Báo cáo thí nghiệm môn học Đo lường nhiệt

Dụng cụ và thiết bị  Cặp nhiệt: để đo nhiệt độ  Biến áp tự ngẫu: là một loại máy biến áp, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

MÔN HỌC: Đo Lường Nhiệt

Thành viên :

Nguyễn Xuân Phúc-20214772

Lê Anh Đức -20214645 Nguyễn Duy Anh -20214586 Trần Huy Dũng -20214619

Mã lớp thí nghiệm: 735822

Gv hướng dẫn: Vũ Thu Diệp

Hà Nội, tháng 12 năm 2023

Dây nung Vật liệu chịu nhiêt

2

Bài 1 Đo nhiệt độ (135 phút)

I Mục đích thí nghiệm

- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo của các thiết bị trong bài thí nghiệm

- Đo nhiệt độ của lò điện trở theo điện áp cấp vào (110V) ở các chế độ động và tĩnh

- Đánh giá về độ chính xác của các cặp nhiệt sử dụng trong bài thí nghiệm

II Dụng cụ và thiết bị

 Cặp nhiệt: để đo nhiệt độ

 Biến áp tự ngẫu: là một loại máy biến áp, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không đổi

 Lò điện trở: là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng

 Volmét, Milivolmét: là các thiết bị đo điện áp

 Khóa K: là thiết bị để chuyển mạch

II.1 Lý thuyết về lò điện trở

1 Cấu tạo

Vật liệu cách nhiệt Vỏ lò

Hình 1 Hình vẽ cấu tạo lò

Lò điện ống được làm bởi một ống sứ chịu được nhiệt độ cao bên ngoài quấn dây Ni - Cr, ở hai đầu ống thì quấn dày hơn Ống sứ được đặt trong một ống gốm chịu nhiệt bên ngoài có bảo ôn Miệng lò được bịt bằng amiang đã sấy khô để giữ kín nhiệt độ trong lò ổn định tránh không khí lạnh lọt vào

Lò điện trở có ba phần chính: Vỏ lò, Lớp lót và dây nung

a

Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò và mặt khác cũng dùng để cách nhiệt và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò

b

Lớp lót

Lớp lót lò gồm hai phần: Vật liệu chịu lửa và cách nhiệt

Phần vật liệu chịu lửa có thể xây dựng bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò.Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính kết gọi là các khối dầm Khối dầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn

- Phan vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau

+ Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò

+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc

+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc

+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn

+ Có đủ độ bền hóa học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò

và ảnh hưởng của vật nung

+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ

Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa.Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt Riêng đối với đáy, phần cách

nhiệt đòi hỏi có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu

-Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là

+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu

+ Khả năng tích lũy nhiệt cực tiểu

+ Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

Phần cách nhiệt có thể xây dựng bằng gạch cách nhiệt , có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt

c

Dây nung

Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại: Dây nung kim loại và dây nung phi kim loại

Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại

Trong các lò điện trở thường dùng dây nung kim loại dạng băng và dây nung tròn Trong phòng thí nghiệm thì thường dùng dây nung bằng hợp kim Ni-Cr dạng xoắn

Hiện nay trong phòng thí nghiệm Tự Động Hóa, Khoa Năng Lượng Nhiệt, Trường Cơ Khí, ĐHBKHN có trang bị một lò điện ống kiểu xoay sản xuất năm

1962 tại nhà máy ΛЭTOЭTOTO thuộc thành phố Tula, Liên Xô

- Kiểu T - 40/600, điện áp đầu vào là 220V

- Nhiệt độ định mức: 1200 0C, công suất 1,6 kW

- Lò này có chiều dài 660 mm, đường kính ngoài 260mm Đường kính trong 40mm Bên trong có bộ phận đốt bằng dây Ni – Cr

2 Nguyên lý làm việc

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:

Q  I 2RT

Trong đó :

(1.1)

Q-Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)

I-Dòng điện tính bằng Ampe

(A) R-Điện trở tính bằng Ôm

(Ω))

T-Thời gian tính bằng giây (s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:

-Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

-Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp

Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản (Tiết diện chữ nhật, vuông và tròn)

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp.Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò

II.2 Lý thuyết về máy biến áp tự ngẫu

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện

ừ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một

hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không đổi

Máy biến áp tự ngẫu hay còn được gọi là máy tự biến áp Máy biến áp tự ngẫu là máy biến áp có dây quấn điện áp thấp là một bộ phận của dây quấn điện

