ĐỒ án môn đo LƯỜNG tđ hóa TRONG TBL đề tài đo NHIỆT độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA CƠ KHÍ- CƠNG NGHỆ ĐỒ ÁN MƠN : ĐO LƯỜNG & TĐ HÓA TRONG TBL ĐỀ TÀI ĐO NHIỆT ĐỘ Giáo viên hướng dẫn: Lê Quang Giảng Sinh viên thực hiện: Khóa: 2018- 2022 Lớp : DH18NL Tp HCM, ngày 19 tháng 11 năm 2021 Trường đại học Nông Lâm TP.HCM LỜI NHẬN XÉT 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 - 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; thơng số chất tải lạnh hay tải nhiệt trung gian nhiệt độ, áp suất, lưu lượng; thông số môi 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 Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ Trường đại học Nơng Lâm TP.HCM 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 - Nhiệt độ tham số vật lý quan trọng, thường hay gặp kỹ thuật, công nghiệp, nông nghiệp đời sống sinh hoạt hàng ngày Nó tham số có liên quan đến tính chất nhiều vật chất, thể hiệu suất máy nhiệt nhân tố trọng yếu ảnh hưởng đến truyền nhiệt Vì lẽ mà nhà máy, hệ thống nhiệt phải dùng nhiều dụng cụ đo nhiệt độ khác Chất lượng số lượng sản phẩm sản xuất có liên quan tới nhiệt độ, nhiều trường hợp phải đo nhiệt độ để đảm bảo cho yêu cầu thiết bị cho q trình sản xuất Hiện u cầu đo xác nhiệt độ từ xa việc có ý nghĩa sản xuất nghiên cứu khoa học MỤC LỤC LỜI NHẬN XÉT .i LỜI NÓI ĐẦU ii 1.1 KHÁI NIỆM 1.1.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ 1.1.2 Phân loại nhiệt kế .2 1.2 NHIỆT KẾ GIÃN NỞ .4 1.2.1 Nhiệt kế giãn nở chất rắn 1.2.2 Nhiệt kế giãn nở chất nước 1.3 NHIỆT KẾ KIỂU ÁP KẾ 1.3.1 Nhiệt kế chất nước 1.3.2 Nhiệt kế chất khí 1.3.3 Nhiệt kế bão hoà 1.4 NHIỆT KẾ NHIỆT ĐIỆN 1.4.1 Khái niệm 1.4.2 Hiệu ứng nhiệt điện Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ Trường đại học Nơng Lâm TP.HCM 1.4.3 Các phương pháp nối cặp nhiệt 11 1.4.4 Một số yêu cầu vật liệu dùng làm cặp nhiệt .12 1.4.5 Một số loai cặp nhiệt thường dùng 12 1.4.6 Nhiệt kế cặp nhiệt công nghiệp .13 1.4.7 Đo nhiệt độ cao cặp nhiệt 15 1.5 NHIỆT KẾ ĐIỆN TRỞ 15 1.5.1 Khái niệm 15 1.5.2 Yêu cầu vật liệu dùng làm nhiệt kế điện trở 16 1.5.3 Các loại nhiệt kế điện trở .16 1.6 HỎA KẾ BỨC XẠ 22 1.6.1 Khái niệm 22 1.6.2 Hoả quang kế phát xạ .23 1.6.3 Hỏa quang kế cường độ sáng 25 1.6.4 Hoả quang kế màu sắc .28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 1.1 KHÁI NIỆM 1.1.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ a) Khái niệm Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ số đo động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử tạo nên vật thể Nhiệt độ thông số đặc trưng cho mức đo nóng lạnh vật thể Dưới tác động nhiệt độ số tính chất vật liệu thay đổi ( giãn nở thể tích, tăng áp suất, thay đổi điện trở…) vào mức độ thay đổi tính chất để xác định nhiệt độ vật thể b) Thang đo đơn vị nhiệt độ: Để đo nhiệt độ phải có thang đo đơn vị Nguyên tắc chia đơn vị: chọn hai điểm cố định t1, t2 để tái tạo điểm gốc (thường chọn điểm sôi hay điểm đông đặc) Chia khoảng t1, t2 thành n khoảng chẵn : =1 độ - Nhiệt kế nước Galilê 