Giáo trình đo lường nhiệt docx

ĐO LƯỜNG
NHIỆT
TI LIU THAM KHO
1- Cơ sở kỹ thuật đo lờng, NXB ại học bách khoa Hà nội, 1995
2- Kỹ thuật đo lờng các đại lợng vật lý, tập 1, 2 - Phạm thợng Hàn,
Nguyễn trọng Quế , Nguyễn vn Hòa, NXB Giáo dục, 1996
3- o lờng và điều khiển bằng máy tính - Ngô Diễn Tập, NXB
Khoa học kỹ thuật, 1996
4- Fundamentals of Temperature, Pressure, and Flow
Measurements (Third Edition) - Robert P. Benedict, A Wiley-
Interscience Publication John Wiley & Sons
NI DUNG CHNG TRèNH
CHƯƠNG 1 : NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
CHƯƠNG 2 : O NHIệT ộ
CHƯƠNG 3 : O áP SUấT Và CHÂN KHÔNG
CHƯƠNG 4 : O LƯU LƯợNG MÔI CHấT
CHƯƠNG 5 : O MứC CAO CủA MÔI CHấT
CHƯƠNG 6 : phân tích các chất thành phần trong hổn hợp
CHƯƠNG 7 : O ộ ẩM
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
O LƯờNG
đo lờng là một quá trinh đánh giá định lợng một đại lợng cần
đo để có kết qủa 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 tim trị số của một đại lợng cha biết biểu thị bằng đơn
vị đo lờng.
Kết qủa 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 = A
X
. X
o
X
X
0
Mục đích đo lờng là lợng cha biết mà ta cần xác định.
i tợng đo lờng là lợng trực tiếp bị đo dùng để tính toán tỡm lợng cha biết .
CHNG 1
NHỮNG KH¸I NIÖM C¥ BẢN VÒ ĐO L¦êNG
PHÂN LOẠI ĐO LƯỜNG
Th«ng thêng ngêi ta dùa theo c¸ch nhËn ®îc kÕt qủa ®o lêng ®Ó
ph©n lo¹i, do ®ã ta cã 4 lo¹i:
- ®o trùc tiÕp
- đo gi¸n tiÕp
- ®o tæng hîp
- ®o thèng kª.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
o trc tip
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. o
trực tiếp có thể rất đơn gin nhng có khi cũng rất phức tạp, thông thờng ít khi
gặp phép đo hoàn toàn trực tiếp.
- Phép đọc trực tiếp: c trc tip giỏ tr cn o t dng c o
- Phép chỉ không (hay phép bù): Nguyên tắc đo của phép bù là đem lợng cha biết

cân bằng với lợng đo đã biết trớc và khi có cân bằng, đồng hồ chỉ không.
- 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.
- 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.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
o giỏn tip
Lợng cần đo đợc xác định bằng tính toán theo quan hệ hàm đã biết đối với các l-
ợng bị đo trực tiếp có liên quan. Y = f ( x

x
n
)
o tng hp
Là tiến hành đo nhiều lần ở các điều kiện khác nhau để xác định đợc một hệ ph-
ơng trỡnh biểu thị quan hệ gia các đại lợng cha biết và các đại lợng bị đo trực
tiếp, từ đó tỡm ra các lợng cha biết. ( L = L
o
( 1 +

t +

t
2
) )
o thng kờ
m bo độ chính xác của phép đo nhiều khi ngời ta phi sử dụng phơng pháp
đo thống kế, tức là ta phi đo nhiều lần sau đó lấy giá trị trung bỡnh.
Cách đo này đặc biệt hu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ
chính xác của một dụng cụ đo.

NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
DụNG Cụ O LƯờNG
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 thỡ 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, nh qa cân, mét, điện trở tiêu chuẩn
ng hồ đo: Là nhng dụng cụ có thể đủ để tiến hành đo lờng hoặc kèm với vật đo.
- Bộ phận nhạy c m : (đồng hồ sơ cấp hay đầu đo) tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp
với đối tợng cần đo. Trong trờng hợp b phận nhạy cm đứng riêng biệt và trực tiếp
tiếp xúc với đối tợng cần đo thỡ đợc gọi là đồng hồ sơ cấp.
- Bộ phận chuyển đổi: Làm chuyển tính hiệu do bộ phận nhạy cm phát ra đa về
đồng hồ thứ cấp, bộ phận này có thể chuyển đổi toàn bộ hay một phần, gi nguyên
hay thay đổi hoặc khuyếch đại.
- Bộ phận chỉ thị đồng hồ: (ồng hồ thứ cấp) cn cứ vào tín hiệu của bộ phận nhạy
cm chỉ cho ngời đo biết kết qu.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
PHN LOI NG H
+ ng 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
+ ng hồ chỉ thị: Cho biết trị số tức thời của lợng bị đo nhờ thang chia độ, cái chỉ thị
hoặc dòng ch số.
+ ng hồ tự ghi: là đồng hồ có thể tự ghi lại giá trị tức thời của đại lợng đo trên giấy
dới dạng đờng cong f(t) phụ thuộc vào thời gian. ng hồ tự ghi có thể ghi liên tục hay
gián đoạn, độ chính xác kém hơn đồng hồ chỉ thị. Loại này trên một bng có thể có
nhiều chỉ số.
+ ng hồ tích phân: là loại đồng hồ ghi lại tổng số vật chất chuyển qua trong một số
thời gian nào đó nh đồng hồ đo lu lợng.
+ ng hồ kiểu tín hiệu: loại này bộ phận chỉ thị phát ra tín hiệu (ánh sáng hay âm
thanh) khi đại lợng đo đạt đến giá trị nào đó.
Phân loại theo cách nhận đợc lợng bị đo từ đồng hồ thứ cấp

NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Phân loại theo các tham số cần đo:
+ ng hồ đo áp suất: áp kế - chân không kế
+ ng hồ đo lu lợng: lu lợng kế
+ ng hồ đo thành phần vật chất: bộ phân tích
+ ng hồ đo mức cao: đo mức của nhiên liệu, nớc.
+ ng hồ đo nhiệt độ: nhiệt kế, hỏa kế
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Trong thực tế giá trị đo lờng nhận đợc từng đồng hồ khác với giá trị thực của l-
ợng bị đo. Giá trị thực không biết đợc và ngời ta thay giá trị thực này bằng giá trị
thực nghiệm, giá trị này phụ thuộc phẩm chất đồng hồ đo hay nói cách khác là các
tham số của đồng hồ. Chúng ta chỉ xét đến nhng tham số chủ yếu có liên quan
dến độ chính xác của số đo do đồng hồ cho biết, đó là:
CC THAM S NG H
Sai số
Gọi giá trị đo đợc là: A
đ
Còn giá trị thực là : A
t
- Sai số tuyệt đối: là độ sai lệch thực tế

= Ad - At
- Sai số tơng đối:
%100.
t
o
A


=

%100.
d
o
A


=
- Sai số qui dẫn: là tỉ số gia s.số tuyệt đối đối với khong đo của đồng hồ (%)
%100
minmax


=
AA
qd


NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Cấp chính xác:
là sai số quy dẫn lớn nhất trong khong đo của đồng hồ
CCX = = .100 %

qd
m ax

max
max min
A A

Dãy cấp chính xác 0.1 ; 0.2 ; 0.5 ; 1 ; 1.5 ; 2.5 ; 4.
Tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là CCX
Các dụng cụ đo có CCX = 0.1 hay 0.2 gọi là dụng cụ chuẩn. Còn dùng trong phòng thí
nghiệm thờng là loại có CCX = 0.5 , 1. Các loại khác đợc dùng trong công nghiệp. Khi
nói dụng cụ đo có cấp chính xác là 1,5 tức là S
qd
= 1,5%
Các loại sai số định tính: Trong khi sử dụng đồng hồ ngời ta thờng để ý đến các loại sai số
sau
- Sai số cho phép: là sai số lớn nhất cho phép đối với bất kỳ vạch chia nào của đồng hồ (với
quy định đồng hồ vạch đúng t/c kỹ thuật) để gi đúng cấp chính xác của đồng hồ.
- Sai số cơ bn: là sai số lớn nhất của bn thân đồng hồ khi đồng hồ làm việc bình thờng,
loại này do cấu tạo của đồng hồ.
- Sai số phụ: do điều kiện khách quan gây nên.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Bin sai
Chú ý: Biến sai số chỉ của đồng hồ không đợc lớn hơn sai số cho phép của đồng hồ.
Là độ sai lệch lớn nhất gia các sai số khi đo nhiều lần 1 tham số cần đo ở cùng 1
điều kiện đo lờng: A
dm
- A
nd
max
nhy
S =

