Tài liệu Câu hỏi ôn tập chương 9: Đo các đại lượng vật lý khác pdf

Chng IX O CC I LNG VT Lí KHC
c nh v tr li cỏc cõu hi sau:
9.1 - o nhit :
9.1.1 - Khỏi nim chung
Trong tt c cỏc i lng vt lý, nhit c quan tõm nhiu nht vỡ nhit úng
mt vai trũ quyt nh n nhiu tớnh cht ca vt cht. o nhit l mt nhim v thng
gp trong cỏc ngnh nhit, húa v nht l ngnh luyn kim.
a s cỏc i lng vt lý u cú th xỏc nh trc tip nh so sỏnh chỳng vi mt i
lng cú cựng bn cht. o c chớnh xỏc trớ s ca nhit l tng i khú khn vỡ
nhit l i lng ch cú th o giỏn tip trờn c s tớnh cht ca vt ph thuc vo nhit
.
Tựy theo nhit o m cú th dựng cỏc phng phỏp khỏc nhau. Thụng thng nhit
o c chia thnh 3 di: nhit thp, nhit trung bỡnh v nhit cao.
mc nhit trung bỡnh v thp thng phng phỏp o l o tip xỳc ngha l cỏc
chuuyn i c t trc tip ti mụi trng cn o. Cũn ng vi nhit cao c o
bng phng phỏp khụng tip xỳc, dng c t ngoi mụi trng o.
Bng 9.1
Dụng cụ và
ph
Ư
ơng pháp đo
Sai số
Nhiệt độ C
0
Nhiệt điện trở:
+) Bằng vật liệu quý
+) Vật liệu không quý
+) Bán dẫn
Nhiệt kế nhiệt điện
+) Bằng vật liệu quý
+) Vật liệu không quý

+) Vật liệu khó chảy
Điện âm
Nhiệt nhiễu
Ph
Ư
ơng pháp cộng
h
Ư
ởng hạt nhân
Hỏa quang kế:
+) Bức xạ
+) Màu sắc
+) C
Ư
ờng độ sáng
quang phổ kế
-273 0 1000 2000 3000 100.000
(%)
0,001
0,5 - 2
1- 2
0,1
1 - 2
1 - 3
0,05
0,1
0,01
5
1 - 5
5 - 10

Vi bng trờn õy cho ta bit cỏc dng c o v phng phỏp o nhit ng vi cỏc di
khỏc nhau.
135
Để xác định được nhiệt độ cần chế tạo các bộ cảm biến dựa trên nhiều nguyên lý về cảm
biến khác nhau như: nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ
bức xạ nhiệt và do dao động nhiệt, phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng,
khí hoặc dựa trên tốc độ âm ...
9.1.2 - Đo nhiệt độ dựa trên sự giãn nở
- Nguyên lý hoạt động của loại nhiệt kế này là dựa trên sự dãn nở trên một đơn vị dài ∆l/l
của vật liệu khi có sự thay đổi nhiệt độ là ∆T:
TllT
l
l
∆=∆↔∆=
∆
...
αα
trong đó α - hệ số nở dài. α phụ thuộc vào vật liệu.
Do α thường có giá trị rất nhỏ nên nếu đo trực tiếp ∆l để suy ra ∆T thì sẽ rất khó khăn.
Do vậy thực tế người ta thường sử dụng sự giãn nở của 2 vật liệu riêng biệt khác nhau để
xác định ∆T.
a/ Nhiệt kế chất lỏng:
Đây là loại dụng cụ đo xuất hiện đầu tiên với nguyên lý làm việc là dựa vào hiệu ứng
giãn nở vì nhiệt của thủy tinh và chất lỏng chứa trong nó.
Sự giãn nở vì nhiệt của chất lỏng được đặc trưng bởi hệ số giãn nở thể tích α. Trị số α
xác định theo công thức:
012
12
).(
21

Vtt
VV
tt
−
−
=
÷
α
trong đó: V
1
, V
2
- thể tích của chất lỏng tương ứng với nhiệt độ t
1
, t
2
V
0
- thể tích chất lỏng ở 0
0
C.
0
1
2
3 0
0
0
0
0
0