1597 - Năm 1848 Kelvin đề xuất thang đo nhiệt độ xây dựng dựa sở Định luật nhiệt động II gọi "Thang đo nhiệt độ nhiệt động học" Thang đo chuẩn: Năm 1927 Hội nghị cân đo quốc tế định tạm thời dùng thang đo TNQT-27 Năm 1933 Liên minh cân đo quốc tế thức sử dụng TNQT-27 sau xác hố số vấn đề sau: - Nhiệt độ biểu thị : t0 (0C) gọi độ chuẩn quốc tế - Thang đo xác định dựa số điểm chuẩn gốc - Nhiệt độ điểm chuẩn gốc xác định cách nội suy ngoại suy dựa vào nhiệt kế đặc biệt - Trong khoảng nhiệt độ -200 0C 0C xác định phương pháp nội suy qua nhiệt kế điện trở Bạch kim công thức: Rt = R0(1 + At + Bt2 + Ct3(t-100)) R0 nhiệt trở Bạch kim 0C A, B, C số xác định từ thực nghiệm - Trong khoảng nhiệt độ 00C ÷ 6500C dùng nhiệt kế điện trở Bạch kim chuẩn nội suy từ biểu thức: Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ Rt = R0(1 + At + Bt2) - Trong khoảng nhiệt độ 6500C ÷ 10630C dùng cặp nhiệt Bạch kim Rôđi, Bạch kim chuẩn nhiệt độ nội suy thông qua sức nhiệt điện động: E = at + bt + ct2 - Đối với khoảng nhiệt độ 10630C đựơc xác định hoả kế quang học chuẩn đèn nhiệt độ chuẩn theo định luật xạ đơn sắc + Năm 1948 Liên minh cân đo quốc tế định sử dụng thang đo TNQT-48 có nội dung giống TNQT-27 , khác số điểm sau: - Trong điểm chuẩn mốc lấy điểm thể chuẩn gốc thay cho điểm 0C với độ xác 10000 - Trị số số điểm chuẩn gốc lấy xác - Đưa thêm số điểm chuẩn gốc vào thang đo - Năm 1968 người ta định sử dụng TNQT-68 làm thang đo chuẩn thay cho TNQT48 xác định xác điểm mốc lấy kéo dài phía "-" sát 0K 1.1.2 Phân loại nhiệt kế 1) Căn vào phận cảm biến chia thành : Loại trực tiếp, loại gián tiếp 2) Căn theo nguyên lý làm việc loại nhiệt kế: a Nhiệt kế kiểu áp kế (khoảng đo -150 0C ÷ 600 0C): Đo nhiệt độ dựa mối quan hệ nhiệt độ áp suất chất khí, chất nước bão hồ chứa dung tích kín b Nhiệt kế điện trở (khoảng đo -200 0C ÷ 650 0C): Đo nhiệt độ dựa mối quan hệ nhiệt độ điện trở vật dẫn, bán dẫn c Nhiệt kế nhiệt điện (khoảng đo -50 0C÷ 1600 0C): Đo nhiệt độ dựa mối quan hệ nhiệt độ sức nhiệt điện động cặp nhiệt d Nhiệt kế hoả kế (khoảng đo 600 0C ÷ 2000 0C): Đo nhiệt độ dựa mối quan hệ nhiệt độ lượng xạ nhiệt vật thể, đo tới nhiệt độ 4000 C 3) Chia theo công dụng:  Nhiệt kế chuẩn  Nhiệt kế mẫu  Nhiệt kế thí nghiệm  Nhiệt kế kỹ thuật Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ 4) Theo dải nhiệt độ đo dùng phương pháp khác Thông thường nhiệt độ đo chia thành ba dải : nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình cao nhiệt độ trung bình thấp phương pháp đo phương pháp tiếp xúc nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao đo phương pháp khơng tiếp xúc, dụng cụ đặt ngồi mơi trường đo Bảng 2.1 cho ta biết dụng cụ phương pháp đo nhiệt độ với dải khác thông dụng công nghiệp Bảng 2-1 Nhiệt độ 0C Dụng cụ phương pháp đo Nhiệt điện trở : -bằng vật liệu quý -vật liệu không quý -Bán dẫn Nhiệt kế nhiệt điện: -bằng vật liệu quý -vật liệu thường -vật liệu khó chảy Điện âm Nhiệt nhiễu Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân Hoả quang kế : -Bức xạ -Màu sắc -Cường độ sáng -quang phổ kế sai số % -2730 1000 2000 3000 100.000 0,0011 0,5             1.2 NHIỆT KẾ GIÃN NỞ 1.2.1 Nhiệt kế giãn nở chất rắn Nhiệt kế kiểu đũa - Ống 1: làm từ kim loại có hệ số nở dài lớn(đồng thau, thép, Ni) - Đũa 2: Làm từ vật liệu có hệ số nở dài nhỏ (sứ, thạch anh, hợp kim Inva (64%Fe + 36%Ni)) = 2.10-6 1/ 0C Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ = 0,9.10-6 1/ 0C - Kết cấu đơn giản, độ xác khơng cao thường dùng mạch báo tín hiệu nhiệt độ mạch đơn giản kiểu vị trí - Nhiệt kế kim loại kép - Được ghép từ hai vật liệu có hệ số nở dài khác xa Có cấu tạo đơn giản, cấp xác khơng cao Chủ yếu sử dụng mạch báo tín hiệu nhiệt độ, mạch đo nhiệt độ đơn giản kiểu hai vị trí mạch bù nhiệt độ 1.2.2 Nhiệt kế giãn nở chất nước Cấu tạo chung: Hình 2.1 Hình 2.1 Bao nhiệt ; Mao quản ; Đoạn dự phòng a) Mơi chất thủy ngân: - Thủy ngân có hệ số giãn nở thấp = 18.10-5 1/ 0C - Thủy ngân khơng bị bám vào vách ống, khó bị ơxi hóa, dễ kiếm nguyên chất - Phạm vi nhiệt độ ứng với thể nước tương đối rộng: - Nhiệt độ đông đặc : tđông = -38,87 0C; - Nhiệt độ sôi : tsôi = 356,6 0C - Áp suất riêng phần nhỏ nâng cao hạn đo cách nén làm tăng áp suất sử dụng : 20 bar với 500 0C; 70 bar với 750 0C b) Môi chất chất nước hữu cơ: Các chất lỏng hữu thường dùng chất C2H2OH, nhóm tơluen, rẻ tiền , dễ kiếm, cấu trúc đơn giản nên sử dụng rộng rãi Nhược điểm : - Chất nước hữu có hệ số giãn nở cao thủy ngân ( = Hg ), hệ số lại phụ thuộc vào nhiệt độ nên thước chia độ có vạch khơng Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ - Khó kiếm ngun chất, Tỷ nhiệt lớn nên quán tính nhiệt lớn, Rất dễ bám vào vách ống nên kết đọc khó xác - Không đọc nhiệt độ thay đổi nhanh, không đo nhiệt độ điểm bề mặt c) Sai số đo sử dụng: Sai số không cắm đủ mức qui định, với nhiệt kế chuẩn mẫu phải cắm ngập hết phần cột chất lỏng dâng lên Trong trường hợp không cắm ngập đựơc hết phải cộng thêm số bổ vào kết quả: t = tđọc + (2.1) = k.n.(tđọc – t’) k: hệ số giãn nở đôi chất lỏng nhiệt kế so với thủy tinh Ví dụ : = 18.10-5 – 2.10-5 = 16.10-5 1/ 0C n: phần cột chất lỏng nằm ngồi mơi trường đo tính vạch chia t’: nhiệt độ lúc khắc độ Đối với nhiệt kế kỹ thuật đo ta phải cắm hết phần đuôi vào môi trường đo, trường hợp khơng cắm hết phần phải cộng thêm số bổ trường hợp Ngồi sử dụng nhiệt kế chất lỏng cịn mắc phải sai số sau: - Do xê dịch điểm khơng (trơi điểm 0) - Do qn tính nhiệt nhiệt kế - Do cột chất lỏng bị đứt - Do chất nước nhiệt kế bám vào vách ống nhiệt kế - Do thước chia độ bị xê dịch - Do đọc kết khơng xác (hạn chế dùng kính lúp đọc kết quả) - Do lắp đặt nhiệt kế không qui định 1.3 NHIỆT KẾ KIỂU ÁP KẾ 1.3.1 Nhiệt kế chất nước - Nếu coi thể tích hệ thống kín khơng đổi viết: p = p +() (2.2) - p0, t0: áp suất nhiệt độ ban đầu - p, t: áp suất nhiệt độ lúc đo lường - , : hệ số giãn nở, nén ép thể tích chất nước =() - : sai số giãn nở thể tích áp kế - Va0: thể tích áp kế điều kiện lúc chia độ - Vb0: thể tích bao nhiệt điều kiện lúc chia độ - ta: nhiệt độ môi