III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
X.2 Thiết bị đo nhiệt độ
X.2.2. Nhiệt kế đàn hồi chất lỏng
Ở loại nhiệt kế này áp suất của chất lỏng là độ lớn trực tiếp để đo nhiệt độ. Áp suất sinh ra do sự giãn nỡ của chất lỏng khi nhiệt độ thay đổi. Chất lỏng được sử dụng phổ biến nhất là thủy ngân. Ngoài ra người ta cũng sử dụng các chất hữu cơ ở thể lỏng.
Phạm vi đo của loại nhiệt kế này nằm trong khoảng -35 đến +6000C.
Ưu điểm của loại nhiệt kế này so với nhiệt kế thủy tinh chất lỏng là:
- Ít nhạy cảm với rung động và áp suất
- Có thể dẫn kết quả đi xa
- Có thể ghi một cách liên tục kết quả đo.
Hình 10.9 giới thiệu kết cấu một nhiệt kế đàn hồi chất lỏng. Đầu cảm nhiệt độ 1 được nối với ống 2 thẳng hoặc quanh co. Ống nhỏ 2 chính là bộ phận truyền kết quả đi xa, nó được nối
với bộ phận chỉ. Bộ phận chỉ (hiện kết quả đo) bao gồm ống đàn hồi 3, đòn truyền động 4, vành bánh xe 5, bánh xe 6 và kim chỉ 7. Tất cả các bộ phận đầu cảm, ống nhỏ truyền áp suất 2 và ống đàn hồi 3 đều chứa chất lỏng làm áp kế dùng để truyền áp suất từ đầu cảm đến bộ phận chỉ.
Khi nhiệt độ đầu cảm tăng thì áp suất ở đó tăng lên và áp suất này được dẫn đến ống đàn hồi 3 làm cho nó dịch chuyển. Nhờ đó mà kim chỉ thay đổi vị trí tương ứng với nhiệt độ ở đầu cảm.
Vật liệu làm đầu cảm phải chịu được áp suất và nhiệt độ cao cũng như chịu được tác dụng của môi trường đo. Ngoài ra nó còn phải bền với thủy ngân. Vì vậy trong đại đa số trường hợp phải dùng thép hợp kim. Nhờ đó khi sử dụng nhiệt kế đàn hồi không cần phải lưu ý bảo vệ nó.
Nhiệt kế đàn hồi có quán tính tương đối nhỏ. Người ta có thể hạ thấp được quán tính của nó bằng cách tăng diện tích bề mặt của đầu cảm nhiệt độ so với thể tích chất lỏng (làm chiều dài lớn mà đường kính nhỏ).
X.2.2.2. Phân loại và đặc điểm của nhiệt kế đàn hồi chất lỏng
Tùy thuộc vào chất lỏng cho vào nhiệt kế đàn hồi mà nó được phân ra các loại nước, hơi và khí, thường có các loại sau:
- Thủy ngân, khoảng đo -30 đến +6000C - Clorua metyl (CH3Cl), khoảng đo 0 đến +1000C - Clorua etyl, khoảng đo 0 đến +1200C - Ete etyl (C(C2H5)2O), khoảng đo 0 đến +1500C - Aceton (C(CH3)2CO), khoảng đo 0 đến +1700C - Benzen (C6H6), khoảng đo 0 đến +2200C
Ngoài ra có loại nhiệt kế đàn hồi chất lỏng là khí nitơ hay heli có khoảng đo -130 đến +5500C. Loại này có ưu điểm là đo được khoảng nhiệt độ lớn và ở trong đầu cảm, ống dẫn, ống đàn hồi có áp suất lớn nên ít chịu ảnh hưởng của áp suất môi trường đo.
X.2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường
Theo sơ đồ kết cấu của nhiệt kế đàn hồi chất lỏng thể hiện trên hình 10.9 thì chỉ có đầu cảm được tiếp xúc với môi trường đo còn ống dẫn và ống đàn hồi thì lại chịu tác dụng của môi trường xung quanh. Nhiệt độ và áp suất của môi trường xung quanh lại khác với nhiệt độ và áp suất khi hiệu chỉnh nhiệt kế, do đó xuất hiện các sai số. Người ta có thể loại trừ hoặc giảm bớt ảnh hưởng này bằng hai phương pháp sau:
- Giảm bớt sai số bằng cách tăng tỷ số giữa chất lỏng chứa trong đầu cảm đối với chất lỏng chứa trong ống dẫn và ống đàn hồi.
