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

Chia sẻ: Ha Tuananh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

311
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu gợi ý cho bạn những câu hỏi ôn tập giúp bạn hệ thống lại liến thức chương 9: Đo các đại lượng vật lý khác. Nhiệm vụ của bạn là đọc ở nhà và trả lời được những câu hỏi gợi ý đó.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Câu hỏi ôn tập chương 9: Đo các đại lượng vật lý khác

Chương IX ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ KHÁC Đọc ở nhà và trả lời các câu hỏi sau: 9.1 - Đo nhiệt độ: 9.1.1 - Khái niệm chung Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng một vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Đo nhiệt độ là một nhiệm vụ thường gặp trong các ngành nhiệt, hóa và nhất là ngành luyện kim. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng có cùng bản chất. Đo được chính xác trí số của nhiệt độ là tương đối khó khăn vì nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào nhiệt độ. Tùy theo nhiệt độ đo mà có thể dùng các phương pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ đo được chia thành 3 dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Ở mức nhiệt độ trung bình và thấp thường phương pháp đo là đo tiếp xúc nghĩa là các chuuyển đổi được đặt trực tiếp tại môi trường cần đo. Còn ứng với nhiệt độ cao được đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo. Bảng 9.1 D ông vµ cô N hi 0C Öt®é Saisè ph¦ ¬ng ph¸p ®o 273 0 1000 2000 3000 100. 000 ( ) % N hi Ön r Öt®i të: +)B»ng i quý vËtlÖu 0,001 +)VËtlÖu i kh«ng quý 0, 2 5 +)B¸n dÉn 12 N hi nhi Ön ÖtkÕ Öt®i +)B»ng i quý vËtlÖu 0,1 +)VËtlÖu i kh«ng quý 1 2 +)VËtlÖu i khã ch¶y 1 3 § i ©m Ön 0,05 N hi Ôu Ötnhi 0, 1 Ph¦ ¬ng ph¸p céng h¦ ëng h¹tnh©n 0, 01 H áa quang kÕ: +)Bøc x¹ 5 +)M µu s¾c 1 5 +)C ¦ êng s¸ng ®é quang phæ kÕ 5 10 Với bảng trên đây cho ta biết các dụng cụ đo và phương pháp đo nhiệt độ ứng với các dải khác 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: ∆l = α .∆T ↔ ∆l = l.α .∆T l 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: V2 − V1 α t1 ÷t2 = (t 2 − t1 ).V0 trong đó: V1, V2 - thể tích của chất lỏng tương ứng với nhiệt độ t1, t2 V0 - thể tích chất lỏng ở 00C. 3 0 4 2 0 1 0 3 0 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 2 1 Hình 9.1 Nhận thấy rằng α càng lớn thì sự biến thiên thể tích tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ đi 10C 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. 137
* 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. 2 3 1 1 hi Ön r N Öt®i të 2 ©y D dÉn 4 3 ông ®o Ön D cô ®i 4 guån N cung cÊp Ön ®i 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 ÷ 7000)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: 138
- Cần nguồn cung cấp ổn định, hạn chế dùng trong môi trường dễ gây nổ, gây cháy. - 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 Rđ1 và Rđ2 (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: ∆Rd ∆t = RT α T trong đó: ∆Rđ - sự thay đổi điện trở của dây nối. Rđ = Rđ1 + Rđ2 RT 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
