®øng.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 30 - - NÕu ®o m«i chÊt cã nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao th× cÇn ph¶i cã vá b¶o vÖ. + NÕu nhiÖt ®é t < 150 oC th× ta b¬m dÇu vµo vá b¶o vÖ. + NÕu nhiÖt ®é cao h¬n th× ta cho m¹t ®ång vµo. α 2.2.3. NhiÖt kÕ kiÓu ¸p kÕ Dùa vµo sù phô thuéc ¸p suÊt m/c vµo nhiÖt ®é khi thÓ tÝch kh«ng ®æi CÊu t¹o : 1- Bao nhiÖt chøa chÊt 3 láng hay khÝ (bé phËn nh¹y c¶m) 2- èng mao dÉn 3- ¸p kÕ cã thang ®o nh− 2 nhiÖt ®é 6 1 Bao nhiÖt lµm b»ng thÐp kh«ng hµn, b»ng ®ång thau ®Çu d−íi bÞt kÝn ®Çu trªn nèi víi èng nhá ®−êng kÝnh kho¶ng 6 mm dµi kho¶ng 300 mm, èng mao dÉn lµm b»ng èng thÐp hay ®ång ®−êng kÝnh trong b»ng 0,36 mm cã ®é dµi ®Õn 20 ÷ 60 m
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 31 - PhÝa ngoµi èng mao dÉn cã èng kim lo¹i mÒm (d©y xo¾n b»ng kim lo¹i hoÆc èng cao su ®Ó b¶o vÖ). Lo¹i nhiÖt kÕ nµy: §o nhiÖt ®é tõ -50oC ÷ 550oC vµ ¸p suÊt lµm viÖc tíi 60kG/m2 cho sè chØ thÞ hoÆc tù ghi cã thÓ chuyÓn tÝn hiÖu xa ®Õn 60 m, ®é chÝnh x¸c t−¬ng ®èi thÊp CCX = 1,6 ; 4 ; 2,5 mét sè Ýt cã CCX = 1. ¦u - Nh−îc ®iÓm : ChÞu ®−îc chÊn ®éng, cÊu t¹o ®¬n gi¶n nh−ng sè chØ bÞ chËm trÔ t−¬ng ®èi lín ph¶i hiÖu chØnh lu«n, söa ch÷a khã kh¨n. Ph©n lo¹i : Ng−êi ta ph©n lo¹i dùa vµo m«i chÊt sö dông, th−êng cã 3 lo¹i : 1- Lo¹i chÊt láng : dùa vµo míi liªn hÖ gi÷a ¸p suÊt p vµ nhiÖt ®é t α p - p = ( t - t ) o ξ o p, po ,t , to lµ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é chÊt láng t−¬ng øng nhau. ChØ sè 0 øng víi lóc ë ®iÒu kiÖn kh«ng ®o ®¹c, α : hÖ sè gi¶n nì thÓ tÝch ξ : HÖ sè nÐn Ðp cña chÊt láng ChÊt láng th−êng dïng lµ thñy ng©n cã α = 18 .10-5. oC-1, ξ = 0,4 .10-5cm²/kG o 2 VËy ®èi víi thñy ng©n t - to = 1 C th× p - po = 45kG/ cm Khi sö dông ph¶i c¾m ngËp bao nhiÖt trong m«i chÊt cÇn ®o : sai sè khi sö dông kh¸c sai sè khi chia ®é ( øng ®iÒu kiÖn chia ®é lµ nhiÖt ®é m«i tr−êng 20 oC). 2- Lo¹i chÊt khÝ: Th−êng dïng c¸c khÝ tr¬ : N2, He Quan hÖ gi÷a ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é xem nh− khÝ lý t−ëng α = 0,0365 oC-1 3- Lo¹i dïng h¬i b·o hßa: VÝ dô : Axªt«n (C2H4Cl2) Cloruaªtilen , cloruamªtilen sè chØ cña nhiÖt kÕ kh«ng chÞu ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng xung quanh, th−íc chia ®é kh«ng ®Òu (phÝa nhiÖt ®é thÊp v¹ch chia s¸t h¬n cßn phÝa nhiÖt ®é cao v¹ch chia th−a dÇn), bao nhiÖt nhá : NÕu ®o nhiÖt ®é thÊp cã sai sè lín ng−êi ta cã thÓ n¹p thªm mét chÊt láng cã ®iÓm s«i cao h¬n trong èng dÉn ®Ó truyÒn ¸p suÊt. Chó ý khi l¾p ®Æt: - Kh«ng ®−îc ng¾t riªng lÎ c¸c bé phËn, tr¸nh va ®Ëp m¹nh - Kh«ng ®−îc lµm cong èng mao dÉn ®−êng kÝnh chç cong > 20 mm - 6 th¸ng ph¶i kiÓm ®Þnh mét lÇn §èi víi c¸c nhiÖt kÕ kiÓu ¸p kÕ sö dông m«i chÊt lµ chÊt láng chó ý vÞ trÝ ®ång hå s¬ cÊp vµ thø cÊp nh»m tr¸nh g©y sai sè do cét ¸p cña chÊt láng g©y ra.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 32 - Lo¹i nµy ta h¹n chÕ ®é dµi cña èng mao dÉn < 25 m ®èi víi c¸c m«i chÊt kh¸c thñy ng©n, cßn m«i chÊt lµ Hg th× < 10 m. 2.3. NHIÖT KÕ NHIÖT §IÖN 2.3.1. Nguyªn lý ®o nhiÖt ®é cña nhiÖt kÕ nhiÖt ®iÖn (cÆp nhiÖt) Gi¶ sö nÕu cã hai b¶n d©y dÉn nèi víi nhau vµ 2 ®Çu nèi cã nhiÖt ®é kh¸c nhau th× sÏ xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng (s®®) nhá gi÷a hai ®Çu nèi do ®ã sinh ra hiÖu øng nhiÖt. Nguyªn lý: Dùa vµo sù xuÊt hiÖn suÊt nhiÖt ®iÖn ®éng trong m¹ch khi cã ®é chªch nhiÖt ®é gi÷a c¸c ®Çu nèi. to CÊu t¹o: gåm nhiÒu d©y dÉn kh¸c lo¹i cã nhiÖt ®é kh¸c nhau gi÷a c¸c ®Çu nèi Gi÷a c¸c ®iÓm tiÕp xóc xuÊt hiÖn s®® AB ký sinh vµ trong toµn m¹ch cã s®® tæng EAB ( t, to ) = eAB (t) + eBA( to ) = eAB (t) - eAB (to) e (t) ; e (t ) lµ s®® ký sinh hay AB AB o t ®iÖn thÕ t¹i ®iÓm cã nhiÖt ®é t vµ to NÕu t = to th× EAB ( t, to ) = 0 C trong m¹ch kh«ng xuÊt hiÖn s®® Trong thùc tÕ ®Ó ®o ta thªm d©y dÉn to to thø ba, lóc nµy cã c¸c tr−êng hîp A B s®® sinh ra toµn m¹ch b»ng ∑s®® ký sinh t¹i c¸c ®iÓm nèi tõ h×nh vÏ. EABC (t, to) = eAB(t) + eBC (to) + eCA( to) t mµ eBC (to) + eCA (to) = - eAB (to) (= eBA (to)) ⇒ EABC ( t, to)= EAB ( t, to). VËy s®® sinh ra kh«ng phô thuéc vµo d©y dÉn thø 3 Khi nèi vµo hai ®Çu cña hai d©y kia cã nhiÖt ®é kh«ng ®æi (to) t o - Tr−êng hîp nµy t−¬ng tù ta còng cã EABC ( t, to ) = eAB (t) + eBC ( t1 ) B + e ( t ) + e (t ) = E (t ,t ) CB 1 BA o AB o A t1 C nh− trªn B Chó ý : - Khi nèi cÆp nhiÖt víi d©y dÉn thø 3 th× nh÷ng ®iÓm nèi ph¶i cã nhiÖt ®é b»ng nhau. t - VËt liÖu cÆp nhiÖt ph¶i ®ång nhÊt theo chiÒu dµi.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 33 - 2.3.2. VËt liÖu vµ cÊu t¹o cÆp nhiÖt Cã thÓ chän rÊt nhiÒu lo¹i vµ ®ßi hái tinh khiÕt, ng−êi ta th−êng lÊy b¹ch kim tinh khiÕt lµm cùc chuÈn v× : B¹ch kim cã ®é bÒn hãa häc cao c¸c tÝnh chÊt ®−îc nghiªn cøu râ, cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao, dÔ ®iÒu chÕ tinh khiÕt vµ so víi nã ng−êi ta chia vËt liÖu lµm d−¬ng tÝnh vµ ©m tÝnh. to to to to Pt A Pt A t t D−¬ng tÝnh ¢ m tÝnh o o ThÝ nghiÖm víi cÆp nhiÖt Pt - * to = 0 C ; t = 100 C VËt liÖu Thµnh phÇn s®® mV Fe nguyªn chÊt + 1,8 Cu nguyªn chÊt + 0,75 Ni nguyªn chÊt - 1,49 Pt + Rh 90% Pt + 10% (R«ti) Rh + 0,64 Constantan 60% Cu + 40% Ni - 3,35 Copan 56% Cu + 44% Ni - 4,05 Aliumen 94,5% Ni + 2% Al + - 1,2 2% Mn + 1% Si Cromen 90,5%Ni + 9,5Cr + 2,9 Do ®ã trong 1 sè tr−êng hîp ng−êi ta dïng c¶ 2 vËt liÖu ©m tÝnh vµ d−¬ng tÝnh ®Ó t¨ng s®®. EAB (t, to) = EPA(t) + EAB (to) + EBP (t) ⇒ EBA(t, to) = EPA (t, to) + EBP (t, to) to Yªu cÇu cña c¸c kim lo¹i : - Cã tÝnh chÊt nhiÖt ®iÖn kh«ng ®æi theo thêi gian, chÞu ®−îc nhiÖt ®é cao cã ®é bÒn hãa häc, to A Pt Pt B kh«ng bÞ khuyÕch t¸n vµ biÕn chÊt. S®® sinh ra biÕn ®æi theo ®−êng th¼ng ®èi víi nhiÖt ®é. - §é dÉn ®iÖn lín, hÖ sè nhiÖt ®é ®iÖn trë nhá cã kh¶ n¨ng s¶n xuÊt hµng lo¹t, rÎ tiÒn. t t
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 34 - CÊu t¹o: D©y bï Mét sè c¸ch c¸ch ®iÖn d©y cùc èng sø c¸ch ®iÖn D©y cùc Vá b¶o vÖ - §Çu nãng cña cÆp nhiÖt th−êng xo¾n l¹i vµ hµn víi nhau ®−êng kÝnh d©y cùc tõ 0,35 ÷ 3 mm sè vßng xo¾n tõ 2 ÷ 4 vßng .- èng sø cã thÓ thay c¸c lo¹i nh− cao su, t¬ nh©n t¹o (100oC ÷ 130 oC), hæ ph¸ch (250 oC), thñy tinh (500 oC), th¹ch anh (1000 oC), èng sø (1500 oC). - Vá b¶o vÖ : Th−êng trong phßng thÝ nghiÖm th× kh«ng cÇn, cßn trong c«ng nghiÖp ph¶i cã. - D©y bï nèi tõ cÆp nhiÖt ®i phÝa trªn cã hép b¶o vÖ. Yªu cÇu cña vá b¶o vÖ - §¶m b¶o ®é kÝn. - ChÞu nhiÖt ®é cao vµ biÕn ®æi ®ét ngét cña nhiÖt ®é. - Chèng ¨n mßn c¬ khÝ vµ hãa häc. - HÖ sè dÉn nhiÖt cao. - Th−êng dïng th¹ch anh, ®ång, thÐp kh«ng rØ ®Ó lµm vá b¶o vÖ.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 35 - Mét sè cÆp nhiÖt th−êng dïng : H¹n ®o trªn CÆp nhiÖt Ký hiÖu E ( 100, 0) Dµi h¹n Ng¾n h¹n Pt.Rh - Pt ππ 1300 1600 0,46 ± 0,8% Cromen - Alumen XA 900 1800 4,10 ± 1% Cromen - Copen XK 600 800 6,95 ± 1% Fe - Cotantan 600 800 5,37 M 45 W - W + Ro BP 2800 mv/° C 2800 øng víi mçi lo¹i cÆp nhiÖt cã mét lo¹i d©y bï riªng VÝ dô : Lo¹i ππ d©y bï Ca, Ni XA d©y bï Cu - Costantan d©y bï th−êng ®−îc cÊu t¹o d©y ®«i. 2.3.3. Bï nhiÖt ®é ®Çu l¹nh cña cÆp nhiÖt NÕu biÕt nhiÖt ®é ®Çu l¹nh to cña cÆp nhiÖt th× dùa theo b¶ng ta x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é t th«ng qua gi¸ trÞ ®äc ®−îc tõ cÆp nhiÖt, c¸c ®ång hå dïng cÆp nhÞªt o th−êng to lµ 0 C §iÒu kiÖn chia ®é : EAB (t, to) = eAB (t) - eAB (to) §iÒu kiÖn thùc nghiÖm: t' o t'o Gi· sö nhiÖt ®é ®Çu l¹nh lµ to’ AB => EAB (t, to’) = eAB (t)- eAB (to’) EAB (to’, to) = eAB (to’) - eAB (to) t EAB (t’, to) = eAB (t’) - eAB (to) t’ lµ nhiÖt ®é sè chØ cña kim khi nhiÖt ®é ®Çu l¹nh lµ to’(tøc lµ khi ®ång hå thø cÊp nhËn ®−îc s®® EAB (t , to’) ) mÆt kh¸c khi ®ång hå thø cÊp nhËn ®−îc s®® EAB (t’, to) th× cho sè chØ còng lµ t’ . ⇒ EAB (t ,to’) = EAB (t’, to) ⇒ eAB (t)- eAB (to’) = eAB (t’) - eAB (to) ⇒ eAB (t)- eAB (t’) = eAB (to’) - eAB (to) ⇒ EAB (t,t’) = EAB (to’,to) VËy ®é sai lÖch (t - t’) cña ®ång hå ®o lµ do sai sè cña nhiÖt ®é ®Çu l¹nh (to’ - to), ®ã lµ sai sè do khi nhiÖt ®é ®Çu l¹nh kh«ng b»ng to (lóc chia ®é).
