Đo lường nhiệt FULL

Đo lường nhiệt, lý thuyết và bài tập giúp cho bạn đi từ lý thuyết tới thực hành,sẽ giúp việc học của bạn trở nên dễ dàng hơn,

Hoàng dơng hùng - lê xuân hoà - hoàng an quốc Trờng đại học s phạm kỹ thuật tp. hồ chí minh Giáo trình đo lờng nhiệt 9/2007 Giáo trình đo lờng nhiệt - 1 - Đ Đ Đ O O O L L L Ư Ư Ư ờ ờ ờ N N N G G G N N N H H H I I I ệ ệ ệ T T T Mở ĐầU CHƯƠNG 1 : NHữNG KHáI NIệM Về ĐO LƯờNG CHƯƠNG 2 : ĐO NHIệT Độ CHƯƠNG 3 : ĐO áP SUấT Và CHÂN KHÔNG CHƯƠNG 4 : ĐO LƯU LƯợNG MÔI CHấT CHƯƠNG 5 : ĐO MứC CAO MÔI CHấT CHƯƠNG 6 : PHÂN TíCH CHấT THàNH PHầN TRONG HỗN HợP Giáo trình đo lờng nhiệt - 2 - Mở ĐầU Trong quaù trỗnh õỏỳu tranh vồùi thión nhión, con ngổồỡi cỏửn phaới nghión cổùu caùc qui luỏỷt cuớa sổỷ vỏỷt khaùch quan, vỗ vỏỷy phaới tỗm hióứu quan hóỷ giổợa lổồỹng vaỡ chỏỳt cuớa sổỷ vỏỷt cho nón khọng thóứ taùch rồỡi khoới õo lổồỡng. Khoa hoỹc kyợ thuỏỷt bừt nguọửn tổỡ õo lổồỡng. Sổỷ phaùt trióứn cuớa khoa hoỹc, kyợ thuỏỷt lión quan chỷt cheợ vồùi sổỷ khọng ngổỡng hoaỡn thióỷn cuớa kyợ thuỏỷt õo lổồỡng. Khọng coù õo lổồỡng thỗ khọng thóứ coù bỏỳt kyỡ mọỹt khoa hoỹc tinh vi naỡo, mọỹt khoa hoỹc ổùng duỷng naỡo, mọỹt thờ nghióỷm naỡo . Kyợ thuỏỷt õo lổồỡng nhióỷt coù lión quan õóỳn nhióửu ngaỡnh kinh tóỳ quọỳc dỏn, vỗ caùc tham sọỳ cuớa quaù trỗnh nhióỷt cuợng laỡ nhổợng tham sọ ỳ quan troỹng trong rỏỳt nhióửu quaù trỗnh saớn xuỏỳt cọng nghióỷp, nọng nghióỷp . o lổồỡng nhióỷt laỡ quaù trỗnh õo caùc thọng sọỳ traỷng thaùi cuớa mọi chỏỳt cuớa caùc quaù trỗnh xaớy ra trong thióỳt bở nhióỷt . Vờ duỷ nhổ õo nhióỷt õọỹ t, õo aùp suỏỳt p, õo lổu lổồỹng Q, . Thióỳt bở nhióỷt ngaỡy caỡng phaùt trióứn vồùi caùc tham sọỳ cao, dung lổồỹng lồùn, do õoù cỏửn phaới coù caùc duỷng cuỷ vaỡ phổồng phaùp õo lổồỡng thờch hồỹp. Mỷt khaùc muọỳn tổỷ õọỹng hoùa quaù trỗnh saớn xuỏỳt nhióỷt thỗ trổồùc hóỳt phaới õaớm baớo tọỳt khỏu õo lổồỡng nhióỷt .Do õoù laỡ caùn bọỹ kyợ thuỏỷt nhióỷt khọng nhổợng chố nừm roợ quùa trỗnh saớn xuỏỳt cuớa caùc thióỳt bở nhióỷt maỡ coỡn phaớ i thaỡnh thaỷo caớ vióỷc lổỷa choỹn vaỡ sổớ duỷng caùc loaỷi duỷng cuỷ cuỡng vồùi caùc phổồng phaùp õo khaùc nhau, coù khaớ nng xaùc õởnh caùc sai sọỳ õo lổồỡng, bióỳt õoaùn nhỏỷn caùc nguyón nhỏn gỏy sai sọỳ vaỡ bióỳt caùch khổớ mỏỳt caùc nguyón nhỏn gỏy sai sọỳ õoù ./. Giáo trình đo lờng nhiệt - 3 - MụC LụC Số trang CHƯƠNG 1 : NHữNG KHáI NIệM CƠ BảN Về ĐO LƯờNG 1.1. Đo lờng và dụng cụ đo lờng 1.1.1. Định nghĩa đo lờng 1.1.2. Phân loại đo lờng 1.1.3. Dụng cụ đo lờng 1.2 . Các tham số