Rd1 R2 Rt Rd2 Ura Rd3 R4 R3 R6 E6 R9 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 R1 = R2; Rd1 = Rd2 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. D R1 R2 rt + R0 ' R0 U C - B R3 RP K A b R4 RK Rt r'1 a r1'' 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 R1, R2, R3 là các điện trở làm bằng Mangani. Nhánh thứ tư là điện trở Rt , bốn nhánh này được mắc theo sơ đồ mạch cầu 3 dây. Trong sơ đồ điện trở R4 dùng để chỉnh 0 của thang đo (cầu cân bằng trước khi đo) - Điện trở RP dùng bù với điện trở đường dây để đạt đến giá trị khắc độ (5Ω hoặc 15Ω), rt là điện trở bù nhiệt độ cho cơ cấu Lôgômét. - Khi hiệu chỉnh RP người ta sử dụng RK (có giá trị bằng điện trở của nhiệt điện trở). RK được mắc vào nhánh cầu sau đó điều chỉnh điện trở RP cho đến khi kim chỉ của Lôgômét dừng ở vị trí xác định trên thang thì dừng lại, RK được ngắn mạch khi đo. - Khi chọn R1 = R3; R0 = R0' = R (điện trở khung của Lôgômét) thì tỷ số dòng điện chạy trong cuộn dây xác định theo công thức: R1 ∆R R+ .R + R1 + /T ( R + R1 + R4 ) I tb1 R2 RT = I tb 2 R ∆R R + 1 .R + R1 − /T .R4 R2 RT trong đó: ∆RT - sự thay đổi điện trở của nhiệt điện trở khi nhiệt độ lệch khỏi giá trị trung bình RT/ = R0 + RP + RTtb (RTtb - 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 ∆RT 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: E I= I RT + Rd + Rdc trong đó: E - sức điện động Rd - điện trở dây RT - điện trở cặp nhiệt ngẫu Rđ/c - điện trở của mV 141
Khi đó điện áp rơi trên mV là: Rd / c U = E − ( Rd + RT ) = E. RT + Rd + Rd / c Thông thường Rd + RT 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 Rd/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. mV R Rt R2 Tt B Rb A R4 R3 Eb Hình 9.6 Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu một chiều tạu điểm A -B, trong đó Rt - nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu. Điện trở Rt được mắc cùng vị trí với đầu tự do cặp nhiệt ngẫu và có nhiệt độ t0 Cầu được tính toán khi nhiệt độ t0 = 00C và điện áp tạo ra trên đường chéo cầu ∆U = 0 Khi nhiệt độ đầu tự do thay đổi t0' ≠ t0, 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 100 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 (-2000C ÷ 13000C) 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)0C 142
- 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)0C - 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)0C - 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)0C - Để đo được nhiệt độ lớn hơn 20000C 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 ÷ 30000C 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 4000C 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 4 5 1 3 2 mV 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). 143
- 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. 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 20000C. Sự phát sáng của đèn đã ổn định khi sử dụng ở nhiệt độ từ 14000C ÷ 15000C. 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 9.9 144
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. c2 − Ứng với bước sóng λ 1 ta có năng lượng E1 tương ứng là: E = ε C λ e−5 λ1T 1 1 1 1 c2 − Ứng với bước sóng λ 2 ta có năng lượng E1 tương ứng là: E = ε C λ−5 e λ2T 2 2 1 2 c2 − E1 ελ e −5 λT 1 Lập tỉ số: = 1 1 c E2 − 2 ε2 λ2 e −5 λ2T 1 1 E1ε 2 λ−5 Khi đó giá trị nhiệt độ T tìm được là: T = C 2 ( − ) ln 2 λ1 λ 2 E 2 ε 1λ1 −5 Với dụng cụ hỏa quang kế màu sắc sẽ có thiết bị tự tính, tự động giải phương trình trên. 1 A Läc ®á 3 2 4 2 Läc xanh K 7 5 9 8 6 Hình 9.10 Cường độ bức xạ ánh sáng từ đối tượng đo A qua hệ thống thấu kính 1 tập trung ánh sáng trên đĩa 2. Đĩa này được quay quanh trục nhờ động cơ 3. Sau