Giáo trình đo lường nhiệt - Hoàng An Quốc, Hoàng Dương Hùng, Lê xuân Hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN 50 HỒNG AN QUỐC - HỒNG DƯƠNG HÙNG - LÊ XN HỊA GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG NHIỆT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* TS HOÀNG AN QUỐC PGS.TS HOÀNG DƯƠNG HÙNG TS LÊ XN HỊA GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG NHIỆT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH MỞ ĐẦU Giáo trình Đo lường Nhiệt biên soạn dựa đề cương chi tiết học phần Đo Lường Nhiệt thời lượng 30 tiết giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Giáo trình làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật thuộc ngành kỹ thuật có liên quan Nội dung giáo trình gồm chương, trình bày phương pháp đo dụng cụ đo thông số liên quan đến ngành Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh như: Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức cao môi chất, độ ẩm phân tích thành phần hỗn hợp Trong q trình biên soạn giáo trình này, chúng tơi tham khảo nhiều tài liệu nhiều tác giả ngồi nước, nhân chúng tơi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến tác giả Lần xuất nên giáo trình khơng tránh khỏi sai sót, mong ban đọc góp ý cho tác giả Xin chân thành cảm ơn Các tác giả ĐO LƯỜNG NHIỆT CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG CHƯƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG 1.1 ĐO LƯỜNG VÀ DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG 1.1.1 Định nghĩa Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Hoặc định nghĩa, đo lường hành động cụ thể thực công cụ đo lường để tìm trị số đại lượng chưa biết biểu thị đơn vị đo lường Trong số trường hợp, đo lường trình so sánh đại lượng cần đo với đại lượng chuẩn số ta nhận gọi kết đo lường hay đại lượng bị đo Kết đo lường giá trị số đại lượng cần đo AX tỷ số đại lượng cần đo X đơn vị đo Xo => AX = X => X = AX Xo X0 (1.1) Ví dụ: Ta đo U= 50V, ta xem kết U= 50 u 50 - kết đo lường đại lượng bị đo u - lượng đơn vị Mục đích đo lường lượng chưa biết mà ta cần xác định Đối tượng đo lường lượng trực tiếp bị đo dùng để tính tốn tìm lượng chưa biết Tùy trường hợp mà mục đích đo lường đối tượng đo lường thống lẫn tách rời Ví dụ: S= ab mục đích m2 cịn đối tượng m 1.1.2 Phân loại Thông thường người ta dựa theo cách nhận kết đo lường để phân loại, ta có loại đo trực tiếp, đo gián tiếp đo tổng hợp Ngồi ra, cịn có loại đo thống kê  Đo trực tiếp: Là ta đem lượng cần đo so sánh với lượng đơn vị dụng cụ đo hay đồng hồ chia độ theo đơn vị đo CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐO LƯỜNG NHIỆT Mục đích đo lường đối tượng đo lường thống với Đo trực tiếp đơn giản có phức tạp, thơng thường gặp phép đo hồn tồn trực tiếp Ta chia đo lường trực tiếp thành nhiều loại như:  Phép đọc trực tiếp: Ví dụ đo chiều dài m, đo dòng điện Ampemét, đo điện áp Vônmét, đo nhiệt độ nhiệt kế, đo áp suất áp kế