X
A
X : độ chuyển động của kim chỉ thị (m ; độ )
A : độ thay đổi của giá trị bị đo.
Hn khụng nhy
Là mức độ biến đổi nhỏ nhất của tham số cần đo để cái chỉ thị bắt đầu làm việc.
Chỉ số của hạn không nhạy nhỏ hơn 1/2 sai số cơ bn.
Trong thực tế ta không dùng dụng cụ có độ nhạy cao vỡ làm kim dao động dẫn
đến hỏng dụng cụ.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Kim nh ng h
Xác định chất lợng làm việc của đồng hồ bằng cách so sánh với đồng hồ chuẩn để
đánh giá mức độ làm việc.
Nội dung: Xét sai số cho phép: sai số cơ bn, biến sai, độ nhạy và hạn không nhạy
của đồng hồ.
- i với đồng hồ dùng trong công nghiệp CCX 2.5 thỡ kiểm định 3 ữ 5 vạch
chia độ trong đó có A
min
& A
max
.
- ng hồ dùng trong phòng thí nghiệm: kiểm định 10 ữ 15 vạch và sau khi kiểm
tra dùng bng bổ chính. Thông thờng dùng đồng hồ có CCX là 0.1 ; 0.2 để kiểm
định các đồng hồ cấp chính xác lớn hơn 0.5 1.
Các đồng hồ chuẩn cấp 1 có CCX < 0.1 thỡ kiểm định bằng phơng pháp đặc biệt và
dùng đồng hồ chuẩn gốc.
ng hồ chuẩn cấp 2 (CCX 0.1; 0.2) thỡ dùng đồng hồ chuẩn cấp 1 để kiểm định.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
SAI S O LƯờNG

Trong khi tiến hành đo lờng, trị số mà ngời xem, đo nhận đợc không bao giờ hoàn
toàn đúng với trị số thật của tham số cần đo, sai lệch gia hai trị số đó gọi là sai
số đo lờng.
Tùy theo nguyên nhân gây sai số trong quá trỡnh đo lờng mà ngời ta chia sai số
thành 3 loại sai số sau: - Sai số nhầm lẫn - Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên
Sai số nhầm lẫn: Trong quá trỡnh đo lờng, nhng sai số do ngời xem đo đọc sai,
ghi chép sai, thao tác sai, tính sai, vô ý làm sai đợc gọi là sai số nhầm lẫn.
Sai số hệ thống: Sai số hệ thống thờng xuất hiện do cách sử dụng đồng hồ đo
không hợp lý, do bn thân đồng hồ đo có khuyết điểm, hay điều kiện đo lờng
biến đổi không thích hợp và đặc biệt là khi không hiểu biết kỹ lỡng tính chất của
đối tợng đo lờng.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
a- Sai số công cụ: là do thiếu sót của công cụ đo lờng gây nên.
b- Sai số do sử dụng đồng hồ không đúng quy định: - t đồng hồ ở nơi có nh hởng của
nhiệt độ, của từ trờng, vị trí đồng hồ không đặt đúng quy định
c- Sai số do chủ quan của ngời xem đo. c số sớm hay muộn hơn thực tế, ngắm đọc
vạch chia theo đờng xiên
d- Sai số do phơng pháp: Do chọn phơng pháp đo cha hợp lý, không nắm vng phơng
pháp đo
e- Sai số hệ thống cố định: Sai số này có trị số và dấu không đổi trong suốt quá trỡnh đo
lờng.
f- Sai số hệ thống biến đổi: Trị số của sai số biến đổi theo chu kỳ, tng hoặc gim theo
quy luật (số mũ hay cấp số ) in áp của pin bị yếu dần trong quá trỡnh đo lờng, sai số
khi đo độ dài bằng một thớc đo có độ dài không đúng
Vậy để hạn chế sai số hệ thống thỡ đồng hồ phi đợc thiết kế và chế tạo thật tốt, ngời
đo phi biết sử dụng thành thạo dụng cụ đo, phi biết lựa chọn phơng pháp đo một cách
hợp lý nhất và tỡm mọi cách gi cho điều kiện đo lờng không thay đổi.
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Sai số ngẫu nhiên: Trong quá trỡnh đo lờng, nhng sai số mà không thể tránh
khỏi gây bởi sự không chính xác tất yếu do các nhân tố hoàn toàn ngẫu nhiên