khi ánh sáng qua đĩa 2 đi vào tế bào quang điện 4, trên đĩa được khoan một số lỗ trong đó một nửa đặt bộ lọc ánh sáng đỏ, nửa kia lọc ánh sáng xanh. Khi đĩa quay, tế bào quang điện lần lượt nhận được ánh sáng đỏ và xanh với tần số nhất định tùy theo tốc độ quay của động cơ. Dòng quang điện được khuyếch đại nhờ bộ khuyếch đại 5 sau đó được đưa vào bộ chỉnh lưu 7. Nhờ bộ chuyển mạch 8, tín hiệu được chia thành 2 thành phần tùy theo ánh sáng vào tế bào quang điện là xanh hay đỏ. Hai tín hiệu này được đo bằng bộ chia 9. Tùy theo cường độ bức xạ của đối tượng đo, độ nhạy của khuyếch đại được điều chỉnh tự động nhờ thiết bị 6. * Ưu điểm: trong quá trình đo không phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đo đến đối tượng đo và không phụ thuộc vào sự hấp thụ bức xạ của môi trường 145
* Nhược điểm: trong phương trình tính T có các hằng số đua vào do đó sẽ gây ra sai số cho kết quả đo. Kết cấu của hệ thống tương đối phức tạp. 9.2 - Đo lực, đo biến dạng: 9.2.1 - Khái niệm chung Trong quá trình nghiên cứu cơ lý tính của các vật chịu lực, các kết cấu cơ học ... thì quá trình đo lực, ứng suất, biến dạng là một bài toán rất quan trọng. * Đo lực có đặc điểm là phạm vi đo rất rộng, từ những giá trị nhỏ đến giá trị lớn, từ phép đo tĩnh mà các lực tác động là các đại lượng không đổi đến những xung lực tác động với tốc độ rất cao như sự va chạm, sóng xung kích ... Như vậy, phải đo lực có những trị số từ 106 ÷ 108 N nhưng cũng có có lực có trị số rất nhỏ từ 10-5 ÷ 10-12 N vì vậy khoảng đo có thể dao động từ 10-5 ÷ 108 N (D = 1020). Thực tế thì không có thiết bị đo nào có phạm vi đo rộng như vậy đo đó thường chia lực thành các dải đo khác nhau, mỗi dải đo có thể sử dụng các phương pháp và thiết bị khác nhau. Đặc biệt với dải đo thấp cần sử dụng những phương pháp đo đặc biệt để đảm bảo độ chính xác yêu cầu Các bộ cảm biến lực có thể phân thành 2 lớp: các bộ cảm biến định lượng và định tính +) Bộ cảm biến định lượng dùng để đo lực có gí trị được thể hiện bằng tín hiệu điện +) Bộ cảm biến định tính là các thiết bị có ngưỡng, tín hiệu ra của nó chir độ lớn của lực đã vượt quá một ngưỡng nhất định. * Phương pháp đo lực có thể được thực hiện bằng: +) Cân bằng một lực chưa biết với một lực trực đối nghĩa là thành phần lực tổng cộng và mômen tổng cộng bằng 0 +) Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định được lực theo quan hệ: F = m.a +) Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ +) Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này. +) Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực tác dụng * Thông thường có 2 phương pháp đo: +) Đo trực tiếp: là phương pháp sử dụng các chuyển đổi có đại lượng vào tương ứng với các lực, ứng suất, biến dạng cần đo. Đại lượng ra được biến thành các tín hiệu điện, các thông số điện. Mạch đo và chỉ thị cho kết quả không thông qua hệ dẫn truyền trung gian. +) Đo gián tiếp: là phương pháp sử dụng các phần tử đàn hồi, các hệ dẫn truyền, biến lực đo thành độ di chuyển. Các cảm biến đo độ dịch chuyển suy ra lực tác động. Tùy thuộc vào dải đo và tần số biến thiên của lực tác động mà chọn loại cảm biến đo phù hợp và ít gây ra sai số. 146
