Đo lường bức xạ nhiệt

Mục lục
Lời mở đầu ............................................................................................2
Chương 1...............................................................................................3
KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG .....................................3
1.

Khái niệm về đo lường: ............................................................................................... 3

2.

Phân loại quá trình đo: ................................................................................................ 3

3.

2.1.

Đo trực tiếp........................................................................................................... 3

2.2.

Đo gián tiếp .......................................................................................................... 3

2.3.

Đo tổng hợp .......................................................................................................... 3

Dụng cụ đo lường: ....................................................................................................... 4
Đồng hồ đo ...................................................................................................................... 4

4.

5.

Sai số đo lường: ........................................................................................................... 5
4.1.

Sai số nhầm lẫn ..................................................................................................... 5

4.2.

Sai số hệ thống ...................................................................................................... 5

4.3.

Sai số ngẫu nhiên ................................................................................................... 5

Một số hình ảnh minh hoạ các quá trình đo lường phổ biến hiện nay: ........................... 5

Chương 2...............................................................................................7
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG BỨC XẠ ......7
1.

2.

Giới thiệu tổng quan về khái niệm đo lường bức xạ ...................................................... 7
1.1.

Khái niệm bức xạ nhiệt : ......................................................................................... 7

1.2.

Một số định luật về bức xạ nhiệt: ............................................................................. 9

Dụng cụ đo nhiệt độ bằng phương pháp gián tiếp: ...................................................... 12
2.1.

Hoả kế quang học ................................................................................................ 12

2.2.

Hoả kế bức xạ toàn phần ...................................................................................... 15

2.3.

Hỏa kế quang điện ............................................................................................... 20

2.4.

Hỏa kế so màu sắc ............................................................................................... 21

2.5.

Hoả kế bức xạ hồng ngoại..................................................................................... 22

KẾT LUẬN .........................................................................................26
Tài liệu tham khảo..............................................................................27

1


Lời mở đầu

Đo lường là việc xác định độ lớn, không chỉ các đại lượng vật lý
mà có thể là bất cứ khái niệm gì có thể so sánh được với nhau. Đo
lường cung cấp các chuẩn mực về độ lớn cho giao dịch trong đời
sống. Đo lường nói riêng, hay quan sát và thí nghiệm nói chung,
cũng là một bước quan trọng trong nghiên cứu khoa học (khoa
học tự nhiên và khoa học xã hội).
Ngày nay, với sự phát triển vượt bật của khoa học công nghệ. Thì
các quá trình đo lường có vai trò vô cùng quan trọng trong việc
ứng dụng cũng như phát triển các loại máy móc, chi tiết trong các
nhà máy hay trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta.
Các thiết bị ngày nay càng cải tiến, quy mô phát triển lớn thì ta
nên chọn các phương pháp đo lường thích hợp. Để đảm bảo độ
an toàn cũng như tiến độ trong khâu sản xuất.

2


Chương 1
KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH ĐO LƯỜNG
1. Khái niệm về đo lường:
_ Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng một đại lượng
cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Hoặc có thể định
nghĩa rằng đo lường là hành động cụ thể thực hiện bằng công cụ
đo lường để tìm trị số của một đại lượng chưa biết biểu thị bằng
đơn vị đo lường.

2. Phân loại quá trình đo:
_ Có 3 loại đo chính: đo trực tiếp, đo gián tiếp và đo tổng hợp
2.1. Đo trực tiếp
_ Là ta đem lượng cần đo so sánh với lượng đơn vị bằng dụng

cụ đo hay đồng hồ chia độ theo đơn vị đo.
2.2. Đo gián tiếp
_ Lượng cần đo được xác định bằng tính toán theo quan hệ hàm
đã biết đối với các lượng bị đo trực tiếp có liên quan.
2.3. Đo tổng hợp
_ Là tiến hành đo nhiều lần ở các điều kiện khác nhau để xác
định được một hệ phương trình biểu thị quan hệ giữa các đại
lượng chưa biết và các đại lượng bị đo trực tiếp, từ đó tìm ra các
lượng chưa biết.

3


3. Dụng cụ đo lường:
Đồng hồ đo
_ Là những dụng cụ có thể đủ để tiến hành đo lường hoặc kèm
với vật đo. Có nhiều loại đồng hồ đo khác nhau về cấu tạo, nguyên
lý làm việc.... nhưng xét về tác dụng của các bộ phận trong đồng
hồ thì bất kỳ đồng hồ nào cũng gồm 3 bộ phận là bộ phận nhạy
cảm, bộ phận chỉ thị và bộ phận chuyển đổi trung gian.

