Ebook Đo lường nhiệt (Dành cho sinh viên ngành Nhiệt lạnh)

Ebook Đo lường nhiệt (Dành cho sinh viên ngành Nhiệt lạnh) trình bày các khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo các đại lượng vật lý sử dụng trong kỹ thuật lạnh và nhiệt như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ ẩm, mức chất lỏng,... Mời các bạn tham khảo cuốn sách để bổ sung thêm kiến thức về lĩnh vực này.

Trịnh Văn Quang Đo lường nhiệt Dành cho sinh viên ngành Nhiệt Lạnh Trường Đại học Giao thông Vận tải Khoa Cơ Khí - Bộ mơn Kỹ thuật nhiệt Hà nội - 2004 Lời nói đầu Đo lường nói chung lĩnh vực quan trong công nghệ, ngày khoa học kỹ thuật ngành cơng nghệ có bước tiến vượt bậc, đo lường trở nên cần thiết Có thể nói đo lường khâu để nhận số liệu kỹ thuật tính tốn đo lường khâu định xác kết phép tính Trong kỹ thuật lạnh kỹ thuật nhiệt, đo lường khâu quan trọng Trong tất hệ thống lạnh hệ thống nhiệt , ln cần đến số xác đại lượng để có tác động cần thiết nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động điều kiện an toàn Hệ thống lạnh nhiệt nói chung thường có động nhiệt, động điện, máy nén, dàn ống dẫn môi chất, trao đổi nhiệt…Các đại lượng cần xác định giá trị hệ thống lạnh nhiệt gồm thông số trạng thái chất công tác nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức lỏng bình chứa; thông số chất tải lạnh hay tải nhiệt trung gian nhiệt độ, áp suất, lưu lượng; thơng số mơi trường khơng khí nhiệt độ, độ ẩm, áp suất; thông số thiết bị nhiệt độ máy, nhiệt độ áp suất dàu bôi trơn, mức dầu máy, tốc độ máy hay động cơ, nhiệt độ vào nước khơng khí làm mát thiết bị … Hầu hết đại lượng đại lượng điện, để điều khiển hệ thống hoạt động bình thường tự động hố q trình hoạt động hệ thống, cần phải biến đổi đại lượng tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện Ngày hệ thống nhiệt lạnh có quy mơ lớn việc kiểm sốt tình trạng hoạt động hệ thống điều khiển chúng chương trình hố máy tính chun dụng, thông số làm việc hệ thống xác định tự động đòi hỏi phận cảm biến đa dạng Do thời lượng môn học có hạn nên tài liệu đề cập thiết bị đo tương đối phổ biến Mặt khác mục đích mơn học giới thiệu nguyên tắc thiết bị đo, nên khơng sâu vào lý thuyết tính tốn kỹ thuật xử lý kết đo Lần biên soạn tài liệu giảng dạy mới, cố gắng nhiều chắn không tránh khỏi sai sót, chúng tơi mong nhận đóng góp ý kiến bạn đọc Các ý kiến xin gửi Bộ môn Kỹ thuật nhiệt trường đại học Giao thông Vận tải Hà nội, xin chân thành cám ơn Người biên soạn Trịnh Văn Quang Mục lục Chương KHÁI NIỆM 1.1 Đinh nghĩa , phân loại 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Lịch sử xây dựng đơn vị đo chuẩn quốc tế 1.2 Các yếu tố đặc trưng đo lường 1.2.l Đại lượng đo 1.2.2 Điều kiện đo 1.2.3 Thiết bị đo phương pháp đo 1.2.4 Người quan sát 1.2.5 Kết đo 1.3 Thiết bị đo 1.3.1 Phân loại thiết bị đo 1.3.2 Các tham số đặc trưng cho phẩm chất đồng hồ 1.4 Đánh giá sai số đo lường 1.4.1 Sai số phép đo 1.4.2 Tính tốn sai số ngẫu nhiên 1.4 Xây dựng biểu thức thực nghiệm 1.4.1 Khi đường cong thực nghiệm có dạng tuyến tính 1.4.2 Khi đường cong thực nghiệm có dạng phi tuyến 1.4.3 Phương pháp tìm hệ số tương quan 1.4.4 Phương pháp bình phương cực tiểu Trang 11 11 12 13 13 13 14 14 15 17 17 19 21 21 23 25 31 Chương ĐO NHIỆT ĐỘ 2.1 Khái niệm 2.1.