đợc gọi là sai số ngẫu nhiên.
Sự xuất hiện mỗi sai số ngẫu nhiên riêng biệt không có quy luật . Nguyên
nhân gây sai số ngẫu nhiên là do nhng biến đổi rất nhỏ thuộc rất nhiều mặt
không có liên quan với nhau xy ra trong khi đo lờng, mà ta không có cách
nào tính trớc đợc. Vỡ vậy chỉ có thể thừa nhận sự tồn tại của sai số ngẫu nhiên
và tỡm cách tính toán trị số của nó chứ không thể tỡm kiếm và khử các nguyên
nhân gây ra nó. Loại sai số này có tính tơng đối và gia chúng không có ranh
giới.
Mỗi sai số ngẫu nhiên xuất hiện không theo quy luật không thể biết trớc và
không thể khống chế đợc, nhng khi tiến hành đo lờng rất nhiều lần thỡ tập hợp
rất nhiều sai số ngẫu nhiên của các lần đo đó sẽ tuân theo quy luật thống kê.
Số lần xuất hiện
xx X
i
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Tính sai số ngẫu nhiên trong phép đo trực tiếp
Qui luật phân bố số đo và sai số ngẫu nhiên:
o liên tục và trực tiếp một tham số
cần đo ở điều kiện đo lờng không đổi
ta đợc một dãy số đo x
1
, x
2
, , x
i
,
, x
n
và gi thiết lúc đo rất cẩn thận
(không có sai số nhầm lẫn và sai số hệ

thống).
- Các số đo x
i
đều phân bố một cách đối xứng với một trị số X.
- Các số đo x
i
có trị số càng gần X càng nhiều,
- Các số đo x
i
càng khác xa X càng ít và không có các số đo x
i
khác X lớn
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
y =
2
2
2
.
2
1




e
y

0

1
2

2
1
1

2
1
2
= - là sai số trung bỡnh bỡnh phơng của sai số
( )
n
n
i
i

=1
2


i
= x
i
- X - là sai số ngẫu nhiên
của số đo x
i
Lut phõn b Gauss
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Sai số của dãy số đo:

= (với
i
= x
i
- X) là sai số trung bỡnh bỡnh phơng và đặc trng
cho độ chính xác của dãy số đo khi n = .
( )
n
n
i
i

=1
2

= (với n là hu hạn) nó đặc trng cho độ chính xác của dãy số đo.
( )
n
n
i
i

=1
2

Ngoài sai số ngời ta còn dùng sai số ngẫu nhiên , sai số trung bỡnh toán và sai số
giới hạn
lim
nhng sai số đó đều thuộc loại sai số ngẫu nhiên của dãy số đo thu đợc.
+ Nếu P (-, +) = 1/2 thỡ gọi là sai số ngẫu nhiên của dãy số, biến đổi và tra bng

tích phân xác suất ta đợc = 2/3 .
+ = biến đổi và tính toán ta đợc = 4/5. Tra bng ta có P (- ,+ ) = 58%.
+ Sai số giới hạn
lim
là sai số có trị số đủ lớn sao cho trong thực tế hầu nh không có sai
số ngẫu nhiên nào trong phép đo có trị số lớn hơn
lim
. Ngời ta thờng dùng
lim
= 3 lúc
này P (-
lim
,+
lim
) = 99,7%. Có khi ta dùng
lim
= 2.