Đồng hồ đo áp suất

Đồng hồ đo lưu lượng nước

4


4. Sai số đo lường:
Có 3 loại sai số khi đo lường là: Sai số nhầm lẫn, sai số hệ

thống, sai số ngẫu nhiên.
4.1. Sai số nhầm lẫn
_ Trong quá trình đo lường, những sai số do người xem đo đọc
sai, ghi chép sai, thao tác sai, tính sai, vô ý làm sai,... được gọi là
sai số nhầm lẫn.
4.2. Sai số hệ thống
_ Sai số hệ thống thường xuất hiện do cách sử dụng đồng hồ đo
không hợp lý, do bản thân đồng hồ đo có khuyết điểm, hay điều
kiện đo lường biến đổi không thích hợp và đặc biệt là khi không
hiểu biết kỹ lưỡng tính chất của đối tượng đo lường.
4.3. Sai số ngẫu nhiên
_ Trong quá trình đo lường, những sai số mà không thể tránh khỏi
gây bởi sự không chính xác tất yếu do các nhân tố hoàn toàn ngẫu
nhiên được gọi là sai số ngẫu nhiên.

5. Một số hình ảnh minh hoạ các quá trình đo
lường phổ biến hiện nay:

Đo nhiệt độ
5


Đo độ ẩm

Đo bức xạ

6


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐO
LƯỜNG BỨC XẠ
1. Giới thiệu tổng quan về khái niệm đo lường bức xạ
1.1. Khái niệm bức xạ nhiệt :
_ Bức xạ nhiệt là bức xạ điện từ được tạo ra bởi chuyển động
nhiệt của các hạt điện tích trong vật chất. Tất cả các vật chất với
nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ nhiệt. Khi
nhiệt độ của vật lớn hơn độ không tuyệt đối thì sự va chạm giữa
các nguyên tử hoạt động làm thay đổi động năng của các nguyên
tử hoặc phân tử. Điều này dẫn đến làm tăng tốc điện tích và/hoặc
gây dao động lưỡng cực, từ đó sản sinh ra bức xạ điện từ và độ
rộng phổ của bức xạ tương ứng với độ rộng phổ của năng lượng
và gia tốc ở một nhiệt độ nhất định.
_ Nếu một vật phát ra bức xạ đáp ứng các đặc tính vật lý của vật
đen ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, các bức xạ được gọi
là bức xạ vật đen.
_ Khi một vật phát ra bức xạ, năng lượng và nhiệt độ của nó giảm.
_ Khi một vật hấp thụ bức xạ, năng lượng và nhiệt độ của nó tăng

7


Hình ảnh về hiện tượng bức xạ nhiệt

_ Bất kỳ một vật nào sau khi nhận nhiệt thì cũng có một phần
nhiệt năng chuyển đổi thành năng lượng bức xạ, số lượng được
chuyển đổi đó có quan hệ với nhiệt độ.
_ Dụng cụ dựa vào tác dụng bức xạ nhiệt để đo nhiệt độ của vật
gọi là hỏa kế bức xạ, chúng thường được dùng để đo nhiệt độ trên
600 0C.

8


_ Nếu bức xạ có bước sóng
• λ = 0,4 ÷ 0,44 μm → tím than
• λ = 0,44 ÷ 0,49 μm → xanh đậm - xanh da trời
• λ = 0,49 ÷ 0,58 μm → xanh lá cây thắm
• λ = 0,58 ÷ 0,63 μm → vàng nghệ
• λ = 0,63 ÷ 0,76 μm → đỏ tươi - đỏ thẳm

1.2. Một số định luật về bức xạ nhiệt:
1.2.1. Định luật Planck

Max planck

EOλ = C1 λ−5

1
C2
[eλT

− 1]

λ : Độ dài của bước sóng
C1 , C2 : Hằng số Planck

9

Nếu T < 3000 oK và λ .T < 0,3 cm.K thì sử dụng công thức
trên là khá chính xác.
1.2.2.

Định luật Stefan-Boltzman:

Stefan - Boltzman
Cường độ bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối liên hệ với
nhiệt độ của nó bằng biểu thức :

EO =

∞
∫O EOλ d

λ = CO (

T

4

)

100

CO = 5,67 W/m2 .o K 4
1.2.3.

