SAI SỐ NHIỆT ĐỘ THEO PHƯƠNG PHÁP TIẾP XÚC
Giả sử đo nhiệt độ trong môi trường có nhiệt độ t, bộ phận nhạy cảm sẽ cho số chỉ của nhiệt độ môi trường, nhưng thực chất đó không phải là nhiệt độ môi trường, vì do sự trao đổi nhiệt giữa môi trường và bộ phận nhạy cảm có tổn thất.
Sự trao đổi nhiệt giữa bộ phận nhạy cảm và môi trường dưới 3 hình thức Q1, Q2, Q3.
Q1là nhiệt lượng mà bộ phận nhạy cảm nhận của môi trường. Tổng quát Q1có thể do bức xạ, dẫn nhiệt hoặc đối lưu. Trong một số trường 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.
Q2là nhiệt lượng do bộ phận nhạy cảm bức xạ đến môi trường.
Q3là nhiệt lượng mất mát do dẫn nhiệt ra ngoài. Khi cân bằng : Q1= Q2+ Q3
Muốn đo chính xác thì cần phải làm sao cho Q2và Q3ít nhất và sự thu nhiệt Q1nhanh nhất.
Đo nhiệt độ dòng chảy trong ống
- Bộ phận nhạy cảm không có vách lạnh - môi chất có nhiệt độ không quá cao - tản nhiệt ở phần l2nhỏ
=> Q1= Q2(Q3nhỏ). Gọi θ là độ chênh nhiệt độ giữa đầu đo và môi chất
l1.α1.u1.θ1=λ1.F1d2θ1
dx12l1
Phần ngoài l2.α2.u2.θ2=λ2.F2d2θ2
dx22l2
α1- Hệ số tỏa nhiệt của môi chất trong ống đối với ống đo nhiệt độ. α2- Hệ số tỏa nhiệt của ống đo nhiệt độ đối với môi chất bên ngoài. u1, u2- Là chu vi tiết diện ống đo ở phần trong và ngoài.
F1, F2- Diện tích tiết diện ống đo ở phần trong và ngoài.
θ1,θ2- Độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt ống đo với môi chất ở trong và ngoài.
λ1,λ2- Hệ số dẫn nhiệt của các đoạn ống đo ở trong và ngoài Điều kiện biên:
Nếu giữa vách ống và đầu đo không có dẫn nhiệt thì ta có :
Từ các điều kiện trên ta giải ra được :
θ1= b2.ch(b1x1)(t0 −t3) [b2.ch(b1.l1) +b1ch(b2.l2)].Sh(b1l1) b1=√α1u1 λ1.F1 b2=√α2u2 λ2.F2 Ta cần tìmθ1∣x1 = 0( tâm dòng chảy)
Đối với cặp nhiệt:
Khi thay x1= 0 vào công thức trên
⇒θ1= t0 −t3
ch(b1.l1)[1 +bb1
2+th(b1.l1).ch(b2.l2)]
Từ kết quả đó ta rút ra các kết luận sau :
- Khi đo (to - t3) càng lớn thì sai sốθ1càng lớn và dấu của sai số phụ thuộc vào nhiệt độ môi chất trong và ngoài ống.
- Vì Q3≠ 0 nên sai sốθ1bao giờ cũng ≠ 0. Vậy bao giờ cũng xuất hiện sai số đo.
- Nếu tăng l1và giảm l2thì sẽ giảm được θ1.
- Nếu tăng b1(tăng α1, tăng u1giảm F1& λ1) thìθ1giảm. - Nếu giảm b2thì cũng giảm được sai sốθ1.
Đối với nhiệt kế điện trở:
θ
1= 2l∫l
0θ1.dx1l : chiều dài của đoạn điện trở
Đối với nhiệt kế thủy tinh:
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.