=
n
i
i
n
1
1

NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Sai số của kt qu o
lng:
= L - X =

=
n
i
i
n
1
1

- là sai số ngẫu nhiên của kết qu đo lờng
Thng ta dùng S = biến đổi và tính ra đợc S =
và gọi S là sai số trung bỡnh bỡnh phơng của kết qu đo lờng.
2

n

X = L S
R = - Sai số ngẫu nhiên của kết qu đo lờng . => X = L R
T = - Sai số trung bình toán của kết qu đo lờng. => X = L T
= 3S - Sai số giới hạn của kết qu đo lờng. => X = L
n

n


lim

lim
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
- Bn thân các sai số S, R, T cũng có sai số nên trong các phép đo tinh vi nhất

(phép đo mà /L < 0,1% ) thỡ chúng ta cần phi xét đến. Sai số của S, R, T
cũng gồm 3 loại nh trên tức là ứng với R thỡ có r
R
, s
R
, t
R
.
Lúc này ta có thể viết X = L ( R r
R
) . Tơng tự cũng với S và T.
- Trong trờng hợp phép đo không thể thực hiện đợc với điều kiện đo lờng nh
nhau thỡ độ chính xác của mỗi số đo không nh nhau, vỡ vậy cần xét đến mức độ
tin cậy của các số đo thu đợc. Số dùng biểu thị mức độ tin cậy đó gọi là trọng
độ p, và ta dùng trị trung bỡnh cộng trọng độ.


=
=
n
i
i
n
i
ii
p
px
1
1
( )

=
=
=
n
i
i
n
i
ii
p
p
1
1
2


0
Lx
ii
=

L
o
= và với
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Tính sai số ngẫu nhiên trong phép đo gián tiếp
y = f ( x
1

, x
2
, x
m
). V các tham số x
1
, x
2
, x
m
đợc xác định bằng phép
đo trực tiếp nên ta sẽ thu đợc x
i
= L
i

i
y = L
y

y

=

=
m
i
i
i
y
x
y
1
2
2




( )
L f L L L
y m
=
1 2
, , ,
y = a
1
x
1
+ a
2
x
2

+ + a
n
x
n

y
= , L
y
= v
2
1
2
i
n
i
i
a


=

=
n
i
ii
La
1

oy
=

y
y
L

y =
m
a
m
aa
xxkx
21
21

oy
a a a
m m1
2
0 1
2
2
2
0 2
2 2
0
2

+ + +. . .
=
k. , Và
y

= L
y
.
oy
L
y
=
L L L
a a
m
a
m
1 2
1 2
.
i
i
i
x


=
0
NHNG KHáI NIệM CƠ BN Về O LƯờNG
Chú ý: Về mặt đo lờng ta cần phân biệt rõ sự khác nhau của các biểu thức toán
có giá trị nh nhau về mặt toán nhng viết khác nhau.
1- Với y = x.x.x , biến x đợc cho 3 lần riêng rẽ nh nhau khi tỡm thể tích khối
lập phơng có cạnh là x. Ta cũng có thể viết y = x
3
, trờng hợp này có nghĩa là chỉ

đo 1 cạnh x và dùng phép đo gián tiếp để xác định y. Sai số của y trong 2 trờng
hợp trên rõ ràng là không giống nhau.
cụ thể : y = x.x.x vậy
oy
=
ox
còn y = x
3
vậy
oy
= 3
ox
2- Với y = 2x và y = x + x có sai số là
y
= 2
x
và
y
=
x
Ta thấy rằng khi đo riêng lẻ thỡ sai số nhỏ hơn. Sở dĩ nh vậy là vỡ khi đo riêng lẻ
các sai số ngẫu nhiên của chúng bù trừ cho nhau.
3
2