của đồng hồ 1.2.1. Sai số và cấp chính xác 1.2.2. Biến sai 1.2.3. Độ nhạy và hạn không nhạy 1.2.4. Kiểm định đồng hồ 1.3. Sai số đo lờng 1.3.1. Các loại sai số 1.3.2. Tính sai số ngẫu nhiên trong phép đo trực tiếp 1.3.3. Tính sai số ngẫu nhiên trong phép đo gián tiếp CHƯƠNG 2 : ĐO NHIệT Độ 2.1. Những vấn đề chung 2.1.1. Khái niệm về nhiệt độ 2.1.2. Đơn vị và thớc đo nhiệt độ 2.1.3. Các phơng pháp đo nhiệt độ 2.2. Nhiệt kế dãn nở 2.2.1. Nhiệt kế dãn nở chất rắn 2.2.2. Nhiệt kế dãn nở chất lỏng 2.2.3. Nhiệt kế kiểu áp kế 2.3. Nhiệt kế nhiệt điện 2.3.1. Nguyên lý đo nhiệt độ của cặp nhiệt 2.3.2. Vật liệu và cấu tạo của cặp nhiệt 2.3.3. Bù nhiệt độ đầu lạnh của cặp nhiệt 2.3.4. Các cách nối cặp nhiệt và khắc độ 2.3.5. Đo suất nhiệt điện động của cặp nhiệt 2.4. Nhiệt kế điện trở 2.4.1. Nguyên lý đo nhiệt độ bằng nhiệt kế điện trở 2.4.2. Cấu tạo nhiệt kế điện trở 7 7 10 12 22 22 27 33 47 Giáo trình đo lờng nhiệt - 4 - 2.4.3. Các cách đo điện trở R t 2.5. Sai số đo nhiệt độ theo phơng pháp tiếp xúc 2.5.1. Đo nhiệt độ dòng chảy trong ống 2.5.2. Đo nhiệt độ khi gần ống đo có vách lạnh 2.5.3. Đo nhiệt độ vách - bề mặt 2.5.4 Một số trờng hợp khác 2.6. Đo nhiệt độ bằng phơng pháp gián tiếp 2.6.1. Nguyên lý 2.6.2. Những định luật cơ sở về bức xạ nhiệt 2.6.3. Hỏa kế quang học 2.6.4. Hỏa kế quang điện 2.6.5. Hỏa kế bức xạ toàn phần CHƯƠNG 3 : ĐO áP SUấT Và CHÂN KHÔNG 3.1. Định nghĩa và thang đo 3.1.1. Định nghĩa 3.1.2. Thang đo 3.2. áp kế chất lỏng 3.2.1. Các loại dùng trong phòng thí nghiệm 3.2.2. Các loại dùng trong công nghiệp 3.3. Một số loại áp kế đặc biệt 3.4. Các cách truyền tín hiệu đi xa 3.6.1. Hệ thống điện dùng biến trở 3.6.2. Hệ thống truyền xa kiểu cảm ứng 3.6.3. Máy biến áp sai động 3.6.4. Bộ chuyển đổi sắt động 3.6.6. Bộ chuyển đổi dùng khí nén CHƯƠNG 4 : ĐO LƯU LƯợNG MÔI CHấT 4.1. Định nghĩa và đơn vị lu lợng 4.1.1. Định nghĩa 4.1.2. Đơn vị lu lợng 4.2. Đo lu lợng theo lu tốc 4.2.1. Nguyên lý 4.2.2. ống pitô 4.2.3. Đồng hồ đo vận tốc 56 61 68 68 69 75 76 84 84 84 Giáo trình đo lờng nhiệt - 5 - 4.3. Đo lu lợng theo phơng pháp dung tích 4.3.1. Nguyên lý 4.3.2. Lu lợng kế kiểu bánh răng 4.3.3. Thùng đong và phễu lật 4.4. Đo lu lợng theo phơng pháp tiết lu 4.4.1. Thiết bị tiết lu quy chuẩn 4.4.2. Thiết bị tiết lu ngoại quy chuẩn 4.4.3. L lợng kế kiểu hiệu áp kế 4.4.4. Bộ tích phân 4.4.5. Chia độ và kiểm tra thớc chia độ của lu lợng kế kiểu hiệu áp kế 4.4.6. Lắp đặt hiệu áp kế và đờng dẫn tín hiệu áp suất 4.5. Lu lợng kế có giáng áp không đổi 4.5.1. Rôtamét 