Bài tập môn Thiết bị đo

Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo Bài tập môn Thiết bị đo

Giải thích tín hiệu đo và cảm biến: (0,25

Giải thích nguyên nhân và giải pháp chuyển đổi chuẩn hóa: (0,25

Trình bày hoạt động của bộ ADC, nêu ví dụ các bộ ADC và đặc điểm: (0,25 Các cách chỉ thị số: (0,25

Đặc điểm của thiết bị đo lường số loại 1 (ưu điểm và nhược (0,5

Loại 2: (2

(0.5 Giải thích tín hiệu đo và cảm biến: (0,25

Giải thích nguyên nhân và giải pháp chuyển đổi chuẩn hóa: (0,25

Trình bày hoạt động của bộ ADC, nêu ví dụ các bộ ADC và đặc điểm: (0,25

- Trình bày các loại sai số và cách tính (tuyệt đối, tương đối, TĐQĐ , TĐQĐ lớn nhất (0,5 - Sai số của phép đo gián tiếp (0,5

- Các loại sai số của thiết bị đo ( cho phép, cơ bản, phụ, hệ thống…) (0,5 - Các tham số đặc trưng của thiết bị đo ( độ nhạy, độ phân dải thang đo…) (0,5

{‘‘} 3 : (3

Giả sử có một thiết bị đo vạn năng đo được cường độ dòng điện trong phạm vi (0-1000)A với cấp chính xác 0,25, điện áp trong phạm vi (0-500)V với cấp chính xác 0,1 Khi dùng thiết bị đó đo trực tiếp dòng điện I và điện áp U thì thiết bị đo vạn năng lần lượt chỉ 950A, 400,9 V

Hãy xác định năng lượng điện đo được trong 1giờ 40 phút bằng phương pháp gián tiếp? Giá trị hiện thị của thiết bị đo đó có ảnh hưởng đến kết quả đo không? Tại sao?

Biết đồng hồ thời gian có cấp chính xác 0,15 và dải đo là 2 giờ.::::

Tính I = 0,25.1000/100 = 2,5 A; U = 0,10.500/100 = 0,5 V; t = 0,15.2/100 = 0,003 h (0,5 Suy ra I = 950  2,5 ; U = 400,9  0,5; t = 5/3  0,003 (0,5

Năng lương điện tiêu thụ là: Q = U I t.

Với kết quả đo trực tiếp trên, ta tính được công suất là:

P = 400,9  950 = 380855 w = 380,855 kW(0,5 Năng lượng tiêu thụ là Q = Pt = 380,855  5/3 ≈ 634,76 kWh(0,5

Sai số tương đối của kết quả đo gián tiếp là:

(1) Máy đo điện áp và dòng loại 1(2,0

+ Tín hiệu điện áp cần đo là Uđo ; Tín hiệu Uđo CH thường là tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa thành tín hiệu vào mạch số, thông thường từ 0 V đến 5V để vào bộ chuyển đổ tương tự số.

+ Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng số qua bộ ADC (n bit) ; giá trị số đầu ra từ 0 đến (2n -1) (0,25 + Giá trị số được đưa ra chỉ thị tại chỗ thường dựa trên LED 7 thanh, LCD hoặc mànhình (0,25 + Đối với dòng tương tự, khi dòng cần đo qua điện trở Shunt và trở thành đo áp :

Uđo = Iđo  Rshunt (0,25

(2) Máy đo điện áp và dòng lại 2 (2,0

+ Tín hiệu điện áp cần đo là Uđo ; Tín hiệu Uđo CH thường là tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa thành tín hiệu vào mạch số, thông thường từ 0 V đến 5V để vào bộ chuyển đổ tương tự số.

+ Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng số qua bộ ADC (n bit) ; giá trị số đầu ra từ 0 đến (2n -1) ( các ADC hayu dùng như 0809-8bit ; ICL 7109-9 bit ; MCP3204-12bit (0,25

+ Giá trị số được đưa vào vi điều khiển để tính toán và hiển thị Nếu sử dụng các họ VĐK AVR hay PIC, đã có sẵn ADC bên trong nên không cần ADC bên ngoài Giá trị số được đưa ra chỉ thị tại chỗ

+ Đối với dòng tương tự, khi dòng cần đo qua điện trở Shunt và trở thành đo áp :

+ Tín hiệu điện áp cần đo là Uđo ; Tín hiệu Uđo CH thường là tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi chuẩnhóa thành tín hiệu vào mạch số, thông thường từ 0 V đến 5V để vào bộ chuyển đổ tương tự số (0,5 + Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng số qua bộ ADC (n bit) ; giá trị số đầu ra từ 0 đến (2n -1) (0,25 + Giá trị số được đưa ra chỉ thị tại chỗ thường dựa trên LED 7 thanh, LCD hoặc màn hình (0,25

(2) Bộ chuyển đổi chuẩn hóa có chức năng chuyển đổi điện áp (1 :

+ Nếu điện áp lớn, thường sử dụng mạch phân áp để giảm điện áp xuống mức cho phép (0,5 :

+ Nếu điện áp nhỏ, sử dụng mạch khuếch đại thuật toán giúp tăng điện áp lên mức cần thiết (0,5 (0,25 Khuếch đại không đảoKhuếch đại đảo

