III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
X.2 Thiết bị đo nhiệt độ
X.2.1 Nhiệt kế thủy tinh chất lỏng
Nhiệt kế thủy tinh chất lỏng đo nhiệt độ dựa vào sự giãn nở khác nhau giữa chất lỏng làm nhiệt kế và thủy tinh khi nhiệt độ thay đổi.
Dựa vào hình thức cấu tạo của nhiệt kế có thể chia làm hai loại:
- Loại hình bao biểu diễn trên hình 10.6a gồm một ống đường kính rất nhỏ, vỏ mỏng và một bảng chia bằng thủy tinh màu sữa, cả hai chi tiết này được bọc chung vào ống thủy tinh hàn kín.
- Loại thanh biểu diễn ở hình 10.6b là một ống thủy tinh có đường kính rất nhỏ, thành dày, có chia độ bằng màu trên thủy tinh trong suốt.
Nhiệt kế thủy tinh chất lỏng được dùng phổ biến là nhiệt kế thủy ngân (nhiệt kế thủy tin có chất lỏng được dùng là thủy ngân) để đo nhiệt độ giữ -300C đến +6250C, nếu là thạch anh có thể đo đến +7500C.
Ở các nhiệt kế tốt (có độ chính xác cao và đo ở nhiệt độ cao) thì không gian ở phía trên thủy ngân (ở trong ống nhỏ) phải được hút chân không nhằm loại trừ sự oxy hóa thủy ngân. Trong trường hợp đo nhiệt độ trên 2500C người ta phải đưa vào không gian này khí trơ, thường là nitơ, để tránh sự oxy hóa và bay hơi của thủy ngân.
Để đo nhiệt độ thấp, chất lỏng được dùng trong nhiệt kế thủy tinh chất lỏng là các chất hữu cơ như pentan, rượu, toluen. Nhược điểm của loại chất lỏng này là hệ số giãn nở của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ cho nên các vạch chia không thể đều được. Ngoài ra các loại chất lỏng này có khả năng dẫn nhiệt kém nên sức ỳ lớn, tức là thời gian cần thiết để đọc kết quả kéo dài.
Một kết cấu đặc biệt của nhiệt kế thủy tinh chất lỏng là loại nhiệt kế có thể thay đổi điểm chuẩn ban đầu. Hình 10.7 biểu diễn loại nhiệt kế thay đổi nhiệt độ ban đầu Beckman. Chiều dài của ống nhỏ khoảng 25 cm, bảng chỉ của nhiệt kế được chia là 6 độ, mỗi độ được chia làm 100 phần và người ta còn có thể phân biệt được tới 1/1000 độ.
Khi sử dụng nhiệt kế thủy tinh phải chú ý đến việc bảo vệ nó tránh các tải trọng cơ học. Khi áp suất của môi trường đo lớn hơn 5kG/cm2 trở lên, không được phép lắp trực tiếp nhiệt kế thủy tin để đo nhiệt độ mà buộc phải lắp ống bảo vệ nhiệt kế. Ở áp suất thấp hơn, nhiệt kế thủy tinh có thể được lắp trực tiếp vào môi trường đo nếu nó được giữ chắc, bảo đảm không bị rơi và phải có cơ cấu bảo vệ.
Trong các trường hợp cần chú ý đặc biệt thì nhiệt kế thủy tinh còn được bảo vệ ngoài (hình 10.8) nhằm tránh sự va chạm gây ra gãy vỡ nhiệt kế.
Hình 10.8: Nhiệt kế thủy tinh và
ống bảo vệ.
Hình 10.7: Nhiệt kế Beckman.
X.2.1.2. Sai số của nhiệt kế thủy tinh chất lỏng
Sự lão hóa của thủy tinh có thể làm cho nó bị thay đổi thể tích dẫn đến sai số điểm không của nhiệt kế. Với các loại thủy tinh tốt, người ta tiến hành quá trình lão hóa nhân tạo có thể loại trừ được hiện tượng sai số nói trên.
Ngoài ra trong quá trình sử dụng có thể gặp các nguyên nhân sai số khác nhau, song các loại nhiệt kế tốt phải bảo đảm các sai số do nhiệt kế sinh ra nằm trong phạm vi sai số đọc. Sai số thường gặp nhất là tiết diện của ống dẫn chất lỏng không đều. Sai số này được làm sáng tỏ khi hiệu chỉnh nhiệt kế.
Khi lắp ghép nhiệt kế thủy tinh để đo nhiệt độ phải chú ý bảo đảm điều kiện đọc kết quả thuận lợi tránh sai số đọc do chiếu sáng không đồng đều gây ra.
X.2.1.3. Hiệu chỉnh cột chất lỏng của nhiệt kế thủy tinh
Các nhiệt kế chính xác được hiệu chỉnh bằng cách tất cả cột chất lỏng được nằm trong môi trường đo. Chính vì vậy trong khi sử dụng muốn có độ chính xác cao phải đảm bảo được điều kiện trên, tức là toàn bộ cột chất lỏng của nhiệt kế phải nằm trong môi trường đo. Song điều kiện này trong khi sử dụng khó được đảm bảo, vì để có thể đọc được kết quả đo người ta thường lắp ghép nhiệt kế sao cho có một phần của cột chất lỏng nằm ngoài môi trường đo. Phần nhiệt kế nằm ngoài này chịu ảnh hưởng của nhiệt độ khác với nhiệt độ của môi trường đo (bị làm lạnh hoặc bị nung nóng bởi không khí môi trường đo) nên phần chất lỏng này có độ giãn nở khác với độ giãn nở của phần nằm trong môi trường đo. Để loại trừ sai số này phải dùng phép hiệu chỉnh cột chất lỏng.
Khi xét sự giãn nở trong nhiệt kế thủy tinh cần phải lưu ý đến hai chiều hướng khác nhau, đó là giãn nở của chất lỏng làm nhiệt kế và giãn nở của thủy tinh.
Nếu biết độ giãn nở của vật liệu làm nhiệt kế trên một đơn vị chiều dài, tương ứng có thể biết độ giãn nở cho 1 độ. Muốn hiệu chỉnh cột chất lỏng đúng phải xác định đúng nhiệt độ của cột chất lỏng nằm ngoài môi trường đo. Muốn xác định chính xác phải dùng nhiệt kế có độ chính xác cao, khoảng chia lớn và nhiệt kế này được nhúng một ít vào môi trường đo để nó có nhiệt độ giống nhiệt độ của cột chất lỏng của nhiệt kế đo. Nếu phép hiệu chỉnh không cần chính xác cao lắm có thể sử dụng nhiệt kế đơn giản đặt vào điểm giữa của cột chất lỏng.
Nếu gọi nhiệt độ trung bình của cột chất lỏng là tr và nhiệt độ của nhiệt kế đo là ta
thì nhiệt độ thực của môi trường cần đo là:
t = ta + γ.n.(ta – tr)
Hình 10.9: Sơ đồ nguyên lí của nhiệt kế đàn hồi chất lỏng.
trong đó: n – chiều dài của cột chất lỏng ở ngoài môi trường đo tính theo độ;
γ - hệ số giãn nở dài tương đối của chất lỏng so với thủy tinh.
Giá trị của γ cho như sau:
Với thủy ngân là 1/6000; với pentan, rượu, toluen là 1/800.
Vì nhiệt độ trung bình thực tế của cột chất lỏng không thể xác định chính xác được cho nên trong thực tế sử dụng phải cố gắng hạn chế cột chất lỏng ở ngoài môi trường đo ở mức ít nhất.