ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 2 - 55 - 2.5. SAI Số NHIệT Độ THEO PHƯƠNG PHáP TIếP XúC Giả sử đo nhiệt độ trong môi trờng có nhiệt độ t, bộ phận nhạy cảm sẽ cho số chỉ của nhiệt độ môi trờng, nhng thực chất đó không phải là nhiệt độ môi trờng, vì do sự trao đổi nhiệt giữa môi trờng và bộ phận nhạy cảm có tổn thất. Sự trao đổi nhiệt giữa bộ phận nhạy cảm và môi trờng dới 3 hình thức Q 1 , Q 2 , Q 3 . Q 1 là nhiệt lợng mà bộ phận nhạy cảm nhận của môi trờng. Tổng quát Q 1 có thể do bức xạ, dẫn nhiệt hoặc đối lu. Trong một số trờng hợp do sự biến động năng do va chạm. Ngoài ra còn có thể do các phản ứng hóa học hay lý học kèm theo tỏa nhiệt. Q 2 là nhiệt lợng do bộ phận nhạy cảm bức xạ đến môi trờng. Q 3 là nhiệt lợng mất mát do dẫn nhiệt ra ngoài. Khi cân bằng : Q 1 = Q 2 + Q 3 Muốn đo chính xác thì cần phải làm sao cho Q 2 và Q 3 ít nhất và sự thu nhiệt Q 1 nhanh nhất. 2.5.1. Đo nhiệt độ dòng chảy trong ống * Điều kiện để xét bài toán gồm - Bộ phận nhạy cảm không có vách lạnh - môi chất có nhiệt độ không quá cao - tản nhiệt ở phần l 2 nhỏ => Q 1 = Q 2 (Q 3 nhỏ). Gọi là độ chênh nhiệt độ giữa đầu đo và môi chất l 1 . 1 .u 1 . 1 = 1 2 1 1 2 11 . l dx d F Phần ngoài l 2 . 2 .u 2 . 2 = 2 2 2 2 2 22 . l dx d F 1 - Hệ số tỏa nhiệt của môi chất trong ống đối với ống đo nhiệt độ. 2 - Hệ số tỏa nhiệt của ống đo nhiệt độ đối với môi chất bên ngoài. u 1 , u 2 - Là chu vi tiết diện ống đo ở phần trong và ngoài. F 1 , F 2 - Diện tích tiết diện ống đo ở phần trong và ngoài. 1 , 2 - Độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt ống đo với môi chất ở trong và ngoài. 1 , 2 - Hệ số dẫn nhiệt của các đoạn ống đo ở trong và ngoài Q3 Q2 Q1 Q1 d2 d1 Q3 l2 l1 t'1 t'2 Q2 to t1 t2 dx2 dx1 1 x1 2 x2 d1 ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 2 - 56 - Điều kiện biên: x 1 = 0 0 1 1 1 =x dx d = 0 x 2 = l 2 2 2 2 2 lx dx d = = 0 Nếu giữa vách ống và đầu đo không có dẫn nhiệt thì ta có : 0 1 1 1 =x dx d = 2 2 2 2 lx dx d = => 11 1 lx = + 0 2 2 =x = (t o - t w ) + (t w - t 3 ) = t o - t 3 (tính chất liên tục của ) Từ các điều kiện trên ta giải ra đợc : 1 = ( ) ( ) )()] ().(.[ 11221112 3011.2 lbShlbchblbchb ttxbchb + b 1 = 11 11 .F u b 2 = 22 22 .F u Ta cần tìm 0 1 1 =x ( tâm dòng chảy) a/ Đối với cặp nhiệt: Khi thay x 1 = 0 vào công thức trên 1 = )].() (1)[.( 2211 2 1 11 30 lbchlbth b b lbch tt ++ Từ kết quả đó ta rút ra các kết luận sau : - Khi đo (to - t 3 ) càng lớn thì sai số 1 càng lớn và dấu của sai số phụ thuộc vào nhiệt độ môi chất trong và ngoài ống. - Vì Q 3 0 nên sai số 1 bao giờ cũng 0. Vậy bao giờ cũng xuất hiện sai số đo. - Nếu tăng l 1 và giảm l 2 thì sẽ giảm đợc 1 . - Nếu tăng b 1 (tăng 1 , tăng u 1 giảm F 1 & 1 ) thì 1 giảm. - Nếu giảm b 2 thì cũng giảm đợc sai số 1 . b/ Đối với nhiệt kế điện trở: = l dx l 0 111 . 2 l : chiều dài của đoạn điện trở ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 2 - 57 - c/ Đối với nhiệt kế thủy tinh: l 2 = 0 x 1 = 0 thì 1 1 dx d = 0 x 1 = l 1 thì 1 = t o - t 2 ).( 11 20 01 1 lbch tt x = = Vậy khi dùng NK thủy tinh để đo môi chất chảy trong ống mà ống bảo vệ không có phần ngoài ống, cặp nhiệt tốt thì sai số đó rất nhỏ. 2.5.2. Đo nhiệt độ khi gần ống đo có vách lạnh Trong thực tế ta thờng đo nhiệt độ của dòng môi chất mà gần nó có những vật có nhiệt độ thấp hơn nhiều. Do đó sự hấp thụ nhiệt từ ống đo đến các bề mặt này (Q 2 ) tăng, mà Q 1 = Q 2 + Q 3 Do đó cần phải giảm Q 3 càng nhỏ càng tốt Các cách làm giảm sai số đo : - Tạo vách chắn để buộc dòng phải qua toàn bộ l 1 - Bảo ôn phần l 2 nhằm giảm Q 3 - Dùng màng chắn nhiệt (giảm Q 2 ) Dùng vách chắn Do có vách chắn và xem Q 3 = 0 Q 1 = Q 2 hay 1 . u 1 . 1 dx 1 = C o . u 1 . 1 4 1 4 1 ])[( dxTT o 1 - Hệ số tỏa nhiệt của khí đến ống đo T 1 - Nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt lạnh T o - Nhiệt độ tuyệt đối của dòng khí C o - Hệ số tỏa nhiệt bức xạ = + 1 11 1 22 1 F F T T - độ đen bề mặt ống đo nhiệt F 1 - diện tích ống đo nhiệt đặt nằm trong (không kể phần ngoài) 2 , F 2 - độ đen và bề mặt nhận nhiệt Do ( F 1 << F 2 ) nên = T Trong trờng hợp 1 , u 1 , đều không phụ thuộc vào x 1 (chiều dài ống) thì ta có 1 . 1 = C o . ])[( 4 1 4 1 TT o Q 3 = 0 nên 1 = T o - T 1 . (T o - T) = C o . ][ 4 1 4 TT Mạt đồng t o t2 ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 2 - 58 - [ ] [ ] 4 1 4 1 1 4 1 4 1 0 0 . TT C TT C TT == C 1 - hệ số tỏa nhiệt bức xạ của ống đo và = C 0 . T Ví dụ: Nếu t = 500 o C , t 1 = 400 o C, 1 = 25 kCal/m 2 h.K, C 1 = 4.10 -8 kCal/ m h.K 4 Thì T o - T = 243 C T o = 748 C ( 1 =248 o C) Trong thực tế thờng không tính toán theo công thức trên vì rất khó xác định đợc C 1 , 1 , t 1 Thực tế ngời ta giảm sai số bằng phơng pháp sau: Dùng màng chắn nhiệt: 1 1 C TT o = )( 4 3 4 TT C 1 - Tính cho cả hệ đầu đo và màng chắn. Vì màng chắn gần đầu đo => T 3 = T => Sai số đo giảm. Giảm C 1 : bằng cách mạ (hoặc làm nhẵn) phía trong màng chắn. Dựa vào phơng trình cân bằng nhiệt của màng chắn ta tính đợc T 3 3 F ( T o - T 3 ) + C 1 F 1 (T 4 - T 3 4 ) = C 3 F 3 (T 3 4 - T 1 4 ) F = 2F 3 là bề mặt truyền nhiệt đối lu. 3 - hệ số tỏa nhiệt đối lu của khí đến màng chắn (ống che) Ví dụ: màng chắn có d 3 = 10. d 1 (d 1 : đờng kính ống đo) C 1 = 0,3.10 -8 kCal/ m h.K 4 C 3 = 4.10 -8 kCal/ m h.K 4 1 = 53C 3 = 25 kCal/ m h.K 4 Dùng ống hút khí: Cặp nhiệt hút khí gồm : nhiệt kế nhiệt điện 1, cửa tiết lu đo tốc độ 2 và ống phun hơi. Nguyên lý : ta tăng tốc độ dòng khí => tăng => sai số giảm thờng dùng trong thí nghiệm phức tạp vì cần thêm năng lợng bên ngoài. ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 2 - 59 - Nhiệt kế khí động Trong thực tế ngời ta đã nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ kiểu tiếp xúc không dùng bộ phận nhạy cảm để tránh sai số gây bởi bức xạ. Mội trong số đó là NKKĐ phơng pháp đo mới này gần đây đã đợc dùng phổ biến để đo nhiệt độ khí trong lò công nghiệp. Nhiệt kế khí động, dùng đo nhiệt độ khí trong lò công nghiệp 1- lò công nghiệp, 2- tiết lu, 3- áp kế có thang đo nhiệt độ, 4- thiết bị làm nguội, 5- tiết lu, 6- bộ điều chỉnh, 7- van đ/chỉnh lu lợng khí xả ra ngoài là không đổi. Khí trong lò công nghiệp có áp suất p 1 , và nhiệt độ T 1 ( o K) sau khi qua cửa tiết lu 2 thì đợc 4 làm nguội đến nhiệt độ môi trờng xung quanh, sau đó đi qua cửa tiết lu 5 qua van 7 rồi xả ra ngoài. Nhờ BĐC 6 để điều chỉnh van 7 giữ cho hiệu áp ở 2 bên cửa tiết lu 5 không đổi, do đó lu lợng trọng lợng của dòng khí cũng không đổi. Dựa vào hiệu áp ở áp kế 3 mà ta biết đợc (p 1 -p 2 ) rồi tìm ta T 1 theo công thức: T 1 = C 1 ( P 1 - P 2 ) C 1 - hằng số của hệ thống, P 1 - áp suất ( áp suất bên trong) h BĐC Xả 7 4 3 1 2 6 5 G = e t P3 P1,T1 P2 Hơi nuớc Luu luợng kế khí 1 . phơng trình cân bằng nhiệt của màng chắn ta tính đợc T 3 3 F ( T o - T 3 ) + C 1 F 1 (T 4 - T 3 4 ) = C 3 F 3 (T 3 4 - T 1 4 ) F = 2F 3 là bề mặt truyền nhiệt đối lu. 3 - hệ. - Nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt lạnh T o - Nhiệt độ tuyệt đối của dòng khí C o - Hệ số tỏa nhiệt bức xạ = + 1 11 1 22 1 F F T T - độ đen bề mặt ống đo nhiệt F 1 - diện tích. phản ứng hóa học hay lý học kèm theo tỏa nhiệt. Q 2 là nhiệt lợng do bộ phận nhạy cảm bức xạ đến môi trờng. Q 3 là nhiệt lợng mất mát do dẫn nhiệt ra ngoài. Khi cân bằng : Q 1 = Q 2 + Q 3