Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hoá

132 trang phuongnguyen 2920

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hoá", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_kiem_nhiet_tu_dong_hoa.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hoá

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đại học đà nẵng Tr−ờng đại học bách khoa Hoàng Minh Công Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hoá Đà Nẵng - 2006
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Lời mở đầu Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công nghệ tiến hành trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc rất cao và sử dụng nhiều thiết bị sử dụng chất l−u (chất lỏng, khí và hơi) yêu cầu khống chế nhiệt độ chặt chẽ cũng nh− th−ờng xuyên đo kiểm các thông số áp suất, thành phần môi tr−ờng khí Do vậy đo và kiểm tra nhiệt độ cũng nh− các thông số công nghệ khác có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đảm bảo điều khiển quá trình công nghệ theo theo yêu cầu, đảm bảo chất l−ợng sản phẩm và an toàn cho thiết bị. Đo và kiểm tra cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các thiết bị đo và kiểm tra tự động nói chung cũng nh− đo và kiểm tra nhiệt độ nói riêng ngày càng có nhiều chủng loại với tính năng sử dụng và độ tin cậy khi làm việc cao, đáp ứng nhu cầu đa dạng của sản xuất. Thiết bị đo và kiểm tra có thể là một dụng cụ đo đơn giản gồm một đầu đo và bộ phận hiển thị hoặc là cả một hệ thống phức tạp gồm các cảm biến, các bộ chuyển đổi tín hiệu đo, truyền kết quả đi xa, xử lý số liệu Trang bị những kiến thức cơ bản về kiểm nhiệt cũng nh− đo, kiểm tra các thông số và chỉ tiêu công nghệ là hết sức cần thiết, giúp cho sinh viên tiếp thu tốt các môn học chuyên ngành cũng nh− vận dụng vào thực tế sản xuất sau này. Đối với sinh viên ngành cơ khí - luyện cán thép, môn học Kiểm nhiệt và tự động hoá là một môn học bắt buộc trong ch−ơng trình đào tạo. Giáo trình đ−ợc biên soạn theo nội dung môn học gồm 8 ch−ơng, đề cập đến những vấn đề chủ yếu về kỹ thuật đo nói chung, thiết bị đo và kiểm tra nhiệt độ, thiết bị đo và kiểm tra các thông số và chỉ tiêu công nghệ quan trọng trong các quá trình luyện kim. Do nội dung giáo trình bao quát rộng, tài liệu tham khảo hạn chế và trình độ có hạn của ng−ời biên soạn nên chắc chắn giáo trình không tránh khỏi sai sót. Tác giả mong muốn nhận đ−ợc sự góp ý của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình đ−ợc hoàn thiện hơn. Các nhận xét, góp ý xin gửi về Khoa Cơ khí Tr−ờng Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng. Tác giả
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Mục lục Ch−ơng 1. Các khái niệm và đặc tr−ng cơ bản trong đo l−ờng 1.1. Khái niệm và phân loại ph−ơng pháp đo 5 1.1.1. Phép đo 5 1.1.2. Phân loại ph−ơng pháp đo 5 1.2. Sai số của phép đo 6 1.2.1. Sai số 6 1.2.2. Các loại sai số 7 1.2.3. Ph−ơng pháp đánh giá sai số 9 1.3. Thiết bị đo và phân loại 10 1.3.1. Thiết bị đo 10 1.3.2. Phân loại thiết bị đo 11 1.4. Đo và kiểm tra trong công nghệ luyện kim 12 Ch−ơng 2. Đo nhiệt độ 2.1. Khái niệm chung 14 2.