Bài giảng ĐO LƯỜNG NHIỆT Chương 2 Đo nhiệt độ Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt – Lạnh

CHƢƠNG 2: ĐO NHIỆT ĐỘ thermometers, temperature measurement Nội dung 2.1 Khái niệm nhiệt độ thang đo nhiệt độ 2.2 Các phương pháp đo nhiệt độ chia loại nhiệt kế 2.3 Nhiệt kế dãn nở 2.4 Nhiệt kê áp kế 2.5 Cặp nhiệt nhiệt điện 2.6 Nhiệt kế điện trở 2.7 Một số phương pháp đo điện trở đầu đo 2.8 Lắp đặt đầu đo nhiệt độ 2.9 Đo nhiệt độ theo phương pháp không tiếp xúc 2.1 Khái niệm nhiệt độ thang đo nhiệt độ  Quan niệm cũ: Đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh vật gọi nhiệt độ  Theo lý thuyết động học phân tử: nhiệt độ tham số vật lý biểu thị động trung bình chuyển động thẳng phân tử vật chất 2 v2 T [K ]  Ek  m 3k 3k Ek động trung bình phân tử (J), k số Bolzman (1,38065 10-23 J/K), v tốc độ tịnh tiến trung bình phân tử nguyên tử, m khối lượng phân tử  Thiết bị đo nhiệt độ gọi nhiệt kế, nhiệt kế dùng đo nhiệt độ cao thường gọi hỏa kế 2.1 Khái niệm nhiệt độ thang đo nhiệt độ (tiếp) 2.1.2 Đơn vị nhiệt độ thước đo nhiệt độ °C=(°F−32)5/9 °R=°F+459.6 K=°C+273.15 °R=9/5×K Nội dung thước đo nhiệt độ quốc tế sau : - Nhiệt độ biểu thị t, đơn vị đo nhiệt độ ký hiệu [oC] gọi độ Thước đo xây dựng số điểm chuẩn gốc: - Các điểm chuẩn gốc xác định áp suất khí tiêu chuẩn (thước đo 1968): Điểm sơi ôxy: -182,97oC Điểm tan nước đá: 0,01oC Điểm sôi nước : 100,00oC Điểm sôi lưu huỳnh: 444,60oC Điểm đông đặc bạc :960,80oC Điểm đông đặc vàng 1063,00oC 2.1 Khái niệm nhiệt độ thang đo nhiệt độ (tiếp) 2.1.3 Thang đo độ quốc tế năm 1990 (ITS-90) Đơn vị đo đại lượng vật lý T90 kelvin, ký hiệu K Đơn vị đo đại lượng vật lý t90 độ Celsius, ký hiệu °C Ví dụ: Nhiệt kế điện trở Platin chuẩn hoá nhiệt kế nội suy phạm vi từ -259 đến 961.78 oC Tiêu chuẩn ITS-90 đòi hỏi nguyên chất vật liệu: W(T90 )  → R(T90 ) R(273.16K) W(29.7646 oC) ≥ 1.1187 W(-38.8344 oC) ≥ 0.844235 W(961.78 oC) ≥ 4.2844 2.2 Phân loại phƣơng tiện đo nhiệt độ  Bộ phận nhạy cảm nhiệt kế phận nhiệt kế dùng biến nhiệt thành dạng lượng khác để nhận tín hiệu (tin tức) nhiệt độ  Nhiệt kế đo trực tiếp đo gián tiếp Theo nguyên lý đo:  Nhiệt kế dãn nở : - Đo nhiệt độ quan hệ dãn nở chất rắn hay chất nước với nhiệt độ - Phạm vi đo từ - 200 đến 5000C  Nhiệt kế kiểu áp kế: - Đo nhiệt độ nhờ biến đổi áp suất thể tích chất khí, chất nước, bão hồ chứa hệ thống kín có dung tích cố định nhiệt độ thay đổi - Khoảng đo từ -50 đến 5500C 2.2 Phân loại phƣơng tiện đo nhiệt độ (tiếp)  Nhiệt kế điện trở: - Đo nhiệt độ tính chất biến đổi điện trở nhiệt độ vật dẫn bán dẫn thay đổi - Khoảng đo từ -2000C đến 5500C  Cặp nhiệt (nhiệt ngẫu, pin nhiệt điện): - Đo nhiệt độ nhờ quan hệ nhiệt độ với sức nhiệt điện động sinh cực cặp nhiệt điện (hiệu ứng nhiệt điện) - Khoảng đo thông thường từ đến 16000C  Đo nhiệt độ theo phương pháp gián tiếp - Khoảng đo 600 0C 2.3 Nhiệt kế dãn nở chất rắn (nhiệt kế khí) Bimetallic thermometers   Nguyên lý: Lt = Lto.