Giáo án kỹ thuật đo lường - Chương 18

Quá trình đo lường, định nghĩa phép đo. Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, c

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ (3 LT) 18.1 Các sở chung phân loại phương pháp đo nhiệt độ Nhiệt độ thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính vật chất nên trình kỹ thuật đời sống ngày hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ Ngày hầu hết q trình sản xuất cơng nghiệp, nhà máy có yêu cầu đo nhiệt độ Tùy theo nhiệt độ đo dùng phương pháp khác nhau, thường phân loại phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo Thông thường nhiệt độ đo chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình cao Ở nhiệt độ trung bình thấp: phương pháp thường đo phương pháp tiếp xúc nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao: đo phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ngồi mơi trường đo Bảng 18.1 cho biết dụng cụ phương pháp đo nhiệt độ với dải khác nhau: Dụng cụ phương Nhiệt độ 0C Sai số -273 1000 2000 3000 100.000 pháp đo % Nhiệt điện trở: vật liệu quý 0,001 vật liệu khơng q 0,5 ÷ bán dẫn 1÷2 Nhiệt kế nhiệt điện vật liệu quý 0,1 vật liệu khơng q 1÷2 vật liệu khó chảy 1÷3 Điện âm 0,05 Nhiệt nhiễu 0,1 Phương pháp cộng hưởng hạt nhân 0,01 Hoả quang kế: xạ màu sắc 1÷5 cường độ sáng 1÷2 quang phổ kế ÷ 10 Bảng 18.1 Các dụng cụ phương pháp đo nhiệt độ với dải nhiệt độ khác GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 18.2 Các phương pháp đo tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường sử dụng nhiệt xúc Có hai loại nhiệt xúc, gồm: - Nhiệt kế nhiệt điện trở - Nhiệt kế nhiệt ngẫu Ngoài ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550C ÷ 2000C người ta thường ứng dụng IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt điốt, tranzito để đo nhiệt độ Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với môi trường đo: - Đối với mơi trường khí nước: chuyển đổi đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy - Với vật rắn khí: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng truyền từ vật sang chuyển đổi dễ gây tổn hao vật, với vật dẫn nhiệt Do diện tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt - Khi đo nhiệt độ chất dạng hạt (cát, đất ): cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối 18.2.1 Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer): Nhiệt kế nhiệt điện trở tạo thành dây platin, đồng, niken, bán dẫn quấn lõi cách điện đặt vỏ kim loại có đầu nối ngồi Nhiệt kế nhiệt điện trở dùng mạch đo để đo điện trở thông thường dùng mạch cầu không cân bằng, thị lôgômmét từ điện cầu tự động cân bằng, nhánh nhiệt điện trở a) Bù sai số thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ môi trường thay đổi: nhiệt điện trở mắc vào mạch cầu hai dây dẫn Rd1 Rd2 (cầu hai dây), dụng cụ có sai số thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi, sai số tính: ∆t = ∆Rd RT α T ∆Rd - thay đổi điện trở dây nối với: R d = R d1 + R d RT αT - điện trở ban đầu nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ (với T = C) Để giảm sai số nhiệt độ môi trường thay đổi người ta sử dụng cầu ba dây hình 18.1: Hình 18.1 Cầu ba dây giảm sai số nhiệt độ môi trường thay đổi GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Trong sơ đồ hai dây mắc vào nhánh kề mạch cầu, dây thứ mắc vào nguồn cung cấp Khi cầu làm việc chế độ cân R = R ; R d1 = R d sai số thay đổi điện trở đường dây loại trừ Khi