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 36 - C¸c c¸ch bï: - NÕu quan hÖ lµ ®−êng th¼ng th× ta chØ cÇn ®iÒu chØnh kim ®i mét ®o¹n t - t’ = to’ - to - Thªm vµo m¹ch cÆp nhiÖt 1 s®® b»ng s®® EAB (to’ ,to) S¬ ®å bï : 2 a Rs 43 R2 R1 c d 1 R3 Rx b t E o Ng−êi ta lÊy ®iÖn ¸p tõ cÇu kh«ng c©n b»ng mét chiÒu gäi lµ cÇu bï. ký hiÖu KT - 08 KT - 54 Nguyªn lý: T¹o ra ®iÖn ¸p Ucd ≈ EAB (to’ ,to), ®−îc ®iÒu chØnh b»ng Rs vµ nguån Eo = 4v c¸c ®iÖn trë R1, R2, R3 lµm b»ng Mn kh«ng ®æi, Rx lµm b»ng Ni hay Cu. NÕu nhiÖt ®é thay ®æi th× Rx còng thay ®æi vµ tù ®éng lµm Ucd t−¬ng øng víi EAB (to’ ,to). Chó ý : khi dïng d©y bï th× ph¶i gi÷ nhiÖt ®é ®Çu tù do kh«ng ®æi b»ng c¸ch ®Æt ®Çu tù do trong èng dÇu vµ ng©m trong n−íc ®¸ ®ang tan, mét sè tr−êng hîp ta ®Æt trong hép nhåi chÊt c¸ch nhiÖt vµ ch«n xuèng ®Êt hay ®Æt vµo c¸c buång h»ng nhiÖt. 2.3.4. C¸c c¸ch nèi cÆp nhiÖt vµ kh¾c ®é Nguyªn lý: a- C¸ch m¾c nèi tiÕp thuËn : - + - + E∑ = ∑ Ei t t Chó ý: th−êng m¾c cïng mét lo¹t c¸ch m¾c nµy ®o chÝnh x¸c h¬n lµm gãc quay cña kim chØ lín, sö dông khi ®o nhiÖt ®é nhá.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 37 - b- C¸ch m¾c nèi tiÕp nghÞch : - + + - E∑ = E1 - E2 t t Dïng ®Ó ®o hiÖu nhiÖt ®é gi÷a hai ®iÓm vµ th−êng chän cÆp nhiÖt cã ®Æc tÝnh th¼ng nhiÖt ®é ®Çu tù do nh− nhau. c- C¸ch m¾c song song : - + - + - + Sö dông ®Ó ®o nhiÖt ®é trung b×nh cña mét sè ®iÓm. d- C¸ch m¾c ®Ó bï ®Çu l¹nh cho cÆp nhiÖt chÝnh : t'o t'o to to t t t o S¬ ®å nèi tiÕp thuËn S¬ ®å nèi tiÕp ng−îc Th−êng sö dông c¸ch nµy ®Ó tiÕt kiÖm d©y bï. e- C¸ch chia ®é cÆp nhiÖt : Chia ®é cÆp nhiÖt thùc hiÖn khi chia ®é mét cÆp nhiÖt míi hay kiÓm ®Þnh cÆp nhiÖt sau 1 thêi gian dµi lµm viÖc. Chia ®é cÆp nhiÖt lµ x¸c ®Þnh quan hÖ gi÷a suÊt nhiÖt ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña cÆp nhiÖt, cßn kiÓm ®Þnh cÆp nhiÖt lµ ®¸nh gi¸ sù biÕn ®æi cña quan hÖ trªn sau khi ®· dïng cÆp nhiÖt mét thêi gian, muèn chia ®é vµ kiÓm ®Þnh cÆp nhiÖt th× ta ph¶i t¹o ra mét m«i tr−êng cã nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh kh«ng ®æi, x¸c ®Þnh nhiÖt ®é nµy b»ng nhiÖt kÕ chuÈn. NhiÖt ®é kh«ng ®æi trªn cã thÓ thùc hiÖn
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 38 - b»ng c¸ch dïng ®iÓm s«i, ®iÓm ®«ng ®Æc cña c¸c chÊt nguyªn chÊt hoÆc dïng b×nh h»ng nhiÖt, lß ®iÖn èng Dïng ®iÓm ®«ng ®Æc hoÆc ®iÓm s«i th× ph¶i lµm rÊt thËn träng, c«ng viÖc rÊt phøc t¹p do ®ã chØ dïng chia ®é c¸c cÆp nhiÖt chuÈn hoÆc cÆp nhiÖt ππ th−êng th× tõ 10 ÷ 300 oC dïng b×nh h»ng nhiÖt, nhiÖt kÕ chuÈn thñy ng©n vµ ®iÖn trë b¹ch kim chuÈn. o o Tõ 200 ÷ 1300 C dïng lß ®iÖn èng vµ cÆp nhiÖt chuÈn ππ (®Çu l¹nh to = 0 C). 2.3.5. §o suÊt nhiÖt ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt CÆp nhiÖt chØ ph¸t ra suÊt nhiÖt ®iÖn ®éng rÊt nhá nªn chØ cã thÓ ®o b»ng nh÷ng ®ång hå chuyªn dïng ®o ®iÖn ¸p nhá. C¸c ®ång hå nµy cã thÓ chia ®é theo ®iÖn ¸p, theo nhiÖt ®é hoÆc c¶ hai. a- Dïng milivolmet: Nguyªn lý: Khung d©y ®Æt trong tõ tr−êng nam ch©m khi cã dßng ®iÖn ch¹y qua th× cã lùc t¸c dông vµo khung d©y ph−¬ng chiÒu ®−îc x¸c ®Þnh b»ng qui t¾c bµn tay tr¸i => t¹o nªn m« men quay vµ lµm khung d©y quay. S ϕ 2r B l F N i NÕu t¸c dông lªn khung d©y mét m«men c¶n tû lÖ víi gãc quay cña khung d©y th× khi khung d©y quay ®Õn vÞ trÝ mµ hai m«men trªn c©n b»ng nhau khung d©y sÏ dõng l¹i. Ta tÝnh to¸n thiÕt kÕ sao cho gãc quay cña khung d©y ϕ chØ phô thuéc dßng ®iÖn qua khung d©y I theo quan hÖ ®−êng th¼ng th× miliv«lmÐt cã th−íc chia ®é ®Òu. §é lín cña I thÓ hiÖn cho ®iÖn ¸p hoÆc suÊt ®iÖn ®éng cÇn ®o. - Ta cã lùc t¸c dông lªn khung F = C.n.l.I.B.sinα α = (i ^B) = 90° ⇒ sin α = 1 ⇒ M = F.R = C.n.l.I.B.2r cos ϕ
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 39 - ⇒ M = f ( I, ϕ ) VËy lµm sao cho M kh«ng phô thuéc vµo ϕ do ®ã ta cã thÓ dïng lâi s¾t ®Æt gi÷a t¹o tõ tr−êng lâm => cos ϕ = 1 => M = K . I Thùc tÕ ng−êi ta t¹o c¸c m« men c¶n ®Ó gi÷ khung d©y b»ng c¸c c¸ch sau: Mc = K2 . ϕ ϕ = Co .I ⇒ ϕmax = Co . Imax VÒ lý thuyÕt ϕ max chØ phô thuéc Imax ch¹y qua khung VËy khung d©y nµy øng víi mçi lo¹i cÆp nhiÖt cã 1 gãc quay cùc ®¹i kh¸c nhau. Sai sè cña sè chØ thÞ trªn miliv«nmÐt dáy buì t'o dáy näúi Rk Rp Rth to t E I = ∑ R = R + R R = R + R Σ R ng M M kh p R K HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cña khung d©y ααMK= . ( RRKM<< ) R M
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 40 - Do nhiÖt ®é m«i tr−êng lóc sö dông kh¸c lóc chia ®é => ®iÖn trë cña M thay ®æi theo sè ®o. §Ó Rk nhá th× khung d©y cã sè vßng d©y nhá, cßn ®Ó RM lín th× ng−êi ta thªm Rp lín b»ng Mn nh−ng kh«ng qu¸ lín v× dßng qua khung sÏ nhá. Th«ng th−êng Rp = 2. Rk §iÖn trë m¹ch ngoµi Rng = Rcn + Rdbï + Rdnèi + Rth Ng−êi ta ta th−êng dïng c¸c ®iÖn trë Rng = 0,6 , 5 ,15 , 25 [Ω] vµ ghi trªn mÆt cña mV. Th−êng Rng rÊt nhá so víi RM nh− vËy ta bá qua sai sè do Rng g©y ra. Trong Rng th× Rcn biÕn ®æi nhiÒu theo nhiÖt ®é Rbï vµ Rnèi phô thuéc nhiÖt ®é m«i tr−êng xung quanh => nãi chung ta ph¶i cÊu t¹o cã α nhá. ϕ tt− ϕ Kd ΣRRKd− Σ tt E => Sai sè t−¬ng ®èi S = = ϕ = k ϕ ΣR KP tt ∑ R ϕ tt gãc quay thùc tÕ sö dông mV. ϕ Kd gãc quay ë ®iÒu kiÖn kh¾c ®é cña mV. C¸c lo¹i miliv«nmÐt: Trong kü thuËt th−êng dïng c¸c lo¹i mV lµ chØ thÞ vµ tù ghi - Lo¹i chØ thÞ : cña LX th× cã c¸c lo¹i nh− ΓΚΗΠ vµ ΓΠΚΠ ngoµi ra cßn cã lo¹i ΜΠ (ΜΠ-18,ΜΠ-28,ΜΠ-38) cã l¾p bé c¶n dÞu ®iÖn ®Ó gi÷ phÇn ®éng cña ®ång hå kh«ng bÞ chÊn ®éng. - Lo¹i tù ghi : Th−êng cho c¶ sè chØ cã thÓ dïng cïng bé víi cÆp nhiÖt, háa kÕ bøc x¹, bé ph©n tÝch khÝ, nhiÖt l−îng kÕ. Cña LX th× cã lo¹i CΓ CCX = 1,5 võa chØ thÞ võa tù ghi 1 ®iÓm, 3 ®iÓm, 6 ®iÓm. VÝ dô : Cã cÆp nhiÖt XA, d©y bï XA, d©y nèi b»ng d©y Cu chiÒu dµi cÆp nhiÖt o 1,5m ; ®−êng kÝnh 3mm ; nhiÖt ®é ®Çu l¹nh to = 20 C dïng M. Rk 1 Cã = Rb = 10 Ω Rn = 5Ω RM = 350Ω RM 3 o NÕu nh− ®Æt cÆp nhiÖt ë m«i tr−êng 1000 C vµ ®o, nhiÖt ®é xung quanh M to’ = 40 oC th× nhiÖt ®é do kim ®ång hå chØ lµ bao nhiªu ? BiÕt XA 1000 oC th× E = 41,32 mv ; Cr cã α = 0,5.10-3 oC-1 -3 o -1 -3 o -1 Cu cã αn = 4,28.10 C Alumen cã α = 1,1.10 C -3 o -1 Khung cã αk = 4,0.10 C Gi·i: ë ®iÒu kiÖn chia ®é R∑ = RM + Rn + Rb => R∑kd = 350 + 5 + 10 = 365 Ω
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 41 - ë ®iÒu kiÖn thùc tÕ : R∑tt = RRRMtt+ ntt+ btt R btt = R b ()1 + α .∆ t = R x (1 + α c .∆ t ) + R A (1 + α A .∆ t ) V× d©y bï XA lµ hçn hîp gåm : 0,67Cr vµ 0,33 Alumen nªn 2 1 RRntt=+ n()1 α n . ∆ t, RRRMtt=+ M M()1 +α K . ∆ t 3 3 R − R ∑ kd ∑ tt = > R∑tt vµ ta cã => δ = = − 0 , 026 R ∑ tt = > Ett = E ( 1 - δ ) vµ tõ Ett tra víi cÆp nhiÖt XA ta cã ttt = 972°C b- §iÖn thÕ kÕ §èi víi lo¹i s®® nhá th× ®o b»ng miliv«nmÐt lµ thuËn tiÖn h¬n c¶, nh−ng dïng mV th× sai sè ®o do nhiÖt ®é m«i tr−êng xung quanh biÕn ®æi cã thÓ tíi ±1% h¬n n÷a dßng ®iÖn do s®® ph¸t ra ®Ó quay khung d©y nhá nªn ma s¸t vµ trë lùc cña phÇn quay ¶nh h−ëng xÊu ®Õn ®é chÝnh x¸c vµ ®é nh¹y cña ®ång hå. Nªn mV kh«ng thÝch hîp víi c¸c phÐp ®o tinh vi do ®ã ®èi víi c¸c phÐp ®o tinh vi ng−êi ta dïng lo¹i dông cô kh¸c ®ã lµ ®iÖn thÕ kÕ. E R + -l I1 mA Rp b ac G I2 - + Ex t Nguyªn lý: Sö dông ph−¬ng ph¸p bï dùa trªn sù c©n b»ng cña ®iÖn ¸p cÇn ®o víi ®iÖn ¸p ®· biÕt. - SuÊt nhiÖt ®iÖn ®éng Ex ®−îc ph©n trªn biÕn trë con ch¹y Rp, hai ®Çu cña nã ®−îc nèi víi ®iÖn ¸p kh«ng ®æi E sao cho Uab ng−îc chiÒu Ex. - Di chuyÓn con ch¹y trªn Rp ta t×m ®−îc vÞ trÝ sao cho Uab = Ex x¸c ®Þnh vÞ trÝ nµy nhê ®ång hå chØ kh«ng G (i2 = 0). Ta cã thÓ thay ®æi Uab b»ng 2 c¸ch lµ thay ®æi R vµ thay ®æi Rp Ex = i1 . Rab - NÕu thay ®æi Rp th× i1 kh«ng ®æi