Định luật chuyển định của Wiên:

Wien

10


Khi vật nhiệt độ T có cường độ bức xạ lớn nhất thì song λm
sẽ quan hệ với nhiệt độ theo biểu thức:
λm .T = 2,898.10−3
( m.o K )

Bức xạ ứng với mỗi nhiệt độ tuân theo định luật Wien

11


Định luật Planck (minh họa bằng các đường cong màu)

2. Dụng cụ đo nhiệt độ bằng phương pháp gián tiếp:
2.1. Hoả kế quang học
_ Hoả kế quang học chế tạo dựa trên định luật Planck.
_ Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang học là so sánh cường
độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng
một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng. Khi độ sáng
của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau. Từ hình
trên ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị, do đó
người ta thường cố định bước sóng ở 0,65μm.

12

Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào bước sóng và nhiệt độ

Sơ đồ hoả kế quang học
1) Nguồn bức xạ 2)Vật kính 3) Kính lọc 4&6) Thành ngăn
5) Bóng đèn mẫu 7) Kính lọc ánh sáng đỏ 8) Thị kính

_ Khi đo, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ
cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn
(4), (6), kính lọc ánh sánh đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. Bật công
tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh
biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của
vật cần đo.
_ Trong thực tế khi đo nhiệt độ của vật có T < 3000 oC với bước
sóng λ trong khoảng 0,4 ÷ 0,7 μm thì mật độ phổ bức xạ của vật
đen tuyệt đối có quan hệ với nhiệt độ theo định luật Planck:
C2

EOλ = C1 λ−5 eλT
_ Đối với vật thật:
Eλ =

C2
−5 λT
𝜖λ C1 λ e

_ Sai số khi đo:
Sai số do độ đen của vật đo ε < 1. Khi đó Tđo xác định bởi công
thức:

13

_ Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ΔT
_ Giá trị của ΔT cho theo đồ thị.
_ Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách
đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ. Khi môi trường có bụi làm
bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng.

Sơ đồ hoả kế quang học tiếng anh

14


Thiết bị hoả kế quang học

2.2. Hoả kế bức xạ toàn phần
_ Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của
vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của
vật.
_ Trong đó: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt
đối (K).
_ Thông thường có hai loại: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ, hoả
kế bức xạ có kính phản xạ.

Hoả kế bức xạ toàn phần
a) Loại có ống kính hội tụ b) Loại có kính phản xạ
1) Nguồn bức xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ
4) Bộ phân thu năng lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp

15

_ Trong sơ đồ hình a: ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính
hội tụ (2) đập tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận
này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5).
_ Trong sơ đồ hình b: ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương
phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4),
bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5).
_ Bộ phận thu năng lượngcó thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc
là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu:
+ Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ 100 - 150oC.
+ Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây.
+ Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đo.
_ Trên hình bộ thu năng lượng trình bày cấu tạo của một bộ thu
là tổ hợp cặp nhiệt. Các cặp nhiệt (1) thường dùng cặp
crômen/côben mắc nối tiếp với nhau. Các vệt đen (2) phủ bằng
bột platin. Hoả kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp
(~10%), hoả kế dùng thấu kính hội tụ có thể tổn thất tới 30 - 40%.
Tuy nhiên loại thứ nhất lại có nhược điểm là khi môi trường nhiều
bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó tăng sai số.
_ Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt
quá 27oC, trong điều kiện:
+ Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1.
+ Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L)
không nhỏ hơn 1/16.

Bộ thu năng lượng

16

1) Cặp nhiệt 2) Lớp phủ platin

+ Nhiệt độ môi trường 20 ± 2oC.
_ Trong thực tế độ đen của vật đo e <1, khi đó

_ Thông thường xác định theo công thức sau:
_ Với ΔT là lượng hiệu chỉnh phụ thuộc Tđọc và độ đen của vật đo
(hình hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen ). Khoảng cách đo tốt nhất
là 1 ± 0,2 mét.

Hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen

Ưu điểm:
_ Thiết bị này có thể được dùng để đo nhiệt độ rất cao mà không
cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt. (kim loại nóng chảy)
_ Tốc độ đáp ứng nhanh, có thể đo các đối tượng chuyển động.
_ Không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách từ khoảng cách đến đối
tượng đo.