Đo biến dạng thực chất là thông qua đo lực, ứng suất vì có thể đưa về phép đo ∆l hoặc ∆l / l ∆l σ với: ε= = l E Mạch đo thường là mạch cầu, kết hợp với các tầng khuếch đại và chỉnh lưu. Chỉ thị là các dụng cụ chỉ thị cơ điện, tự ghi, điện tử và các dụng cụ số. 9.2.2 - Các phương pháp đo lực Trong phương pháp đo trực tiếp thường sử dụng các phần tử áp điện và áp từ. Giới hạn đo của các dụng cụ này phụ thuộc vào diện tích tác dụng các chuyển đổi. Ví dụ: ứng suất pháp cho phép trong vật liệu áp từ σ < σgh = 40 N/mm2, đối với thạch anh σ gh = 70 ÷ 100N/mm2 * Ưu điểm chính của loại chuyển đổi áp từ là làm việc có độ chắc chắn cao và dải tần từ 20 ÷ 50 KHz. Phần tử áp điện chỉ đo được với lực biến thiên tần số ≥ 5 ÷ 10Hz trở lên, không khắc độ được với lực tĩnh. 1/ Đo lực bằng lực kế: Để đo lực bằng lực kế sử dụng chuyển đổi biến trở. Sơ đồ như hình vẽ. 2 3 1 F F 6 7 8 9 5 Hình 9.11 - Lực cần đo F tác động lên 2 tấm thép 1 và 2 được gắn liền với 2 khối 3 và 4. Dưới tác dụng của lực đo, bản mỏng 5 bị biến dạng làm cho 2 khối 3 và 4 di chuyển tương đối so với nhau. Trong quá trình di chuyển, khối 3 gắn cần 6 đẩy tay gạt 7 làm con trượt di chuyển trên biến trở dây 8. Con trượt được chế tạo từ hợp kim Platin - Iridi, dây biến trở được làm bằng Constantan mạ vàng. Áp lực của con trượt tác dụng lên các vòng dây bằng 0,02N. Lò xo 9 được gắn trên tay gạt có tác dụng để tay gạt có thể trở lại vị trí ban đầu khi không có lực tác dụng. - Biến trở có 170 vòng, điện trở 500Ω, giới hạn đo khoảng 3KN. Sai số của dụng cụ là ± 3%. * Ưu điểm của lực kế này là đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, độ tin cậy cao, không cần khuyếch đại tín hiệu ra. * Nhược điểm là không đo được lực biến thiên nhanh do tay gạt 7 dưới tác dụng của lò xo 9 chỉ thực hiện được với tần số khong vượt quá 10 ÷ 20Hz 147
Để đo được lực tác động nhanh có thể dùng lực kế với chuyển đổi điện trở tenzo, điện cảm, điện dung, áp điện và áp từ. 2/ Đo lực bằng phương pháp bù: Để nâng cao độ chính xác của phép đo người ta sử dụng phương pháp bù để đo lực. ~ F 2 3 4 e- NS K§ 1 5 P CLP Ira CT Hình 9.12 - Sơ đồ đo lực như hình vẽ. Lực cần đo P tác động lên thanh dẫn động 1 đến cánh tay đòn 2. Đầu cánh tay đòn bên phải mang phần ứng 3 của chuyển đổi hỗ cảm mắc kiểu biến áp vi sai. Khi phần ứng di chuyển tạo ra một điện áp ở đầu ra của biến áp. Điện áp này được khuyếch đại để tăng tín hiệu ra sau đó đưa đến chỉnh lưu pha. Dòng điện sau chỉnh lưu (Ira) được đưa đến cuộn dây 4 của chuyển đổi ngược kiểu cảm ứng 5 ở đầu cánh tay đòn bên trái. Dòng điện trong cuộn dây 4 tạo ra một lực đẩy F lên cánh tay đòn bù với lực P. kP F = kP.Ir = k.P → P = .I r = K .I r k trong đó: kP, k, K là các hệ số. Khi xác định được dòng điện Ir ta sẽ được lực cần đo P. * Ưu điểm: Độ chính xác của phương pháp đạt được khá cao (γ = 0,05 ÷ 0,02%) Chỉ thị cho phép đọc được trực tiếp giá trị đo. * Nhược điểm: của thiết bị là không đo được lực lớn vì chuyển đổi điện từ có trọng lượng 0,5kg chỉ có thể đo được lực tác điộng cỡ 2N. Khi cần đo lực tác động có giá trị từ 5 ÷ 7N thì trọng lượng có thể tăng lên 5 ÷ 10kg. Sai số chủ yếu do ma sát của trục quay cánh tay đòn gay ra và do hiện tượng từ trễ của chuyển đổi hỗ cảm. 148