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 42 - ⇒ Ex = K. Rp . I1 - NÕu thay ®æi R th× Ex = Rab . I2 Ex = f (Rab) - §iÖn trë d©y bï, d©y nèi kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o E = f (i) 1-§iÖn thÕ kÕ cã dßng lµm viÖc kh«ng ®æi: El - lµ nguån ®iÖn lµm viÖc Ec - lµ pin chuÈn (cã s®® kh«ng ®æi vµ biÕt tr−íc) Ex - lµ ®iÖn ¸p hay suÊt nhiÖt ®iÖn ®éng cÇn ®o G - lµ ®iÖn kÕ dïng lµm ®ång hå chØ kh«ng R® - lµ ®iÖn trë ®iÒu chØnh Rc - lµ ®iÖn trë chuÈn El + - Râ i R Rc m ac ABC Ec G - + 12 Ex t §iÖn thÕ kÕ ®−îc nu«i b»ng dßng 1 chiÒu cã ®iÖn ¸p lµ El, dßng ®iÖn trong m¹ch lµm viÖc ®−îc ®iÒu chØnh b»ng R® vµ ®Ó x¸c ®Þnh dßng ®iÖn i kh«ng ®æi . Muèn vËy th× ®iÖn trë chuÈn Rc kh«ng ®æi ( Ec= 1, 018 v Rc =509,3Ω ⇒ i = 2 mA ) - §Ó x¸c lËp dßng ®iÖn chÝnh x¸c kh«ng ®æi th× ®iÖn ¸p r¬i trªn Rc ®−îc so s¸nh víi pin chuÈn Ec cã s®® kh«ng ®æi . - Khi cÇu dao D ë vÞ trÝ 1 ta ®iÒu R® ®Ó cho ®ång hå G chØ 0 th× dßng ®iÖn x¸c E c lËp i = = 0,002 A R c - Khi chuyÓn D sang 2 vµ ®iÒu chØnh R sao cho ®ång hå G chØ sè 0, lóc ®ã ®iÖn ¸p UAC = Ex
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 43 - E c mR UAC = i .m .R = = K . R Rc => Ta cã thÓ chia ®é theo vÞ trÝ con ch¹y C. Sai sè cña ®iÖn thÕ kÕ ®¾t tiÒn 3- §iÖn thÕ kÕ tù ®éng hay ®iÖn thÕ kÕ ®iÖn tö: Dïng ®Ó ®o s®® b»ng ph−¬ng ph¸p bï kh«ng cÇn sù tham gia cña con ng−êi khi chØ ®Þnh dßng ®iÖn lµm viÖc vµ khi ®o l−êng. §iÖn thÕ kÕ cÇn cã c¸c bé phËn sau : -Bé phËn chØ huy hay tÝnh hiÖu ®Ó chØ huy thao t¸c -Bé phËn thi hµnh ®ã lµ ®éng c¬ thi hµnh (®éng c¬ xoay chiÒu thuËn nghÞch) -Bé phËn khuÕch ®¹i trung gian dïng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu chØ huy vµ t¹o ®ñ c«ng suÊt cho ®éng c¬ thuËn nghÞch ho¹t ®éng. - Bé phËn ®æi nèi ®Ó kiÓm tra kü thuËt.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 44 - S¬ ®å §TK (h×nh vÏ) a R1 E L RM r 1 c R â e Rv f R r Rs v râ B RH R3 C K d Â R2 C E K Â M T D b Â CT RT PD t Ex Theo s¬ ®å trªn, khi ®o l−êng th× cÇu dao D ®ãng vÒ phÝa §, suÊt nhiÖt ®iÖn ®éng ET cña cÆp nhiÖt T ®−îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p gi÷a 2 ®Ønh ef cña cÇu ®iÖn kh«ng c©n b»ng, bé khuÕch ®¹i ®iÖn tö BK§§T ®ãng vai trß cña ®iÖn kÕ dïng lµm ®ång hå chØ kh«ng. NÕu ET > Uef th× dßng ®iÖn qua BK§§T theo 1 chiÒu nhÊt ®Þnh, ®éng c¬ thuËn nghÞch PD sÏ quay theo chiÒu lµm di chuyÓn tiÕp ®iÓm e sao cho Uef t¨ng dÇn cho tíi khi Uef = ET th× dßng ®iÖn qua BK§§T tr¸i chiÒu tr−íc, PD quay ng−îc chiÒu nãi trªn, khi Uef = ET th× PD ngõng quay vµ tiÕp ®iÓm e dõng l¹i ë vÞ trÝ x¸c ®Þnh. Nhê kim chØ hoÆc bót ghi cã chuyÓn ®éng t−¬ng øng víi chuyÓn ®éng cña tiÕp ®iÓm e nªn cho biÕt sè ®o ®−îc trªn th−íc chia ®é. §é chªnh lÖch gi÷a ET vµ Uef chÝnh lµ tÝn hiÖu chØ huy sù lµm viÖc cña PD. Khi chØnh ®Þnh dßng ®iÖn lµm viÖc cÇu dao D ®ãng vÒ phÝa K, s®® cña pin chuÈn EM ®−îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p r¬i trªn RH do dßng ®iÖn lµm viÖc cung cÊp bëi pin lµm viÖc EL g©y nªn. NÕu URH ≠ EM th× PD sÏ kÐo tiÕp ®iÓm tr−ît lªn R® vµ r® lµm biÕn ®æi ®iÖn ¸p cung cÊp ®Æt trªn ®Ønh ab cña cÇu ®iÖn, nhê ®ã dßng ®iÖn lµm viÖc qua RH còng biÕn ®æi, khi URH bï ®−îc EM th× qu¸ tr×nh chØnh ®Þnh dßng ®iÖn kÕt thóc, lóc ®ã cã IRH = EM : RH dßng ®iÖn lµm viÖc theo c¸c vÕ cÇu còng cã trÞ sè ®óng qui ®Þnh. Trong khi chØ ®Þnh dßng ®iÖn lµm viÖc, nÕu c¸c R® , r® ®· bÞ ng¾n m¹ch mµ vÉn kh«ng ®¹t ®−îc th× ®ã lµ do EL ®· qu¸ yÕu cÇn ph¶i thay pin kh¸c ; cã ®iÖn thÕ kÕ b¸o cho biÕt t×nh tr¹ng trªn b»ng dÊu hiÖu “thay pin“ xuÊt hiÖn trªn th−íc chia ®é. Thao t¸c chØnh ®Þnh dßng ®iÖn lµm viÖc trong mét sè ®iÖn thÕ còng ®−îc tù ®éng hãa nhê c¸c c¬ cÊu c¬ khÝ vµ thùc hiÖn theo chu kú ( 8 giê hoÆc 24 giê chØnh ®Þnh 1 lÇn ).
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 45 - S¬ ®å trªn dïng 2 ®iÖn trë d©y quÊn R cÊu t¹o hoµn toµn nh− nhau vµ nèi nh− h×nh vÏ, gi÷ cho ®iÖn trë bÞ tiÕp ®iÓm lµm mßn ®Òu h¬n, tæng trë cña m¹ch cÆp nhiÖt kh«ng biÕn ®æi. Th«ng th−êng khi s¶n xuÊt ®iÖn trë R kh«ng thÓ ®¶m b¶o hoµn toµn nh− nhau, v× vËy ph¶i dïng RS ®Ó ®iÒu chØnh gi÷ cho ®iÖn trë cña nh¸nh R // RS cã trÞ sè qui ®Þnh ( th−êng lµ 90 «m ). §iÖn trë nh¸nh Rv + rv ®−îc chän tïy theo kho¶ng th−íc chia ®é, Rv lµ ®iÖn trë cè ®Þnh cßn rv lµ ®iÖn trë phô thªm ®Ó tiÖn ®iÒu chØnh h¹n ®o trªn. TÊt c¶ c¸c ®iÖn trë trong s¬ ®å ®Òu lµm b»ng Manganin, riªng RM th× lµm b»ng ®ång (hoÆc Ni) ®Ó tù ®éng bï nhiÖt ®é ®Çu l¹nh cña cÆp nhiÖt, ®Çu l¹nh cña cÆp nhiÖt ®−îc ®Æt trong hép chøa RM nªn cã nhiÖt ®é nh− RM. §iÖn trë R1 vµ r1 dïng x¸c ®Þnh h¹n ®o d−íi nªn còng lµm nh− Rv vµ rv ®Ó tiÖn ®iÒu chØnh. §iÖn trë R2 chØ lµ ®iÖn trë cña vÕ cÇu. §iÖn trë R3 nèi // víi BK§§T cã t¸c dông gi¶m bít ®é nh¹y cña BK§§T khi chØnh ®Þnh dßng ®iÖn lµm viÖc, nhiÖm vô cña R3 còng gièng nh− ®iÖn trë nèi // víi ®ång hå chØ kh«ng. §Ó gi¶m bít møc ®é can nhiÔu cã thÓ ¶nh h−ëng tíi BK§§T, trong m¹ch cÆp nhiÖt cã m¹ch läc t¹o bëi RT vµ CT. §Çu ra cña m¹ch ®o l−êng cã hai tô ®iÖn C, ®Ó lµm mÊt tia löa cña tiÕp ®iÓm, gi¶m bít can nhiÔu. §iÖn ¸p Uef ®Ó bï ET cã thÓ tÝnh theo nh¸nh edbf hoÆc ecaf nh−ng th−êng lµ tÝnh theo nh¸nh ecaf v× thuËn tiÖn h¬n vµ trong ®ã cã c¶ ®iÖn trë RM. TÝnh n¨ng cña §TK§T: - cÊp chÝnh x¸c th«ng th−êng ®èi víi phÇn chØ thÞ 0,5 ÷ 0,1. - phÇn tù ghi 1,5 ÷ 1. - h¹n nh¹y cì 10µv. - thêi gian t¸c ®éng tõ 4 ÷ 20 gi©y. - nã cã thÓ chØ thÞ còng nh− ghi l¹i sè ®o 1 hoÆc nhiÒu ®iÓm . Nhê øng dông nh÷ng thµnh tùa trong kü thuËt b¸n dÉn nªn ®iÖn thÕ kÕ tù ®éng ngµy cµng ®−îc c¶i tiÕn hoµn thiÖn h¬n. GÇn ®©y ng−êi ta ®· dïng lo¹i §TKT§ kh«ng cã biÕn trë d©y quÊn, kh«ng dïng pin lµm viÖc vµ pin chuÈn mµ thay b»ng mét nguån cung cÊp ®iÖn cã ®iÖn ¸p æn ®Þnh. Nót nhÊn K nh»m ®Ó kiÓm tra sù sai hay ®óng cña s¬ ®å, khi Ên nót K th× ®ång hå ph¶i chØ nhiÖt ®é ®Çu tù do cña cÆp nhiÖt hoÆc khi kh«ng dïng ®o nhiÖt ®é th× ®ång hå ph¶i chØ mét trÞ sè x¸c ®Þnh. a R1 R r M c 1