trường xung quanh áp kế lúc sử dụng Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ - t0: nhiệt độ mơi trường lúc chia độ =() - : sai số giãn nở thể tích mao quản - Vmq0: thể tích mao quản điều kiện lúc chia độ - Vb0: thể tích bao nhiệt điều kiện lúc chia độ - Để giảm sai số chế tạo người ta thường cho thể tích bao nhiệt lớn nhiều so với thể tích mao quản Mặt khác người ta cịn dùng thêm ống bù (có kết cấu tương đương có mao quản khơng có bao nhiệt), bù - Sai số thủy tĩnh cột áp thủy tĩnh gây Trường hợp 1: = H1 Trường hợp 2: = H2 Trường hợp 3: = H2 H1 - Sai số đo nơi có áp suất khác (vì áp kế đo áp suất dư) - Để hạn chế sai số thủy tĩnh sai số đo áp suất khácHình người ta dùng 2.2 mơi chất có p0 =10÷ 20 kg/cm2 Các chất nước dùng nhiệt áp kế loại phải đảm bảo cho hệ số giãn nở thể tích lớn khơng làm hư hỏng bao nhiệt, mao quản, ống lò xo, tỷ nhiệt nhỏ (suất dẫn nhiệt cao) Điểm sôi điểm đông đặc phải đảm bảo đủ khoảng đo nhiệt kế(như thủy ngân, Grixêrin, rượu mêtilic) - Dải đo áp kế loại thường nằm khoảng -150÷ 3000C 1.3.2 Nhiệt kế chất khí Mơi chất nạp hệ thống chất khí Đối với khí lý tưởng thể tích hệ thống kín khơng đổi nhiệt độ áp suất hệ thống có quan hệ: pt = p0[1+(t-t0)] (2.3) t0, p0: nhiệt độ áp suất ban đầu t, pt: nhiệt độ vá áp suất lúc đo lường : hệ số giãn nở nhiệt Đặc điểm: - Khi môi trường xung quanh thay đổi khác lúc chia độ xuất sai số giãn nở thể tích , cách hạn chế tương tự nhiệt kế chất nước - Sai số áp suất thủy tĩnh gây nhỏ, bỏ qua, sai số khí gây hạn chế cách dùng chất khí có áp suất p0 = 20÷ 30 kg/cm2 Khoa Cơ Khí – Công Nghệ - Thường RT + Rd hiệu chỉnh khoảng cịn điện trở milivơnmét lớn nhiều lần (40 - 50 lần) Vì sai số chủ yếu điện trở milivônmét Rdc thay đổi - Đo sức điện động điện kế loại trừ sai số dòng tiêu thụ không, tiến hành phép đo Để khắc phục sai số nhiệt độ đầu tự thay đổi người ta dùng mạch bù sai số nhiệt độ hình 2.5 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 nhiệt độ t0 = 00C điện áp đường chéo cầu U = - Khi nhiệt độ đầu tự thay đổi 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% 1000C - Nhược điểm phương pháp phải dùng nguồn phụ sai số nguồn phụ gây 1.4.7 Đo nhiệt độ cao cặp nhiệt - Ở môi trường nhiệt độ cao từ l6000C trở lên, cặp nhiệt ngẫu không chịu lâu dài, để đo nhiệt độ mơi trường người ta dựa tượng q trình q độ đốt nóng cặp nhiệt : = f(t) = T.(l – ) (2.14) - lượng tăng nhiệt độ đầu nóng thời gian t; T - hiệu nhiệt độ môi trường đo cặp nhiệt; - số thời gian cặp nhiệt ngẫu - Dựa quan hệ xác định nhiệt độ đối tượng đo mà không cần nhiệt độ đầu làm việc cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ Nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo: khoảng 0,4 ÷ 0,6s, ta phần đầu đặc tính q trình q độ nhiệt ngẫu theo tính nhiệt độ mơi trường Nếu 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 dùng để đo nhiệt độ thép nấu chảy 1.5 NHIỆT KẾ ĐIỆN TRỞ 1.1.1 Khái niệm Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ 13 - Ngun lý làm việc nhiệt kế điện trở dựa