Để kết quả đo đạt giá trị chính xác cao sử dụng phương pháp biến lực thành tần số và qua việc đo tần số ta xác định được giá trị lực cần đo (lực kế chỉ thị số). 3/ Đo lực dựa trên đo di chuyển: Với phương pháp đo này lực được đặt lên vật trung gian gây nên sự thay đổi kích thước ∆l. Sự thay đổi kích thước được đo bằng cảm biến di chuyển. Tỉ số giữa tín hiệu ra Vm và lực tác dụng F xác định bằng: V m V m ∆l = . F ∆l F Vm ∆l với là hệ số truyền đạt của cảm biến đo. Còn là độ mềm của vật trung gian ∆l F Vật trung gian thường làm bằng lò xo, dùng để đo các lực tương đối nhỏ. Tùy theo chức năng làm việc có thể sử dụng các loại cảm biến di chuyển khác nhau để đo lực như: điện kế điện trở, cảm biến từ trở biến thiên, cảm biến tụ điện ... 9.2.3 - Các phương pháp đo biến dạng - Đo biến dạng có thể dùng nhiều loại chuyển đổi khác nhau, trong thực tế thường dùng chuyển đổi điện trở lực căng. - Phạm vi đo biến dạng tương đối (∆l/l) bằng điện trở lực căng từ 0,005 ÷ 0,02% hoặc có thể từ 6 ÷ 10% - Ưu điểm của các chuyển đổi điện trở lực căng đó là quán tính rất nhỏ, sử dụng được trong dải tần rộng từ 0 ÷ 100kHz - Trong quá trình đo cần phải thực hiện các công việc sau: chọn vị trí đo, chuẩn bị bề mặt dán và dán chuyển đổi. - Điện trở lực căng là những điện trở phía trên tẩm lớp cách điện mỏng và dán dọc theo chiều biến dạng vì vậy mà tùy theo yêu cầu của phép đo mà chọn vị trí, chiều đặt điện trở trên đối tượng đo để có thể phản ánh được biến dạng cần đo. - Khi nghiên cứu trạng thái biến dạng theo một hướng nào đó, chuyển đổi được dán theo hướng tác dụng của biến dạng, khi đó biến dạng cần đo xác định theo công thức: εR ε1 = với k: hệ số độ nhạy tương đối và ε R là độ biến thiên tương đối của điện trở k chuyển đổi. - Trong quá trình đo, để loại trừ sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi, mạch đo được sử dụng hai chuyển đổi cùng loại mắc trên hai nhánh của cầu và cùng dán lên một chi tiết đo, đặt trong cùng một điều kiện nhiệt độ. 149
P 1 2 2 E0 1 3 4 E - + 1,3 Theo Òu r chi tôc 2,4 ¦ íng H vu«ng gãc r víitôc P Hình 9.13 * Xét một dầm chịu kéo (hoặc nén) như hình vẽ. Để xác định biến dạng ta sử dụng điện kế điện trở trong đó có 4 điện trở được dán trên phần tử đàn hồi (2 dán theo hướng trục và 2 dán theo hướng vuông góc với trục) và được nối với nhau theo mạch cầu Winston. - Khi lực P tác dụng lên dầm, thì các biến dạng chiều trục ε a và các biến dạng vuông góc với trục ε t sẽ tăng và được xác định bởi: P ν .P εa = εt = − A.E A.E trong đó A - diện tích mặt cắt ngang E - môđun đàn hồi ν - hệ số Poisson - Khi cầu cân bằng ta có: ∆R1 ∆R3 k .P ∆R 2 ∆R 4 k .ν .P = = k .ε a = ; = = k .ε t = − R1 R3 A.E R2 R4 A.E ε R ∆R / R k - hệ số nhạy tương đối của cảm biến. k = = ε1 ∆l / l - Điện thế ra E0 của mạch cầu liên quan tới ε . Theo công thức về mạch cầu ta có: r ∆R ∆R2 ∆R3 ∆R4 E0 = ( 1− + − ) Ei (1 + r ) R1 2 R2 R3 R4 150
- Với giả thiết rằng 4 chuyển đổi là như nhau và R1 = R2 ta có: E0 E0 = 2.k.(1 + ν).ε a.Ei → ε a = = C.E0 2.k .(1 + ν ).E i - Phương trình trên thể hiện biến dạng tuyến tính với điện thế ra E0. C là hằng số tỷ lệ. - Trong trường hợp đo biến dạng của dầm như trên bằng cách dán các cảm biến như vậy sẽ loại trừ được sai số do nhiệt độ của môi trường gây ra. - Các trường hợp khi đối tượng đo không có các biến dạng như nhau và ngược dấu, để hiệu chỉnh sai số nhiệt độ có thể dán chuyển đổi lên đối tượng cần đo, còn chuyển đổi khác dán lên một mẫu được chế tạo cùng loại vật liệu với đối tượng đo. Mẫu này được đặt trong cùng một điều kiện nhiệt độ. Ví dụ như đo biến dạng của dầm chịu lực như hình vẽ P R R U R =R R Ura Hình 9.14 x 1 3 1,3 Tenzo d¸n a r phÝ tªn 2,4 Tenzo d¸n a ¦ íi phÝ d Hình 9.15 - Các chuyển đổi cần phải gắn chặt với đối tượng đo, chọn vị trí không đúng và dán chuyển đổi không đúng phương pháp sẽ gây ra sai số lớn gọi là sai số phương pháp. - Trong các phép đo biến dạng, để phương pháp đạt độ chính xác cao cần dùng cầu tự động cân bằng. Thực tế có một thiết bị dùng để tự động cân bằng cầu. 151