0
03
2
1
0
4
5
0
0
1
2
3
4
Hình 9.1
Nhận thấy rằng α càng lớn thì sự biến thiên thể tích tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ đi
1
0
C càng lớn. Vì vậy trong các loại nhiệt kế chất lỏng ta sử dụng những chất lỏng có hệ số
giãn nở thể tích vì nhiệt càng lớn càng tốt.
136
Nhiệt kế chất lỏng phổ biến và hay gặp nhất là nhiệt kế thủy ngân, có cấu tạo gồm một
bình đựng chất lỏng (Hg) được nối với ống mao dẫn và một bình dự phòng. Các bình này
được làm băng thủy tinh chịu nhiệt hoặc thạch anh và tất cả được gắn với cột khắc vạch.
Chất lỏng được đổ đầy bình 1 và một phần của ống mao dẫn, không gian còn lại được chứa
khí trơ hoặc chân không để đề phòng nhiệt kế bị phá hủy khi làm việc ở nhiệt độ cao. Nhiệt
độ được xác định theo chiều cao cột chất lỏng chứa trong ống mao dẫn.
* Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng, độ chính xác cao.
* Nhược điểm: giá trị phụ thuộc vào việc đọc giá trị, không có khả năng tự ghi và truyền
tín hiệu đi xa, dụng cụ dễ vỡ.
b/ Nhiệt kế giãn nở chất rắn:

- Nguyên lý làm việc của dụng cụ này là việc xác định nhiệt độ dựa trên sự thay đổi vì
nhiệt của chất rắn, được đặc trưng bởi hệ số nở dài.
Dạng nhiệt kế này ít được sử dụng trong thực tế, thường dùng để đóng mở các rơ le.
c/ Nhiệt áp kế:
C
B
A
Hình 9.2
- Là dụng cụ đo nhiệt dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất trong một bình kín
có thể tích không đổi.
* Cấu tạo: áp kế gồm có bầu A, ống dẫn B và bộ phận đo áp suất C. Chất làm việc có thể
là dạng khí, lỏng hoặc hơi qua đó nó có tên gọi là nhiệt áp kế khí, lỏng, hơi. Dụng cụ này có
thể ở dạng chỉ thị hoặc dạng tự ghi.
* Nguyên tắc làm việc là dựa trên sự thay đổi áp suất của chất công tác trong bình kín có
thể tích không đổi khi thay đổi nhiệt độ của nó. Vì thể tích của chất công tác là không đổi
khi ta thay đổi nhiệt độ dẫn tới chất chịu nhiệt tăng áp suất vì bị nén. Khi đó thông qua áp
suất mà xác định được nhiệt độ cần đo.
* Ưu điểm: của nhiệt áp kế: đo được ở khoảng cách xa và tự động ghi các giá trị cần đo,
dụng cụ có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng.
137
1
4
2
3
1 - NhiÖt ®iÖn trë
3 - Dông cô ®o ®iÖn
4 - Nguån cung cÊp ®iÖn
2 - D©y dÉn
Hình 9.3
* Nhược điểm: thang đo chia không tuyến tính dẫn tới độ chính xác không cao, bị ảnh

hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh và khó sửa chữa khi bị rò rỉ.
9.1.3 - Đo nhiệt độ dựa trên sự chuyển đổi điện
Từ năm 1821, Humphy Davy đã phát hiện điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt
độ. Năm 1871, William Siemens lần đầu tiên đã sử dụng nhiệt kế điện trở Platin.
* Nguyên lý làm việc của nhiệt kế điện trở là dựa trên sự thay đổi điện trở của dây dẫn
kim loại hoặc chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi (hiệu ứng nhiệt điện).
Nhiệt kế điện trở thường gặp trong thực tế có 2 loại: nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện
trở bán dẫn.
Nhiệt điện trở dùng trong các dụng cụ đo nhiệt độ cần phải làm việc với dòng phụ tải nhỏ
để nhiệt năng sinh ra do dòng trong nhiệt điện trở nhỏ so với nhiệt năng nhận được từ môi
trường đo. Khi đó yêu cầu đối với vật liệu chuyển đổi phải có hệ số nhiệt lớn và ổn định,
điện trở suất lớn.
* Phạm vi đo của nhiệt điện trở từ (-200 ÷ 700
0
)C
* Ưu điểm cơ bản của nhiệt điện trở là:
- Cho phép đo có độ chính xác cao
- Có thể đặt dụng cụ thứ cấp xa so với vị trí đo nhiệt
- Có khả năng ghi tự động kết quả và tự động điều chỉnh quá trình đo.
- Có khả năng làm trung tâm kiểm tra nhiệt độ bằng cách nối một vài nhiệt kế với một
dụng cụ đo.
* Nhược điểm:
- Cần nguồn cung cấp ổn định, hạn chế dùng trong môi trường dễ gây nổ, gây cháy.
138
- Kích thước của cảm biến khá lớn, do vậy không cho phép đo nhiệt độ tại một điểm.
- Không đo được trong môi trường có rung động
- Có sai số khắc độ của nhiệt điện trở.
- Đặc tính của nhiệt điện trở không ổn định
- Sự tỏa nhiệt của nhiệt điện trở ra môi trường xung quanh là lớn
- Có sai số của dụng cụ thứ cấp