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 46 - 2.4. NHIÖT KÕ ®IÖN TRë (NK§T) §iÖn trë lµ mét ®Æc tÝnh vËt liÖu cã quan hÖ víi nhiÖt ®é. NÕu x¸c ®Þnh ®−îc mèi quan hÖ cã tr−íc th× sau nµy chØ cÇn ®o ®iÖn trë lµ biÕt ®−îc nhiÖt ®é cña vËt. HÖ thèng ®o nhiÖt ®é theo nguyªn t¾c trªn gåm : phÇn tö nh¹y c¶m nhiÖt th−êng gäi lµ nhiÖt kÕ ®iÖn trë. D©y nèi vµ ®ång hå thø cÊp. Dïng nhiÖt kÕ ®iÖn trë ®o nhiÖt ®é cã thÓ ®¹t ®−îc chÝnh x¸c rÊt cao, chÝnh x¸c tíi 0,02 oC th× thùc hiÖn kh«ng khã kh¨n l¾m, khi ®o ®é chªnh nhiÖt ®é kh«ng lín cßn cã thÓ ®¹t chÝnh x¸c tíi 0,005 oC. C¸ch ®o nµy cho phÐp dÔ dµng tháa m·n c¸c yªu cÇu ®−a sè ®i xa ®o nhiÒu ®iÓm vµ ®o nhiÖt ®é thÊp, ph¹m vi øng dông cña nã - 200 oC ÷ 1000°C. 2.4.1. Nguyªn lý ®o nhiÖt ®é b»ng NK§T Nguyªn lý: Dùa trªn sù thay ®æi ®iÖn trë (trë kh¸ng) cña vËt liÖu theo nhiÖt ®é. Gi· sö nhiÖt kÕ ®iÖn trë cã quan hÖ gi÷a ®iÖn trë vµ nhiÖt ®é lµ : Rt = Rto [ 1 + α( t - to )] α- HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ; Rt vµ Rto lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é t vµ to. R − R α = t to [oC-1] lµ hÖ sè nhiÖt ®é cña ®iÖn trë, tøc lµ ®é biÕn ®æi ®iÖn Rto (t − to ) trë cña 1 ®¬n vÞ ®iÖn trë khi nhiÖt ®é biÕn ®æi 1 oC. HÖ sè nµy cña mçi lo¹i vËt liÖu mét kh¸c vµ nãi chung ®Òu biÕn ®æi theo nhiÖt ®é. α còng chÝnh lµ ®é nh¹y cña ®ång hå, v× vËy ®ßi hái α ph¶i cã trÞ sè lín. R − R nÕu α = h»ng sè vµ kh«ng phô thuéc nhiÖt ®é => α = t o [oC-1] Rot
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 47 - o o Ro : ®iÖn trë vËt liÖu ë 0 C, Rt ë (t C) 1 dRt α thay ®æi theo nhiÖt th× α = . Ro dt α = 0,0035 ÷ 0,0065[oC-1] víi vËt liÖu nguyªn chÊt Ta còng cã thÓ viÕt : Rt − Rto α( t - to ) = Rto Rt − Rto Vµ gäi lµ suÊt biÕn ®æi ®iÖn trë vµ th−êng ®©y lµ sè chØ cña Rto ®ång hå vµ biÓu thøc ®ã biÓu thÞ cho quy luËt chia ®é cña ®ång hå. §Æc ®iÓm : Trong s¬ ®å ®o cña NK§T ta cÇn ph¶i cã nguån ®iÖn ngoµi ra kÝch th−íc cña nã lín nªn ph¹m vi sö dông bÞ h¹n chÕ. VËt liÖu lµm NK§T ph¶i cã hÖ sè nhiÖt trë lín, bÒn hãa häc, rÎ, dÔ chÕ t¹o. Chän vËt liÖu lµm NK§T : Ýt chän hîp kim v× hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cña nã nhá, ngoµi ra Ni vµ Fe mÆc dï ®iÖn trë suÊt vµ α lín nh−ng ®−êng ®Æc tÝnh nhiÖt ®é ®iÖn trë phøc t¹p. Th−êng sö dông Cu, Pt ®−êng ®Æc tÝnh nhiÖt ®iÖn trë cña chóng cã d¹ng ®−êng th¼ng. Cu cã kho¶ng ®o tõ -50 ÷ 80 oC, Pt cã kho¶ng ®o tõ - 200 ÷ 1000 oC. Ngoµi ra cßn sö dông chÊt b¸n dÉn. Pt lµ kim lo¹i quý, bÒn hãa häc, dÔ chÕ t¹o, nguyªn chÊt. −6 §iÖn trë suÊt cña Pt : ρ o = 0,0981 .10 Ωm Quan hÖ nhiÖt ®é - ®iÖn trë : + 0 < t < 630°C Rt = Ro ( 1 + At + Bt² ) A , B : h»ng sè : - A = 3,96847.10-3 - B = -5,847.10-7 + 0 < t < -183 Rt = Ro ( 1 + At + Bt² + Ct³) ( t-100) C = -4,22.10-22 R §é nguyªn chÊt Pt ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tû sè 100 R0 Th−êng sö dông Pt cã ®é nguyªn chÊt 1,3925 ÷ 1,390 ®Ó lµm nhiÖt kÕ ®iÖn trë. NhiÖt kÕ ®iÖn trë Pt trong c«ng nghiÖp ®−îc s¶n xuÊt vµ chia ®é theo tiªu o chuÈn vµ lÊy R0 ë nhiÖt ®é 0 C cña Pt R0 = 1 ; 5 ; 10 ; 50 ; 100 ; 500 Ω Mét sè tr−êng hîp Sö dông R0 = 46 Ω
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 48 - Cu lµ vËt liÖu dÉn ®iÖn tèt −6 §iÖn trë suÊt ρ 0 = 0,0155 .10 Ω m DÔ kiÕm, nguyªn chÊt, dÔ gia c«ng, rÎ nh−ng ë nhiÖt ®é cao dÔ bÞ oxy hãa. HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë α = ( 4,25 ÷ 4,28 ) 10-3 oC-1 Trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ - 50 100 m (hoÆc d©y dÑt cã diÖn tÝch tiÕt diÖn lµ 0,002mm2) Mi ca (thaûch anh) Voí baío vãû Pt Ag CÊu t¹o kh¸c: Th−êng ta dïng NK ®iÖn trë Pt lµm nhiÖt kÕ chuÈn. Cßn nÕu dïng d©y Cu th× s¬n c¸ch ®iÖn dµy φ0,1 mm vµ quÊn thµnh líp, lâi b»ng nhùa d©y nèi ®Õn ®Çu nhiÖt kÕ b»ng d©y ®ång φ = 1 ÷ 1,5 mm ; mét sè tr−êng hîp cã thÓ ®Æt thªm mét sè vá b¶o vÖ. 3 5
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 49 - NK§T b¸n dÉn cã cÊu t¹o: 1- VËt b¸n dÉn 2- N¾p tiÕp m¹ch 3- D©y nèi ( th−êng = Cu ) 4- Vá kim lo¹i b¶o vÖ 5- ChÊt c¸ch ®iÖn (thñy tinh) 6- ThiÕc 7- S¬n ªmay c¸ch ®iÖn. 2.4.3. C¸c c¸ch ®o ®iÖn trë Rt 1- Dïng ®iÖn thÕ kÕ vµ ®iÖn trë chuÈn : E - + Rd i Rc Rt DTK Trong s¬ ®å ®o, ®iÖn trë chuÈn Rc vµ diÖn trë Rt ®−îc m¾c nèi tiÕp vµ dïng ®iÖn thÕ kÕ ®Ó ®o ®iÖn ¸p Uc vµ Ut. U t Uc = Rc.i ; Ut = Rt.i => Rt = . R c U c Ph−¬ng ph¸p nµy t−¬ng ®èi chÝnh x¸c ®−îc dïng trong phßng thÝ nghiÖm. 2- Dïng cÇu ®iÖn: cã 3 cÇu cã thÓ dïng E - + Rd c
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 50 - CÇu c©n b»ng 1 RR()+ Rl 31 − Rl R2 ( Rl + Rt ) = R3 ( R1 + Rl ) ⇒ Rt = R 2 RRl1 + Ta th−êng lÊy R = R ⇒ R = − Rl = R 2 3 t 1 1 VËy : Rt = R1 Ng−êi ta cã thÓ x¸c ®Þnh Rt nhê ®äc biÕn trë R1 ¶nh h−ëng cña d©y dÉn lµ kh«ng ®¸ng kÓ . CÇu c©n b»ng 2 E - + Rd c R2 R3 r2 a b G r1 R1 Rl Rl Rt d r + R r + R + R §èi víi m¹ch nµy ta cã 2 2 = 1 1 l R3 Rt + Rl r1 + R1 R3 => Rt = .R 3 +( −1).Rl r2 + R2 R2 + R2 Ng−êi ta th−êng bè trÝ sao cho R3 & R2 >> r2max
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 51 - R 1 + r1 ⇒ Rt = .R 3 R 2 + r2 Nh−îc: - Ph¶i ®iÒu chØnh biÕn trë b»ng tay sau ®ã ph¶i tÝnh to¸n ra kÕt qu¶ - S¬ ®å sau chÝnh x¸c h¬n nh−ng tèn d©y dÉn h¬n CÇu kh«ng c©n b»ng: R .R − R .Rt Khi ®o ta ®ãng cÇu dao D sang vÞ trÝ § => I = U . 1 3 2 . M ab K Trong ®ã K = RM ( R1 + Rt ) ( R2+ R3) + R2 . R3 (R1 + Rt )+ R1 . Rt ( R2+ R3) ( ë c«ng thøc trªn xem Rl kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o nªn kh«ng viÕt ) S¬ ®å : E - + Rd c R3 R2 a b' mA 1 R R2 K d D D Rl Rl Rt b NhËn xÐt : Quan hÖ IM & Rt lµ kh«ng ph¶i ®−êng th¼ng. Muèn x¸c ®Þnh Rt ph¶i cho Uab lµ kh«ng ®æi. Ph¶i gi÷ Uab cè ®Þnh nªn ph¶i dïng R®, trong thùc tÕ Ýt dïng v× phøc t¹p vµ h¬n n÷a cÇn cã thªm mA.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 52 - CÇu c©n b»ng ®iÖn tö tù ®éng: PD Rp m R1 c a U d 3 2 1 BKD R2 R3 DT Rl Rl Rl b Rt Sù c©n b»ng cña cÇu ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay ®æi Rp n»m trong nh¸nh cb cã chøa Rt nÕu hiÖu ®iÖn thÕ c¸c ®Ønh c,d cña cÇu kh«ng b»ng nhau th× cã dßng qua ®−êng chÐo nµy vµ qua BK§§T tÝn hiÖu ra tõ BK§ lµm ®éng c¬ thuËn nghÞch quay vµ lµm thay ®æi vÞ trÝ cÇn g¹t trªn Rp cho ®Õn khi cÇu c©n b»ng, Rp ®−îc tÝnh to¸n vµ chÕ t¹o sao cho khi nhiÖt ®é thay ®æi trong kho¶ng ®o th× cÇn g¹t ch¹y tõ ®Çu nµy ®Õn ®Çu kia cña biÕn trë . §¹i l−îng m x¸c ®Þnh vÞ trÝ cÇn g¹t cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : R m = ∆ Rt . 2 => m : Tû lÖ víi ®é biÕn ®æi Rt Rp ( R 2 + R 3 ) NhËn xÐt: - Sè chØ cÇu kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn ¸p U - Sè chØ phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo sù biÕn ®æi cña tham sè cÇn ®o - Thùc hiÖn phÐp ®o tù ®éng - S¬ ®å m¾c 3 d©y cho phÐp lo¹i bá ®iÖn trë cña d©y dÉn - Cã thªm c¸c bé K§§T vµ ®éng c¬ thuËn nghÞch - Khã ®o ®−îc ®iÖn trë nhá