Đo nhiệt độ khi gần ống đo có vách lạnh
Trong thực tế ta thường 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 (Q2) tăng, mà Q1= Q2+ Q3Do đó cần phải giảm Q3càng nhỏ càng tốt
Các cách làm giảm sai số đo :
- Tạo vách chắn để buộc dòng phải qua toàn bộ l1 - Bảo ôn phần l2nhằm giảm Q3
- Dùng màng chắn nhiệt (giảm Q2) Dùng vách chắn
⇒ Q1= Q2hay α1. u1.θ1dx1= Co. ε u1.[(To− θ1)4−T14]dx1
α1- Hệ số tỏa nhiệt của khí đến ống đo T1- Nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt lạnh To- Nhiệt độ tuyệt đối của dòng khí Co- Hệ số tỏa nhiệt bức xạ
ε = 1 1 eT+ F1 F2(1 e2− 1)
εT- độ đen bề mặt ống đo nhiệt
F1- diện tích ống đo nhiệt đặt nằm trong (không kể phần ngoài)
ε2, F2- độ đen và bề mặt nhận nhiệt Do ( F1<< F2) nênε = εT
Trong trường hợp α1, u1,εđều không phụ thuộc vào x1(chiều dài ống) thì ta có α1.θ11 = Co.ε[(To− θ1)4−T14]
Q3= 0 nênθ1= To- T ⇒ α1. (To- T) = Co.ε[T4− T14]
⇒T0−T= Cα10.ε[T4−T14]= Cα11[T4− T14]
C1- hệ số tỏa nhiệt bức xạ của ống đo và = C0.εT
Ví dụ:
Nếu t = 500oC , t1= 400oC, ε1= 25 kCal/m2h.K, C1= 4.10-8kCal/ m² h.K4 Thì To- T = 243°C ⇒ To= 748°C (θ1=248 oC)
Trong thực tế thường không tính toán theo công thức trên vì rất khó xác định được C1, α1, t1
Thực tế người ta giảm sai số bằng phương pháp sau: Dùng màng chắn nhiệt:
To−T= Cα11 (T4−T34)
C1- Tính cho cả hệ đầu đo và màng chắn. Vì màng chắn gần đầu đo => T3= T => Sai số đo giảm.
Giảm C1: bằng cách mạ (hoặc làm nhẵn) phía trong màng chắn. Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt của màng chắn ta tính được T3 α3F’ ( To- T3) + C1F1(T4- T34) = C3F3(T34- T14)
F’ = 2F3là bề mặt truyền nhiệt đối lưu.
α3- hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khí đến màng chắn (ống che)
Ví dụ:màng chắn có d3= 10. d1(d1: đường kính ống đo)
Dùng ống hút khí:
Cặp nhiệt hút khí gồm : nhiệt kế nhiệt điện 1, cửa tiết lưu đo tốc độ 2 và ống phun hơi.
Nguyên lý : ta tăng tốc độ dòng khí => α tăng => sai số giảm thường dùng trong thí nghiệm phức tạp vì cần thêm năng lượng bên ngoài.
Nhiệt kế khí động
Trong thực tếngười ta đã nghiên cứu phương 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 phương pháp đo mới này gần đây đã được 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 lưu, 3- áp kế có thang đo nhiệt độ, 4- thiết bị làm nguội, 5- tiết lưu, 6- bộ điều chỉnh, 7- van đ/chỉnh lưu lượng khí xả ra ngoài là không đổi.
Khí trong lò công nghiệp có áp suất p1, và nhiệt độ T1(oK) sau khi qua cửa tiết lưu 2 thì được 4 làm nguội đến nhiệt độ môi trường xung quanh, sau đó đi qua cửa tiết lưu 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 lưu 5 không đổi, do đó lưu lượng trọng lượng của dòng khí cũng không đổi. Dựa vào hiệu áp ở áp kế 3 mà ta biết được (p1-p2) rồi tìm ta T1theo công thức: T1= C1( P1- P2 )