4.5.2. Lu lợng kế kiểu Piston 4.6. Một vài lu lợng kế đặc biệt 4.6.1. Lu lợng kế kiểu nhiệt điện 4.6.2. Lu lợng kế kiểu điện từ 4.6.3. Lu lợn kế siêu âm 4.6.4. Lu lợng kế dùng đồng hồ phóng xạ CHƯƠNG 5 : ĐO MứC CAO CủA MÔI CHấT 5.1. Đo mức cao môi chất bằng phơng pháp tiếp xúc 5.1.1. Phơng pháp cơ khí 5.1.2. Phơng pháp đo mức kiểu thủy tinh 5.1.3. Phơng pháp đo mức dùng áp kế 5.1.4. Phơng pháp đo mức dùng khí nén 5.1.5. Dụng cụ đo mức cao của chất rắn 5.2. Đo mức cao môi chất bằnag phơnag pháp gián tiếp 5.2.1. Phơnag pháp dùng chất phóng xạ 5.2.2. Phơng pháp dùng sóng siêu âm CHƯƠNG 6 : phân tích các chất thành phần trong hổn hợp 6.1. Mục đích và nội dung 6.2. Nguyên lý phân tích thành phần hỗn hợp 6.3. Bộ phân tích kiểu cơ khí 90 93 107 109 112 112 118 120 120 121 123 Giáo trình đo lờng nhiệt - 6 - 6.4. Bộ phân tích khí kiểu nhiệt 6.4.1. Các bộ phân tích khí kiểu dẫn nhiệt 6.4.2. Các bộ phân tích khí kiểu nhiệt hóa học 6.5. Bộ phân tích khí kiểu điện 6.5.1. Bộ phân tích khí kiểu Ion hóa 6.5.2. Bộ phân tích khí kiểu điện hóa 6.6. Bộ phân tích khí kiểu từ 6.7. Bộ phân tích khí kiểu quang học 6.7.1. Bộ phân tích khí kiểu giao thoa kế 6.7.2. Bộ phân tích khí kiểu quang âm 6.7.3. Bộ phân tích khí kiểu hấp thụ tia tử ngoại 6.7.4. Bộ phân tích khí kiểu quang phổ 6.8. Bộ phân tích khí kiểu so màu sắc 6.9. Bộ phân tích khí kiểu sắc ký 6.10. Bộ phân tích khí kiểu khối phổ CHƯƠNG 7 : đo độ ẩm 7.1. Khái niệm chung 7.2. Các phơng pháp đo độ ẩm tàI liệu tham khảo 123 127 129 129 134 136 137 138 138 140 145 ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 1 - 7 - CHƯƠNG 1 : NHữNG KHáI NIệM CƠ BảN Về ĐO LƯờNG 1.1. ĐO LƯờNG Và DụNG Cụ ĐO LƯờNG 1.1.1. Định nghĩa Đo lờng là một quá trình đánh giá định lợng một đại lợng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Hoặc có thể định nghĩa rằng đo lờng là hành động cụ thể thực hiện bằng công cụ đo lờng để tìm trị số của một đại lợng cha biết biểu thị bằng đơn vị đo lờng. Trong một số trờng hợp đo lờng nh là quá trình so sánh đại lợng cần đo với đại lợng chuẩn và số ta nhận đợc gọi là kết quả đo lờng hay đại lợng bị đo . Kết quả đo lờng là giá trị bằng số của đại lợng cần đo A X nó bằng tỷ số của đại lợng cần đo X và đơn vị đo X o . => A X = X X 0 => X = A X . X o (1.1) Ví dụ : ta đo đợc U = 50 V ta có thể xem kết quả đó là U = 50 u 50 - là kết quả đo lờng của đại lợng bị đo u - là lợng đơn vị Mục đích đo lờng là lợng cha biết mà ta cần xác định. Đối tợng đo lờng là lợng trực tiếp bị đo dùng để tính toán tìm lợng