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 53 - L«g«mmÐt ( Tû sè kÕ ) S¬ ®å nguyªn Lý: ϕ P1 P2 NS i1 θ i2 R E Rt §iÖn trë hai khung nh− nhau = Rk = Rk1 = Rk2, hai khung ®Æt lÖch nhau 1 gãc θ E lµ nguån ®iÖn mét chiÒu cho dßng ®iÖn i1 ®i qua khung d©y P1, dßng ®iÖn i2 qua khung d©y P2 vµ vµ nhiÖt kÕ ®iÖn trë Rt. C¸c m« men quay M1 = k1. B1 . i1 M2 = k2 . B2 . i2 C¸c khung d©y quÊn sao cho M1 vµ M1 ng−îc chiÒu => k1. B1 . i1 = k2 . B2 . i2 i KB. B ⇒ 1 ==22 2 = f(ϕ) i2 KB11. B1 ( Do K1 = K2 phô thuéc kÕt cÊu cña khung d©y, cßn tû sè gi÷a B2 vµ B1 phô thuéc vÞ trÝ khung d©y ϕ ). Ngoµi ra i1 vµ i2 lµ dßng cña 2 nh¸nh. i RR+ ⇒ 1 = tk ⇒ Rt = f(ϕ) i2 RR+ k Tïy theo vÞ trÝ cña kim mµ ta sÏ biÕt ®−îc Rt hoÆc nhiÖt ®é t t−¬ng øng theo Rt. NhËn xÐt : - Quan hÖ nµy nãi chung kh«ng ph¶i lµ ®−êng th¼ng. Tuy nhiªn ta cÊu t¹o sao o cho tõ tr−êng cµng ra ngoµi cµng yÕu vµ ϕ < 22 th× quan hÖ Rt = f(ϕ) lµ ®−êng th¼ng.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 54 - - Do cã 3 ®o¹n d©y nhá => nÕu ®øt 1 trong 3 d©y th× m« men bÞ triÖt tiªu vµ kim dao ®éng => háng kim. - Khi ®øt m¹ch chÝnh th× kim kh«ng chØ. - Nguån ®iÖn kh«ng g©y sai sè ®ã (th−êng dïng E = 4v). S¬ ®å l«g«mmÐt ®Æt trong cÇu kh«ng c©n b»ng: Phèi hîp tû sè kÕ víi cÇu ®iÖn kh«ng c©n b»ng th× sÏ ®−îc mét c«ng cô ®o cã nhiÒu tÝnh n¨ng tèt h¬n lo¹i tû sè kÕ ®¬n gi¶n trªn ®Ó dïng trong c«ng nghiÖp. R2 R4 E R3 i R5 Rk Rk c d i'1 i''1 Rp R1 R6 RKT Rl Rl KT D Rt b RKT dïng ®Ó kiÓm tra sù chÝnh x¸c ban ®Çu cña l«g«mmÐt ( RKT = Rt). NhËn xÐt : ' i1 Dïng cÇu kh«ng c©n b»ng nh»m t¨ng tû sè dßng qua 2 khung '' (Do khi c¸c i1 ' '' dßng i1 vµ i1 thay ®æi theo nhiÖt ®é ) => ®é nh¹y cao h¬n. ' '' Nhê cÇu ®iÖn cho dßng ®iÖn kh«ng c©n b»ng ®i qua nªn khi i1 vµ i1 thay ®æi ' i1 th× tæng sè '' t¨ng. i1
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 55 - 2.5. SAI Sè NHIÖT §é THEO PH¦¥NG PH¸P TIÕP XóC Gi¶ sö ®o nhiÖt ®é trong m«i tr−êng cã nhiÖt ®é t, bé phËn nh¹y c¶m sÏ cho sè chØ cña nhiÖt ®é m«i tr−êng, nh−ng thùc chÊt ®ã kh«ng ph¶i lµ nhiÖt ®é m«i tr−êng, v× do sù trao ®æi nhiÖt gi÷a m«i tr−êng vµ bé phËn nh¹y c¶m cã tæn thÊt. Q3 Sù trao ®æi nhiÖt gi÷a bé Q2 Q1 phËn nh¹y c¶m vµ m«i tr−êng d−íi 3 h×nh thøc Q1 , Q2 , Q3. Q1 lµ nhiÖt l−îng mµ bé phËn nh¹y c¶m nhËn cña m«i tr−êng. Tæng qu¸t Q1 cã thÓ do bøc x¹, dÉn nhiÖt hoÆc ®èi l−u. Trong mét sè tr−êng hîp do sù biÕn ®éng n¨ng do va ch¹m. Ngoµi ra cßn cã thÓ do c¸c ph¶n øng hãa häc hay lý häc kÌm theo táa nhiÖt. Q2 lµ nhiÖt l−îng do bé phËn nh¹y c¶m bøc x¹ ®Õn m«i tr−êng. Q3 lµ nhiÖt l−îng mÊt m¸t do dÉn nhiÖt ra ngoµi. Khi c©n b»ng : Q1 = Q2 + Q3 Muèn ®o chÝnh x¸c th× cÇn ph¶i lµm sao cho Q2 vµ Q3 Ýt nhÊt vµ sù thu nhiÖt Q1 nhanh nhÊt. 2.5.1. §o nhiÖt ®é dßng ch¶y trong èng * §iÒu kiÖn ®Ó xÐt bµi to¸n gåm to - Bé phËn nh¹y c¶m kh«ng cã v¸ch l¹nh Q2 2 1 d t' - m«i chÊt cã nhiÖt ®é kh«ng qu¸ cao t2 1 t1 d t'2 - t¶n nhiÖt ë phÇn l2 nhá Q1 Q3 => Q1 = Q2 (Q3 nhá). Gäi θ lµ l2 l1 ®é chªnh nhiÖt ®é gi÷a ®Çu ®o vµ m«i chÊt θ1 2 d d θ 1 l .α1 .u1 .θ1 = λ . F l 1 1 1 2 1 θ1 dx 1 θ2 x2 x1 d 2θ 2 dx2 dx1 PhÇn ngoµi l2.α2 .u2 .θ2 = λ 2 . F 2 2 l 2 dx 2 α1- HÖ sè táa nhiÖt cña m«i chÊt trong èng ®èi víi èng ®o nhiÖt ®é. α2- HÖ sè táa nhiÖt cña èng ®o nhiÖt ®é ®èi víi m«i chÊt bªn ngoµi. u1, u2 - Lµ chu vi tiÕt diÖn èng ®o ë phÇn trong vµ ngoµi. F1, F2 - DiÖn tÝch tiÕt diÖn èng ®o ë phÇn trong vµ ngoµi. θ1, θ2 - §é chªnh nhiÖt ®é gi÷a bÒ mÆt èng ®o víi m«i chÊt ë trong vµ ngoµi. λ1 , λ2 - HÖ sè dÉn nhiÖt cña c¸c ®o¹n èng ®o ë trong vµ ngoµi
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 56 - dθ §iÒu kiÖn biªn: x = 0 1 = 0 1 x1 =0 dx1 dθ 2 x2 = l2 = 0 x2 =l2 dx2 NÕu gi÷a v¸ch èng vµ ®Çu ®o kh«ng cã dÉn nhiÖt th× ta cã : dθ1 dθ 2 x =0 = 1 x2 =l2 dx1 dx2 => θ1 + θ 2 = (to - tw) + (tw - t3) = to- t3 (tÝnh chÊt liªn tôc cña θ ) x1 =l1 x2 =0 Tõ c¸c ®iÒu kiÖn trªn ta gi¶i ra ®−îc : b2.ch(b1x1 )(t0 − t3 ) θ1 = [b2 .ch(b1.l1 ) + b1ch(b2 .l2 )].Sh(b1l1 ) α u α1u1 2 2 b1 = b2 = λ1.F1 λ2.F2 Ta cÇn t×m θ1 ( t©m dßng ch¶y) x1 =0 a/ §èi víi cÆp nhiÖt: Khi thay x1 = 0 vµo c«ng thøc trªn t0 − t3 ⇒ θ1 = b1 ch(b1.l1 )[1+ + th(b1.l1 ).ch(b2 .l2 )] b2 Tõ kÕt qu¶ ®ã ta rót ra c¸c kÕt luËn sau : - Khi ®o (to - t3) cµng lín th× sai sè θ1 cµng lín vµ dÊu cña sai sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é m«i chÊt trong vµ ngoµi èng. - V× Q3 ≠ 0 nªn sai sè θ1 bao giê còng ≠ 0. VËy bao giê còng xuÊt hiÖn sai sè ®o. - NÕu t¨ng l1 vµ gi¶m l2 th× sÏ gi¶m ®−îc θ1. - NÕu t¨ng b1 (t¨ng α1, t¨ng u1 gi¶m F1 & λ1 ) th× θ1 gi¶m. - NÕu gi¶m b2 th× còng gi¶m ®−îc sai sè θ1. b/ §èi víi nhiÖt kÕ ®iÖn trë: l l θ = θ .dx l : chiÒu dµi cña ®o¹n ®iÖn trë 1 ∫ 1 1 2 0
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 57 - c/ §èi víi nhiÖt kÕ thñy tinh: l2 = 0 t2 dθ1 x1 = 0 th× = 0 δ dx1 x1 = l1 th× θ1 = to - t2 M¹t ®ång t − t ⇒ θ = 0 2 1 x 1 = 0 to ch (b1 .l1 ) VËy khi dïng NK thñy tinh ®Ó ®o m«i chÊt ch¶y trong èng mµ èng b¶o vÖ kh«ng cã phÇn ngoµi èng, cÆp nhiÖt tèt th× sai sè ®ã rÊt nhá. 2.5.2. §o nhiÖt ®é khi gÇn èng ®o cã v¸ch l¹nh Trong thùc tÕ ta th−êng ®o nhiÖt ®é cña dßng m«i chÊt mµ gÇn nã cã nh÷ng vËt cã nhiÖt ®é thÊp h¬n nhiÒu. Do ®ã sù hÊp thô nhiÖt tõ èng ®o ®Õn c¸c bÒ mÆt nµy (Q2) t¨ng, mµ Q1 = Q2 + Q3 Do ®ã cÇn ph¶i gi¶m Q3 cµng nhá cµng tèt C¸c c¸ch lµm gi¶m sai sè ®o : - T¹o v¸ch ch¾n ®Ó buéc dßng ph¶i qua toµn bé l1 - B¶o «n phÇn l2 nh»m gi¶m Q3 - Dïng mµng ch¾n nhiÖt (gi¶m Q2 ) Dïng v¸ch ch¾n Do cã v¸ch ch¾n vµ xem Q3 = 0 4 4 ⇒ Q1 = Q2 hay α1. u1 .θ1dx1 = Co. ε u1 . [(To − θ 1 ) − T1 ]dx1 α1- HÖ sè táa nhiÖt cña khÝ ®Õn èng ®o T1 - NhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña bÒ mÆt l¹nh To - NhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña dßng khÝ Co- HÖ sè táa nhiÖt bøc x¹ 1 ε = 1 F1 ⎛ 1 ⎞ + ⎜ −1⎟ ε T F2 ⎝ ε 2 ⎠ εT - ®é ®en bÒ mÆt èng ®o nhiÖt F1 - diÖn tÝch èng ®o nhiÖt ®Æt n»m trong (kh«ng kÓ phÇn ngoµi) ε2, F2 - ®é ®en vµ bÒ mÆt nhËn nhiÖt Do ( F1 << F2 ) nªn ε = εT Trong tr−êng hîp α1, u1, ε ®Òu kh«ng phô thuéc vµo x1 (chiÒu dµi èng) th× ta 4 4 cã α1. θ1 = Co. ε[(T o − θ 1 ) − T1 ] 4 4 Q3 = 0 nªn θ1= To - T ⇒ α1. (To - T) = Co. ε [T − T1 ]
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 58 - C 0 .ε 4 4 C1 4 4 ⇒ T0 − T = [T − T1 ]= [T − T1 ] α 1 α 1 C1 - hÖ sè táa nhiÖt bøc x¹ cña èng ®o vµ = C0. εT VÝ dô: o o 2 -8 4 NÕu t = 500 C , t1= 400 C, ε1= 25 kCal/m h.K, C1 = 4.10 kCal/ m² h.K o Th× To - T = 243°C ⇒ To = 748°C (θ1=248 C) Trong thùc tÕ th−êng kh«ng tÝnh to¸n theo c«ng thøc trªn v× rÊt khã x¸c ®Þnh ®−îc C1, α1 , t1 Thùc tÕ ng−êi ta gi¶m sai sè b»ng ph−¬ng ph¸p sau: Dïng mµng ch¾n nhiÖt: C1 4 4 To − T = (T − T3 ) α 1 C1 - TÝnh cho c¶ hÖ ®Çu ®o vµ mµng ch¾n. V× mµng ch¾n gÇn ®Çu ®o => T3 = T => Sai sè ®o gi¶m. Gi¶m C1 : b»ng c¸ch m¹ (hoÆc lµm nh½n) phÝa trong mµng ch¾n. Dùa vµo ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cña mµng ch¾n ta tÝnh ®−îc T3 4 4 4 4 α3 F’ ( To - T3 ) + C1 F1 (T - T3 ) = C3 F3 (T3 - T1 ) F’ = 2F3 lµ bÒ mÆt truyÒn nhiÖt ®èi l−u. α3 - hÖ sè táa nhiÖt ®èi l−u cña khÝ ®Õn mµng ch¾n (èng che) VÝ dô: mµng ch¾n cã d3 = 10. d1 (d1 : ®−êng kÝnh èng ®o) -8 4 C1 = 0,3.10 kCal/ m² h.K -8 4 C3 = 4.10 kCal/ m² h.K ⇒ θ1 = 53°C 4 α3 = 25 kCal/ m² h.K Dïng èng hót khÝ: CÆp nhiÖt hót khÝ gåm : nhiÖt kÕ nhiÖt ®iÖn 1, cöa tiÕt l−u ®o tèc ®é 2 vµ èng phun h¬i. Nguyªn lý : ta t¨ng tèc ®é dßng khÝ => α t¨ng => sai sè gi¶m th−êng dïng trong thÝ nghiÖm phøc t¹p v× cÇn thªm n¨ng l−îng bªn ngoµi.