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ 2.1.2 Phân loại nhiệt kế 2.2 Nhiệt kế giãn nở 2.2.1 Nhiệt kế giãn nở chất rắn 2.2.2 Nhiệt kế giãn nở chất nước 2.3 Nhiệt kế kiểu áp kế 2.3.1 Nhiệt kế chất nước 2.3.2 Nhiệt kế chất khí 2.3.3 Nhiệt kế bão hòa 2.4 Nhiệt kế nhiệt điện 2.4.1 Khái niệm 2.4.2 Hiệu ứng nhiệt điện 2.4.3 Các phương pháp nối cặp nhiệt 2.4.4 Một số yêu cầu vật liệu làm cặp nhiệt 2.4.5 Một số loại cặp nhiệt thường dùng 2.4.6 Nhiệt kế cặp nhiệt công nghiệp 2.4.7 Đo nhiệt độ cao cặp nhiệt 2.5 Nhiệt kế điện trở 2.5.1 Khái niệm 2.5.2 Yêu cầu vật liệu dùng làm nhiệt kế điện trở 35 35 36 37 37 37 39 39 40 40 41 41 41 43 43 44 45 46 46 46 46 2.5.3 Các loại nhiệt kế điện trở 2.5.4 Các phương pháp đo điện trở nhiệt kế điện trở 2.6 Hỏa kế xạ 2.6.1 Khái niệm 2.6.2 Hoả quang kế phát xạ 2.6.3 Hỏa quang kế cường độ sáng 2.6.4 Hoả quang kế màu sắc 47 49 51 51 52 54 56 Chương ĐO ÁP SUẤT 3.1 Khái niệm 3.1.1 Định nghĩa áp suất, đơn vị 3.1.2 Phân loại dụng cụ đo 3.2 Áp kế kiểu chất lỏng 3.3 Áp kế kiểu 3.4 Lực kế áp điện 3.5 Áp kế áp điện 3.6 Hiệu ứng điện trở áp điện bán dẫn 3.7 Cầu điện trở đo áp suất 3.8 Đo áp suất áp điện công nghiệp 3.9 Áp kế điện trở lực căng 3.10 Áp kế màng với điện trở lực căng công nghiệp 3.11 Đo áp suất chuyển đổi điện dung 3.12 Đo áp suất thiết bị số 3.13 Đo áp suất dùng biến áp vi sai 3.14 Áp kế kiểu điện trở lực căng kiểu môđun 3.15 Đo áp suất màng kim loại co giãn 3.16 Sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện 59 59 60 60 61 62 64 64 66 68 68 69 69 71 72 73 74 79 Chương ĐO LƯU LƯỢNG - TỐC ĐỘ 4.1 Khái niệm 4.2 Đo lưu lượng theo độ giảm áp suất 4.3 Lưu tốc kế cánh quạt 4.4 Lưu tốc kế kiểu cảm ứng 4.5 Lưu tốc kế khí 4.6 Tốc kế nhiệt 4.6.1 Tốc kế nhiệt kiểu sợi đốt 4.6.2 Tốc kế nhiệt kiểu màng mỏng 4.7 Đo lưu lượng tần số dòng xốy 4.8 Đo lưu khối thông qua lực Coriolis 4.9 Phương pháp đo lưu lượng siêu âm 4.9.1 Cảm biến nguồn phát siêu âm vật liệu áp điện 4.9.2 Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng 4.9.3 Phương pháp hiệu số tần số 4.9.4 Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha) 4.10 Đo lưu lượng dòng khí thông qua nhiệt độ dây nung 4.10.1 Phương pháp đo với dòng điện nung khơng đổi 4.10.2 Phương pháp đo với nhiệt độ dây nung không đổi 4.10.3 Sự bù trừ nhiệt độ khí 81 81 83 84 85 86 86 87 88 90 92 92 93 94 94 95 96 96 97 Chương ĐO ĐỘ ẨM 5.1 Các khái niệm 5.1.1.Khơng khí ẩm đại lượng đặc trưng 5.1.2 Độ ẩm vật liệu sản phẩm qui trình sản xuất 5.1.3 Sự liên hệ thông số độ ẩm 5.1.4 Tính chất điện mơi nước 5.2 Đo độ ẩm khơng khí phương pháp điểm ngưng tụ 5.3 Đo độ ẩm phương pháp hấp thụ 5.3.1 Ẩm kế LiCl 5.3.2 Ẩm kế anhydrit phôtphoric P2O5 5.4 Đo độ ẩm trở kháng biến đổi 5.4.1 Ẩm kế điện trở 5.4.2 Ẩm kế điện dung điện cực kim loại 5.4.3 Ẩm kế điện dung điện cực vàng 5.5 Mạch điện với phương pháp xung hiệu số 5.6 Cảm biến độ ẩm với điện trở thay đổi 5.6.1 Cảm biến độ ẩm SHS3 hăng Hyrotec GmtlH / Đức 5.6.2 Cảm biến độ ấm NH-3 Figaro/Nhật 5.7 Ẩm kế Assmann 5.8 Đo độ ẩm theo tổng trở màng mỏng Al2O3 5.9 Đo độ ẩm cảm biến vi ba 5.10 Đo độ ẩm cảm biến hồng ngoại 5.11 Đo độ ẩm cảm biến âm 5.12 Phương pháp đo độ ẩm vật liệu rắn 98 98 99 101 102 103 104 104 105 106 106 107 108 108 109 109 110 110 111 111 112 113 113 Chương ĐO MỨC CHẤT LỎNG - CHẤT RẮN DẠNG HẠT 6.1 Khái niệm 6.2 Đo mức nước 6.3 Đo mức chất lỏng theo áp suất thuỷ tĩnh 6.4 Đo mức điện dung 6.5 Nhiệt điện trở PTC 6.6 Quang điện tử 6.7 Đo mức chất lỏng sóng vi ba 6.8 Đo mức chất lỏng dẫn nhiệt 6.9 Đo mức chất lỏng, chất rắn dao động 114 114 115 116 117 117 117 118 119 Chương ĐO TỐC ĐỘ QUAY 7.1 Đo tốc độ quay kiểu cảm ứng từ 7.2 Tốc độ kế kiểu máy phát 7.3 Máy đo tốc độ quay kiểu máy phát tần số 7.4 Máy đo tốc độ quay phương pháp quang học 7.5 Máy đo tốc độ quay sợi dẫn quang 122 122 123 124 124 Chương CÁC BỘ CHỈ THỊ 8.1 Chỉ thị điện 8.1.1 Cấu tạo chung 8.1.2 Cơ cấu thị từ điện 8.1.3 Cơ cấu thị điện từ 8.1.4 Cơ cấu thị điện động 8.1.5 Tỷ số kế điện động 8.2 Bộ thị kiểu Hiện số 8.2.1 Khái niệm 8.2.2 Mã số 8.2.3 Mạch đếm 8.2.4 Bộ số 8.2.5 Bộ giải mã 8.3 Dao động ký điện tử 8.3.1 Sơ đồ khối 8.3.2 ống phóng tia điện tử 8.3.3 Bộ khuếch đại làm lệch 8.3.4 Tín hiệu qt 8.3.5 Bộ tạo sóng quét ngang 8.3.6 Dao động ký