(0,25 Khuếch đại vi saiKhuếch đại vi sai dùng IC chuyên dụng INA

(3) Với vôn mét số loại 1 điển hình dùng ADC kết hợp hỗ trợ hiển thị LCD hoặc LED 7 thanh đó là IC TC7106/TC7107 của Microchip là bộ chuyển đổi tương tự số 3-1/2 digit ADC (0,5

Cấu tạo của máy đo áp một chiều dùng TC7106/TC7107

(0,25

+ Đầu vào : Điện áp bị giới hạn sao cho dòng vào tối đa là ±100 µA như vậy ngoài việc phụ thuộc áp váo còn phụ thuộc điện trở Shurt đầu vào từ đó giới hạn điện áp vào dựa trên mạch chuẩn hóa ở trên + Điệp áp nguồn cấp 15V

+ Giá trị đếm từ 0 – 2000 do đó điện áp chuẩn yêu cầu như sau :

;(0,25

{‘‘} 6 : (4

Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của máy đo dòng điện một chiều hiển thị số kiểu 1 (không có vi điều khiển) thông qua phép đo áp ?

::::

(1) Sơ đồ nguyên lý chung của máy đo điện áp 1 chiều hiển thị số kiểu 1 (1,5

(0,5 + Để do dòng điện, thông thường sử dụng phép đo gián tiếp thông qua điện áp trên điện trở shunt

Uđo = Iđo  Rshunt

Do đó việc tính toán dòng điện sẽ được thực hiện dựa trên điện áp Uđo

+ Tín hiệu điện áp cần đo là Uđo ; Tín hiệu Uđo CH thường là tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa thành tín hiệu vào mạch số, thông thường từ 0 V đến 5V để vào bộ chuyển đổ tương tự số.

(0,25

+ Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng số qua bộ ADC (n bit) ; giá trị số đầu ra từ 0 đến (2n -1) (0,25 + Giá trị số được đưa ra chỉ thị tại chỗ thường dựa trên LED 7 thanh, LCD hoặc màn hình (0,25 + Giá trị Uđo sẽ phụ thuộc trực tiếp vào điện trở Shunt, do đó việc chọn Shunt có độ chính xác cao và độ lớn của shunt phụ thuộc vào tiêu chuẩn Uđo CH cần thiết Nếu Shunt bị giới hạn thì sang bước (2)

(2) Bộ chuyển đổi chuẩn hóa có chức năng chuyển đổi điện áp (1 :

+ Nếu điện áp lớn, thường sử dụng mạch phân áp để giảm điện áp xuống mức cho phép (0,5 :

+ Nếu điện áp nhỏ, sử dụng mạch khuếch đại thuật toán giúp tăng điện áp lên mức cần thiết (0,5 (0,25 Khuếch đại không đảoKhuếch đại đảo

(0,25 Khuếch đại vi saiKhuếch đại vi sai dùng IC chuyên dụng INA

(3) Với máy đo dòng số loại 1 điển hình dùng ADC kết hợp hỗ trợ hiển thị LCD hoặc LED 7 thanh đó là IC TC7106/TC7107 của Microchip à bộ chuyển đổi tương tự số 3-1/2 digit ADC (0,5

Cấu tạo của máy đo áp một chiều dùng TC7106/TC7107

(0,25

+ Đầu vào : Điện áp bị giới hạn sao cho dòng vào tối đa là ±100 µA như vậy ngoài việc phụ thuộc áp váo còn phụ thuộc điện trở Shurt đầu vào từ đó giới hạn điện áp vào dựa trên mạch chuẩn hóa ở trên + Điệp áp nguồn cấp 15V

+ Giá trị đếm từ 0 – 2000 do đó điện áp chuẩn yêu cầu như sau :

Tuy nhiên dải điện áp này sẽ quy ra dòng cần đo, để giá trị hiển thị là dòng điện (0,25

{‘‘} 7 : (4

Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy đo dòng điện kiểu hiển thị số kiểu 1 (không có vi điều khiển) sử dụng IC đo dòng ACS 712 ?

(1) IC dòng ACS712 (1,5

+ Cảm biến dòng điện ACS 712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho (0,25

+ Tụ (Cf theo sơ đồ) được dùng với mục đích chống nhiễu và có giá trị tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng(0,25 :

(0,5

Đặc điểm (0,25

-Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs.

-Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.

-Nguồn là 5V.

-Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A.

-Điện áp ra ổn định Đặc tính kỹ thuật : (0,25

-Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

-Thời gian chuyển đổi 5µs

-Điện trở trong: 1.2mΩ

-Sử dụng nguồn điện: 5V

-Độ nhạy đầu ra: 63 – 190 mV/A

-Nhiệt độ hoạt động: -40 – 85 0C

-Điện áp cách ly tối đa: 2100V (RMS)

-Độ nhạy đối với các loại module:

ACS 712-05B (5Ampe): 180 – 190 mV/A ACS 712-20A (20Ampe): 96 – 104 mV/A ACS 712-30A (30Ampe): 64 – 68 mV/A (2) kết nối khi đo dòng 1 chiều và xoay chiều (1

-Đo dòng điện DC (0,5

Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng điện đi từ Ip+ đến Ip- để Vout ra mức điện thế 2.5 ÷5V tương ứng dòng 0 ÷5A, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5V đến 0V tương ứng với 0A đến - 5A.