Để phép đo được chính xác, thì yêu cầu đối với dụng cụ đo này là cấu tạo cũng như cách lắp
ghép của chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Cụ
thể:
- Khi đo trong môi trường không khí hoặc nước, chuyển đổi phải đặt vào trong môi trường,
vuông góc và ngược hướng với dòng chảy.
- Với vật rắn, khi đặt nhiệt kế vào sát vật nhiệt lượng từ vật rắn truyền sang nhiệt kế (hay
ngược lại) khi đó dễ gây ra tổn hao nhiệt nhất là đối với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy diện tích
tiếp xác giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.
- Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất ...) cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường
cần đo và thường dùng nhiệt kế điện trở để kín trong một vỏ và có cáp nối ra ngoài.
1/ Nhiệt kế nhiệt điện trở:
- Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể chế tạo bằng dây Platin, Cu, Ni, bán dẫn ... quấn trên một lõi
cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu nối ra ngoài. Nhiệt kế điện trở có thể dùng mạch đo bất
kỳ để đo điện trở nhưng thông thường được dùng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị lôgômét từ
điện hoặc cầu tự động cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở. Nếu nhiệt điện trở mắc
vào mạch cầu bằng hai dây dẫn R
đ1
và R
đ2
(cầu hai dây), dụng cụ sẽ có sự thay đổi điện trở của
đường dây khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi. Với:
TT
d
R
R
t
α
∆
=∆
trong đó: ∆R

đ
- sự thay đổi điện trở của dây nối.
R
đ
= R
đ1
+ R
đ2
R
T
và α
T
- điện trở ban đầu của nhiệt điện trở và hệ số nhiệt của nó (ứng với t = 0
0
C)
Để giảm sai số do nhiệt độ của môi trường gây ra ta sử dụng sơ đồ cầu 3 dây như hình
vẽ.
139
R
t
R
d1
R
2
R
3
R
4
R
d2

R
d3
R
6
R
9
E
6
U
ra
Hình 9.4
Trong sơ đồ này, hai dây mắc vào các nhánh kề của mạch cầu, dây thứ 3 măc vào nguồn
cung cấp. Khi cầu làm việc ở chế độ cân bằng và nếu R
1
= R
2
; R
d1
= R
d2
sai số do sự thay đổi
điện trở của đường dây sẽ được loại trừ. Khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số sẽ
được giảm đáng kể so với cầu 2 dây.
U
B
R1
D
R2
r
t

R0
R0
C
RP
A
R4
RK
Rt
a
r1
r1
+
-
b
'
''
'
K
R3
Hình 9.5
Thực chất sai số khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số chủ yếu là do sự thay đổi điện áp
của nguồn cung cấp gây nên.
Với mạch cầu không cân bằng có chỉ thị là lôgômét điện từ có sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Với
sơ đồ này ta có thể loại trừ được sai số do điện áp nguồn cung cấp thay đổi.
140
Ba nhánh của mạch cầu R
1
, R
2
, R

3
là các điện trở làm bằng Mangani. Nhánh thứ tư là điện trở R
t
, bốn nhánh này được mắc theo sơ đồ mạch cầu 3 dây. Trong sơ đồ điện trở R
4
dùng để chỉnh 0 của
thang đo (cầu cân bằng trước khi đo)
- Điện trở R
P
dùng bù với điện trở đường dây để đạt đến giá trị khắc độ (5Ω hoặc 15Ω), r
t

là điện trở bù nhiệt độ cho cơ cấu Lôgômét.
- Khi hiệu chỉnh R
P
người ta sử dụng R
K
(có giá trị bằng điện trở của nhiệt điện trở). R
K

được mắc vào nhánh cầu sau đó điều chỉnh điện trở R
P
cho đến khi kim chỉ của Lôgômét dừng ở vị
trí xác định trên thang thì dừng lại, R
K
được ngắn mạch khi đo.
- Khi chọn R
1
= R
3

; R
0
= R
0
'
= R (điện trở khung của Lôgômét) thì tỷ số dòng điện chạy
trong cuộn dây xác định theo công thức:
4
/
1
2
1
41
/
1
2
1
2
1
..
)(.
R
R
R
RR
R
R
R
RRR
R