điện tử hai tia 126 126 127 128 129 131 132 133 133 133 135 136 137 137 138 139 140 140 142 Tài liệu tham khảo 144 Chương CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.1.1 Định nghĩa Đo lường trình đánh giá đinh lượng đại lượng cần để có kết số so với đơn vị đo Đó đánh giá định lượng hay nhiều thông số đối tượng nghiên cứu thực cách đo đại lượng vật lí đặc trưng cho thơng số Kết phép đo giá trị số đại lượng cần đo Ax, tỉ số đại lượng cần đo X đơn vị đo Xo Nghĩa Ax rõ đại lượng đo lớn (hay nhỏ hơn) lần đơn vị X Vậy q trình đo viết dạng: Ax = X0 Từ ta có: X = Ax X0 (1.1) Phương trình (1.1) gọi phương trình phép đo, rõ so sánh đại lượng cần đo với mẫu cho kết số Từ ta thấy khơng phải đại lượng đo khơng phải đại lượng cho phép so sánh giá trị Vì để đo thường phải biến đổi chúng thành đại lượng khác so sánh Ví dụ: để đo ứng suất học ta phải biến đổi chúng thành thay đổi điện trở cảm biến lực căng Sau mắc cảm biến vào mạch cầu đo điện áp lệch cầu có tác động ứng suất cần đo Ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo gọi đo lường học Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống gọi kĩ thuật đo lường Để thực trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo 1.1.2 Phân loại Để thực phép đo người ta sử dụng nhiều cách khác nhau, ta phân biệt cách sau đây: a Đo trực tiếp cách đo mà kết nhận đợc trực tiếp từ phép đo Cách đo cho kết Dụng cụ đo sử dụng thường tương ứng với đại lượng đo Ví dụ: đo điện áp đùng vơn mét chẳng hạn mặt vôn mét khắc độ sẵn vôn Thực tế đa số phép đo sử dụng cách đo trực tiếp b Đo gián tiếp !à cách đo mà kết suy từ phối hợp kết nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp Ví dụ: Để đo điện trở ta sử dụng định luật ơm R = U/I (điều hay sử dụng phải đo điện trở phụ tải làm việc) Ta cần đo điện áp dòng điện cách đo trực tiếp sau tính điện trở Cách đo gián tiếp thường mắc phải sai số lớn cách đo gián tiếp Sai số tổng sai số phép đo trực tiếp c Đo hỗn hợp cách đo gần giống đo gián tiếp số lượng phép đo theo cách trực tiếp nhiều kết đo nhận đợc thường phải thông qua giải phương trình (hay hệ phương trình) mà thơng số biết số liệu đo Ví dụ: Điện trở dây dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ tính từ phương trình sau: rt = r20[1+ (t - 20) + (t - 20)2] Trong hệ số ,  chưa biết Để xác định ta cần phải đo điện trở ba điểm nhiệt độ khác r20 , rt1, rt2 Sau thay vào ta có hệ phương trình: rt1 = r20[1+ (t1 - 20) + (t1 - 20)2] rt2 = r20[1+ (t2 - 20) + (t2 - 20)2] Giải ta tìm ,  Đo thống kê Để đảm bảo độ xác phép đo nhiều người ta phải sử dụng cách đo thống kê Tức ta phải đo nhiều lần sau lấy giá trị trung bình Cách đo đặc biệt hữu hiệu tín hiệu đo ngẫu nhiên kiểm tra độ xác đụng cụ đo 1.1.3 Lịch sử xây dựng đơn vị đo chuẩn quốc tế a Lịch sử xây dựng đơn vị đo Để đánh giá độ lớn đại lượng đo cần có đơn vị đo Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo thống quốc tế mà quốc gia phải tuân thủ Để thống toàn giới, người ta chế tạo đơn vị tiêu chuẩn gọi chuẩn Các chuẩn quốc tế có lịch sử năm 1881 Hội nghị quốc tế Pari, sau phát triển hoàn thiện Uỷ ban quốc tế quản lí việc thiết lập đơn vị chuẩn thành lập Trải qua số năm chuẩn quốc tế ấn định Đến năm 1908 Luân Đôn, Uỷ ban đặc biệt việc chế tạo chuẩn thành lập Một số chuẩn ấn định đây, ví dụ: chuẩn “Ơm” quốc tế điện trở coi điện trở cột thuỷ ngân thiết diện mm2 dài l06,300 cm 0C có khối lượng 14,4521 am Còn chuẩn ”Ampe” quốc tế dòng điện giải phóng 0,0011800 gam bạc khỏi dung dịch nitrat bạc thời gian s Cấp xác cuả chuẩn cỡ 0,001% Chuẩn điện áp pin mẫu Vestơn có điện áp 1,0185 V 200C Sau công nghiệp phát triển, kĩ thuật đo lường ngày hoàn thiện nâng cao độ xác phép đo, nên chuẩn quốc gia có giá trị khác phương pháp chế tạo Sai số nhiều vượt