cầu làm việc chế độ không cân sai số giảm đáng kể so với cầu hai dây Thực chất cầu làm việc chế độ không cân sai số chủ yếu thay đổi điện áp nguồn cung cấp gây nên b) Sơ đồ nguyên lý nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu không cân bằng, thị cấu lôgômmét từ điện: hình 18.2: Hình 18.2 Sơ đồ nguyên lý nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu không cân bằng, thị cấu lôgômmét từ điện Với sơ đồ có khả loại trừ sai số điện áp nguồn cung cấp thay đổi Ba nhánh mạch cầu R1, R2 R3 điện trở làm manganin Nhánh thứ tư điện trở nhiệt Rt, bốn nhánh điện trở mắc theo sơ đồ mạch cầu ba dây Trong sơ đồ, điện trở R4 dùng để chỉnh không thang đo (chỉnh cho cầu cân trước bắt đầu đo) Điện trở Rp dùng bù với điện trở đường dây để đạt giá trị khắc độ (5Ω 15Ω) rt điện trở bù nhiệt độ cho cấu lôgômmét Khi hiệu chỉnh Rp người ta sử dụng điện trở Rk (có giá trị điện trở nhiệt điện trở) Rk mắc vào nhánh cầu sau điều chỉnh điện trở Rp kim lôgômmét dừng vị trí xác định thang dừng lại, Rk ngắn mạch đo Nếu chọn R = R ; R = R '0 = R (điện trở khung dây lơgơmmét) tỉ số dịng điện chạy cuộn dây lơgơmmét xác định công thức: I tb1 = I tb với: R+ R1 ∆R R + R1 + T ( R + R1 + R4 ) R2 R 'T R ∆R R + R + R1 − T R4 R2 R 'T ∆RT - Sự thay đổi điện trở nhiệt điện trở nhiệt độ lệch khỏi giá trị trung bình R 'T = R + R p + R Ttb RTtb : điện trở nhiệt điện trở với giá trị nhiệt độ trung bình đo GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ dụng cụ Từ phương trình thấy tỉ số dòng điện phụ thuộc vào ∆RT lôgômmét giá trị nhiệt độ cần đo Trong ngành công nghiệp để đo nhiệt độ nhiệt điện trở người ta thực mạch cầu tự động tự ghi Phương pháp đo nhiệt độ điểm số điểm nhờ cấu chuyển mạch Cấp xác đạt đến 0,5 18.2.2 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples): Phương pháp đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu phương pháp phổ biến thuận lợi Cấu tạo nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu hình 18.3: Hình 18.3 Cấu tạo nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu a) Cấu tạo nguyên lý hoạt động nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu: gồm hai dây hàn với điểm luồn vào ống để đo nhiệt độ cao Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế làm thép không rỉ Để cách điện hai dây, hai dây lồng vào ống sứ nhỏ Nếu vỏ làm kim loại hai dây đặt vào ống sứ Đầu cặp nhiệt ngẫu nối vào hộp đầu nối Mạch đo nhiết kế nhiệt ngẫu miliVônmét điện kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ ÷ 100mV Nếu đo sức điện động nhiệt điện miliVônmét gây sai số nhiệt độ mạch đo thay đổi Dịng điện chạy qua thị lúc : I= E RT + Rd + Rdc đó: E - Sức điện động; Rd - điện trở đường dây; Điện áp rơi miliVônmét là: GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện RT - điện trở cặp nhiệt ngẫu Rdc - điện trở miliVônmét GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ U = E − I ( Rd + RT ) = E Rdc RT + Rd + Rdc thường Rd + RT hiệu chỉnh khoảng 5Ω, điện trở miliVơnmét lớn nhiều lần (40÷50 lần), sai số chủ yếu điện trở miliVônmét Rdc thay đổi Đo sức điện động điện kế loại trừ sai số dịng điện tiêu thụ khơng tiến hành phép đo b) Khắc phục sai số nhiệt độ đầu tự thay đổi: cách dùng mạch bù sai số nhiệt độ hình 18.4: Hình 18.4 Mạch bù sai số nhiệt độ nhiệt độ đầu tự thay đổi nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu chiều điểm A - B, Rt - nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu Điện trở