áp cao Về cấu tạo và nguyên lý làm việc máy biến áp tự ngẫu tương tự máy biến áp thông thường chỉ khác cách đấu dây giữa hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

Cấu tạo máy biến áp bao gồm 3 bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy

a Lõi thép

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp

Lõi thép dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm hai phần là trụ và gông Trụ T là phần để đặt dây quấn còn gông G là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín

b Dây quấn máy biến áp

Dây quấn máy biến áp thường làm bằng dây đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi thép đều có cách điện Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

c Vỏ máy biến áp

Vỏ máy biến áp làm bằng thép bao gồm hai bộ phận là thùng và nắp thùng

- Thùng máy biến áp: Trong thùng đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp Dầu biến áp làm tăng nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt Lúc máy biến áp

làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt

từ các bộ phận bên trong máy biến áp sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

- Nắp thùng: Dùng để đậy thùng và các bộ phận quan trọng như:

 Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp

 Bình dãn dầu (bình dầu phụ)

 Ống bảo hiểm

II.3 Lý thuyết về nhiệt kế cặp nhiệt

- Cấu tạo của cặp nhiệt

Cặp nhiệt cấu tạo bởi hai dây dẫn khác

loại A, B hàn với nhau ở 1 đầu gọi là điểm

nóng hay là điểm làm việc đặt tại nơi cần đo

nhiệt độ, đầu kia không hàn nối vào thiết bị đo

gọi là điểm lạnh hay điểm nguội Cặp nhiệt

còn có tên là pin nhiệt điện vì nó là nguồn phát

ra sức nhiệt điện động Sức điện động phát ra

từ cặp nhiệt được đo bằng thiết bị đo điện áp

nhỏ ví dụ milivolmét

mV

Hình 3 sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt

- Nguyên lý đo nhiệt độ của nhiệt kế nhiệt điện

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất Phương pháp đo nhiệt độ này dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện

- Trong các vật dẫn điện thì mật độ điện tử tự do phụ thuộc vào nhiệt độ

và đặc tính của loại vật dẫn đó Một dây dẫn đồng chất A có nhiệt độ đều nhau thì mật độ điện tử tự do ở mọi nơi A

trong dây dẫn đều như nhau; nếu hai

đầu dây dẫn có nhiệt độ khác nhau

thì đầu nhiệt độ cao sẽ có mật độ

điện tử lớn hơn đầu có nhiệt độ thấp

T 1 > T 0

eB(T,To) B

eAB(T)

eAB(T0 )

nên điện tử tự do từ đầu có nhiệt độ cao sẽ chạy về đầu có nhiệt độ thấp do đó đầu nhiệt độ thấp có điện tích âm còn đầu có nhiệt độ cao mất điện tử tự do nên

có điện tích dương Vì vậy mà hình thành một điện trường chống lại sự di chuyển của điện tử tự do Điện trường đó tăng dần nên tác dụng chống lại sự di chuyển của điện tử tự do cũng tăng dần cho tới khi nào tốc độ di chuyển của điện tử tự do và tốc độ kéo điện tử tự do ngược chiều di chuyển có cân bằng mới thôi Lúc đó có trạng thái cân bằng động, giữa hai đầu vật dẫn có xuất hiện một sức điện động eA(T,To)

- Nếu có hai bản dây dẫn A,B nối với nhau và 2 đầu nối có nhiệt độ T và

To khác nhau thì ngoài các suất điện động xuất hiện trên hai bản dây dẫn sẽ xuất hiện thêm hai suất điện động (sđđ) nhỏ eAB(T) và eAB(To) giữa hai đầu nối mà chỉ phụ thuộc vào 1 nhiệt độ tại đầu tiếp xúc

A

e A (T,T o )

Khi đó suất điện động tổng là:

E  EAB(T)  EAB(To )

E∑ đặc trưng cho EAB(T,To)

Vậy :

EAB(T, To )  E  EAB(T)  EAB(To )

Biểu thức tính sức điện động trên gồm hai thành phần, thành phần EAB(T) phụ thuộc vào nhiệt độ T và thành phần EAB(To) phụ thuộc vào nhiệt độ To Nếu tách rời hai dây dẫn tại đầu lạnh có nhiệt độ To thì sẽ đo được sức điện động

EAB(T,To), biết được To thì từ EAB(T,To) sẽ biết được T Hai dây dẫn A, B cấu tạo như trên được gọi là cặp nhiệt