- Loại trừ hẳn sai số nhờ có cơ cầu bù trừ. Muốn vậy ngoài cơ cấu ống dẫn và ống đàn hồi như trên (hình 10.9), người ta còn lắp vào nhiệt kế một ống dẫn và ống đàn hồi giống như vậy nhưng không có đầu cảm gọi là cơ cấu bù trừ.
Cơ cấu bù trừ có xu hướng làm kim quay ngược chiều với cơ cấu đo. Chính vì vậy mà ảnh hưởng của môi trường bị cơ cấu bù trừ loại ra khỏi kết quả đo. Ví dụ khi nhiệt độ của môi trường lớn hơn nhiệt độ hiệu chỉnh nhiệt kế, nếu không có cơ cấu bù trừ nhiệt độ sẽ chỉ tăng lên một giá trị A do áp suất trong ống dẫn và ống đàn hồi tăng. Nhưng cơ cấu bù trừ chịu ảnh hưởng của môi trường giống như vậy nên nó cũng có xu hướng quay kim đi một giá trị là A và ngược chiều với nhiệt kế. Vì vậy cơ cấu bù trừ loại được sai số do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường gây ra.
Loại nhiệt kế đàn hồi chất lỏng có cơ cấu bù trừ có thể dẫn kết quả đi xa đến 50m.
X.2.2.4. Độ chính xác phép đo
Trong quá trình sử dụng có thể gặp phải sự dịch chuyển điểm không do sự thay đổi thể tích và sự đàn hồi của vật liệu, nên sau một thời gian sử dụng nhiệt kế đàn hồi phải được kiểm tra lại bằng cách so sánh với nhiệt kế thủy tinh và trong các trường hợp cần thiết phải điều chỉnh lại.
Nếu như ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không loại trừ được (nhờ cơ cấu bù trừ), thì sự thay đổi nhiệt độ của môi trường so với nhiệt độ hiệu chỉnh sẽ làm cho nhiệt kế đàn hồi thủy ngân có sai số sau:
1 – Nhiệt kế không có cơ cấu bù trừ nhiệt độ
Sai số cho mỗi một met ống dẫn khi chênh lệch nhiệt độ ± 10C so với nhiệt độ hiệu chỉnh là ± 0,02% khoảng chỉ (lấy thể tích của bộ phận đàn hồi bằng 5m ống dẫn).
2 – Nhiệt kế có bù trừ một phần (không có bù trù ống dẫn)
Sai số chỉ cho mỗi một met ống dẫn khi chênh lệch nhiệt độ là ± 10C so với nhiệt độ hiệu chỉnh là ± 0,008% phạm vi chỉ.
Ví dụ: Nhiệt kế không có bù trừ nhiệt độ có phạm vi chỉ là a = 3000C, chiều dài ống dẫn là L = 5m, thay đổi nhiệt độ môi trường ∆tu = +100C.
Sai số sẽ là: f = ∆tu.(L + 5).a.0,02.10-2(0C) = +10.(5+5).300.0,02.10-2 = + 60C
Hình 10.10: Nguyên lí cặp nhiệt ngẫu.
Ngoài ra còn phải tính đến sai số của cơ cấu chỉ, bình thường khoảng ±1% khoảng chỉ. Khi lắp đặt đầu cảm nhiệt độ vào môi trường có áp suất cao còn phải chú ý đến sai số do áp suất thay đổi gây ra. Sai số này thường khoảng 0,1% phạm vi chỉ khi thay đổi áp suất 15 atm.
Như vậy ta thấy loại nhiệt kế này có độ chính xác không cao. Nếu yêu cầu độ chính xác cao và vị trí đo khó đến gần phải sử dụng các thiết bị đo nhiệt độ bằng điện.