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 59 - khÝ 1 Luu luîng kÕ H¬i nuíc NhiÖt kÕ khÝ ®éng Trong thùc tÕ ng−êi ta ®· nghiªn cøu ph−¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é kiÓu tiÕp xóc kh«ng dïng bé phËn nh¹y c¶m ®Ó tr¸nh sai sè g©y bëi bøc x¹. Méi trong sè ®ã lµ NKK§ ph−¬ng ph¸p ®o míi nµy gÇn ®©y ®· ®−îc dïng phæ biÕn ®Ó ®o nhiÖt ®é khÝ trong lß c«ng nghiÖp. 4 1 7 5 2 P3 P2 X¶ G = et P1,T1 B§C h 6 3 NhiÖt kÕ khÝ ®éng, dïng ®o nhiÖt ®é khÝ trong lß c«ng nghiÖp 1- lß c«ng nghiÖp, 2- tiÕt l−u, 3- ¸p kÕ cã thang ®o nhiÖt ®é, 4- thiÕt bÞ lµm nguéi, 5- tiÕt l−u, 6- bé ®iÒu chØnh, 7- van ®/chØnh l−u l−îng khÝ x¶ ra ngoµi lµ kh«ng ®æi. o KhÝ trong lß c«ng nghiÖp cã ¸p suÊt p1, vµ nhiÖt ®é T1( K) sau khi qua cöa tiÕt l−u 2 th× ®−îc 4 lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é m«i tr−êng xung quanh, sau ®ã ®i qua cöa tiÕt l−u 5 qua van 7 råi x¶ ra ngoµi. Nhê B§C 6 ®Ó ®iÒu chØnh van 7 gi÷ cho hiÖu ¸p ë 2 bªn cöa tiÕt l−u 5 kh«ng ®æi, do ®ã l−u l−îng träng l−îng cña dßng khÝ còng kh«ng ®æi. Dùa vµo hiÖu ¸p ë ¸p kÕ 3 mµ ta biÕt ®−îc (p1-p2) råi t×m ta T1 theo c«ng thøc: T1 = C1 ( P1 - P2 ) C1 - h»ng sè cña hÖ thèng, P1 - ¸p suÊt ( ¸p suÊt bªn trong)
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 60 - 2.6. §O NHIÖT §é B»NG PH¦¥NG PH¸P GI¸N TIÕP Qóa tr×nh trao ®æi nhiÖt gi÷a c¸c vËt cã thÓ diÔn ra d−íi h×nh thøc bøc x¹ nhiÖt, kh«ng cÇn c¸c vËt ®ã trùc tiÕp tiÕp xóc víi nhau. Bøc x¹ nhiÖt chÝnh lµ sù truyÒn néi n¨ng cña vËt bøc x¹ ®i b»ng sãng ®iÖn tõ. Khi mét vËt kh¸c hÊp thô sãng ®iÖn tõ cña vËt bøc x¹ th× sãng ®iÖn tõ ®ã l¹i ®−îc chuyÓn thµnh nhiÖt n¨ng. BÊt kú mét vËt nµo sau khi nhËn nhiÖt th× còng cã mét phÇn nhiÖt n¨ng chuyÓn ®æi thµnh n¨ng l−îng bøc x¹, sè l−îng ®−îc chuyÓn ®æi ®ã cã quan hÖ víi nhiÖt ®é . VËy tõ n¨ng l−îng bøc x¹ ng−êi ta sÏ biÕt ®−îc nhiÖt ®é cña vËt. Dông cô dùa vµo t¸c dông bøc x¹ nhiÖt ®Ó ®o nhiÖt ®é cña vËt gäi lµ háa kÕ bøc x¹, chóng th−êng ®−îc dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é trªn 600 0C . NÕu bøc x¹ cã b−íc sãng λ = 0,4 ÷ 0,44 µm → tÝm than λ = 0,44 ÷ 0,49 µm → xanh ®Ëm - xanh da trêi λ = 0,49 ÷ 0,58 µm → xanh l¸ c©y th¾m λ = 0,58 ÷ 0,63 µm → vµng nghÖ λ = 0,63 ÷ 0,76 µm → ®á t−¬i - ®á th¼m Mét vËt bøc x¹ mét l−îng nhiÖt lµ Q (W) => mËt ®é bøc x¹ toµn phÇn E (lµ n¨ng l−îng bøc x¹ qua mét ®¬n vÞ diÖn tÝch) ∞ dQ dQλ E = W/m ², Q = ∑ Qλ => Eλ = dF i=0 dF Eλ - mËt ®é phæ - b»ng sè n¨ngl−îng bøc x¹ trong mét ®¬n vÞ thêi gian víi mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña vËt vµ x¶y ra trªn mét ®¬n vÞ ®é dµi sãng. C−êng ®é bøc x¹ ®¬n s¾c : dE Eλ = ( W/m³) dλ Dùa vµo n¨ng l−îng do mét vËt hÊp thô ng−êi ta cã thÓ biÕt ®−îc nhiÖt ®é cña vËt bøc x¹ nÕu biÕt ®−îc c¸c quan hÖ gi÷a chóng. Ng−êi ta cã thÓ ®o nhiÖt ®é b»ng c¸ch sö dông c¸c ®Þnh luËt bøc x¹ nhiÖt. 2.6.1. Nh÷ng ®Þnh luËt c¬ së vÒ bøc x¹ nhiÖt a- §Þnh luËt Planck: §èi víi vËt ®en tuyÖt ®èi th× quan hÖ Eoλ vµ T b»ng c«ng thøc : − 1 ⎡ C 2 ⎤ − 5 λ T E o λ = C 1 .λ ⎢ e − 1 ⎥ ⎣ ⎦ λ : ®é dµi cña b−íc sãng
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 61 - -15 C1 : 0,370 W.m² -2 C1, C2 : lµ h»ng sè Planck C2 : 1,438 m. K NÕu T < 3000 oK vµ λ .T < 0,3 cm.K th× sö dông c«ng thøc trªn lµ kh¸ chÝnh x¸c. b- §Þnh luËt Stefan-Boltzman: C−êng ®é bøc x¹ toµn phÇn cña vËt ®en tuyÖt ®èi liªn hÖ víi nhiÖt ®é cña nã b»ng biÓu thøc : ∞ 4 ⎛ T ⎞ 4 E = E dλ = C o ∫ oλ o ⎜ ⎟ , Co = 5,67 W/m².°K o ⎝ 100 ⎠ c- §Þnh luËt chuyÓn ®Þnh cña Wiªn: Khi vËt nhiÖt ®é T cã c−êng ®é bøc x¹ lín nhÊt th× sãng λmax sÏ quan hÖ víi −3 nhiÖt ®é theo biÓu thøc : λm .T = 2,898.10 ( m. °K ) Eoλ Eoλmax λ λmax Khi nhiÖt ®é T cµng lín th× λmax cµng nhá. Ng−êi ta øng dông c¸c ®Þnh luËt ®Ó lµm c¸c háa kÕ : - Háa kÕ quang häc : T = f(Eoλ) ( chÝnh x¸c ) - Háa kÕ b/x¹ toµn phÇn : T = f (E) ⎛ E0λ1 ⎞ - Háa kÕ so mµu s¾c : T = f ⎜ ⎟ ⎝ E0λ 2 ⎠
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 62 - 2.6.2. C¸c dông cô ®o nhiÖt ®é b»ng ph−¬ng ph¸p gi¸n tiÕp 2.6.2.1. Háa kÕ quang häc 3 4 5 6 7 8 1 2 9 mA a b c 1- vËt cÇn ®o nhiÖt ®é 2- thÊu kÝnh (kÝnh vËt) 3- vßng ®/chØnh 4- kÝnh mê 5- bãng ®Ìn 7- kÝnh ®á (bé läc) 6-vßng ®/chØnh 8- kÝnh m¾t ( èng nhßm ) 9- biÕn trë Nguyªn lý lµm viÖc cña háa kÕ quang häc : so s¸nh c−êng ®é s¸ng cña vËt cÇn ®o víi c−êng ®é s¸ng cña mét nguån s¸ng chuÈn ®ã lµ bãng ®Ìn sîi ®èt vonfram sau khi ®· ®−îc giµ hãa trong kho¶ng 100 giê víi nhiÖt ®é 2000oC, sù ph¸t s¸ng cña ®Ìn æn ®Þnh nÕu sö dông ë nhiÖt ®é 400 ÷ 1500oC. C−êng ®é s¸ng cã thÓ ®−îc ®iÒu chØnh b»ng c¸ch thay ®æi dßng ®èt hoÆc dïng bé läc ¸nh s¸ng. §Çu tiªn h−íng èng kÝnh vÒ phÝa ®èi t−îng cÇn ®o, ®iÒu chØnh kÝnh vËt
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 63 - ®Ó ¶nh thËt cña vËt n»m trªn mÆt ph¼ng cña d©y tãc bãng ®Ìn, ®iÒu chØnh kÝnh m¾t ®Ó nh×n râ ¶nh vËt vµ d©y tãc bãng ®Ìn. Sau ®ã ®iÒu chØnh biÕn trë ®Ó ®é s¸ng cña d©y tãc b»ng ®é c−êng ®é s¸ng cña ®èi t−îng cÇn ®o vµ ®−îc so s¸nh b»ng m¾t. NÕu c−êng ®é s¸ng cña ®èi t−îng nhá h¬n ®é s¸ng cña sîi ®èt ta sÏ thÊy ®−îc vÖt s¸ng trªn nÒn thÉm (a), nÕu ®é s¸ng cña ®èi t−îng lín h¬n ®é s¸ng cña sîi ®èt ta sÏ thÊy ®−îc vÖt thÉm trªn nÒn s¸ng (b), lóc ®é s¸ng cña ®èi t−îng b»ng ®é s¸ng cña sîi ®èt th× h×nh ¶nh cña sîi ®èt biÕn mÊt (c) (ta kh«ng thÓ ph©n biÖt ®−îc vÖt d©y tãc bãng ®Ìn). Lóc nµy ta ®äc ®−îc gi¸ trÞ nhiÖt ®é cña ®èi t−îng cÇn ®o. - NhiÖt ®é ®o ®−îc b»ng ph−¬ng ph¸p nµy gäi lµ nhiÖt ®é s¸ng TS c¸c háa kÕ quang häc ®−îc chia ®é theo bøc x¹ cña vËt ®en tuyÖt ®èi nªn khi ®o thùc tÕ ta ®−îc nhiÖt ®é thÊp h¬n nhiÖt ®é thËt TS TT = f(TS , ελ) TT TS C2 TS lµ nhiÖt ®é khi c−êng ®é bøc x¹ cña vËt ®en tuyÖt ®èi b»ng c−êng ®é bøc x¹ Eoλ cña vËt ®o. So s¸nh b»ng m¾t tuy thñ c«ng nh−ng vÉnε ®¶mλ=1 b¶o ®é chÝnh x¸c nhÊt ®Þnh. V× c−êng ®é s¸ng thay ®æi nhiÒu h¬n gÊp 10 lÇn sù thayελ=0,5 ®æi cña nhiÖt ®é. NhËn xÐt: Gi¸ trÞ ®é ®en ελ øng víi λ = 0,65 µm cña c¸c vËt ®−îc ng−êi ta x¸c ®Þnh vµ lËp thµnh lËp b¶ng cho s½n trong ∆sæT tay. Trong mét sè tr−êng hîp ελ khã x¸c ®Þnh chÝnh x¸c th× ph¶i t×m c¸ch t¹o T tr−êng hîp t−¬ng tù sao cho ελ = 1. TS TT VÝ dô : Háa kÕ quang häc ®o nhiÖt ®é gang nãng ch¶y, kim ®ång hå chØ 2000oK x¸c ®Þnh nhiÖt ®é thËt cña nã. Tra b¶ng víi gang ta cã ελ = 0,4 ⇒ ∆T = 180,5°K Háa kÕ quang häc ®o nhiÖt ®é tõ 700 ÷ 6000 oK cã sai sè c¬ b¶n cho phÐp 0,6 ÷ 2%. 2.6.2.2. Háa kÕ quang ®iÖn
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 64 - Nguyªn t¾c ®o nhiÖt ®é cña háa kÕ quang ®iÖn còng t−¬ng tù nh− háa kÕ quang häc song nhê dïng ®Ìn quang ®iÖn lµm bé phËn nh¹y c¶m vµ thùc hiÖn ®iÒu chØnh ®é s¸ng cña bãng ®Ìn mét c¸ch tù ®éng nªn háa kÕ quang ®iÖn lµ dông cô tù ®éng ®o ®−îc nhiÖt ®é c¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi nhanh cã thÓ tù ghi sè ®o mét c¸ch liªn tôc vµ dïng trong c¸c hÖ thèng tù ®éng ®iÒu chØnh nhiÖt ®é . Lu¬Ý ®iÖn 5 10 13 15 9 1 3 7 8 12 14 2 4 6 1- §Ìn quang ®iÖn 2- KÝnh vËt 3- KÝnh läc 4- M¸y ®iÒu biÕn sãng ¸nh s¸ng kiÓu chÊn ®éng ®iÖn tõ 5- Mµng ®iÒu tiÕt 6- Bãng ®Ìn 7- VËt cÇn ®o 8- Bé khuyÕch ®¹i ®iÖn tö 9- G−¬ng ph¶n x¹ 10- KÝnh m¾t 11- Bé phËn chøa ®Ìn quang ®iÖn 12- Hép ®iÖn 13- BphËn æn ¸p 14- §iÖn thÕ kÕ ®iÖn tö 15- BiÕn ¸p c¸ch ly. Ph¹m vi ®o 600÷2000 oC ®Æc biÖt khi sö dông kÝnh mê cã thÓ ®o ®Õn 4000 oC. 2.6.2.3. Háa kÕ bøc x¹ toµn phÇn Nguyªn lý : øng dông ®Þnh luËt bøc x¹ toµn phÇn cña Boltzman 5 1 2 334 1- KÝnh héi tô 2- Vßng ®iÒu chØnh 3- TÊm nhËn bøc x¹ (b¹ch kim m¹ ®en) 4- KÝnh m¾t 5- KÝnh läc
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 65 - Chïm tia ph¸t x¹ ®−îc kÝnh héi tô trªn tÊm nhËn bøc x¹ (nhiÖt ®iÖn trë) vµ ®èt nãng nã. NhiÖt ®iÖn trë ®−îc m¾c vµo mét nh¸nh cÇu tù c©n b»ng cung cÊp tõ nguån ®iÖn xoay chiÒu tÇn sè 50 HZ. NhiÖt ®é ®o ®−îc cña vËt T® bao giê còng nhá h¬n nhiÖt ®é tÝnh tãan Tt. 4 4 1 Theo ®Þnh luËt Stefan-Boltzman ta cã : σTT = ε T σTd => Td = TT 4 ε T εT - hÖ sè bøc x¹ tæng x¸c ®Þnh tÝnh chÊt cña vËt vµ nhiÖt ®é cña nã. - Kho¶ng ®o tõ 1800 oC ®Õn 3500 oC. 2.6.2.4. Háa kÕ so mµu s¾c 3 5 1 2 CM 6 4 7 50 vßng/ph 1- VËt cÇn ®o 2- ThÊu kÝnh héi tô 3- Vßng ®iÒu chØnh 4- §Üa quay 5- PhÇn tö quang ®iÖn 6- Bé khuÕch ®¹i 7- §iÖn thÕ kÕ tù ®éng So s¸nh c−êng ®é bøc x¹ hoÆc ®é s¸ng ®èi víi hai sãng bøc x¹ kh¸c nhau nhiÖt ®é ®o trong tr−êng hîp nµy gäi lµ nhiÖt ®é so ®é s¾c Nguyªn lý lµm viÖc: C−êng ®é bøc x¹ tõ vËt ®o 1 qua thÊu kÝnh héi tô vµ tËp trung ¸nh s¸ng trªn ®Üa quay, ®Üa nµy quay quanh trôc nhê ®éng c¬ xoay chiÒu. Sau khi ¸nh s¸ng qua ®Üa th× ®i ®Õn phÇn tö quang ®iÖn. Trªn ®Üa quay cã khoan mét sè lç, trong ®ã mét nöa ®Æt bé läc mµu ®á cßn n÷a kia ®Æt bé läc mµu xanh. Sù chªnh lÖch gi÷a hai dßng quang ®iÖn do c¸c xung l−îng t¹o ra g©y nªn trong BK§, mét tÝn hiÖu tû lÖ víi l«garÝt tù nhiªn cña tû sè hai dßng quang ®iÖn khi tÊm ch¾n quay. Kho¶ng ®o tõ 1400 ÷ 2800°C. ¦u ®iÓm:
§O L¦êNG NHIÖT – CH¦¥NG 2 - 66 - -NhiÖt ®é so mµu s¾c gÇn gièng nhiÖt ®é thùc h¬n so víi nhiÖt ®é ®é s¸ng vµ nhiÖt ®é bøc x¹ . - ViÖc x¸c ®Þnh ελ1 ®èi víi c¸c ®èi t−îng rÊt khã, tr¸i l¹i x¸c ®Þnh tû sè ®é ®en cña 2 sãng bøc x¹ ελ1/ ελ2 dÔ dµng vµ kh¸ chÝnh x¸c nªn sè bæ chÝnh t×m ®−îc ®¸ng tin cËy h¬n, vµ sai sè sÏ gi¶m ®i nhiÒu. - ¶nh h−ëng do hÊp thô bøc x¹ cña m«i tr−êng gi¶m rÊt nhá so víi c¸c háa kÕ kh¸c.