[1+α(t-to)] Hay dùng làm rơle khống chế nhiệt độ cho tín hiệu nhiệt độ (rơ le nhiệt) làm bù nhiệt độ cho dụng cụ  Phạm vi đo nhiệt kế lưỡng kim từ - 50 oC đến 500 oC Sai số khoảng 1% vạch đo 2.3 Nhiệt kế dãn nở chất rắn (nhiệt kế khí) Bimetallic thermometers (tiếp)    Cấu tạo: vật liệu tích cực (hệ số nở dài α lớn) vật liệu thụ động (hệ số α nhỏ) Nhiệt kế dãn nở kiểu ống Nhiệt kế kim loại kép 2.3 Nhiệt kế dãn nở chất rắn (nhiệt kế khí) Bimetallic thermometers (tiếp) 10 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) 118 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp)  Bộ cảm biến: kiểu nhiệt kiểu lượng tử • Bộ CB kiểu nhiệt: chuyển đổi NL hấp thụ thành nhiệt năng, gây nên tăng NĐ CB (bôlômét, pin nhiệt điện CB kiểu hỏa điện) Bôlômét (nhiệt điện trở: dây Pt bán dẫn) 119 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) Pin nhiệt điện: nhiều cặp nhiệt mini mắc nối tiếp 120 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp)  Bộ CB kiểu lượng tử: photon tới va đập vào bề mặt CB, giải phóng thay phần tử mang điện tích hiệu ứng quang điện: • Hiệu ứng quang điện ngồi (phát xạ) • Hiệu ứng quang điện (quang dẫn) • Hiệu ứng ứng quang vontaic Dải làm việc số CB xạ (Hình vẽ) 121 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) 122 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) Tương quan kích thước vùng tròn đo vật đo 123 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) Vd: NKBX toàn phần sử dụng ống kính có gương cầu lõm - Do hạn chế HT quang học nên NK loại khơng đáp ứng hồn tồn ĐL Stefan-Boltzmann (thường đo NL BX dải từ 0,3 đến 20 micrômét) - NKBX dải rộng 124 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) 3- NKBX dải hẹp (NK hồng ngoại): IR Thermometer, - HT quang học NK thu NL BX từ vùng đo hình trịn tập trung lên CB Kích thước vật đo phải bao phủ hồn tồn vịng trịn này, khơng NK cho số sai ảnh hưởng BX từ 125 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp)   Tương quan kích thước vùng tròn đo vật đo: Độ phân giải quang học NKBX (D:S) D - Khoảng cách từ đối tượng đo tới CB S - Đường kính vùng trịn đo 126 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) - D:S lớn: độ phân giải NK tốt, kích thước vùng cần đo nhỏ, đo từ khoảng cách lớn  Tương quan đường kính vùng trịn đo khoảng cách tới vật đo NK có D:S = 4:1 127 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) - Các NK BX thị trường có D:S từ 2:1 đến 300:1 Độ phân giải cao HT quang học đắt tiền - Các Pyrômét hỗ trợ TB ngắm đo NĐ ĐT bé khoảng cách xa: kính ngắm khí, kính ngắm xuyên qua thấu kính TB đánh dấu chùm lazer Vd: 128 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) - - Các Pyrômét hỗ trợ TB ngắm đo NĐ ĐT bé khoảng cách xa: kính ngắm khí, kính ngắm xuyên qua thấu kính TB đánh dấu chùm lazer Vd: 129 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) 130 2.8.2 Chia loại NKBX (tiếp) 4- NKBX kiểu tỷ số (NK so màu sắc): ratio pyrometer or two colour pyrometer Dụng cụ đo nhiệt độ dựa phương pháp đo tỉ số cường độ xạ hai ánh sáng có bước sóng khác λ1 λ2 Sơ đồ nguyên lý hoả quang kế màu sắc dùng tế bào quang điện E E  f (T ) 131 2.8.3 Kết luận - Nhược điểm đo NĐ pp tiếp xúc: ảnh hưởng tới trường NĐ ĐT MT đo, hạn đo bị giới hạn NĐ 1800 2200 0C - Đo NĐ pp không tiếp xúc: dải đo rộng (-50 0C đến 3000 0C, lý thuyết hạn đo không bị giới hạn, đo NĐ trường hợp khơng thể không cho phép trực tiếp tiếp xúc với ĐT MT cần đo - Nếu đ/k cho phép sử dụng pp: ưu tiên chọn pp tiếp xúc xét tổng thể cho phép đạt độ CX cao 132