Cấp nguồn 5v cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với domino), thì Vout = 2.5V Khi dòng Ip (dòng của tải) bằng 5A thì Vout = 5V, Vout sẽ tuyến tính với dòng Ip, trong khoản 2.5V đến 5V tương ứng với dòng 0 đến 5A.

-Đo dòng điện AC (0,25

Khi đo dòng điện AC, do dòng điện AC không có chiều nên không cần quan tâm chiều

Cấp nguồn 5v cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với domino) , thì Vout=2.5v khi có dòng xoay chiều Ip(dòng AC) do dòng xoay chiều độ lớn thay đổi liên tục theo hàm sin, nên điện thế Vout sẽ là điện thế xoay chiều hình sin có độ lớn tuyến tính với dòng điện AC, 0 đến 5V(thế xoay chiều xoay chiều) tương ứng với -5A đến 5A (dòng xoay chiều)

-Muốn khuêch đại dòng ra sử dụng thêm bộ khuếch đại ngoài: (0,25

(3) Với vôn mét số loại 1 điển hình dùng ADC kết hợp hỗ trợ hiển thị LCD hoặc LED 7 thanh đó là IC TC7106/TC7107 của Microchip à bộ chuyển đổi tương tự số 3-1/2 digit ADC (0,5

Cấu tạo của máy đo áp một chiều dùng TC7106/TC7107

(0,25

+ Đầu vào : Điện áp bị giới hạn sao cho dòng vào tối đa là ±100 µA như vậy ngoài việc phụ thuộc áp váo còn phụ thuộc điện trở Shurt đầu vào từ đó giới hạn điện áp vào dựa trên mạch chuẩn hóa ở trên + Điệp áp nguồn cấp 15V

+ Giá trị đếm từ 0 – 2000 do đó điện áp chuẩn yêu cầu như sau : ;(0,25

{‘‘} 8 : (4

Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của máy đo đa năng một pha sử dụng IC ADE7753 để đo các thông số: dòng điện, điện áp, công suất (P, Q, S) và hệ số công suất cos ?

::::

Sơ đồ khối của Multimeter 1 pha (2

+ Đo dòng điện, điện áp, công suất P, Q, S, hệ số công suất của tải 1 pha Trong đó dòng điện, điện áp hiệu dụng, P và S cũng đã được thu thập sẵn trong thanh ghi của ADE, tính hệ số công suất cos = P/S (0,5

+ IC ADE tích hợp bộ ADC, bộ tích phân tích lũy tính công suất, các bộ lọc và tính toán dòng áp hiệu dụng bên trong chíp (0,5

+ Bởi đầu vào của ADE là giá trị xoay chiều, tín hiệu vào ADE dạng áp với Vpeak = 0,5 V Do đó cần phải hạ áp và hạ dòng thông qua biến áp và biến dòng Có thể phân áp trực tiếp để đưa vào ADE mà không cần qua biến áp (0,5

+ Tín hiệu dòng được thành áp thông qua điện trở shunt, để tín hiệu không bị nhiễu bởi hài bậc cao, cho qua các bộ lọc lấy tần số lưới điện Các giá trị tham số của lưới điện 1 pha được VĐK đọc về và tính toán đưa ra hiển thị (0,5

+ Tín hiệu điện áp cần đo là Uđo ; Tín hiệu Uđo CH thường là tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa thành tín hiệu vào mạch số, thông thường từ 0 V đến 5V để vào bộ chuyển đổ tương tự số (0,25 + Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng số qua bộ ADC (n bit) ; giá trị số đầu ra từ 0 đến (2n -1) ( các ADC hayu dùng như 0809-8bit ; ICL 7109-9 bit ; MCP3204-12bit (0,25

+ Giá trị số được đưa vào vi điều khiển để tính toán và hiển thị Nếu sử dụng các họ VĐK AVR hay PIC, đã có sẵn ADC bên trong nên không cần ADC bên ngoài Giá trị số được đưa ra chỉ thị tại chỗ thường dựa trên LED 7 thanh, LCD hoặc màn hình (0,25

(2) Bộ chuyển đổi chuẩn hóa có chức năng chuyển đổi điện áp (1 :

+ Nếu điện áp lớn, thường sử dụng mạch phân áp để giảm điện áp xuống mức cho phép (0,5 :

+ Nếu điện áp nhỏ, sử dụng mạch khuếch đại thuật toán giúp tăng điện áp lên mức cần thiết (0,5 (0,25 Khuếch đại không đảoKhuếch đại đảo

(0,25 Khuếch đại vi saiKhuếch đại vi sai dùng IC chuyên dụng INA

Vvới n là số bit ADC và V

ref là điện áp chuẩn của ADC (0.5 3 là : Tìm mối liên hệ giữa Dout và Uđo

Như vậy khi VĐK đọc được giá trị DoutADC ; VĐK sẽ thực hiện phép tính trên suy ra Uđo và hiển thị lên chỉ thị số hoặc lưu trữ và truyền về trung tâm.

{‘‘} 10 : (3

Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của máy đo dòng điện một chiều hiển thị số kiểu 2 (sử dụng vi điều khiển) thông qua phép đo áp ?