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 65 - CH¦¥NG 3 : §O ¸P SUÊT Vµ CH¢N KH¤NG T×nh tr¹ng lµm viÖc cña c¸c thiÕt bÞ nhiÖt th−êng cã quan hÖ mËt thiÕt víi ¸p suÊt lµm viÖc cña c¸c thiÕt bÞ ®ã. ThiÕt bÞ nhiÖt ngµy cµng ®−îc dïng víi nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao nªn rÊt dÔ g©y sù cè næ vì, trong mét sè tr−êng hîp ¸p suÊt (hoÆc ch©n kh«ng) trùc tiÕp quyÕt ®Þnh tÝnh kinh tÕ cña thiÕt bÞ, v× nh÷ng lÏ ®ã mµ còng nh− nhiÖt ®é viÖc ®o ¸p suÊt còng rÊt quan träng. 3.1. §ÞNH NGHÜA Vµ THANG §O ¸P SUÊT 3.1.1. §Þnh nghÜa ¸p suÊt lµ lùc t¸c dông vu«ng gãc lªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch, ký hiÖu p. F p = [ kG/cm2] S C¸c ®¬n vÞ cña ¸p suÊt : 1Pa = 1 N/m2 1 mm Hg = 133,322 N/m² 1 mm H2O = 9,8 N/m² 1 bar = 10 5 N/m 1 at = 9,8. 10 4 N/m² = 1 kG/ cm² = 10 m H2O Ng−êi ta ®−a ra mét sè kh¸i niÖm nh− sau : - Khi nãi ®Õn ¸p suÊt lµ ng−êi ta nãi ®Õn ¸p suÊt d− lµ phÇn lín h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn. p p ¸p suÊt du Pd 0 ¸p suÊt khÝ quyÓn Pck -1 kG/cm2 Ch©n kh«ng tuyÖt ®èi
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 66 - - ¸p suÊt ch©n kh«ng : lµ ¸p suÊt nhá h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn. - ¸p suÊt khÝ quyÓn ( khÝ ¸p ) : lµ ¸p suÊt khÝ quyÓn t¸c dông lªn c¸c vËt pb (at). - ¸p suÊt d− lµ hiÖu ¸p suÊt tuyÖt ®èi cÇn ®o vµ khÝ ¸p. Pd = Ptd - Pb - ¸p suÊt ch©n kh«ng lµ hiÖu sè gi÷a khÝ ¸p vµ ¸p suÊt tuyÖt ®èi. Pck = Pb - Ptd - Ch©n kh«ng tuyÖt ®èi kh«ng thÓ nµo t¹o ra ®−îc 3.1.2. Thang ®o ¸p suÊt Tïy theo ®¬n vÞ mµ ta cã c¸c thang ®o kh¸c nhau nh− : kG/ cm² ; mmH2O . - NÕu chóng ta sö dông c¸c dông cô ®¬n vÞ : mmH2O, mmHg th× H2O vµ Hg ph¶i ë ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh . 3.2. ¸P KÕ CHÊT LáNG Ta cã thÓ chia c¸c ¸p kÕ nµy thµnh c¸c lo¹i sau : 3.2.1. Lo¹i dïng trong phßng thÝ nghiÖm 1- ¸p kÕ lo¹i ch÷ U: Nguyªn lý lµm viÖc dùa vµo ®é chªnh ¸p suÊt cña cét chÊt láng : ¸p suÊt cÇn ®o c©n b»ng ®é chªnh ¸p cña cét chÊt láng P1 - P2 = γ.h = γ (h1 +h2) p1 p2 . Khi ®o mét ®Çu nèi ¸p suÊt khÝ quyÓn mét ®Çu nèi ¸p suÊt cÇn ®o, ta ®o ®−îc ¸p h1 h 0 suÊt d−. h2 . Tr−êng hîp nµy chØ dïng c«ng thøc trªn khi γ cña m«i chÊt cÇn ®o nhá h¬n γ cña γ m«i chÊt láng rÊt nhiÒu (chÊt láng trong èng ch÷ U). Nh−îc ®iÓm: - C¸c ¸p kÕ lo¹i kiÓu nµy cã sai sè phô thuéc nhiÖt ®é (do γ phô thuéc nhiÖt ®é) vµ viÖc ®äc 2 lÇn c¸c gi¸ trÞ h nªn khã chÝnh x¸c. - M«i tr−êng cã ¸p suÊt cÇn ®o kh«ng ph¶i lµ h»ng sè mµ dao ®éng theo thêi gian mµ ta l¹i ®äc 2 gi¸ trÞ h1, h2 ë vµo hai ®iÓm kh¸c nhau chø kh«ng ®ång thêi ®−îc.
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 67 - 2- ¸p kÕ mét èng th¼ng : ∆P = γ( h1 + h2) mµ h F = h F p1 1 1 2 2 F p2 2 ⇒ h1 = h2 . F1 F2 h1 F1 h2 F2 0 ⇒ ∆P = γ h2 ( 1 + ) F1 γ Ta thÊy nÕu biÕt : F1 , F2 th× khi ®o ta chØ cÇn ®äc ë mét nh¸nh tøc lµ h2 => lo¹i bá ®−îc sai sè do ®äc hai gi¸ trÞ. NÕu F1 >> F2 th× ta cã thÓ viÕt ®−îc ∆P = γ h2. Sai sè cña nã th−êng lµ 1%. Víi m«i chÊt lµm b»ng n−íc th× cã thÓ ®o 160 mm H2O ÷ 1000 mmH2O. 3- Vi ¸p kÕ : lo¹i nµy dïng ®Ó ®o c¸c ¸p suÊt rÊt nhá p 1 p 2 F2 h2 h1 F1 0 h2' γ α Gãc α cã thÓ thay ®æi ®−îc vµ b»ng 60o, 30°, 45° F2 Khi c©n b»ng : ∆P = ( h1 + h2 ) γ => h1 . F1 = h′2 . F 2 ⇒ h1 = h′2 . F1 F2 Mµ h2 = h′2 . Sinα => ∆P = γ h′2 ( +Sinα ) F1 Thay ®æi (cã thÓ thay ®æi thang ®o cã thÓ ®Õn 30mmH2O do h′2 > h2 nªn dÔ ®äc h¬n do ®ã sai sè gi¶m.
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 68 - 4- KhÝ ¸p kÕ thñy ng©n: Lµ dông cô dïng ®o ¸p suÊt khÝ quyÓn, ®©y lµ dông cô do khÝ ¸p chÝnh x¸c nhÊt. Ch©n kh«ng tuyÖt ®èi Líp nuíc hay mµng ®µn Pb = h . γHg håi ®Ó Hg kh«ng bay h¬i p Sai sè ®äc 0,1mm b h NÕu sö dông lo¹i nµy lµm ¸p kÕ chuÈn 1m th× ph¶i xÐt ®Õn m«i tr−êng xung quanh do ®ã th−êng cã kÌm theo 1 nhiÖt kÕ ®Ó Hg ®o nhiÖt ®é m«i tr−êng xung quanh ®Ó hiÖu chØnh. 5- Ch©n kh«ng kÕ Mc leod: §èi víi m«i tr−êng cã ®é ch©n kh«ng cao, ¸p suÊt tuyÖt ®èi nhá ng−êi ta cã thÓ chÕ t¹o dông cô ®o ¸p suÊt tuyÖt ®èi dùa trªn ®Þnh luËt nÐn Ðp ®o¹n nhiÖt cña khÝ lý t−ëng. pb pb p p 1 v1 2 v2 h Hg Hg Nguyªn lý : Khi nhiÖt ®é kh«ng ®æi th× ¸p suÊt vµ thÓ tÝch tû lÖ nghÞch víi nhau. P1 V1 = P2 . V2 Lo¹i nµy dïng ta ®Ó ®o ch©n kh«ng.
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 69 - §Çu tiªn gi÷ b×nh Hg sao cho møc Hg ë ngay nh¸nh ng· 3. Nèi P1 (¸p suÊt cÇn ®o) vµo råi n©ng b×nh lªn ®Õn khi ®−îc ®é lÖch ¸p lµ h => trong nh¸nh kÝn cã ¸p suÊt P2 vµ thÓ tÝch V2. hV γ 2 ⇒ P2 = P1 + γ h ⇒ V2 ( P1 + γ h) = P1 . ⇒ P1 = VV12− hV γ 2 • NÕu V2 ®é nh¹y kÐm. NÕu S lín => dÇu lät ra ngoµi nhiÒu => kh«ng chÝnh x¸c. 2 Spt = 0,5 cm m«i chÊt dïng lµ dÇu biÕn ¸p hay dÇu háa hoÆc dÇu tua bin hoÆc dÇu kho¸ng. Tïy thuéc vµo kho¶ng ¸p suÊt cÇn ®o mµ chän ®é nhít dÇu thÝch hîp. Khi n¹p dÇu th−êng n¹p vµo kho¶ng 2/3 xi lanh. Th−êng dïng lo¹i nµy lµm ¸p kÕ chuÈn ®Ó kiÓm tra c¸c lo¹i kh¸c.
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 70 - H¹n ®o trªn th−êng : 2,5 ; 6,0 ; 250 ; 600 ; 2 500 ; 10 000 ; 25 000 kG/cm2 CCX = 0,2 ÷ 0,02. §Æc ®iÓm cña lo¹i ¸p kÕ pÝt-t«ng th× tr−íc khi sö dông ph¶i kiÓm tra l¹i c¸c qu¶ c©n. 3.2.2. Lo¹i dïng trong c«ng nghiÖp Trong c«ng nghiÖp ng−êi ta th−êng dïng ®Ó ®o hiÖu ¸p suÊt gäi lµ hiÖu ¸p kÕ ¸p kÕ vµ hiÖu ¸p kÕ ®µn håi. Bé phËn nh¹y c¶m c¸c lo¹i ¸p kÕ nµy th−êng lµ èng ®µn håi hay hép cã mµng ®µn håi, kho¶ng ®o tõ 0 ÷ 10 000 kG/ cm2 vµ ®o ch©n kh«ng tõ 0,01 ÷ 760 mm Hg. §Æc ®iÓm cña lo¹i nµy lµ kÕt cÊu ®¬n gi¶n, cã thÓ chuyÓn tÝn hiÖu b»ng c¬ khÝ, cã thÓ sö dông trong phßng thÝ nghiÖm hay trong c«ng nghiÖp, sö dông thuËn tiÖn vµ rÎ tiÒn. + Nguyªn lý lµm viÖc: Dùa trªn sù phô thuéc ®é biÕn d¹ng cña bé phËn nh¹y c¶m hoÆc lùc do nã sinh ra vµ ¸p suÊt cÇn ®o, tõ ®é biÕn d¹ng nµy qua c¬ cÊu khuÕch ®¹i vµ lµm chuyÓn dÞch kim chØ (kiÓu c¬ khÝ).