sai số cho phép Vì từ 1-1-1948 bắt đầu cơng nhận chuẩn gọi “chuẩn tuyệt đối“ “Chuẩn tuyệt đối“ so với chuẩn quốc tế trước có sai lệch chút Ví dụ : ampe quốc tế = 0,99985 ampe tuyệt đối; Culông quốc tế = 0,99985 Culông tuyệt đối; Vôn quốc tế = 1,00035 Vơn tuyệt đối; Ơm quốc tế = ,00050 ôm tuyệt đối; Fara quốc tế = 0,99950 Fara tuyệt đối; Henri quốc tế : ,00050 Henri tuyệt đối Các chuẩn ngày chuẩn quy định theo hệ thống đơn vị SI (năm 1960), “Hệ thống đơn vị quốc tế thống “ b Hệ thống đơn vị quốc tế SI Hệ thống đơn vị bao gồm hai nhóm đơn vị: Đơn vị thể đơn vị chuẩn với độ xác cao mà khoa học kĩ thuật đại thực Đơn vị dẫn xuất đơn vị có liên quan đến đơn vị quy luật thể biểu thức Các đơn vị chọn cho với số lượng suy đơn vị dẫn xuất cho tất đại lợng vật lí Để nước có chung hệ thống đơn vị thống người ta thành lập hệ thống đơn vị quốc tế SI thông qua Hội nghị quốc tế mẫu cân (1960) Trong hệ thống có bảy đơn vị gồm đơn vị chiều dài mét : m, đơn vị khối lượng kilôgram : kg, đơn vị thời gian giây: s , đơn vị cường độ dòng điện Ampe : A, đơn vị nhiệt độ Kenvil : K, đơn vị số lượng vật chất mol : mol , đơn vị cường độ ánh sáng Candela : Cd Từ tính đơn vị dẫn xuất sử dụng lĩnh vực Bảng 1.1 trình bày đơn vị đo dẫn xuất lĩnh vực cơ, điện, từ quang học Bảng 1.1 Các đại lượng Tên đơn vị Kí hiệu Các đại lượng Độ dài Khối lượng Thời gian Dòng điện Nhiệt độ Số lượng vật chất Cường độ ánh sáng mét kilôgam giây Ampe Kelvin môn Candela m kg s A K mol Cd Các đại lượng học Tốc độ Gia tốc Năng lượng công Lực Công suất Năng lượng mét giây mét giây bình phương Jun Niutơn Watt Watt giây m/s m/s2 J N W Ws 3.Các đại lượng điện Lượng điện Điện áp: điện động Cường độ điện trường Điện dung Điện trở Điện trở riêng Hệ số điện môi tuyệt đối Culông Vôn Vôn mét Fara Ôm ôm mét Fara mét C V V/m F  /m F/m Các đại lượng từ Từ thông Vebe Wb Cảm ứng từ Cường độ từ trường Điện cảm Hệ số từ thẩm Các đại lượng quang Luồng ánh sáng Cường độ sáng riêng Độ chiếu sáng Tesla Ampe mét Henri Henri mét T A/m H H/m Lumen Candela mét vuông lux lm Cd/m2 lx Ngoài đơn vị đo dẫn xuất hệ thống đơn vị quốc tế Sl, người ta sử dụng bội số ước số chúng Các bội số ước số thường dùng đơn vị đo thể bảng 1.2 Bảng 1.2 Tên ước số picô nanô micrô mili centi đêci Giá trị ước số 10-12 10-9 10-6 10-3 10-2 10-1 Kí hiệu Tên bội số Giá trị bội số Kí hiệu p n  m c d đề ca hectô kilô Mêga Giga Têra 101 102 103 106 109 1012 da h k M G T Các ký hiệu bội số ước số viết liền với kí hiệu đơn vị đơn vị dẫn xuất Ví đụ : Điện trở có giá trị 2M = 2.106  Tụ diện có điện dung 3F = 3.10-6 F c Các chuẩn cấp quốc gia Chuẩn cấp gọi chuẩn bảo đảm tạo đại lượng có đơn vị xác quốc gia Các chuẩn cấp đơn vị đại lượng vật lí cần phải có độ xác cao nhất, ổn định nhất, lại thuận tiện cho việc giữ truyền chuẩn Ngày người la có xu hướng sử dụng số vật lí để tạo chuẩn Các chuẩn đợc gọi “chuẩn lượng tử” Các chuẩn Việt Nam đặt Trung tâm đo lường tiêu chuẩn Quốc gia Nghĩa Đơ - Hà Nội, định kì phải so với chuẩn quốc tế với mục đích bảo đảm độ xác đơn vị đo nước ta Có thể xem xét số chuẩn cấp quốc gia đơn vị hệ thống Sl Chuẩn đơn vị độ dài Nam 1960 hội nghị quốc tế thứ XI mẫu cân định là: đơn vị đo độ dài mét (viết tắt m), độ dài thể độ dài bước sóng ánh sáng Mét độ dài 1650763,73 độ dài sóng phát chân không nguyên tử Kripton 86, tương ứng với việc chuyển mức 2p10 5d5 Theo định luật phát xạ Plank, việc chuyển nguyên tử từ mức lượng đến mức lượng khác tương ứng với độ dài bước sóng tần số định mà tổ hợp chúng xác định phổ nguyên tử Độ ổn định độ dài sóng đường phổ cao Vì chuẩn cấp quốc gia phải nguồn phát xạ Kriptôn 86 Tiếp đến máy đo interferơmét chuẩn số đo độ dài, chuẩn thứ cấp Một máy quang phổ kế để nghiên cứu nguồn phát xạ chuẩn Sai số chuẩn độ dài theo phương