(1) Sơ đồ nguyên lý chung của máy đo dòng 1 chiều hiển thị số kiểu 2 (1

(0,25

+ Tín hiệu dòng cần đo được qua các điện trở Shunt theo phương pháp trực tiếp hoặc qua mạch OPAM với trở kháng vào vô cùng lớn Từ đó chuyển dòng thành áp:

Uđo = Iđo  Rshunt

Do đó việc tính toán dòng điện sẽ được thực hiện dựa trên điện áp Uđo

+ Tín hiệu điện áp cần đo là Uđo ; Tín hiệu Uđo CH thường là tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa thành tín hiệu vào mạch số, thông thường từ 0 V đến 5V để vào bộ chuyển đổ tương tự số.

+ Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng số qua bộ ADC (n bit) ; giá trị số đầu ra từ 0 đến (2n -1) ( các ADC hayu dùng như 0809-8bit ; ICL 7109-9 bit ; MCP3204-12bit (0,25

+ Giá trị số được đưa vào vi điều khiển để tính toán và hiển thị Nếu sử dụng các họ VĐK AVR hay PIC, đã có sẵn ADC bên trong nên không cần ADC bên ngoài Giá trị số được đưa ra chỉ thị tại chỗ thường dựa trên LED 7 thanh, LCD hoặc màn hình (0,25

+ Giá trị Uđo sẽ phụ thuộc trực tiếp vào điện trở Shunt, do đó việc chọn Shunt có độ chính xác cao và độ lớn của shunt phụ thuộc vào tiêu chuẩn Uđo CH cần thiết Nếu Shunt bị giới hạn thì sang bước (2) chuẩn hóa điện áp (0,25

(2) Bộ chuyển đổi chuẩn hóa có chức năng chuyển đổi điện áp (1 :

+ Nếu điện áp lớn, thường sử dụng mạch phân áp để giảm điện áp xuống mức cho phép (0,5 :

+ Nếu điện áp nhỏ, sử dụng mạch khuếch đại thuật toán giúp tăng điện áp lên mức cần thiết (0,5 (0,25 Khuếch đại không đảoKhuếch đại đảo

(0,25 Khuếch đại vi saiKhuếch đại vi sai dùng IC chuyên dụng INA

Vvới n là số bit ADC và V

ref là điện áp chuẩn của ADC (0.5 3 là : Tìm mối liên hệ giữa Dout và Uđo

Như vậy khi VĐK đọc được giá trị DoutADC ; VĐK sẽ thực hiện phép tính trên suy ra Iđo và hiển thị lên chỉ thị số hoặc lưu trữ và truyền về trung tâm.

{‘‘} 11 : (3

Trình bày sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và hoạt động của máy đo đa năng một pha sử dụng IC ADE-7753, đo dòng điện, điện áp, công suất và hệ số công suất cos ?

::::

Sơ đồ khối của máy đo đa năng 1 pha (0.5

+ Đo dòng điện, điện áp, công suất P, Q, S, hệ số công suất của tải 1 pha Trong đó dòng điện, điện áp hiệu dụng, P và S cũng đã được thu thập sẵn trong thanh ghi của ADE, tính hệ số công suất cos = P/S + IC ADE tích hợp bộ ADC, bộ tích phân tích lũy tính công suất, các bộ lọc và tính toán dòng áp hiệu dụng bên trong chíp (0,5

+ Bởi đầu vào của ADE là giá trị xoay chiều, tín hiệu vào ADE dạng áp với Vpeak = 0,5 V Do đó cần phải hạ áp và hạ dòng thông qua biến áp và biến dòng Có thể phân áp trực tiếp để đưa vào ADE mà không cần qua biến áp

+ Tín hiệu dòng được thành áp thông qua điện trở shunt, để tín hiệu không bị nhiễu bởi hài bậc cao, cho qua các bộ lọc lấy tần số lưới điện Các giá trị tham số của lưới điện 1 pha được VĐK đọc về và tính toán đưa ra hiển thị (0,5

Sơ đồ nguyên lý (1

Trình bày nguyên lý của các đầu vào dòng và áp (1

-Đầu vào áp: sử dụng mạch phân áp, tính toán các điện trở (0,5

-Mạch vào dòng, tính chọn biến dòng, chọn shunt, tính áp vào ( 0,5

{‘‘} 12 : (3

Trình bày sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và hoạt động của máy đo dòng điện một chiều 0÷10A kiểu hiển thị số sử dụng ADC0809, VĐK 89S52 Tính toán các thông số trong mạch ?

Sơ đồ khối của máy đo dòng điện (0,5

Chọn Shunt 1  Điệp áp Uđo = 0 ÷ 50V(0,5 Sử dụng mạch phân áp đơn giản UđoCH = 0 ÷ 5V

R1 = 1,5K  biến trở điều chỉnh được Để sao cho UđoCH = 1/10 Uđo (0,25

ADC 0809 8 bít như vậy mối quan hệ giữa điện áp Iđo và Dout đọc được là:

Nhiệt kế này có 4 bộ phận chính là bao nhiệt, ống mao quản, áp kế và cơ cấu đo:

– Bao nhiệt (1) là bộ phận nhạy cảm đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ; đó là một ống đồng thau hoặc thép không gỉ, đầu dưới được nút và hàn kín còn đầu trên hàn nối với ống nhỏ hơn để điều chỉnh độ cắm của bao nhiệt, tiếp sau đó là ống mao quản nối tới áp kế làm thành một hệ thống kín như hình 2.6a Bao nhiệt có đường kính khoảng10-30mm và dài khoảng 100-300mm Kích thước, độ dày của bao nhiệt và vật liệu làm bao nhiệt có ảnh hưởng tới chất lượng của nhiệt kế (0,25

– Ống mao quản (2) là một ống dẫn có lỗ rất nhỏ, làm bằng ống đồng nhỏ hoặc ống thép không gỉ, trong chứa chất lỏng Nếu ống mao quản càng dài và lỗ càng nhỏ thì số chỉ của nhiệt

kế càng chậm Kích thước của ống mao quản thường dài 5-60m, đường kính ngoài khoảng 1-3mm và đường kính lỗ trong khoảng 0,3-1mm Phía ngoài ống mao quản có ống kim loại mềm hoặc lưới kim loại mạ để bảo vệ (0,25

– Áp kế (3) là một ống hình lò xo có tiết diện dẹt hoặc hình bầu dục Đầu cố định được nối thông với ống mao quản, đầu tự do hàn kín và nối với cơ cấu đo (0,25

– Cơ cấu đo (4) gồm đòn bẩy khuếch đại độ xê dịch của đầu tự do khi áp suất bên trong biến đổi.

Tất cả bốn bộ phận trên được nối thành một hệ thống kín có dung tích không đổi (0,25

b) Nguyên lý hoạt động (1

Chất lỏng chứa trong hệ thống kín có dung tích không đổi, khi nhiệt độ thay đổi thì áp suất trong hệ thống kín thay đổi Sự thay đổi áp suất này dẫn tới áp kế hình ống lò xo có xu hướng làm tròn tiết diện và làm hệ thống đòn bẩy kéo kim chỉ thị trên mặt chia độ quay (0,5

Ống hình lò xo có thể là 3/4 đường tròn hoặc xoắn nhiều vòng (hình 2.6b) để tăng thêm độ xê dịch của đầu tự do, cũng có khi áp kế là loại hộp màng kim loại, khi áp suất biến đổi thì màng kim loại xê dịch và làm hệ thống đòn bẩy chuyển dịch (0,5

c) Môi chất sử dụng trong nhiệt kế kiểu áp kế (2

Có 3 kiểu môi chất được sử dụng trong nhiệt kế kiểu áp kế là chất nước, chất khí và hơi bão hoà ứng với mỗi loại môi chất trong hệ thống kín trên ta có nhiệt kế chất nước, nhiệt kế chất khí và nhiệt kế hơi bão hoà.

(i) Nếu môi chất là chất nước (Hg, rượu mêtylic, glixêrin.) (0,5

Dải đo: (-40~550)0C Ưu điểm:

– Quán tính nhỏ.

– Truyền áp suất nhanh.

– Quan hệ P~t tương đối tuyến tính nên chúng có thước chia độ đều Nhược điểm:

– Số chỉ áp kế luôn sai đi một lượng: Dp = 0,1 hg, trong đó: Dp là (+) hoặc (-) tuỳ theo bao nhiệt đặt cao hoặc thấp hơn bộ phận áp kế; h là độ cao chênh lệch; g là trọng lượng riêng của chất nước.

Muốn cho Dp nhỏ thì phải nén chất nước trong hệ thống kín dưới một áp suất tương đối lớn, thông thường áp suất ban dầu là 15~20kg/cm2 thì áp suất lớn nhất của hệ thống kín khi đo lường thường không vượt quá 130~50kg/cm2.

– Mắc phải sai số do nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt kế thay đổi (vì nhiệt độ khi khắc độ khác với nhiệt độ của môi trường tại nơi nhiệt kế đang làm việc) Giảm sai số này bằng cách giảm tỷ lệ Va0/ Vb0 hoặc Vd0/Vb0 trong đó Va0 là thể tích ở nhiệt độ khắc độ của áp kế; Vb0 là thể tích ở nhiệt độ khắc độ của bao nhiệt; Vd0 là thể tích ở nhiệt độ khắc độ của ống mao quản.

(ii) Nếu môi chất là các loại khí trơ như N, He dải đo từ: 0~5000C (0,5

Mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất là: Pt = P0(1 + t); trong đó Pt là áp suất của khí ở t0C, P0 là áp suất của khí ở 0oC,  là hệ số nhiệt áp suất của chất khí.

Ưu điểm: Sai số thuỷ tĩnh nhỏ hơn nhiều so với chất nước Nhược điểm:

– Mắc phải sai số do nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt kế thay đổi (vì nhiệt độ khi khắc độ khác với nhiệt độ của môi trường tại nơi nhiệt kế đang làm việc) Khắc phục bằng cách tăng dung tích bao nhiệt, giảm dung tích ống mao quản và áp kế.

– Quán tính lớn hơn so với quán tính nhiệt kế dùng chất nước.