Sức nhiệt điện động EAB(T,To) là một nguồn sức điện động có cực dương

là đầu tự do của cực nhiệt điện có mật độ điện tử tự do lớn, cực âm là đầu tự do của cực nhiệt điện có mật độ điện tử tự do nhỏ Người ta không dùng tính toán

để xác định EAB(T,To) mà dùng thực nghiệm và cho biết sức nhiệt điện động đó dưới dạng bảng số, công thức thực nghiệm hoặc đường cong thực nghiệm

III Nội dung thí nghiệm

Đo nhiệt độ trong lò điện ống bằng cặp nhiệt

IV Trình tự thí nghiệm

1 Trước khi thí nghiệm cần phải tìm hiểu kỹ về thiết bị đo sử dụng trong bài thí nghiệm Thực hiện thứ tự các bước sau đây:

Bước 1: Tiến hành chọn điện áp ra của biến áp tự ngẫu là 110V bằng cách:

- Chọn điện áp ra của biến áp tự ngẫu là 110V (điều chỉnh nút vặn ở vị trí 110V)

- Cấp nguồn điện cho máy biến áp tự ngẫu (đóng điện vào vị trí 7 và 8) Chú ý yêu cầu cán bộ hướng dẫn thí nghiệm kiểm tra lại và đóng nguồn điện cấp cho biến áp tự ngẫu

- Kiểm tra đầu ra của biến áp tự ngẫu xem có đúng là 110 V không bằng cách sử dụng Volmét (sử dụng Volmét đo điện áp ở các vị trí 5,6)

- Nếu như kiểm tra xong, ngắtt nguồn điện cấp cho biến áp tự ngẫu Tiến hành bước 2

Bước 2: Cắm các cặp nhiệt 1 và 2 vào lò điện ở phía 2 đầu (vị trí 1 và 2), ước

chừng vị trí của cặp nhiệt sao cho đầu nóng của 2 cặp nhiệt này gần nhau nhất có thể

Bước 3: Nối dây các thiết bị trong bài thí nghiệm

- Tiến hành nối dây từ các cặp nhiệt 1 và 2 đến các vị trí 9,10 của khóa K như hình vẽ, chú ý các cực

- Nối dây từ đầu ra của biến áp tự ngẫu (vị trí 5,6) tới đầu cấp nguồn cho lò điện (vị trí 3,4)

Kết thúc 3 bước này, yêu cầu người hướng dẫn kiểm tra lại mạch điện trước khi đóng điện

Bước 4:

Đóng nguồn điện cấp cho máy biến áp tự ngẫu Sau khi đóng nguồn điện cho máy biến áp tự ngẫu, thực hiện các công việc sau:

- Quan sát giá trị điện áp ra biến áp tự ngẫu bằng Volmét.

- Sau bước 1 (tức là đã cấp nguồn cho máy biến áp tự ngẫu) cứ 5 phút một lần đọc giá trị sức điện động ra của cặp nhiệt 1 và 2 bằng Milivolmét, chuyển mạch giữa các cặp nhiệt bằng khóa K Đọc 20 giá trị

- Các kết quả ghi vào bảng 1

V Viết báo cáo

Hình 4 Sơ đồ nối dây các thiết bị trong bài thí nghiệm

Ghi chú:

Các ký hiệu + và – là các cực âm và dương của thiết bị

1,2 là các 2 đầu của lò điện để cắm cặp nhiệt

3,4 là các đầu cấp nguồn điện cho lò điện

5,6 là các đầu ra của máy biến áp tự ngẫu, cũng là đầu đo của Volmét

7,8 là các đầu vào của máy biến áp tự ngẫu

9, 10 là vị trí của khóa K khi đo sức điện động ra của cặp nhiệt 1, 2

BẢNG ĐO NHIỆT ĐỘ STT

(phút)

E1

(mV)

E2

(mV) (C)T

Ghi chú:

 T là khoảng thời gian tính từ thời điểm đọc giá trị đầu đến các thời điểm đọc tiếp theo