- Ưu điểm của phương pháp này là chuyển đổi điện trở lực căng có thể đo được cả biến dạng tĩnh và biến dạng động, chế tạo đơn giản, dễ hiệu chỉnh, ít bị nhiễu do điện từ trường bên ngoài tác động. 9.3 - Đo dao động: 9.3.1 - Khái niệm chung - Dao động là một hiện tượng phổ biến trong tự nhiên và kỹ thuật, và trong mọi công tác kỹ thuật đều phải trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến hiện tượng này. - Một vật luôn luôn tồn tại hai loại dao động: dao động do môi trường bên ngoài truyền tới và dao động nội tại của bản thân vật chất. - Việc áp dụng và xử dụng hợp lý hiện tượng dao động sẽ đem lại lợi ích cho ngành kỹ thuật và cho con người. Dao động điện tử là cơ sở của ngành vô tuyến điện và ngành truyền tín hiệu, đặc biệt là ngành kỹ thuật vũ trụ. Trong xây dựng sử dụng dao động để đóng cọc móng, dầm đất. Trong ngành khai thác mỏ, dùng dao động để sàng lọc quặng. Trong ngành cơ khí thì dao động được sử dụng rất hiệu quả như: trong quá trình gia công cơ, để giải quyết bài toán nâng cao năng suất và chất lượng, ta đưa dao động để nghiền lỗ côn của các bộ đôi bơm cao áp, để nâng cao năng suất ở các nguyên công tiện và khoan, đưa dao động vào lăn ép để tạo các rãnh chứa dầu trên bề mặt có các chuyển động tương đối với nhau... - Tuy nhiên, dao động cũng đem lại rất nhiều tác hại cho ngành kỹ thuật và con người: làm giảm chất lượng sản phẩm, gây rung động làm ảnh hưởng tới sự làm việc của máy, gây hại cho các công trình xây dựng, ảnh hưởng tới sức khỏe và tinh thần của người lao động. Đặc biệt nếu xảy ra hiện tưởng cộng hưởng thì sẽ gây ra những hậu quả hết sức tai hại. - Do vậy việc xác định và xử lý các thông số dao động là việc làm cần thiết. 9.3.2 - Phương pháp đo và dụng cụ đo - Dao động thường được mô tả bằng phương trình vi phân: .. . a x + b x + cx = F (t ) • •• Các đặc trưng của một hệ dao động gồm có: li độ x, vận tốc x , gia tốc x , biên độ, tần số, chu kì và pha của dao động. Việc khảo sát một hệ dao động là ta phải đi xác định các thông số này. 1/ Đo dao động bằng các dụng cụ cơ học: Khi tần số dao động bằng tần số riêng của cơ hệ thì sinh ra hiện tượng cộng hưởng, biên độ dao động khi đó trở nên rất lớn. Khi đó, lợi dụng trạng thái cộng hưởng ta chế tạo được các thiết bị xác định được tần số dao động. * Tốc kế Frame: 152
HEC 40 45 50 55 60 B C A m Hình 9.16 Đây là loại dụng cụ được sử dụng rất rộng rãi để đo tần số dao động. Dụng cụ gồm một dãy các thanh thép mỏng được kẹp chặt ở đầu A. Đầu tự do B của mỗi thanh có gắn một khối lượng m nhỏ, khối lượng m được tính sao cho các thanh hợp thành một dãy cơ hệ có tần số riêng xác định khác nhau, tần số giữa các thanh kề nhau vào khoảng 0,5 ÷ 2 Hz (tần số rung trong 1 giây). Tần số riêng của các thanh khi đó là: c ωr = m + 0,236m' trong đó: c - độ cứng của thanh m - khối lượng tập trung m' - khối lượng của dầm. Khi đo, ta gắn tốc kế vào bộ phận máy có tần số dao động cần đo. Thanh nào có tần số riêng gần với tần số dao động cần đo thì gần như trong điều kiện cộng hưởng và sẽ rung mạnh nhất, còn các thanh khác thì hầu như không rung. Theo tần số dao động riêng đã biết (ghi trên dụng cụ) của thanh đo sẽ xác định được