(iii) Nhiệt kế là hơi bão hòa: (1

Nhiệt kế loại này dùng môi chất có áp suất và nhiệt độ ứng với trạng thái bóo hoà là những trị số nhất định tương ứng với nhau, ví dụ như axêtôn (C3H6O), clorua êtilen (C2H5Cl), clorua mêtil (CH3Cl), , các chất này khi ở thể nước thường rất dễ bay hơi vì điểm sôi thấp Chỉ khi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn của chất lỏng trong bao nhiệt thì chất lỏng đó mới có trạng thái bóo hoà, nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn thì chất lỏng hoàn toàn ở thể hơi không duy trì được quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ vì vậy hạn đo trên của loại nhiệt kế này là thấp hơn nhiệt độ tới hạn Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất của một số hơi bóo hoà như hình 2.7 (0,5

Dải đo: -600C~2500C Ưu điểm: (0,25

– Số chỉ không phụ thuộc môi trường xung quanh

– Kích thước bao nhiệt nhỏ hơn rất nhiều so với các loại nhiệt kế kiểu áp kế khác – Sai số nhỏ hơn và độ nhạy cao hơn so với nhiệt kế kiểu áp kế khác.

Nhược điểm: (0,25

– Quan hệ giữa P~t là phi tuyến Thước chia độ của nhiệt kế không đều, phía nhiệt độ thấp thì vạch chia sát nhau, phía nhiệt độ cao thì vạch chia thưa dần.

– Sai số khi đo nhiệt độ thấp lớn hơn sai số khi đo nhiệt độ cao rất nhiều.

{‘‘} 14 : (4

Trình bày thiết bị đo áp suất kiểu cột chất lỏng ống thủy tinh (áp kế chữ U, áp kế hình chén và vi áp kế ống nghiêng) ?

Áp kế cột chất lỏng ống thuỷ tinh là những thiết bị đầu tiên được sử dụng để đo áp suất Chúng bao gồm: áp kế chữ U, áp kế chén và các vi áp kế.

Nguyên lý làm việc của áp kế này là sự hình thành cột chất lỏng chênh lệch giữa hai mức chất lỏng thông nhau dưới tác động của hai áp suất khác nhau Hiệu số của hai áp suất này được xác định thông qua đọc cột chất lỏng chênh lệch giữa hai mức (0,5

a) Áp kế chữ U (1

Áp kế chữ U là thiết bị đo áp suất tại chỗ Nó có thể sử dụng để đo áp suất dư, áp suất chân không và hiệu áp suất giữa hai môi trường Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của áp kế chữ U được mô tả trên hình 3.1

Cấu tạo cơ bản của nó là một ống thuỷ tinh được uốn cong hình chữ U thường chứa chất lỏng đầy nửa chiều cao của ống và một thang chia độ bảo đảm đọc được cả hai mức chất lỏng ở hai bên Chất lỏng thường được sử dụng là nước hoặc là thuỷ ngân và thỉnh thoảng cả các chất lỏng khác Đường kính bên trong của ống thuỷ tinh không được nhỏ hơn 8-10mm và đồng đều theo chiều dài của ống Khi sử dụng áp kế chữ U phải được lắp đặt theo phương thẳng đứng Để đo áp suất dư hoặc áp suất chân không thì một đầu chữ U được nối với môi trường đo, đầu còn lại thông với khí quyển (0,5 (Hình 0,25

Nếu đo hiệu áp suất thì hai đầu được nối thông với hai môi trường

đo Đơn vị đo áp suất thường được sử dụng là mm cột nước nếu chất lỏng là nước và mm thuỷ ngân nếu chất lỏng trong ống là thuỷ ngân Có thể chuyển đổi đơn vị đo sang pascal, công thức:

P = P1 + P2 = h.g. (Pa)

nếu môi trường phía trên hai bề mặt dịch thể có khối lượng riêng nhỏ Trong đó: h – cột dịch thể chênh lệch giữa hai mức (h = h1 + h2), (m);

g – gia tốc trọng trường địa phương (m/s2);

 – khối lượng riêng của chất lỏng trong ống (kg/m3).

Nếu môi trường phía trên hai bề mặt chất lỏng có khối lượng riêng lớn thì công thức chuyển đổi có dạng:

P = hg( –m) (Pa)

Trong đó: m – khối lượng riêng môi trường trên bề mặt dịch thể (kg/m3) Dải đo: 1at.

Sai số cơ bản của áp kế chữ U là do kết quả tính đọc áp suất đo được Khi độ chia của thang là 1mm thì sai số tổng cộng đọc được sẽ là 2mm Giá trị tỷ trọng của dịch thể lấy trong các bảng chuẩn so với sai số không vượt quá 0,005%, nghĩa là có thể bỏ qua (0,5

b) Áp kế chén (1

Áp kế chén hay còn gọi là áp kế một ống có sơ đồ nguyên lý cấu tạo mô tả trong hình 3.2 bao gồm một bình hình trụ nối thông với một ống thuỷ tinh và một thang chia độ Diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều diện tích của đường ống Dịch thể được chứa trong bình sao cho mức của nó

P1

nằm trong ống ngang chỉ số 0 trên thang chia độ Áp kế chén có thể dùng để đo áp suất dư nếu miệng bình được nối thông với môi trường đo còn miệng ống thuỷ tinh thông với khí quyển Để đo chân không thì ngược lại, miệng ống nối với môi trường đo còn miệng bình thông với khí quyển Khi đo hiệu áp suất của hai môi trường thì áp suất lớn hơn được nối thông với miệng bình, còn áp suất bé hơn nối thông với miệng ống (0,5

Khi đo thì mức chất lỏng trong ống tăng lên, còn trong bình giảm xuống Giả sử dưới tác động của áp suất mức chất lỏng trong ống tăng lên h1 so với mức 0 và trong bình giảm xuống h2 thì chiều cao cột chất lỏng tương ứng với áp suất đo được sẽ là:

trong đó: d – đường kính của ống (m);

D – đường kính trong của bình (m).