Rt mắc vị trí với đầu tự cặp nhiệt ngẫu có nhiệt độ t0 Cầu tính tốn cho nhiệt độ t0 = 00C điện áp đường chéo cầu ∆U = Khi nhiệt độ đầu tự thay đổi đến t'0 ≠ t0 điện áp cầu ∆U ≠ bù vào sức điện động nhiệt độ thay đổi Với phương pháp bù sai số giảm xuống đến 0,04% 100C Nhược điểm phương pháp phải dùng nguồn phụ sai số nguồn phụ gây Bảng 18.2 cho biết đặc tính số cặp nhiệt thông dụng: Loại cặp nhiệt Dải nhiệt độ làm việc (0C) Sức điện động (mV) Độ xác Đồng/Constantan φ = 1,63mm -270 ÷ 370 -6,25 ÷ 19 (-400C ÷ 1000C) ±0,8% (1000C ÷ 3500C) ±0,75% Cromel/ Alumen φ = 3,25mm -270 ÷ 1250 -5,35 ÷ 50,63 (00C ÷ 4000C) ±30C (4000C ÷ 8000C) ±0,75% Cromel/ Constantan φ = 3,25mm -276 ÷ 870 -9,80 ÷ 66,40 (00C ÷ 4000C) ±30C (4000C ÷ 8700C) ±0,75% Platin-Rodi (10%)/ Platin φ = 0,51mm -50 ÷ 1500 -0,23 ÷ 15,50 (00C ÷ 6000C) ±2,5% (6000C ÷ 15000C) ±0,4% Platin-Rodi/ Plati-Rodi (30/6) φ = 0,51mm -0 ÷ 1700 ÷ 12,42 (8700C ÷ 17000C) ±0,5% Bảng 18.2 Đặc tính số cặp nhiệt thông dụng 18.2.3 Đo nhiệt độ cao phương pháp tiếp xúc: Ở môi trường nhiệt độ cao từ 16000C trở lên, cặp nhiệt ngẫu không chịu GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ lâu dài, để đo nhiệt độ mơi trường người ta dựa tượng q trình q độ đốt nóng cặp nhiệt a) Nguyên lý hoạt động: trình độ đốt nóng cặp nhiệt có phương trình: θ = f (t ) = ∆T (1 − e t / τ ) với: θ - lượng tăng nhiệt độ đầu nóng thời gian t ∆T - hiệu nhiệt độ môi trường đo cặp nhiệt τ - số thời gian cặp nhiệt ngẫu Dựa quan hệ xác định nhiệt độ đối tượng đo mà không cần nhiệt độ đầu công tác cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ cách nhúng nhiệt ngẫu vào mơi trường cần đo khoảng 0,4 ÷ 0,6 s ta phần đầu đặc tính q trình q độ nhiệt ngẫu theo tính nhiệt độ môi trường b) Đặc điểm: nhiệt độ đầu công tác cặp nhiệt ngẫu thời gian nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng nửa nhiệt độ mơi trường nhiệt độ tính có sai số khơng q hai lần sai số nhiệt kế nhiệt ngẫu đo trực tiếp Phương pháp thường dùng để đo nhiệt độ thép nấu chảy 18.2.4 Đo nhiệt độ dùng phần tử bán dẫn (điốt tranzito): a) Nguyên lý hoạt động: linh kiện điện tử bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ, sử dụng số linh kiện bán dẫn điốt tranzito nối theo kiểu điốt (nối bazơ với colectơ), điện áp hai cực U hàm nhiệt độ Để tăng độ tuyến tính, độ ổn định khả thay người ta mắc theo sơ đồ hình 18.5: Hình 18.5 Sơ đồ mạch nguyên lý IC bán dẫn đo nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi ta có: U d = E BE1 − E BE = K T  I c1 ln I q  c2     với I c1 / I c = const Ud tỉ lệ với nhiệt độ T mà không cần đến nguồn ổn định Hiện cảm biến đo nhiệt độ sử dụng điốt tranzito tích hợp thành IC bán dẫn đo nhiệt độ Các cảm biến cho đầu điện áp dòng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản Ví dụ số loại IC đo nhiệt độ: Loại IC Độ nhạy S GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện Dải đo Sai số GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG AD592CN LM35 MMB-TS102 REF-02A CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1µA/0K ±10mV/0K -2,25mV/0K 2,1mV/0K -250C ÷ 1050C -550C ÷ 1500C -400C ÷ 1500C -550C ÷ 1250C 0,30C ±0,250C ±20C ±0,50C b) Đặc điểm: - Độ nhạy loại IC bán dẫn đo nhiệt độ thường có giá trị cỡ -2,5mV/0C không cố định mà thường thay đổi theo nhiệt độ - Ưu điểm: độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản có độ nhạy cao - Nhược điểm: giới hạn phạm vi sử dụng khoảng -500C ÷ 1500C, giới hạn