17


Nhược điểm:
_ Không tuyến tính, độ nhạy kém.
_ Tính sẵn có của vật liệu quang học làm giới hạn các bước sóng
có thể đo được.
_ Cấu tạo đơn giản nhưng giá thành, chi phí lắp đặt cao.
_ Sự phát xạ của vật liệu đối tượng ảnh hưởng đến phép đo.
_ Nếu có bất kì 1 nguồn nhiệt nào khác đối tượng đo sẽ ảnh hưởng

đến kết quả đo.

18


Một số hình ảnh về thiết bị đo hoả kế bức xạ toàn phần

19


2.3. Hỏa kế quang điện
_ Nguyên tắc đo nhiệt độ của hỏa kế quang điện cũng tương tự
như hỏa kế quang học song nhờ dùng đèn quang điện làm bộ phận
nhạy cảm và thực hiện điều chỉnh độ sáng của bóng đèn một cách
tự động nên hỏa kế quang điện là dụng cụ tự động đo được nhiệt
độ các quá trình biến đổi nhanh có thể tự ghi số đo một cách liên
tục và dùng trong các hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ .
_ Phạm vi đo 600÷2000 oC đặc biệt khi sử dụng kính mờ có thể
đo đến 4000 oC.

20


2.4. Hỏa kế so màu sắc

_ So sánh cường độ bức xạ hoặc độ sáng đối với hai sóng bức xạ
khác nhau nhiệt độ đo trong trường hợp này gọi là nhiệt độ so độ
sắc Nguyên lý làm việc: Cường độ bức xạ từ vật đo 1 qua thấu
kính hội tụ và tập trung ánh sáng trên đĩa quay, đĩa này quay
quanh trục nhờ động cơ xoay chiều. Sau khi ánh sáng qua đĩa thì

đi đến phần tử quang điện. Trên đĩa quay có khoan một số lỗ,
trong đó một nửa đặt bộ lọc màu đỏ còn nữa kia đặt bộ lọc màu
xanh. Sự chênh lệch giữa hai dòng quang điện do các xung lượng
tạo ra gây nên trong BKĐ, một tín hiệu tỷ lệ với lôgarít tự nhiên
của tỷ số hai dòng quang điện khi tấm chắn quay.
_ Khoảng đo từ 1400 ÷ 2800°C.
Ưu điểm:
_ Nhiệt độ so màu sắc gần giống nhiệt độ thực hơn so với nhiệt
độ độ sáng và nhiệt độ bức xạ .

21


_ Việc xác định ελ1 đối với các đối tượng rất khó, trái lại xác định
tỷ số độ đen của 2 sóng bức xạ ελ1/ ελ2 dễ dàng và khá chính xác
nên số bổ chính tìm được đáng tin cậy hơn, và sai số sẽ giảm đi
nhiều.
_ Ảnh hưởng do hấp thụ bức xạ của môi trường giảm rất nhỏ so
với các hỏa kế khác.

2.5. Hoả kế bức xạ hồng ngoại
_ Hồng ngoại là sóng có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến
(nhìn thấy). Mắt người bình thường có thể thấy ánh sáng có bước
sóng khoảng từ 0.36µm tới 0.72µm.
_ Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quốc phòng, an ninh, công
nghiệp sản xuất. Riêng trong lĩnh vực sản xuất,...
_ Trên thị trường hiện có rất nhiều nhà sản xuất súng đo bức xạ
hồng ngoại: Eurotron, Flir, Kimo, IRTEK, Fluke,....
_ Bất kể một vật nào có nhiệt độ trên -273oC đều phát ra bức xạ
điện tử. Cảm biến hồng ngoại sẽ đo mức năng lượng của vật, từ

đó sẽ tính toán ra nhiệt độ.

Bộ cảm biến nhiệt

22


Sử dụng cảm biến hồng ngoại trong nhà máy

2.5.1.

Lưu ý khi sử dụng/chọn mua súng đo nhiệt độ hồng
ngoại:

23


2.5.2.

Ứng dụng thực tế của súng đo nhiệt độ:

Súng đo nhiệt độ trong quá trình sản xuất thủy tinh thành phẩm

Súng đo nhiệt độ trong quá trình sản xuất kính chắn gió cho ô tô
và dân dụng

24


Súng đo nhiệt độ trong lò đốt

Súng đo nhiệt độ trong quá trình cán, ép nhựa

25