Ưu điểm cơ bản của áp kế chén là chỉ đọc được một giá trị mức Như vậy nếu độ chia của thang là 1mm thì sai số đo là ± 1mm Trong trường hợp không tiến hành hiệu chỉnh chỉ số đo do mức chất lỏng trong bình giảm xuống thì sai số của phép đo là ± (1 +

Vi áp kế ống nghiêng sử dụng để đo các giá trị áp suất nhỏ với độ chính xác cao Nó có thể sử dụng để đo áp suất dư, chân không hoặc hiệu áp suất Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của vi áp kế nghiêng được mô tả trên hình 3.3 Về cơ bản vi áp kế ống nghiêng có cấu tạo tương đương như áp kế hình chén Sự khác nhau cơ bản ở đây là ống thuỷ tinh có khắc độ mm có thể quay quanh trục 0 để tạo nên những trục nghiêng cần thiết nhằm mục đích nâng cao độ chính xác của phép đo khi đo những áp suất nhỏ Chất lỏng được sử dụng trong vi áp kế nghiêng thường là cồn chứa đầy trong bình lớn đến ngang mức 0 trong ống thuỷ tinh

Vi áp kế ống nghiêng có thể sử dụng để đo áp suất dư khi môi trường đo được nối thông với miệng bình lớn còn miệng ống thuỷ tinh thì thông với khí quyển Nếu đo chân không thì miệng ống thuỷ tinh được nối thông với môi trường đo còn miệng bình thông với khí quyển Khi đo hiệu áp suất của hai môi trường thì miệng bình lớn được nối thông với môi trường có áp suất lớn còn môi trường có áp suất nhỏ được nối thông với ống thuỷ tinh (0,5

Hình 3.2: áp kế hình chén P2

h1

trong đó: n là độ dài cột dịch thể trong ống nghiêng  là góc nghiêng của ống thuỷ tinh.

Nếu F1 là diện tích của thiết diện trong ống; F2 là diện tích của thiết diện trong bình thì ta có:

Trình bày nguyên lý hoạt động, nêu phạm vi ứng dụng và ưu nhược điểm của Nhiệt kế dãn nở chất nước ?

::::

Đó là thiết bị ra đời sớm nhất Cấu tạo chính của loại này là một ống thủy tinh hoặc thạch anh, trong đựng thủy ngân hoặc chất nước hữu cơ nên còn gọi là nhiệt kế thủy tinh – thủy ngân hay nhiệt kế thủy tinh – chất hữu cơ (gọi tắt là nhiệt kế thủy ngân hay nhiệt kế chất hữu cơ) (0,5

Cấu tạo của ống thủy tinh gồm: (1

Bao nhiệt: là bầu đựng chất nước đo nhiệt độ, nó trực tiếp tiếp xúc với môi trường cần đo nên nhiều khi phải tăng bề mặt nhận nhiệt của bao nhiệt để được số đo nhanh chóng hơn, chính xác hơn.

Ống mao quản: là 1 ống có lỗ rất nhỏ nối tiếp với bao nhiệt, khi nhiệt độ tăng thì chất nước trong bao nhiệt dãn nở dâng lên trong ống mao quản nên nhờ độ cao cột chất nước mà biết được nhiệt độ.

Đoạn dự phòng: là phần trên cùng của mao quản hay là một

túi có dung tích lớn hơn để chứa chất nước dãn nở khi nhiệt độ vượt quá phạm vi đo cuả nhiệt kế nhờ đó mà tránh được nhiệt kế không bị vỡ (hình 2.5) (0,5

Do ống thủy tinh dãn nở rất ít vì hệ số dãn nở của thủy tinh thông thường là 0,02 10–3 o 1

C còn chất nước bên trong có hệ số dãn nở rất lớn so với thủy tinh nên loại nhiệt kế này cho kết quả đo rất nhanh và chính xác Hệ số dãn nở của thủy ngân là 0,18.10–3 o

C còn hệ số dãn nở tương đối so với thủy tinh là 0,16 10–3 o

C Tuy hệ số dãn nở không lớn như các chất hữu cơ nhưng thủy ngân không dính vào vách ống, khó oxi hoá, dễ kiếm nguyên chất và phạm vi nhiệt độ ứng với thể nước của nó khá rộng vì ở khí áp tiêu chuẩn Hg có điểm đông là –38,360C và điểm sôi là 3560C nên nhiệt kế thủy ngân khá thông dụng Ở nhiệt độ dưới 200OC, thể tích dãn nở thêm của thủy ngân gần như tuyến tính với nhiệt độ nên nhiệt kế thủy ngân sử dụng rộng rãi hơn các nhiệt kế hữu cơ.