chịu nhiệt phần tử bán dẫn c) Mạch đo: ví dụ số mạch đo sử dụng IC bán dẫn AD590 đo nhiệt độ: - Mạch đo bản: Hình 18.6: Mạch đo ứng dụng IC bán dẫn AD590 đo nhiệt độ - Mạch đo giá trị nhiệt độ trung bình, đo giá trị nhiệt độ nhỏ nhiều điểm đo lúc, đo chênh lệch nhiệt độ hai điểm đo: a) b) c) Hình 18.7 Mạch đo nhiệt độ cực tiểu (a); đo nhiệt độ trung bình (b); đo chênh lệch nhiệt độ (c) nhiều điểm đo - Mạch tự động bù nhiệt độ đầu tự cho cặp nhiệt: GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Hình 18.8 Mạch tự động bù nhiệt độ đầu tự cặp nhiệt 18.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc 18.3.1 Phương pháp hỏa quang kế: Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối, tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khả lớn Bức xạ nhiệt vật thể đặc trưng mật độ phổ Eλ nghĩa số lượng xạ đơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng Quan hệ mật độ phổ xạ vật đen tuyệt nhiệt độ độ dài sóng biểu diễn công thức: E λ = C1λ −5 (e c /( λT ) − 1) −1 C1, C2 - số; λ - độ dài sóng T - nhiệt độ tuyệt đối; C1 = 37,03.10-17 Jm2/s C2 = 1,432.10-2m.độ Đường cong E λ = f (λ ) với nhiệt độ khác biểu diễn hình 18.9: với: Hình 18.9 Đường cong Eλ = f (λ ) với nhiệt độ khác Tùy theo đại lượng vào ta gọi dụng cụ đo theo phương pháp tên gọi khác như: hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng hoả quang kế màu sắc GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ a) Hoả quang kế phát xạ: Nguyên lý hoạt động: vật đen tuyệt đối, lượng xạ toàn phần đơn vị bề mặt tính: ET = σ T p4 σ = 4,96 10-2J/m2.s.grad4 Tp - nhiệt độ vật theo lý thuyết Đối với vật thực lượng xạ tồn phần đơn vị bề mặt tính: ET = ε T σ Tt với: với: εT - hệ số xạ tổng hợp, xác định tính chất vật nhiệt độ (εT < 1) Tt - nhiệt độ thực vật Hoả quang kế phát xạ khắc độ theo độ xạ vật đen tuyệt đối đo đối tượng thực, TP tính theo cơng thức: σ T p4 = ε T σ Tt ⇒ Tt = T p εT Cấu tạo: hình 18.10 cấu tạo hoả quang kế phát xạ: bao gồm ống kim loại mỏng 1, phía cuối gắn gương lõm 3: Hình 18.10 Cấu tạo hoả quang kế phát xạ Chùm tia phát xạ gương lõm phản xạ hội tụ nhiệt điện trở đốt nóng Để tránh tia phản xạ từ thành ống bên nhiệt điện trở người ta gia công thêm đường rãnh Nhiệt điện trở đặt hộp chắn Để bảo vệ mặt hoả quang kế phải sạch, phía đầu ống gắn kính thuỷ tinh hữu suốt Nhiệt điện trở mắc vào nhánh cầu tự cân cung cấp từ nguồn điện xoay chiều tần số 50Hz Đặc điểm: hỏa quang kế dùng để đo nhiệt độ từ 20 ÷1000C Khi cần đo nhiệt độ cao (100 ÷ 25000C) mà tần số bước sóng đủ lớn người ta dùng thấu kính thạch anh hay thủy tinh đặc biệt để tập trung tia phát xạ phần tử nhạy cảm với nhiệt độ thay cặp nhiệt ngẫu (ví dụ crơmel - copel) GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Nhiệt kế phát xạ thấu kính khơng thể đo nhiệt độ thấp tia hồng ngoại khơng xun qua thấu kính (kể thạch anh) Khoảng cách để đo đối lượng hoả quang kế xác định đo kích thước vật đốt nóng, khoảng cách không lớn Chùm tia sáng từ đối tượng đo đến dụng cụ phải trùm hết tầm nhìn ống kính ngắm nhiệt kế (vịng trịn có đường kính D) Nhược điểm tất loại hoả quang kế phát xạ đối tượng đo vật đen tuyệt đối vật nóng có phát xạ nội dòng phát xạ nhiệt qua bề mặt Nhiệt độ đối tượng đo dùng hoả quang kế phát xạ Tt nhỏ nhiệt độ lý thuyết tính tốn Tp, ví dụ thép khác Tp Tt đạt đến 1,70C b) Hoả quang kế cường độ sáng: Nguyên lý hoạt động: thực tế đo nhiệt độ T < 30000C với bước sóng λ khoảng 0,4µm < λ