R
RR
R
R
R
I
I
T
T
T
T
tb
tb
∆
−++
++
∆
+++
=
trong đó: ∆R
T
- sự thay đổi điện trở của nhiệt điện trở khi nhiệt độ lệch khỏi giá trị trung
bình
R
T
/
= R
0
+ R
P

+ R
Ttb
(R
Ttb
- điện trở của nhiệt điện trở với giá trị nhiệt độ trung bình đo
được bằng dụng cụ).
- Từ phương trình trên nhận thấy tỉ số dòng điện phụ thuộc vào ∆R
T
và lôgômét chỉ thị giá
trị cần đo.
- Trong kỹ thuật đo hiện nay, để đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở ta thực hiện trên mạch cầu
tự động tự ghi. Phương pháp này có thể đo được nhiệt độ tại một điểm hoặc một số điểm nhờ cơ
cấu chuyển mạch.
2/ Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu:
Đây là phương pháp đo nhiệt độ phổ biến và thuận lợi nhất. Cấu tạo gồm 2 dây hàn với
nhau ở điểm 1 và luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt độ cao. Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế
có thể được làm bằng thép không gỉ. Để cách điện giữa hai dây, một trong 2 dây được luồn vào ống
sứ nhỏ 3. Nếu vỏ làm bằng kim loại thì cả hai dây đều được luồn vào trong ống sứ.
Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu được nối vào hộp đầu nối 4. Mạch đo của nhiệt kế nhiệt ngẫu là
miliVônmét (mV) hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ 0 ÷ 100V.
Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng mV sẽ gây ra sai số do nhiệt độ của mạch đo thay
đổi. Dòng điện chạy qua chỉ thị lúc đó sẽ là:
dcdT
RRR
E
I
++
=
I
trong đó: E - sức điện động R

d
- điện trở dây
R
T
- điện trở cặp nhiệt ngẫu R
đ/c
- điện trở của mV
Khi đó điện áp rơi trên mV là:
141
cddT
cd
Td
RRR
R
ERREU
/
/
.)(
++
=+−=
Thông thường R
d
+ R
T
được hiệu chỉnh bằng 5Ω, còn điện trở mV lớn hơn nhiều lần (40 ÷
50) lần. Vì vậy sai số chủ yếu do điện trở của mV R
d/c
thay đổi.
Đo sức điện động bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng tiêu thụ bằng 0 khi
tiến hành phép đo.

Để khắc phục sai số do nhiệt độ đầu đo tự thay đổi, ta dùng mạch bù sai số nhiệt độ như
hình vẽ.
B
R
2
R
t
A
R
3
R
4
R
R
b
E
b
mV
T
t
Hình 9.6
Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu một chiều tạu điểm A -B, trong đó R
t
-
nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu. Điện trở R
t
được mắc cùng vị trí với đầu tự do cặp nhiệt ngẫu và
có nhiệt độ t
0
Cầu được tính toán khi nhiệt độ t

0
= 0
0
C và điện áp tạo ra trên đường chéo cầu ∆U = 0
Khi nhiệt độ đầu tự do thay đổi t
0
'
≠ t
0
, điện áp ra của cầu ∆U ≠ 0 và sẽ bù vào sức điện
động mất đi do nhiệt độ thay đổi.
Phương pháp bù này sẽ giảm sai số xuống đến 0,04% trên 10
0
C
Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là phải dùng nguồn phụ và khi đó sẽ có sai số của
nguồn phụ gây ra.
* Các cặp nhiệt ngẫu thông dụng:
- Nhiệt ngẫu TRP (Platin - PlatinRodi) (10%Rh + 90%Pt) và điện cực thứ hai làm bằng bạch
kim nguyên chất. Loại này có khả năng chịu được nhiệt độ cao (-200
0
C ÷ 1300
0
C) và có đặc tính
ổn định.
Nhiệt ngẫu TCA (Crome - Alumen): một điện cực làm bằng Cr(89%Ni; 9,8%Cr; 1%Fe;
0,2%Mn) và cực thứ hai là Alumen(94%Ni; 2%Al; 2,5%Mn; 1%Si; 0,5%Fe) đo nhiệt độ (-50÷600)
0
C
- Nhiệt ngẫu TCN: có một điện cực nhiệt làm bằng hợp kim Ni - Co và điện cực thứ hai
làm từ các biến thể khác nhau của hợp kim Al đo nhiệt độ (-50 ÷ 1000)