chân không kế  Phép khơng (hay phép bù) Loại có độ xác cao phải dùng ngoại lực để tiến hành đo lường Nguyên tắc đo phép bù đem lượng chưa biết cân với lượng đo biết trước có cân đồng hồ khơng Ví dụ: cân, đo điện áp  Phép trùng hợp: Theo nguyên tắc thước cặp để xác định lượng chưa biết  Phép thay thế: Nguyên tắc thay đại lượng cần đo đại lượng biết Ví dụ: Tìm giá trị điện trở chưa biết nhờ thay điện trở hộp điện trở giữ nguyên dòng điện điện áp mạch  Phép cầu sai: Thay đại lượng cách đo đại lượng gần suy Thường dùng hiệu chỉnh dụng cụ đo độ dài  Đo gián tiếp: Lượng cần đo xác định tính tốn theo quan hệ hàm biết lượng bị đo trực tiếp có liên quan Đại lượng cần đo hàm số lượng đo trực tiếp: Y= f ( x1 xn) Ví dụ: Đo diện tích, cơng suất Trong phép đo gián tiếp, mục đích đối tượng khơng thống nhất, lượng chưa biết lượng bị đo không loại Loại dùng phổ biến nhiều trường hợp dùng cách đo trực tiếp phức tạp Đo gián tiếp thường mắc sai số tổng hợp sai số phép đo trực tiếp  Đo tổng hợp: Là tiến hành đo nhiều lần điều kiện khác để xác định hệ phương trình biểu thị quan hệ đại lượng chưa biết đại lượng bị đo trực tiếp, từ tìm lượng chưa biết Ví dụ: Đã biết qui luật dãn nở dài ảnh hưởng nhiệt độ là: L = Lo ( + t + t2 ) Vậy muốn tìm hệ số ,  chiều dài vật nhiệt độ 0C Lo ta đo trực tiếp chiều dài nhiệt độ t Lt, tiến ĐO LƯỜNG NHIỆT CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG hành đo lần nhiệt độ khác ta có hệ phương trình từ ta xác định lượng chưa biết tính tốn  Đo thống kế: Để đảm bảo độ xác phép đo nhiều người ta phải sử dụng phương pháp đo thống kê, tức ta phải đo nhiều lần sau lấy giá trị trung bình Cách đo đặc biệt hữu hiệu tín hiệu đo ngẫu nhiên kiểm tra độ xác dụng cụ đo 1.1.3 Dụng cụ đo lường Dụng cụ để tiến hành đo lường bao gồm nhiều loại khác cấu tạo, nguyên lý làm việc, công dụng Xét riêng mặt thực phép đo chia dụng cụ đo lường thành loại, là: vật đo đồng hồ đo  Vật đo biểu cụ thể đơn vị đo, ví dụ cân, mét, điện trở tiêu chuẩn  Đồng hồ đo: Là dụng cụ đủ để tiến hành đo lường kèm với vật đo Có nhiều loại đồng hồ đo khác cấu tạo, nguyên lý làm việc xét tác dụng phận đồng hồ đồng hồ gồm phận phận nhạy cảm, phận thị phận chuyển đổi trung gian Bộ phận nhạy cảm: (đồng hồ sơ cấp hay đầu đo) tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp với đối tượng cần đo Trong trường hợp phận nhạy cảm đứng riêng biệt trực tiếp tiếp xúc với đối tượng cần đo gọi đồng hồ sơ cấp Bộ phận chuyển đổi: Làm chuyển tính hiệu phận nhạy cảm phát đưa đồng hồ thứ cấp, phận chuyển đổi tồn hay phần, giữ nguyên hay thay đổi khuếch đại Bộ phận thị đồng hồ: (Đồng hồ thứ cấp) vào tín hiệu phận nhạy cảm cho người đo biết kết  Các loại đồng hồ đo: Phân loại theo cách nhận lượng bị đo từ đồng hồ thứ cấp: Đồng hồ so sánh: Làm nhiệm vụ so sánh lượng bị đo với vật đo Lượng bị đo tính theo vật đo Ví dụ: cân, điện kế Đồng hồ thị: Cho biết trị số tức thời lượng bị đo nhờ thang