pháp không vượt 1.10 -8 Ngoài sử b) Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây tĩnh, cuộn dây xuất từ trờng Từ trường tác động lên dòng điện chạy khung dây tạo nên mơ men quay làm phần động quay góc  Mq = dW e d Nếu dòng điện vào cuộn dây dòng chiều I1 I2 We = 1 L1 I 12 + L2 I 22 + M12 I1 I2 2 (8.7) L1 , L2 - điện cảm cuộn dây tĩnh động M12 - Hỗ cảm hai cuộn dây I1 , I2 - dòng điện chiều chạy cuộn dây tĩnh động Do L1 L2 không thay đổi khung dây quay cuộn dây tĩnh đạo hàm chúng theo góc  khơng có : Mq = dW e dM 12 I I = d d (8.8) Tại vị trí cân : M q = MC dM 12 I I = D. Vậy : d  = dM 12 I I D d (8.9) mắc nối tiếp hai cuộn dây I1 = I2 = I , nên :  = dM 12 I D d (8.10) Nếu dòng điện vào hai cuộn dây xoay chiều: i1 = I1M sin(t) , i2 = I2M sin(t-) , mơmen tức thời mqt : dM 12 d Mơmen quay trung bình chu kỳ : mqt = i1 i2 T (8.11) m qt dt =  I 1M I M sin(t ) sin(t   ) dM 12 dt = dM 12 I I cos  Mqtb =  T T d d 130 Khi cân : M q=MC , rút : = dM 12 I I cos  D d (8.12) Như cấu điện động dùng mạch chiều mạch xoay chiều làm vonmét, ampemét , ốtmét có độ xác cao, cấp xác 0,1  0,2 Nhược điểm tiêu thụ công suất lớn, thang chia độ không 8.1.5 Tỷ số kế điện động Tỷ số kế điện động sắt điện động dụng cụ đo tỷ số hai dòng điện gọi lơgơmmét điện động sắt điện động Hình 8.9 cấu tạo cấu lôgômmét điện động Phần động cấu gồm cuộn dây B1 B2 gắn chặt với lệch góc  Phần tĩnh cuộn dây A tách thành phần Khi có dòng điện I chạy vào cuộn tĩnh A dòng I1, I2 vào cuộn dây B1 B2 tác động trường điện từ chúng tạo thành mô men quay ngược chiều Hình 8.9 Sơ đồ cấu tạo nguyên tắc làm việc lôgômét M1 = I.I1.cos (I, I1 ).cos  dM AB1 d M2 = I.I2.cos (I, I2 ).cos(- ) (8.13) dM AB d (8.14) Ở vị trí cân ta có M1 = M2 , thực dM AB1 dM AB  , : d d I cos( I , I ) cos(   )  , : I cos( I , I ) cos  131  I cos( I , I )    = F   I cos( I , I )  (8.15) Như góc lệnh  tỉ lệ với tỉ số dòng điện I I2 cos(I,I1);cos(I,I2) Nhược điểm lôgômmét điện động độ nhạy thấp Để tăng độ nhạy cấu người ta cho thêm lõi thép vào gọi cấu thị sắt điện động (hình 8.10) Hình 8.10 Chỉ thị sắt điện động Lõi thép, Cuộn dây tĩnh Mô men quay cấu sắt điện động cho dòng điện i1 vào cuộn tĩnh i2 vào cuộn dây động tính theo biểu thức: Mt = B.S2W2 i2 B - độ từ cảm khe hở khơng khí, tạo dòng điện i1 S2 W2 - diện tích số vòng cuộn dây động Mơ men quay trung bình tính : T Mq = M t dt = BS2.W2 I2 cos(B, I2 ) T 0 (8.16) Nếu sử dụng đoạn tuyến tính đường cong từ hố B = k1.S2.W2.I1.I2.cos(I1,I2) (8.17) Khi mơ men quay mơ men cản ta có : Mq = MC k1S2W2I1I2cos(I1,I2) = D., nên suy : = k S2W2I1I2cos(I1,I2) D (8.18) 8.2 BỘ CHỈ THỊ KIỂU HIỆN SỐ 132 8.2.1 Khái niệm Dụng cụ số ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực Do ưu điểm hiển thị số thấy giá trị đại lượng số nên từ thiết bị đo đến thiết bị điều khiển, dụng cụ gia dụng ti vi , tủ lạnh, lò vi sóng, điều hồ khơng khí … có hiển thị số Bộ hiển thị số làm việc theo nguyên tắc riêng khác với hiển thị tương tự Sơ đồ khối thị số biểu thị theo hình 8.11 Hình 8.11 Sơ đồ khối thị số Đại lượng đo x(t) qua biến đổi thành xung (BĐX), số xung N tỉ lệ với độ lớn x(t) đa vào mã hóa (MH), giải mã (GM) đèn số Các khâu mã hóa, giải mã đèn số tạo thành thị số 8.2.2 Mã số Mã số kí hiệu tập hợp số, từ tổ hợp kí hiệu ta đọc số Có loại mã số sau : Mã số 10, hệ đếm thập phân có 10 kí tự từ 0,1 ,2, 3, , Mã số loại mã có trạng thái kí hiệu (còn gọi mã nhị phân) Mã 2-10 (còn gọi mã BCD) liên hệ mã số mã số 10 để dễ quan sát dễ đọc Để thực mã số người ta thường dùng mạch Flip-flop hay gọi trigơ Hình 8.12 sơ đồ trigơ gồm đầu vào S R, đầu vào chung T, đầu Q Q với tín hiệu y0 y1 Hình 8.12 Sơ đồ mạch Flip-flop(a), tín hiệu vào mạch (b) 8.2.3 Mạch đếm 133 Có nhiều loại mạch đếm mạch đếm thang mười sáu, mạch