0
C
142
- Nhiệt ngẫu TFN: một điện cực làm bằng hợp kim Fe - Ni, còn điện cực thứ hai là hợp kim Copen có
phạm vi đo từ (-50 ÷ 1000)
0
C
- Nhiệt ngẫu TPP (PlatinRohdi - PlatinRohdi) có một điện cực làm bằng hợp kim
PlatinRohdi với 70%Pt và 30%Rh. Điện cực thứ hai cũng làm bằng kợp kim đó nhưng với
94%Pt và 6%Rh, đo được nhiệt độ (300 ÷ 1600)
0
C
- Để đo được nhiệt độ lớn hơn 2000
0
C trong môi trường trung tính và môi trường hoàn
nguyên, ta dùng nhiệt ngẫu từ Vônfram Môlipđen. Để có thể đo được nhiệt độ từ 2500 ÷
3000
0
C dùng nhiệt ngẫu làm bằng Vônfram Iridi hoặc Vônfram Rêni.
9.1.4 - Đo nhiệt độ dựa trên sự chuyển đổi bức xạ
Để đo được nhiệt độ lớn hơn 400
0
C ta có thể sử dụng nhiệt kế dựa trên nguyên tắc đo năng
lượng bức xạ của một vật bị đốt nóng.
Đặc điểm của dụng cụ này là quá trình đo dụng cụ không tiếp xúc với môi trường đo.
1/ Hỏa quang kế phát xạ
* Cấu tạo gồm thấu kính 1 để thu nhận các tia phát xạ từ vật cần đo nhiệt độ, qua khe sáng 3 và
sau đó được tập trung trên tấm nhiệt điện 4. Thường tấm này dùng 4 cặp nhiệt điện mắc nối tiếp với
nhau bằng dây dẫn có đường kính 0,07m. Để tránh tổn hao nhiệt và hỏng các cặp nhiệt điện, đặt
cặp nhiệt điện vào bình thủy tinh có chứa không khí. Đầu nóng của cặp nhiệt điện được kẹp vào

tấm hình chữ nhật bằng Pt mỏng và phủ một lớp màu đen để hấp thụ nhiệt rất đó. Trước thị kính 2
người ta lắp kính lọc 5 để bảo vệ mắt
mV
1
3
4
5
2
Hình 9.7
* Đặc điểm của nhiệt kế này đó là không đo được nhiệt độ thấp vì các tia hồng ngoại không
xuyên qua được thấu kính (kể cả thạch anh).
- Khoảng cách giữa dụng cụ đo và vật đo được xác định do kích thước của vật đốt nóng. Khoảng
cách này không được quá lớn để chùm sáng đi từ đối tượng đo đến dụng cụ phải trùm hết tầm nhìn
ống ngắm của nhiệt kế.
143
2/ Hỏa quang kế cường độ sáng:
* Nguyên lý làm việc của hỏa quang kế cường độ sáng là so sánh cường độ sáng của đối tượng
đo với cường độ sáng của dây tóc bóng đèn sợi đốt Vônfram sau khi đã được hóa già trong khoảng
100 giờ với nhiệt độ 2000
0
C. Sự phát sáng của đèn đã ổn định khi sử dụng ở nhiệt độ từ 1400
0
C ÷
1500
0
C. Cường độ sáng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng đốt hoặc dùng bộ lọc ánh sáng.
* Cấu tạo gồm có một bộ chắn sáng quang học và so sánh bằng mắt gồm: ống ngắm có vật kính
1, thị kính 5 do đó quan sát được đối tượng đo 11. Trước thị kính có bộ lọc ánh sáng đỏ 4, sợi đốt 3
của bóng đèn chuẩn được ngắm trực tiếp. Cường độ sáng của nguồn nhiệt 11 được chắn và làm yếu
qua bộ lọc quang học 2. Cường độ sáng của nguồn nhiệt và của sợi tóc bóng đèn được so sánh bằng

mắt.
Hình 9.8
Nếu cường độ ánh sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt người ta nhận được dây
thẫm trên nên sáng (h.a/). Nếu độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt cho dây sáng
trên nền thẫm (h.b/). Còn khi độ sáng bằng nhau dây sẽ biến mất (h.c/) và đọc vị trí của bộ chắn
sáng ở bộ phận chỉ thị 7 để xác định nhiệt độ cần đo.
a) b)
c)
Hình 9.9
Sự so sánh bằng mắt tuy thô nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định vì cường độ ánh sáng
thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần sự thay đổi nhiệt độ.
3/ Hỏa kế màu sắc:
Hỏa kế màu sắc là dụng cụ đo nhiệt độ dựa trên phương pháp đo tỷ số cường độ bức xạ của
hai ánh sáng có bước sóng khác nhau λ
1
và λ
2
.
144