chia độ, thị dòng chữ số CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐO LƯỜNG NHIỆT Hình 1.1 Các loại thang chia độ Giới hạn đo Amin & Giới hạn đo Amax Khoảng cách hai vạch gần gọi độ chia Thước chia độ phía, hai phía, chứa khơng chứa điểm  Giá trị độ chia: Là trị số biến đổi lượng bị đo làm cho kim di chuyển độ chia, độ chia hay không tùy giá trị độ chia hay khác Có thể đọc trực tiếp hay phải nhân thêm hệ số Khoảng đo khoảng chia thang từ giới hạn đến giới hạn Đồng hồ tự ghi đồng hồ tự ghi lại giá trị tức thời đại lượng đo giấy dạng đường cong f(t) phụ thuộc vào thời gian Đồng hồ tự ghi ghi liên tục hay gián đoạn, độ xác đồng hồ thị Loại băng có nhiều số Đồng hồ tích phân loại đồng hồ ghi lại tổng số vật chất chuyển qua số thời gian đồng hồ đo lưu lượng Đồng hồ kiểu tín hiệu: loại phận thị phát tín hiệu (ánh sáng hay âm thanh) đại lượng đo đạt đến giá trị Một đồng hồ có nhiều phận thị  Phân loại theo tham số cần đo:  Đồng hồ đo áp suất: áp kế - chân không kế  Đồng hồ đo lưu lượng: lưu lượng kế  Đồng hồ đo nhiệt độ: nhiệt kế, hỏa kế  Đồng hồ đo mức cao: đo mức nhiên liệu, nước  Đồng hồ đo thành phần vật chất: phân tích Hình 1.2 1.2 CÁC THAM SỐ CỦA ĐỒNG HỒ  Đồng hồ phân tích Trong thực tế, giá trị đo lường nhận đồng hồ khác với giá trị thực lượng bị đo Giá trị thực người ta thay giá trị ĐO LƯỜNG NHIỆT CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG thực giá trị thực nghiệm, giá trị phụ thuộc phẩm chất đồng hồ đo hay nói cách khác tham số đồng hồ Chúng ta xét đến tham số chủ yếu có liên quan dến độ xác số đo đồng hồ cho biết, là: sai số cấp xác, biến sai, độ nhạy hạn không nhạy 1.2.1 Sai số cấp xác Trên thực tế, khơng thể có đồng hồ đo lý tưởng cho số đo trị số thật tham số cần đo Đó nguyên tắc đo lường kết cấu đồng hồ khơng thể tuyệt đối hồn thiện Gọi giá trị đo là: Ađ Còn giá trị thực là: At  = Ađ - At Sai số tuyệt đối độ sai lệch thực tế: o  Sai số tương đối: Trong thực tế ta tính:  At 100% o   Ad (1.2) 100% Sai số qui dẫn tỉ số sai số tuyệt đối khoảng đo đồng hồ (%)  qd   Amax  Amin 100% (1.3) Cấp xác sai số quy dẫn lớn khoảng đo đồng hồ CCX = max  qd    max =  100 %  Amax  Amin  (1.4) Dãy cấp xác 0.1 ; 0.2 ; 0.5 ; ; 1.5 ; 2.5 ; Tiêu chuẩn để đánh giá độ xác dụng cụ đo CCX Các dụng cụ đo có CCX = 0.1 hay 0.2 gọi dụng cụ chuẩn Còn dùng phịng thí nghiệm thường loại có CCX = 0.5, Các loại khác dùng công nghiệp Khi nói dụng cụ đo có cấp xác 1,5 tức là: Sqd = 1,5% Các loại sai số định tính: Trong sử dụng đồng hồ người ta thường để ý đến loại sai số sau: CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG ĐO LƯỜNG NHIỆT  Sai số cho phép sai số lớn cho phép vạch chia đồng hồ (với quy định đồng hồ vạch tiêu chuẩn kỹ thuật) để giữ cấp xác đồng hồ  Sai số sai số lớn thân đồng hồ đồng hồ làm việc bình thường, loại cấu tạo đồng hồ  Sai số phụ điều kiện khách quan gây nên Trong cơng thức tính sai số, ta dựa vào sai số sai số phụ khơng tính đến phép đo 1.2.2 Biến sai Là độ sai lệch lớn sai số đo nhiều lần tham số cần đo điều kiện đo lường: I Adm - And max I (1.5)  Chú ý: Biến sai số đồng hồ không lớn sai số cho phép đồng hồ 1.2.3 Độ nhạy S= X A (1.6) X: độ thay đổi kết đo ) A: độ thay đổi giá trị bị đo =1,5 mm/oC Ta tăng độ nhạy cách tăng hệ số khuếch đại (lúc không tăng sai số đồng hồ) Ví dụ: S= Giá trị chia độ 1/s= C hay gọi số dụng cụ đo Giá trị độ chia không nhỏ trị tuyệt đối sai số cho phép đồng hồ 1.2.4 Hạn không nhạy Là mức độ biến đổi nhỏ tham số cần đo để thị bắt đầu làm việc Chỉ số hạn không nhạy nhỏ 1/2 sai số 10 ĐO LƯỜNG NHIỆT CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG Trong thực tế, ta không dùng dụng cụ có độ nhạy cao làm kim dao động dẫn đến hỏng dụng cụ 1.2.5 Kiểm định đồng hồ Xác định chất lượng làm việc đồng hồ cách so sánh với đồng hồ chuẩn để đánh giá mức độ làm việc  Nội dung: Xét sai số cho phép: sai số bản, biến sai, độ nhạy hạn không nhạy đồng hồ Đối với đồng hồ dùng cơng nghiệp CCX 2.5 kiểm định  vạch chia độ có Amin & Amax Đồng hồ dùng phịng thí nghiệm: kiểm định 10  15 vạch sau kiểm tra dùng bảng bổ Thơng thường dùng đồng hồ có CCX 0.1 ; 0.2 để kiểm định đồng hồ cấp xác lớn 0.5 Các đồng hồ chuẩn cấp có CCX < 0.1 kiểm định phương pháp đặc biệt dùng đồng hồ chuẩn gốc Đồng hồ chuẩn cấp (CCX 0.1; 0.2) dùng đồng hồ chuẩn cấp để kiểm định 1.3 SAI SỐ ĐO LƯỜNG Trong tiến hành đo lường, trị số mà người xem, đo nhận khơng hồn tồn với trị số thật tham số cần đo, sai lệch hai trị số gọi sai số đo lường Dù tiến hành đo lường cẩn thận dùng công cụ đo lường tinh vi làm sai số đo lường, thực tế khơng thể có cơng cụ đo lường tuyệt đối hoàn thiện, người xem đo tuyệt đối khơng mắc thiếu sót điều kiện đo lường tuyệt đối không thay đổi Trị số đo lường trị số gần tham số cần đo, biểu thị số có hạn chữ số đáng tin cậy tùy theo mức độ xác việc đo lường Khơng thể làm sai số đo lường khơng nên tìm cách giảm nhỏ tới mức độ cho phép thực tốn Do người ta thừa nhận tồn sai số đo lường tìm cách hạn chế sai số phạm vi cần thiết dùng tính tốn để đánh giá sai số mắc phải đánh giá kết đo lường Người làm công tác đo lường, thí nghiệm, cần phải sâu tìm hiểu dạng sai số, nguyên nhân gây sai số để tìm cách khắc phục biết cách làm ảnh hưởng sai số kết đo lường 1.3.1 Các loại sai số 11 ... Muốn đo nhiệt độ phải tìm cách xác định đơn vị nhiệt độ để xây dựng thành thang đo nhiệt độ (có gọi thước đo nhiệt độ, nhiệt giai) Dụng cụ dùng đo nhiệt độ gọi nhiệt kế, nhiệt kế dùng đo nhiệt. .. thang đo nhiệt độ  Sơ lƣợc trình xây dựng thang đo nhiệt độ: Quá trình thành lập thước đo nhiệt độ trình tìm đơn vị đo nhiệt độ thống liên quan mật thiết tới việc chế tạo nhiệt kế 1597: Galilê dựa... thuộc vào chất đo nhiệt độ dùng nhiệt kế 22 ĐO LƯỜNG NHIỆT CHƯƠNG 2: ĐO NHIỆT ĐỘ 1848: Kelvin xây dựng thước đo nhiệt độ sở nhiệt động học Theo định luật nhiệt động học thứ 2, công chu trình Cácnơ