đếm thang mười v.v, thực tế với thị số người ta thường dùng mạch đếm thang mười để tiện quan sát dễ đọc Mạch đếm thang 10 gồm trigơ nối tiếp hình 8.13 Hình 8.13 Sơ đồ mạch đếm thang 10 gồm mạch Flip-flop (trigơ) Do mắc trigơ nối tiếp, thực đếm bình thường tới 16 số, để đạt tới 10 số với trigơ cần phải thêm khâu phản hồi, đếm đến xung tất trigơ chuyển trạng thía xung thứ 10, trigơ trở Bảng 8.1 cho thấy trạng thái đầu trigơ với mạch đếm thang 10 Bảng 8.1 Số xung 10 Tr 0 1 1 1 1 0 Trạng thaí trigơ Tr Tr 1 1 0 0 1 1 1 1 0 Hình 8.14 Tín hiệu trigơ 134 Tr 1 1 0 8.2.4 Bộ số (chỉ thị số) a Hiện số điôt quang Điôt quang linh kiện bán dẫn đặc biệt, cho dòng điện theo chiều ngăn dòng điện theo chiều ngược lại Khi dòng điện qua ốt theo chiều thuận , có tái hợp phần tử mang điện xuất lớp tiếp xúc p.n định thiên thuận (như điện tử từ n sang tái hợp với lỗ trống p) Chúng phát lượng dạng nhiệt ánh sáng Nếu vật liệu bán dẫn suốt ánh sáng phát lớp tiếp xúc nguồn sáng (nên gọi điơt quang - LED) Hình 8.15 mặt cắt LED thơng thường hình 8.16b cách bố trí số LED bảy Các đèn LED có anốt chung hình 8.16c (hoặc tất catốt chung) Độ sụt áp LED định thiên thuận 1,2V dòng điện thuận khoảng 20mA Hình 8.15 Mơ tả sơ đồ cấu trúc điơt quang Hình 8.16 Bộ số bảy b Hiện số tinh thể lỏng (LCD) Tinh thể lỏng hợp chất hữu có tính chất quang học đặc biệt Bình thường tinh thể lỏng có dạng suốt, có dòng điện kích thích phù hợp, chúng phát sáng Màu sắc tinh thể lỏng tuỳ thuộc hợp chất hữu khác có nhiều màu tương ứng Các hợp chất tinh thể lỏng đặt thành lớp kính với điện cực suốt kết tủa mặt Dòng tồn phần dùng để kích hoạt tinh thể lỏng khoảng 300 A nguồn cung cấp nguồn xoay chiều (hình sin vng) Hình 8.17 sơ đồ cấu tạo đèn số tinh thể lỏng 135 Hình 8.17 Cấu tạo tinh thể lỏng (a), số bảy (b) 8.2.5 Bộ giải mã Bộ giải mã thiết bị dùng để biến đổi từ mã số mã 2-10 thành mã số 10, nghĩa thể dạng số thập phân Ngày giải mã đợc chế tạo dạng vi mạch (hình 8.18) Hình 8.18 Sơ đồ khối giải mã dùng vi mạch Vi mạch SN74247 có đầu hở cực góp dùng điều khiển LED có chung anốt +5V Các điện trở R1….R7 để hạn chế dòng đốt anốt (5 - 20mA) Bảng 8.2 minh hoạ làm việc giải mã bảy Bảng 8.2 Chữ số Z 8+Ph 10 Đầu vào mã thập phân 23 0 0 0 1 1 22 0 0 1 0 - Ph 21 0 1 0 1 Đầu đèn LED bảy 20 1 1 1 a 1 1 1 1 b 1 1 0 1 136 c 1 1 1 1 d 1 1 1 1 e 1 0 1 0 f 1 0 1 1 g 0 1 1 1 8.3 DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ (OSCLLOSSCOPE) Mở đầu : Dao động ký điện tử (còn gọi máy sóng điện tử) bao gồm ống phóng tia điện tử với hệ thống mạch điều khiển đầu vào gắn liền với Dao động ký điện tử sử dụng để quan sát hình dạng tín hiệu, đồng thời đo số đại lượng dòng điện, điện áp, góc lệch pha hai tín hiệu đo tần số v v ống phóng tia điện tử đèn chân khơng, điện tử phát từ Ca tốt bị nung nóng tạo thành chùm tia hẹp, chúng gia tốc phía huỳnh quang Màn phát sáng điểm có chùm điện tử đập vào Chùm tia điện tử lái theo chiều thẳng đứng nằm ngang nhờ điện áp đặt phiến làm lệch Thông thường chùm tia quét ngang hình điện áp cưa tạo từ mạch tạo gốc thời gian điện áp vào thay đổi để lái theo chiều thẳng đứng Dao động ký diện tử chế tạo với tia, hai tia, bốn tia có khả hình đồng thời hai nhiều dạng sóng tín hiệu 8.3.1 Sơ đồ khối Dao động ký điện tử bao gồm phận nh hình vẽ 8.19 Tín hiệu Y đưa vào qua phân áp đến khuếch đại Y (KĐY) đưa thẳng vào hai cực Y Mặt khác tín hiệu từ KĐY đưa qua mạch đồng (ĐB) để kích thích máy phát cưa (Máy phát quét) sau qua khuếch đại X (KĐX) đưa vào cực X, đa trực tiếp tín hiệu X vào KĐX nối với cực X thông qua công tắc B3 Nếu sử dụng mạch đồng , qua B2 tín hiệu đưa vào mạch đồng để kích cho máy phát quét làm việc Khi đo điện áp, công tắc Bl chuyển sang khâu chuẩn biên độ quan sát độ lệch tia khỏi đường "O" ứng