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 71 - + C¸c lo¹i bé phËn nh¹y c¶m: p mµng ph¼ng èng buèc ®«ng hép ®Ìn xÕp p mµng luîn sãng p hép mµng + CÊu t¹o vµ ph¹m vi øng dông: * Mµng ph¼ng : - NÕu lµm b»ng kim lo¹i th× dïng ®Ó ®o ¸p suÊt cao. - NÕu lµm b»ng cao su v¶i tæng hîp, tÊm nhùa th× ®o ¸p suÊt nhá h¬n (lo¹i nµy th−êng cã hai miÕng kim lo¹i Ðp ë gi÷a). - Cßn lo¹i cã nÕp nh¨n nh»m t¨ng ®é chuyÓn dÞch nªn ph¹m vi ®o t¨ng. - Cã thÓ cã lß xo ®µn håi ë phÝa sau mµng. * Hép ®Ìn xÕp : cã 2 lo¹i - Lo¹i cã lß xo ph¶n t¸c dông, lo¹i nµy mµng ®ãng vai trß c¸ch ly víi m«i tr−êng. Muèn t¨ng ®é xª dÞch ta t¨ng sè nÕp gÊp th−êng dïng ®o ¸p suÊt nhá vµ ®o ch©n kh«ng. - Lo¹i kh«ng cã lß xo ph¶n t¸c dông. * èng buèc ®«ng: Lµ lo¹i èng cã tiÕt diÖn lµ elÝp hay « van uèn thµnh cung trßn èng th−êng lµm b»ng ®ång hoÆc thÐp, nÕu b»ng ®ång chÞu ¸p lùc < 100 kG/cm2 khi lµm b»ng thÐp (2000 ÷ 5000 kG/cm2). Vµ lo¹i nµy cã thÓ ®o ch©n kh«ng ®Õn 760 mm Hg. . Khi chän ta th−êng chän ®ång hå sao cho ¸p suÊt lµm viÖc n»m kho¶ng 2/3 sè ®o cña ®ång hå. . NÕu ¸p lùc Ýt thay ®æi th× cã khi chän 3/4 thang ®o.
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 72 - Chó ý: - Khi l¾p ®ång hå cÇn cã èng xi ph«ng ®Ó c¶n lùc t¸c dông lªn ®ång hå vµ ph¶i cã van ba ng¶ ®Ó kiÓm tra ®ång hå. Van ba ng· - Khi ®o ¸p suÊt b×nh chÊt láng cÇn chó ý ®Õn ¸p suÊt thñy tÜnh. - Khi ®o ¸p suÊt c¸c m«i tr−êng cã t¸c dông hãa häc cÇn ph¶i cã hép mµng ng¨n. - Khi ®o ¸p suÊt m«i tr−êng cã nhiÖt ®é cao th× èng ph¶i dµi 30 ÷ 50 mm vµ kh«ng bäc c¸ch nhiÖt. - C¸c ®ång hå dïng chuyªn dông ®Ó ®o mét chÊt nµo cã t¸c dông ¨n mßn hãa häc th× trªn mÆt ng−êi ta ghi chÊt ®ã. - Th−êng cã c¸c lß xo ®Ó gi÷ cho kim ë vÞ trÝ 0 khi kh«ng ®o. 3.3. mét sè lo¹i ¸p kÕ ®Æc biÖt Trong ph¹m vi ch©n kh«ng cao vµ ¸p suÊt siªu cao hiÖn nay ng−êi ta ®Òu dïng ph−¬ng ph¸p ®iÖn ®Ó tiÕn hµnh ®o l−êng, c¸c dông cô ®o kiÓu ®iÖn cho phÐp ®¹t tíi nh÷ng h¹n ®o cao h¬n vµ cã thÓ ®o ®−îc ¸p suÊt biÕn ®æi rÊt nhanh. Ch©n kh«ng kÕ kiÓu dÉn nhiÖt : HÖ sè dÉn nhiÖt cña chÊt khÝ ë ¸p suÊt b×nh th−êng th× kh«ng cã quan hÖ víi ¸p suÊt nh−ng ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt t−¬ng ®èi nhá th× ng−êi ta thÊy tån t¹i quan hÖ trªn. NhiÖt ®é d©y dÉn khi ®· c©n b»ng nhiÖt sÏ thay ®æi tïy theo hÖ sè dÉn nhiÖt cña khÝ vµ dïng cÇu ®iÖn kh«ng c©n b»ng ®Ó x¸c ®Þnh ®iÖn trë d©y dÉn ta sÏ biÕt ®−îc ®é ch©n kh«ng t−¬ng øng. Ch©n kh«ng kÕ Ion : Nhê hiÖn t−îng ion hãa t¹o nªn dßng ion trong khÝ lo·ng cã quan hÖ víi ¸p suÊt nªn tõ trÞ sè cña dßng ion ng−êi ta x¸c ®Þnh ®−îc ®é ch©n kh«ng cña m«i tr−êng. Cã nhiÒu c¸ch thùc hiÖn viÖc ion hãa nh− : dïng t¸c dông cña tõ tr−êng vµ ®iÖn tr−êng, sù dù ph¸t x¹ cña catèt ®−îc ®èt nãng khi cã ®iÖn
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 73 - ¸p trªn an«t, dïng sù phãng x¹ vµ tïy theo c¸c c¸ch ®ã mµ ta cã c¸c ch©n kh«ng kÕ kh¸c nhau. ¸p kÕ kiÓu ¸p tõ : ¸p suÊt t¹o ra øng lùc c¬ häc trong vËt liÖu s¾t tõ biÕn ®æi sÏ lµm biÕn ®æi hÖ sè dÉn tõ cña vËt liÖu ®ã. Lîi dông hiÖu øng ¸p tõ ta cã thÓ chÕ t¹o ®−îc bé nh¹y c¶m kiÓu ¸p tõ. ¸p kÕ ¸p suÊt ®iÖn trë : Muèn ®o nh÷ng ¸p suÊt lín h¬n 10.000 kG/cm2 hiÖn nay hÇu nh− chØ cã 1 c¸ch duy nhÊt lµ dïng bé phËn nh¹y c¶m ¸p suÊt ®iÖn trë lµm ¸p kÕ. 3.4. C¸C C¸CH TRUYÒN TÝN HIÖU §I XA Trong ®o l−êng th−êng sö dông c¸c thiÕt bÞ ®Ó truyÒn tÝn hiÖu ®i xa, c¸c tÝn hiÖu ®ã lµ : - Gãc quay trong èng buèc ®«ng P => α - Sù chuyÓn dÞch th¼ng (mµng) P => h , x - Gãc quay kÕt hîp víi ®o tæng gi¸ trÞ gãc vµ vËn tèc quay tøc thêi. - §é nÐn, Ðp vµ m«men quay trong cña s¬ ®å bï. §Ó truyÒn tÝn hiÖu ®i xa ng−êi ta th−êng dïng c¸c hÖ thèng ®iÖn vµ khÝ nÐn. 3.4.1. HÖ thèng dïng biÕn trë Trong hÖ thèng truyÒn tÝn hiÖu nµy dïng m¸y t¹o nªn ®é chuyÓn B K Pg dÞch c¬ gi÷a tiÕp ®iÓm tr−ît víi § biÕn trë nhê ®ã cã thÓ dùa vµo sù biÕn ®æi cña ®iÖn trë ®Ó t×m ra gi¸ trÞ cña l−îng cÇn ®o. Vµ X nhê cÇu ®iÖn ®Ó x¸c ®Þnh ®é biÕn ®æi cña ®iÖn trë. Ngoµi ra ta cßn cã thÓ dïng ®iÖn thÕ kÕ ®Ó x¸c ®Þnh ®é biÕn ®æi cña ®iÖn trë. 3.4.2. HÖ thèng truyÒn xa kiÓu c¶m øng
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 74 - Nguyªn lý lµm viÖc: NÕu ®−a vµo trong cuén d©y cã Y dßng ®iÖn ®i qua lâi s¾t th× ®iÖn Z1 Z3 c¶m cña d©y sÏ t¨ng lªn vµ phô thuéc vµo vÞ trÝ cña lâi s¾t, biÕn ®æi ®é xª dÞch cña lâi s¾t vµ lµm Z2 Z4 thay ®æi cña ®iÖn c¶m qua c¸c cuén. Mµ sù thay ®æi ®iÖn c¶m nµy X dÉn ®Õn lµm thay ®æi vÞ trÝ cña lâi s¾t kia. Khi X = 0 th× lâi s¾t n»m gi÷a c¸c cuén d©y. Khi X ≠ 0 th× cã dßng I ≠ 0, dßng ®iÖn ë cuén thø cÊp thay ®æi t−¬ng øng víi dßng s¬ cÊp. Th−êng dïng mçi cuén d©y cã 3100 vßng lµm b»ng Cu φ = 0,64 mmn => Z= 20,8 ÷ 21,8 Ω. 3.4.3. M¸y biÕn ¸p sai ®éng S1 S1 T1 T1 S1 T1 e1 S2 S2 T2 T2 S2 T2 Zft eT e2 eT = e1 -e2 = f(X) X X Khi cã ®iÖn ¸p U xoay chiÒu th× trong cuén thø cÊp xuÊt hiÖn s®® c¶m øng e1 vµ e2. TrÞ sè lÖch pha cña 2 s®® nµy phô thuéc vµo vÞ trÝ vµ chiÒu chuyÓn ®éng cña lâi s¾t. CÊu t¹o : th−êng mçi cuén s¬ cÊp 2700 vßng, mçi cuén thø cÊp 4000 vßng. D©y ®ång φ 0,27 mm U = 2,5 ÷ 6,3 v §Çu tiªn chØnh sao cho : X = 0 eT = 5mv
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 75 - M U − M U Dßng do e sinh ra I = 1 2 víi M vµ M lµ hÖ sè hæ c¶m cña cuéc T 2Ζ + Ζft 1 2 d©y s1 vµ s2 , Z - trë kh¸ng cña cuén thø cÊp, Zft - trë kh¸ng cña phô t¶i. Trong mét sè tr−êng hîp ®Ó thuËn tiÖn cho viÖc chØnh ®Þnh th× c¸c lâi s¾t ®−îc g¾n trªn mét thanh dÔ dµng xª dÞch ®−îc. HÖ thèng truyÒn ®i xa dïng m¸y biÕn ¸p sai ®éng S¬ eT e'T Thø cÊp cÊp ∆e X BK§§T Pg §éng c¬ TN Cam C¸c cuén s¬ cÊp ®−îc m¾c nèi tiÕp nhau ®Ó tr¸nh ®é lÖch pha cña dßng ®iÖn thø cÊp trong ®ã. Nguyªn lý ho¹t ®éng : khi vÞ trÝ lâi s¾t trong MBA phÝa s¬ cÊp vµ phÝa thø cÊp kh«ng nh− nhau th× eT ≠ eT’ => xuÊt hiÖn ∆e ≠ 0 vµ tÝn hiÖu nµy ®−îc ®−a vµo BK§§T gãc pha cña ∆e sÏ quyÕt ®Þnh chiÒu quay cña §CTN (Pg) => cam quay, ®−a lâi s¾t phÝa thø cÊp vÒ vÞ trÝ t−¬ng øng víi lâi s¾t phÝa s¬ cÊp cho ®Õn khi ∆e = 0 th× ®éng c¬ dõng l¹i. Thùc tÕ gãc lÖch pha gi÷a cuén s¬ vµ thø cÊp ≠ 0 (do nhiÖt ®é kh¸c nhau) => trong m¹ch thø cÊp sÏ sinh ra ®iÖn ¸p kh«ng thÓ nµo c©n b»ng ®−îc. NÕu ®é chªnh nhiÖt ®é phÝa s¬ cÊp vµ phÝa thø cÊp lµ 10oC th× sai sè khi dïng MBA nµy lµ 0,1 ÷ 0,15%. Ng−êi ta sö dông hÖ thèng nµy ®Ó truyÒn xa cho c¸c ¸p kÕ, dïng mµng ®µn håi
ÂO LÆÅÌNG NHIÃÛT — CHÆÅNG 3 - 76 - 3.4.4. Bé chuyÓn ®æi s¾t ®éng 4 α N N Re 3 l 5 6 Wk WC 2 1 Uk EP 1- Chèt cè ®Þnh 4- Lái s¾t 2-Chèt di ®éng 5- Khung d©y 3-G«ng ®ë 6- èng d©y nèi 2 chæt Nguyªn lý : Cuén d©y kÝch thÝch Wk quÊn quanh chèt 1 vµ nu«i bëi dßng xoay chiÒu UK 50Hz 12 hoÆc 60V. Gi¶ sö khung d©y lÖnh h−íng N - N mét gãc α th× trong khung xuÊt hiÖn s®® ω ω E = . φ => EBlR= α p 2 pcc2 l - chiÒu dµi khung Rc - b¸n kÝnh khung φ - sè tõ th«ng m¾c vßng cña khung d©y BC - trÞ sè biªn ®é c¶m øng ë gi÷a khung d©y Tr−êng hîp nÕu BC cã quan hÖ tuyÕn tÝnh : Suy ra Ep = C .α Th−êng α = ( -20o ÷ + 20o ), Ep = -1v ÷ 1v Khi ®iÒu chØnh cuén chuyÓn dÞch Wc th× Ep Ep c thay ®æi ®Õn khi α = - 20o lóc ®ã Ep = 0 vµ ta cã b kho¶ng chia 0 ÷ 40o. a 1 - a lµ ®−êng khi kh«ng cã cuén d©y chuyÓn dÞch. α - b lµ ®−êng khi cã cuén d©y chuyÓn dÞch. -20 -10 10 20 - c lµ ®−êng khi cã cuén d©y chuyÓn dÞch gÊp 2 lÇn. §Ó thay ®æi ®é dèc cña ®−êng ®Æc tÝnh ta thay ®æi -1 b»ng chèt di ®éng 2.