cha biết . Tùy trờng hợp mà mục đích đo lờng và đối tợng đo lờng có thể thống nhất lẫn nhau hoặc tách rời nhau. Ví dụ : S= ab mục đích là m 2 còn đối tợng là m. 1.1.2. Phân loại Thông thờng ngời ta dựa theo cách nhận đợc kết quả đo lờng để phân loại, do đó ta có 3 loại đó là đo trực tiếp, đo gián tiếp và đo tổng hợp và ngoài ra còn có 1 loại nữa là đo thống kê. Đo trực tiếp: Là ta đem lợng cần đo so sánh với lợng đơn vị bằng dụng cụ đo hay đồng hồ chia độ theo đơn vị đo. Mục đích đo lờng và đối tợng đo lờng thống nhất với nhau. Đo trực tiếp có thể rất đơn giản nhng có khi cũng rất phức tạp, thông thờng ít khi gặp phép đo hoàn toàn trực tiếp. Ta có thể chia đo lờng trực tiếp thành nhiều loại nh : - Phép đọc trực tiếp: Ví dụ đo chiều dài bằng m, đo dòng điện bằng Ampemét, đo điện áp bằng Vônmét, đo nhiệt độ bằng nhiệt kế, đo áp suất bằng áp kế hoặc chân không kế. ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 1 - 8 - - Phép chỉ không (hay phép bù). Loại này có độ chính xác khá cao và phải dùng ngoại lực để tiến hành đo lờng. Nguyên tắc đo của phép bù là đem lợng cha biết cân bằng với lợng đo đã biết trớc và khi có cân bằng thì đồng hồ chỉ không. Ví dụ : cân, đo điện áp - Phép trùng hợp : Theo nguyên tắc của thớc cặp để xác định lợng cha biết. - Phép thay thế : Nguyên tắc là lần lợt thay đại lợng cần đo bằng đại lợng đã biết. Ví dụ : Tìm giá trị điện trở cha biết nhờ thay điện trở đó bằng một hộp điện trở và giữ nguyên dòng điện và điện áp trong mạch. - Phép cầu sai : thay đại lợng không biết bằng cách đo đại lợng gần nó rồi suy ra. Thờng dùng hiệu chỉnh các dụng cụ đo độ dài. Đo gián tiếp: Lợng cần đo đợc xác định bằng tính toán theo quan hệ hàm đã biết đối với các lợng bị đo trực tiếp có liên quan. - Đại lợng cần đo là hàm số của lợng đo trực tiếp Y = f ( x 1 .x n ) Ví dụ : Đo diện tích , công suất. Trong phép đo gián tiếp mục đích và đối tợng không thống nhất, lợng cha biết và lợng bị đo không cùng loại. Loại này đợc dùng rất phổ biến vì trong rất nhiều trờng hợp nếu dùng cách đo trực tiếp thì quá phức tạp. Đo gián tiếp thờng mắc sai số và là tổng hợp của sai số trong phép đo trực tiếp. Đo tổng hợp: Là tiến hành đo nhiều lần ở các điều kiện khác nhau để xác định đợc một hệ phơng trình biểu thị quan hệ giữa các đại lợng cha biết và các đại lợng bị đo trực tiếp, từ đó tìm ra các lợng cha biết. Ví dụ : Đã biết qui luật dãn nở dài do ảnh hởng của nhiệt độ là : L = L o ( 1 + t + t 2 ). Vậy muốn tìm các hệ số , và chiều dài của vật ở nhiệt độ 0 0 C là L o thì ta có thể đo trực tiếp chiều dài ở nhiệt độ t là L t , tiến hành đo 3 lần ở các nhiệt độ khác nhau ta có hệ 3 phơng trình và từ đó ta xác định đợc các lợng cha biết bằng tính toán. Đo thống kế : Để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi ngời ta phải sử dụng phơng pháp đo thống kê, tức là ta phải đo nhiều lần sau đó lấy giá trị trung bình. Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo. 1.1.3. Dụng cụ đo lờng ĐO LƯờNG NHIệT CHƯƠNG 1 - 9 - Dụng cụ để tiến hành đo lờng bao gồm rất nhiều loại khác nhau về cấu tạo, nguyên lý làm việc, công dụng . Xét riêng về mặt thực hiện phép đo thì có thể chia dụng cụ đo lờng thành 2 loại, đó là: vật đo và đồng hồ đo. Vật đo là biểu hiện cụ thể của đơn vị đo, ví dụ nh quả cân, mét, điện trở tiêu chuẩn . Đồng hồ đo: Là những dụng cụ có thể đủ để tiến hành đo lờng hoặc kèm với vật đo. Có nhiều loại đồng hồ đo khác nhau về cấu tạo, nguyên lý làm việc . nhng xét về tác dụng của các bộ phận trong đồng hồ thì bất kỳ đồng hồ nào cũng gồm bởi 3 bộ phận là bộ phận nhạy cảm, bộ phận chỉ thị và bộ phận chuyển đổi trung gian. - Bộ phận nhạy cảm : (đồng hồ sơ cấp hay đầu đo) tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp với đối tợng cần đo. Trong trờng hợp bộ phận nhạy cảm đứng riêng biệt và trực tiếp tiếp xúc với đối tợng cần đo thì đợc gọi là đồng hồ sơ cấp. - Bộ phận chuyển đổi : Làm chuyển tính hiệu do bộ phận nhạy cảm phát ra đa về đồng hồ thứ cấp, bộ phận này có thể chuyển đổi toàn bộ hay một phần, giữ nguyên hay thay đổi hoặc khuếch đại. - Bộ phận chỉ thị đồng hồ : (Đồng hồ thứ cấp) căn cứ vào tín hiệu của bộ phận nhạy cảm chỉ cho ngời đo biết kết quả. Các loại đồng hồ đo: Phân loại theo cách nhận đợc lợng bị đo từ đồng hồ thứ cấp + Đồng hồ so sánh: Làm nhiệm vụ so sánh lợng bị đo với vật đo. Lợng bị đo đợc tính theo vật đo. Ví dụ : cái cân, điện thế kế . + Đồng hồ chỉ thị: Cho biết trị số tức thời của lợng bị đo nhờ thang chia độ, cái chỉ thị hoặc dòng chữ số. Hình 1.1 Các loại thang chia độ - Giới hạn đo dới A min & Giới hạn đo trên A max . - Khoảng cách giữa hai vạch gần nhất gọi là một độ chia. Thớc chia độ có thể 1 phía, 2 phía, chứa hoặc không chứa điểm 0. A min A ma x A min A ma x . 2.5. Sai số đo nhiệt độ theo phơng pháp tiếp xúc 2.5.1. Đo nhiệt độ dòng chảy trong ống 2.5.2. Đo nhiệt độ khi gần ống đo có vách lạnh 2.5.3. Đo nhiệt độ. của cặp nhiệt 2.3.3. Bù nhiệt độ đầu lạnh của cặp nhiệt 2.3.4. Các cách nối cặp nhiệt và khắc độ 2.3.5. Đo suất nhiệt điện động của cặp nhiệt 2.4. Nhiệt