với biên độ chuẩn Sau chuyển Bl sang vị trí tín hiệu Y để tính biên độ cực cực đại tín hiệu đo xem gấp lần biên độ chuẩn tính độ lớn tín hiệu Y theo chuẩn Khi đo chu kì cần phải chuẩn thời gian, người ta sử dụng chuẩn thời gian cách đánh dấu khoảng thời gian ứng với giá trị chuẩn tồn tín hiệu Hình 8.19 Sơ đồ khối dao động ký điện tử 137 8.3.2 Ống phóng tia điện tử Cấu tạo ống phóng tia điện tử hình vẽ 9.20, bao gồm ống thuỷ tinh rút hết khơng khí, hình đợc qt lớp phốt cho chùm tia điện tử kiết phát đập vào hình làm phát sáng Bên ống thuỷ tinh gắn hệ thống điện cực Ống phóng tia điện tử bao gồm triốt làm lệch a Cấu tạo triốt - Lưới: Lưới cốc niken có lỗ đáy hình 9.20 bao lấy ca tốt -Catôt : Ca tốt làm Niken, hình trụ, mặt đáy phẳng phủ lớp ôxit để phát điện tử sợi đốt làm nhiệm vụ nung ca tốt Ca tốt trì điện -2kV lưới điều chỉnh từ -2kV : -2,05kV Điện lưới điều khiển dòng điện tử từ ca tốt hướng tới hình - Hệ thống anốt : Anốt thứ (A1) dạng hình trụ có điện dương cao so với catốt Các điện tử gia tốc từ ca tốt qua lưới anốt thứ Ngoài nốt A1, , ống phóng điện tử có nốt A2 , A3 Các anốt có nhiệm vụ tạo trường gia tốc làm cho điện tử sau qua điện cực anốt đạt tốc độ lôn, mặt khác anốt làm nhiệm vụ điều tiết điện tử để tạo thành tia nhỏ hướng tới hình Điện A1 A3 giữ đất (dương so với ca tốt) điện A2 đwợc giữ ổn định -2kV, tạo đwợc đường đẳng điện tử chuyển động qua nốt với tốc độ ổn định Hình 8.20 Cấu trúc ống phóng điện tử b Tấm làm lệch (phiến làm lệch) Trong ống phóng tia điện tử bố trí cặp cực để làm lệch tia điện tử phía ngang (theo trục X) phía thẳng đứng (theo trục Y) Các cặp cực gọi 138 lệch đứng lệch ngang Đặt lệch đứng lệch ngang chắn cách điện ngăn không cho điện trường cặp ảnh hưởng tới cặp (hình 8.20) Điện đặt làm lệch +E/2 -E/2 kia, hiệu điện làm lệch E Các điện tử (mang điện âm) bị hút phía dương bị đẩy khỏi âm làm cho chùm tia điện tử bị lệch Nếu tác động điện áp xoay chiều lên làm lệch chùm tia ln bị đổi hướng tạo thành đường thẳng 8.3.3 Bộ khuếch đại làm lệch Một điện áp dùng để làm lệch tia điện tử phải biến đổi thành hai điện áp ngược chiều +E/2 -E/2, muốn cần phải có khuếch có tín hiệu đưa vào (một chiều xoay chiều) tín hiệu có dạng vi sai Mạch khuếch đại thể hình 8.21 Trong T2 T3 tạo thành khuếch đại ghép emitơ chung Tl T4 mạch gánh emitơ tạo điện trở vào lớn Khi điện áp vào không, bazơ T1 mức đất bazơ T4 điều chỉnh mức đất bazơ T2 T mức âm so với đất (-UB2 = -UB3) Do IC2 = IC3 điện áp rơi R3 R6 điều chỉnh colectơ T2 T3 mức đất Các colectơ đầu khuếch đại chúng mắc trực tiếp với lái tia (UC2 UC3) Con trượt chiết áp R4 thường nằm điểm giữ vai trò điện trở điều chỉnh cân đầu vi sai khuếch đại Khi điện áp vào khác không, qua phân áp đặt vào bazơ tranzito T1 , lúc IEI  0, dòng IB1 qua R1 R2 tạo thành điện áp đặt vào tranzito T2 khiến cho dòng IC2 tăng IC3 giảm Khi IC2 tăng, điện áp UC2 giảm xuống mặt khác IC3 giảm, điện áp UC3 tăng Hình 8.21 Bộ khuếch đại làm lệch Nếu độ biến thiên UC2 UC2 = - 1V UC3 = +1 V Khi tín hiệu vào phân áp tăng theo chiều âm, IC2 giảm, IC3 tăng UC2 > , UC3 < Thông thường điện áp 139 qua phân áp nhỏ mV, tương ứng với vạch chia độ lệch hình điện áp vào lớn 10V tương ứng với vạch chia độ lệch Chiết áp R10 (hình 8.21) làm nhiệm vụ điều chỉnh điện áp Bazơ T4 để dịch chuyển chùm tia điện tử lên xuống khỏi tâm hình 8.3.4 Tín hiệu qt Hình 8.22 biểu diễn dạng sóng hình Khi ta đặt tín hiệu cần quan sát vào hai cực Y, tia điện tử khơng có tác động kéo ngang ta thấy vạch thẳng đứng Hình 8.22 Để kéo tín hiệu nằm ngang người ta dùng tín hiệu tạo gốc thời gian đặt vào hai cực X gọi tín hiệu quét ngang Tín hiệu có dạng sóng cưa (hoặc sóng dốc lặp lặp lại) Nếu tần số tín hiệu cần quan sát lớn n lần tần số tín hiệu qt hình nhìn thấy n