mối quan hệ điện trở nhiệt độ vật liệu Rt = f(t) - Nhiệt kế điện trở dùng cho việc đo từ xa, cho độ xác cao đến 0,020C, dùng để đo nhiệt độ bề mặt Chúng dùng làm nhiệt kế chuẩn, chí chuẩn quốc gia Tuy nhiên chúng có mặt hạn chế riêng phải có nguồn điện làm cho thiết bị cồng kềnh, kích thước tương đối lớn nên để đo nhiệt độ điểm thường khơng xác cặp nhiệt 1.1.2 u cầu vật liệu dùng làm nhiệt kế điện trở - Vật liệu phải có điện trở suất lớn để đảm bảo có điện trở R0 lớn mà kích thước nhiệt kế nhỏ - Vật liệu phải có hệ số nhiệt độ điện trở lớn khơng thay đổi, có thay đổi phải thay đổi từ từ, không đổi dấu Để xác định hệ số thường dùng công thức: (2.15) Qui ước chọn khoảng(0 ÷ 1000C): Trong đó: - R0: điện trở 00C - R100: điện trở 1000C - Vật liệu phải có độ bền học, chịu tác dụng môi trường đo, đặc tính phải ổn định theo thời gian, dễ chế tạo thay - Vật liệu phải dễ gia cơng khí, phải dễ kiếm ngun chất, rẻ tiền(Pt, Cu, Fe, Ni), chất bán dẫn (CuO, TiO2) 1.1.3 Các loại nhiệt kế điện trở Nhiệt kế điện trở bán dẫn - Có hệ số nhiệt độ điện trở lớn, lớn khoản 10 lần so với kim loại nguyên chất - Các giới hạn đo khơng cao, tối đa khoảng (-50 ÷ 2500C) - Đặc tính khơng ổn định, khó chế tạo thay - Vì lý mà nhiệt kế điện trở bán dẫn sử dụng cơng nghiệp Nó dùng sinh hoạt, mạch điều chỉnh nhiệt độ đơn giản kiểu vị trí, mạch báo tín hiệu nhiệt độ mạch bù nhiệt độ Nhiệt kế điện trở Fe-Ni Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 14 - Đặc điểm chung thường dùng nước Đức, Mỹ đo nhiệt độ khoảng(-50 ÷ 2500C) - Có ưu điểm điện trở suất hệ số nhiệt độ điện trở lớn, giá thành rẻ - Nhược điểm quan hệ nhiệt độ điện trở phức tạp, khó chế tạo thay thế, khó thu dạng nguyên chất, chịu tác dụng hóa học Nhiệt kế điện trở Bạch kim (Pt) - Đây nguyên liệu tốt số vật liệu chế tạo nhiệt kế điện trở Không dùng công nghiệp mà dùng làm nhiệt kế chuẩn, nhiệt kế mẫu có cấp xác cao khoảng nhiệt độ(-200 ÷ 6500C) - Hệ số nhiệt độ điện trở điện trở suất lớn = 3,92.10-3 1/ 0C ; = 0.0981.10-6 m - Quan hệ nhiệt độ điện trở:  (-200 ÷ 0)0C: Rt = R0[1 + At +Bt2 + Ct3(t-100)]  (0 ÷ 650)0C: Rt = R0[1 + At + Bt2] với A, B, C số - Dễ kiếm nguyên chất, để đánh giá độ nguyên chất kim loại người ta dùng trị số - Nếu [1,387 1,390] dùng làm nhiệt kế điện trở sử dụng công nghiệp - Nếu > 1,390 dùng làm nhiệt kế điện trở mẫu chuẩn cấp thấp - Nếu 1,3925 Bạch kim nguyên chất (tinh khiết đặc biệt) dùng để chế tạo nhiệt kế để giữ chuẩn quốc gia - Độ bền khí loại nhiệt kế tốt - Nhược điểm: Trong mơi trường có tính hồn ngun đặc biệt nhiệt độ cao khí hồn ngun thoát bám vào bạch kim làm cho thay đổi đặc tính giịn * Cấu tạo: Người ta thường dùng lõi sứ mica 1) Tấm mi ca ép 2) Dây quấn Pt có đường kính = 0,05 ÷ 0,07 mm 3) Lõi mica, sứ 4) Dây bạc dùng để buộc 5) Dây dẫn nối đến đầu nhiệt kế (bằng bạc bạch kim) có =1 mm 6) Bộ phận nhạy cảm 7) Ống bảo vệ 8) Ống sứ 9) Các nhôm Nhiệt kế điện trở đồng (Cu) Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 15 - Điện trở suất đồng nhỏ điện trở suất bạch kim (Cu