Nhiệt kế Hg đo dưới 100OC thì trong ống thủy tinh không cần nạp khí, còn để đo nhiệt độ cao hơn nhất là muốn nâng cao hạn đo trên thì phải nâng cao điểm sôi của nó bằng cách nạp khí trơ (ví dụ khí N, He) và nén dưới áp suất cao, trong trường hợp này phải dùng thủy tinh chịu được nhiệt độ và áp suất cao hay dùng thạch anh thì tốt hơn (0,5

Để đo nhiệt độ thấp có thể ở –200OC thì người ta hay dùng loại nhiệt kế chất hữu cơ vì điểm đông và điểm sôi thấp Tuy hệ số dãn nở của nó gấp khoảng 6 lần của Hg song nó lại biến đổi theo nhiệt độ nên độ chia của nhiệt kế không đều Mặt khác do chất hữu cơ dễ bám vào vách ống, nhiệt dung lớn gấp 12 lần của Hg nên quán tính nhiệt lớn, xử lý chậm, khó chính xác và đồng thời khó kiếm nguyên chất nên người ta ít dùng.

Tóm lại nhiệt kế dãn nở chất nước rất đơn giản, rẻ tiền, sử dụng dễ dàng, thuận tiện và tương đối chính xác nên được dùng khá phổ biến Tuy nhiên do tác động chậm nên không thích hợp với môi trường có nhiệt độ biến đổi nhanh, khó đọc kết quả khi đo, dễ vỡ, không tự ghi lại được số đo tại chỗ không đưa số đo đi xa được và không thích ứng với nhiều đối tượng cần đo (Ví dụ: muốn đo nhiệt độ chất rắn, đo nhiệt độ tại một điểm, 1 mặt ) (0,5

Sai số của nhiệt kế dãn nở chất nước.

Có rất nhiều nguyên nhân làm cho kết quả đo bị sai lệch nhưng yếu tố chính làm cho nhiệt kế chất nước bị sai lệch là: (0,5

* Do sự xê dịch điểm không: Do thuỷ tinh có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt độ nên sau khi chế tạo và trong quá trình sử dụng nhiệt kế bị nóng làm vỏ mềm đi trong một thời gian dài thì các phần tử ở mặt ngoài bị biến dạng, do đó sức chứa của bao nhiệt bị biến dạng nên vị trí điểm không bị lệch khỏi vị trí điểm không ban đầu Để giảm sai lệch điểm không này thì phải làm ‘già’ nhiệt kế bằng cách đem gia nhiệt tới trị số nhiệt độ cao nhất của thước chia độ rồi làm nguội dần tới nhiệt độ không khí, lặp đi lặp lại quá trình đó nhiều lần liên tiếp thì sau đó dung tích của bình ít thay đổi hơn theo nhiệt độ, đáp ứng được sai số cho phép.

* Do nhiệt kế cắm quá nông nên phần cột chất nước lẽ ra phải nằm trong môi trường của nhiệt độ cần đo t0 thì lại ở ngoài do đó không dãn nở đủ mức, chỉ số nhiệt độ trên nhiệt kế thấp hơn nhiệt độ thực cần đo Để hiệu chỉnh sai số cách này thì ta nên cắm theo đúng chỉ dẫn của thiết bị hoặc hiệu chỉnh bằng cách nhân thêm hệ số k phù hợp.

* Quán tính do chất nước lớn bám vào thành ống do đó có thể xảy ra khi nhiệt độ biến đổi làm cho chất nước lên xuống đột ngột Vách ống hay chất nước bị bẩn cũng gây ra ảnh hưởng trên càng nghiêm trọng Để giảm bớt sai số thì trong quá trình đo và đọc số liệu cần làm cho vách của ống không còn chất nước bám vào vách nữa

Ngoài ra còn rất nhiều sai số như do quán tính nhiệt lớn, do độ chia không chính xác, thước chia độ bị xê dịch, nên khi sử dụng nó cần phải đặc biệt chú ý tới sai số gây bởi cách lắp đặt, do chủ quan của người sử dụng thiết bị vì nếu làm sai số kết quả đo thành phần thì dẫn đến sai số kết quả đo lớn nên kết quả đo này không đủ tin cậy Phương pháp này rất khó dẫn tín hiệu đi xa (0,5

Điện trở là một đặc tính của vật liệu có quan hệ với nhiệt độ Nếu xác định được mối quan hệ này thì chỉ cần đo điện trở là biết được nhiệt độ của vật liệu Hay có thể nói theo cách khác là:

Đo nhiệt độ dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và vật dẫn hoặc vật bán dẫn Giả sử quan hệ đó là: Rt = f(t)

Biết được mối quan hệ này ta suy ra nhiệt độ cần đo b) Một số đặc điểm (0,5

– Dùng nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ có thể đạt dược độ chính xác tới 0,02 0C – Cách đo này dễ đưa số liệu đi xa.

– Nếu là nhiệt kế điện trở làm bằng kim loại thì thường đo nhiệt độ trong khoảng (–200 – 650)oC và nếu đo nhanh trong một khoảng thời gian ngắn thì có thể tới 1200oC.

– Nếu nhiệt kế điện trở làm bằng bán dẫn thì thường đo trong khoảng nhiệt độ (–50 đến 250)0C.

2-Các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu dùng chế tạo nhiệt kế điện trở (1

– Hệ số nhiệt độ của điện trở lớn, tức là độ biến đổi điện trở của 1 đơn vị điện trở khi nhiệt độ biến