chu kì tín hiệu quan sát Nếu tỉ số tần số số hai số nguyên hình xuất dạng đường cong đứng yên Nếu ngược lại đường cong chuyển động khơng quan sát cần thiết phải có đồng tín hiệu vào tín hiệu qt đạt điều cách điều chỉnh tần số quét nhờ núm điều chỉnh mặt dao động kí 8.3.5 Bộ tạo sóng qt ngang Máy phát thường dùng máy phát cưa hình 8.23 Trong có hai phận tạo sóng cưa mạch trigơ schmitt không đảo Đầu vào op-amp áp vào trigơ schmitt điện áp U1 tạo sóng cưa đưa vào trigơ qua điện trở R6 Do khuếch đại op-amp có hệ số khuếch đại điện áp lớn (khoảng 200.000) nên cần chênh lệch nhỏ đầu vào op-amp đủ làm cho đầu tri gơ schmitt bão hồ Điều có nghĩa điện áp gần với điện áp nguồn dương âm Thông thường điện áp bão hoà là: U2 = (UCC - 1V) U2 = (-UEE – V) Giả sử đầu vào trigơ schmitt mức tối thiểu (tức điện áp đầu không đảo op-amp mức đầu đảo tiếp đất) đầu op-amp giữ bão điện I1 chạy vào nạp cho tụ C1 điện áp tụ tăng lên Khi điện áp U1 tăng lên đủ lớn, trigơ chuyển trạng thái đầu mức bão hoà dương 140 Tại thời điểm dòng bazơ (IB2) chạy tới T2 qua R4 làm cho điện bazơ T tăng lên T2 chuyển sang trạng thái đóng, dòng colectơ IC2 chạy qua T2 tới nguồn U Tụ C1 phóng điện Q trình phóng nạp tụ tạo nên xung cưa Hình 8.23 Bộ tạo gốc thời gian – sóng qt ngang Phương trình cho điện áp cưa là: U1 = I 1T C1 (6.l) U -độ biến thiên điện áp tụ thời gian T T - chu kì xung ca; Cl - điện dung lụ Chu kì (T) xung cưa phụ thuộc vào dòng điện I1 tụ C1 I1 thay đổi nhờ điện trở R3 C1 thay đổi giá trị qua núm chuyển mạch K Máy phát quét làm việc hai chế độ chế độ liên tục chế độ chờ: - Chế độ liên tục chế độ quét bình thường trình bày - Chế độ chờ chế độ dùng để quan sát xung rời rạc cách xa Máy phát quét khởi động tín hiệu cần quan sát Việc đồng tín hiệu đo tín hiệu quét đợc thực tự động 141 8.3.6 Dao động ký điện tử hai tia Cấu tạo dao động ký hai tia giống dao động ký tia, để tạo hai tia thực theo hai phương pháp : a) Dùng hai súng phóng tia điện tử riêng biệt, chùm cho dạng sóng (hình 8.24a) b) Dùng súng phóng tia điện tử chùm tia tách thành hai phần riêng biệt trước qua làm lệch (hình 8.24b) Hình 8.24 Dao động ký điện tử hai tia Hình 8.25 Thiết bị sử dụng hai phương pháp dùng làm lệch ngang: Dạng sóng ca từ tạo gốc thời gian đưa vào làm lệch ngang hai chùm làm lệch để quét ngang hình cách đồng thời Hình 8.26 sơ đồ hệ thống lái tia máy sóng hai chùm máy sóng chùm tách thành hai phần Hình 8.25 cho thấy máy sóng có hai lối vào riêng biệt, kênh A kênh B Mỗi kênh có mạch khuếch đại làm lệch riêng để ni cặp làm lệch đứng tạo gốc thời gian điều khiển đồng thời hai tia với làm lệch ngang 142 8.26 Hình 8.26 hệ thống lái tia máy sóng chùm lách thành hai phần Trong tín hiệu vào kênh A B qua hai khuếch đại Các tín hiệu chuyển mạch luân phiên kênh A B nhờ hệ thống chuyển mạch điện tử Tần số chuyển mạch điều khiển mạch tạo gốc thời gian 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Hoà Giáo trình đo lường đại lượng điện khơng điện NXBGD 2003 [2] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế …Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý NXBGD 2004 [3] Dương Minh Trí Cảm biến ứng dụng NXB KHKT 2001 144 ... hiệu đo Cho nên, cần phải tính đến điều kiện đo khác Để chọn thiết bị đo tiến hành phép đo cho tốt 1.2.3 Thiết bị đo phương pháp đo Thiết bị đo phận dùng để thu nhận tín hiệu mang thông tin đo lường. .. thành dạng thuận tiện cho người quan sát Thiết bị đo lường gồm nhiều loại là: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thơng tin đo lường Mỗi loại thiết... 31 Chương ĐO NHIỆT ĐỘ 2.1 Khái niệm 2.1.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ 2.1.2 Phân loại nhiệt kế 2.2 Nhiệt kế giãn nở 2.2.1 Nhiệt kế giãn nở chất rắn 2.2.2 Nhiệt kế giãn nở chất nước 2.3 Nhiệt kế