 T1 là nhiệt độ đo được từ cặp nhiệt 1

 T2 nhiệt độ đo được từ cặp nhiệt 2

 T = |T1 – T2| là sai lệch về nhiệt độ đo được giữa 2 cặp nhiệt

Hình 5: Quan hệ giữa s.n.đ.đ E1 và nhiệt độ T của cặp nhiệt

Hình 6: Quan hệ giữa s.n.đ.đ E2 và nhiệt độ T của cặp nhiệt

**Nhận xét: + Với cặp nhiệt E1 , số liệu đo được chênh lệch khá lớn, từ 200℃ đến

300℃ thì các số liệu đo được chưa ổn định, từ 300℃ trở đi số liệu đo được tương đối

ổn định và có sự tuyến tính

+ Với cặp nhiệt E2, ta thấy rằng số liệu chênh lệch nhau không lớn, đồ thị gần như tuyến tính với dải đo về sau khi ổn định

+ Sự sai lệch ở đây là do các cặp nhiệt dễ bị đóng vẩy và xuất hiện mùi khét khi đo lên tới nhiệt độ cao sau các lần thí nghiệm khiến cho khả năng làm việc của cặp nhiệt bị hạn chế; Trong quá trình đo, việc mỗi lần chờ số liệu đo ổn định 1 chút thời gian gây ra những sai số nhất định, sau nhiều lần đo sai số tích lũy thêm

Bài 2 Đo áp suất (180 phút)

I Mục đích thí nghiệm

- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo của các thiết bị trong bài thí nghiệm

- Đánh giá độ chính xác của các đồng hồ đo áp suất có trong phòng thí nghiệm

II Dụng cụ và thiết bị

 Bàn áp kế pittông: để tiến hành thí nghiệm hiệu chỉnh đánh giá độ chính xác của các đồng hồ đo áp suất

 Các quả cân: tạo ra một áp suất chuẩn (coi là chuẩn bậc 1) tương ứng với trọng lượng của chúng

 Đồng hồ đo áp suất chuẩn: là đồng hồ đo áp suất có độ chính xác cao, coi

là dụng cụ chuẩn bậc 2 để đánh giá các đồng hồ có độ chính xác thấp hơn Đồng hồ này được đặt sẵn trên bàn áp kế pittông

 Các đồng hồ đo áp suất: là các thiết bị cần được kiểm định và đánh giá về

độ chính xác

 Dầu Tuabin: là môi chất làm việc của bàn áp kế

Lý thuyết về bàn áp kế pittông

a Cấu tạo

Pittông 2 cùng với đĩa 3 và các quả cân 4 di chuyển bên trong xi lanh 1.

Môi chất làm việc là: dầu hỏa, dầu biến thế, dầu tuabin hoặc các loại dầu khoáng khác.

5 là hệ thống van và phễu để nạp chất lỏng vào trong xi lanh.

6 là xi lanh, 8 là máy nén dầu quay tay để đẩy chất lỏng vào trong xi lanh của áp kế.

7 là áp kế cần kiểm tra.

9 là van xả chất lỏng.

10, 11, 12 là các van chặn

b Nguyên lý hoạt động

Áp suất cần đo hoặc áp suất tạo ra được cân bằng với áp suất gây bởi trọng lượng của pittông, đĩa và quả cân nằm trên nó

Áp suất tạo ra từ các quả cân trên đĩa là:

P = m pt+m qc

Trong đó: Shd là diện tích hiệu dụng của pittông, bằng diện tích của pittông

cộng với 1/2 diện tích khe hở giữa pittông và xi lanh

mpt+d là khối lượng của pittông

và đĩa mqc là khối lượng các quả cân

g là gia tốc trọng trường

III Nội dung thí nghiệm

Đo áp suất bằng đồng hồ đo áp suất, giá trị chuẩn của áp suất được xác định

là có giá trị tương ứng với trọng lượng các quả cân Đánh giá về độ chính xác của các đồng hồ đo áp suất

BẢNG ĐO ÁP SUẤT

STT KHỐI LƯỢNGQUẢ CÂN (0:25Bar)P1 (0;100Kg)P2 ΔP(Kg/cm²)P(Kg/cm²)

Bài 3 Đo lưu lượng và đo mức chất lỏng

(135 phút)

I Mục đích thí nghiệm

- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo của các thiết bị trong bài thí nghiệm

- Tiến hành lắp đặt, kiểm tra các thiết bị đo lưu lượng và đo mức

II Dụng cụ và thiết bị

 Đo mức siêu âm

 Đo lưu lượng kiểu tuabin

 Đo mức ống thủy

 Đo mức kiểu phao

III Nội dung thí nghiệm

Hình 4.1 S đồ hoạt động của hệ

thống