tần số dao động cần đo. * Chấn kế cộng hưởng Kalesnic: Muốn đo được tần số trong một khoảng liên tục thì ta dùng thanh có chiều dài tự do thay đổi được. Chấn kế cộng hưởng Kalesnic gồm có một lá thép lò xo mỏng 1, đầu trên A mang một khối nặng nhỏ sơn trắng chuyển động trước một bảng chia độ 2. Đầu dưới B của lò xo gắn chặt vào vỏ hộp 3. Đai ốc 4 có xẻ rãnh dùng để giữ và điều chỉnh chiều dài tự do của lò xo. Vít 5 có núm xoay N ở trên dùng để di chuyển đai ốc 4 trước thước khắc độ 6. Khi vặn núm N ta thay đổi tần số riêng của lò xo và làm cho chấn kế có thể cộng hưởng với một phạm vi tần số rộng. Khi sử dụng gắn chặt vỏ chấn kế vào một vật rung sao cho lò xo nằm vuông góc với phương dao động cần đo. Vặn núm N để điều chỉnh cho cộng hưởng tức là cho đầu A của lò xo dao động mạnh nhất. Khi đó ở vị trí đai ốc 4 trước thước 6 cho biết trị số của tần số dao động cần đo. Ngoài ra vị trí biên độ của đầu A trước bảng 2 còn cho biết biên độ dao động. 2/ Thiết bị ghi đo dao động cầm tay: * Đồng hồ số: loại này có thể dùng làm chấn kế đơn giản để đo biên độ dao động của các vật rung. Lắp đồng hồ so 1 lên khối sắt 2 có khối lượng từ 1,5 ÷ 2 kg và tay cầm 3. Khi đo dao động chỉ cần nắm lấy tay cầm rồi cho đầu đồng hồ xo tiếp xúc lên bề 153
mặt vật rung. Kim đồng hồ sẽ lắc thành hình dải quạt biểu thị quá trình biến thiên của dao động. Thiết bị này dùng để đo những dao động có tần số khoảng 15 ÷ 30Hz và gia tốc lớn nhất không quá 7 m/s2. Tuy nhiên đồng hồ so chỉ cho ta biết biên độ tổng hợp chứ không cho biết biên độ các dao động thành phần và việc quan sát số đo trên mặt đồng hồ bị trở ngại nên thiết bị này ít được sử dụng trong thực tế. * Chấn kế cầm tay PBI: Đầu đo A được lò xo 2 luôn ép vào bề mặt vật rung. Đầu đo dao động tịnh tiến theo vật rung và truyền dao động cho đầu ngắn của kim 3 làm cho kim dao động lắc quanh một trục cố định. Trong hộp 4, kim 3 đồng thời còn là đòn bẩy khuyếch đại dao động. Đầu dài của nó là ngòi bút vẽ hình dao động cần đo trên băng giấy 5. Một bộ phận dây cót sẽ kéo băng giấy chạy với một tốc độ nhất định. Đồng thời giây cót làm quay một cơ cấu cam, cứ một giây đồng hồ đẩy kim 6 một lần làm cho kim vạch ra trên băng giấy một đường thẳng có những khấc cách đều nhau biểu thị thời gian. Khoảng cách giữa các khấc biểu thị thời gian là 1 giây. Trong quá trình đo do có sự dao động của tay đo nên vỏ hộp dao động với biên độ lớn s và tần số thấp. Dao động này cũng được phản ánh lên hình dao động do kim 3 vẽ trên băng giấy nhưng dễ phân biệt với dao động cần đo có biên độ Sn nhỏ và tần số lớn. Có thể dùng thước để đo biên độ Sn và đem số lần dao động giữa hai khấc kề nhau của đường thời gian để biết tần số. 3/ Chuyển đổi điện trong kỹ thuật đo dao động * Nguyên tắc cảm ứng: 2 3 6 KĐ S N S d dt 1 4 5 Hình 9.17 Nhờ các quan hệ vi tích phân của các thông số chuyển động rung, ta có thể chế tạo được các thiết bị phối hợp giữa chuyển đổi với các mạch vi tích phân và chỉ thị để đo độ rung và gia tốc. Dụng cụ đo dựa trên nguyên tắc cảm ứng, gồm một giá đỡ bằng kim loại không dẫn từ 1 để đặt lên đối tượng đo trên giá đỡ có thanh dao động 2 và nam châm 3. Thanh dao động 2, nam châm 3 và lò xo 4 tạo thành một khối quán tính. Bình thường dưới tác dụng của trọng lượng, khối quán tính và lực đẩy của lò xo ở trạng thái cân bằng , cuộn dây cảm ứng 5 đặt giữa khe hở không khí của nam châm đứng yên. Khi có 154