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 14 2.1.2. Ph−ơng pháp đo nhiệt độ 17 2.2. Nhiệt kế giản nỡ 18 2.2.1. Nguyên lý đo 18 2.2.2. Các loại nhiệt kế giản nở 18 2.3. Nhiệt kế điện trở 19 2.3.1. Nguyên lý đo 19 2.3.2. Các loại nhiệt kế điện trở 21 2.4. Cặp nhiệt ngẫu 29 2.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện 29 2.4.2. Vật liệu chế tạo cực 31 2.4.3. Các cặp nhiệt ngẫu dùng trong công nghiệp 33 2.4.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp 34 2.5. Hỏa kế 40 2.5.1. Hỏa kế bức xạ toàn phần 40 2.5.2. Hỏa kế quang 41 -131-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2.6. Các ph−ơng pháp đo nhiệt độ khác 43 Ch−ơng 3. Đo áp suất 3.1. áp suất và ph−ơng pháp đo áp suất 45 3.1.1. áp suất và đơn vị đo 45 3.1.2. Ph−ơng pháp đo áp suất 46 3.2. áp kế sử dụng dịch thể 48 3.2.1. Vi áp kế kiểu phao 48 3.2.2. Vi áp kế kiểu chuông 49 3.2.3. Vi áp kế bù 50 3.2.4. áp kế vành khuyên 51 3.3. áp kế đàn hồi 52 3.3.1. áp kế lò xo 52 3.3.2. áp kế màng 54 3.3.3. áp kế ống trụ 55 3.3.4. áp kế kiểu đèn xếp 56 3.4. áp kế điện 57 3.4.1. áp kế áp trở 57 3.4.2. áp kế áp điện 58 3.4.3. áp kế điện dung 59 3.4.4. áp kế điện cảm 60 Ch−ơng 4. Đo l−u l−ợng 4.1. Khái niệm chung 64 4.1.1. L−u l−ợng và đơn vị đo 64 4.1.2. Ph−ơng pháp đo l−u l−ợng 64 4.2. L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo thể tích 64 4.2.1. L−u l−ợng kế kiểu bánh răng 64 4.2.2. L−u l−ợng kế kiểu cánh 66 4.3. L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo tốc độ 67 4.3.1. Nguyên lý đo 67 -132-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 4.3.2. L−u l−ợng kế kiểu tuabin h−ớng trục 67 4.3.3. L−u l−ợng kế kiểu tuabin tiếp tuyến 68 4.4. L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo độ giảm áp biến đổi 69 4.4.1. Nguyên lý đo 69 4.4.2. Thiết bị thu hẹp 71 4.4.3. Sơ đồ thiết bị đo 72 4.5. L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo độ giảm áp không đổi 75 4.6. L−u l−ợng kế điện từ 76 Ch−ơng 5. Phân tích khí 5.1. Khái niệm và ph−ơng pháp phân tích 78 5.1.1. Khái niệm 78 5.1.2. Ph−ơng pháp phân tích 78 5.2. Ph−ơng pháp phân tích điện 78 5.2.1. Phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí 78 5.2.2. Phân tích khí theo sự cháy của các cấu tử cần phân tích 80 5.2.3. Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí 81 5.2.4. Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ 82 5.3. Ph−ơng pháp quang phổ định l−ợng 84 Ch−ơng 6. Đo một số chỉ tiêu công nghệ 6.1. Đo nồng độ ion H+ 85 6.1.1. Nguyên lý đo 85 6.1.2. Thiết bị đo 86 6.2. Đo nồng độ chất điện ly 88 6.2.1. Nguyên lý đo 88 6.2.2. Thiết bị đo 89 6.3. Đo tỉ trọng 90 6.3.1. Ph−ơng pháp đo theo áp suất 90 6.3.2. Ph−ơng pháp dùng đồng vị phóng xạ 91 6.4. Đo và phát hiện mức 92 6.4.1. Đo mức bằng ph−ơng pháp thuỷ tĩnh 92 6.4.2. Đo mức bằng ph−ơng pháp điện 94 6.4.3. Đo mức bằng ph−ơng pháp bức xạ 95 -133-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 6.5. Đo độ ẩm 96 6.5.1. Đo độ ẩm vật liệu rời 97 6.5.2. Đo độ ẩm của khí 97 Ch−ơng 7. Truyền kết quả đi xa 7.1. Truyền xa kiểu điện trở 103 7.1.1. Ph−ơng pháp biến đổi điện trở 103 7.1.2. Ph−ơng pháp dùng logomet 104 7.2. Truyền xa kiểu từ cảm 104 7.2.1. Dùng cầu cân bằng cảm ứng 104 7.2.2. Dùng biến thế vi sai 105 7.3. Truyền xa kiểu đồng bộ 106 Ch−ơng 8. Cảm biến thông minh 8.1. Cấu trúc của một cảm biến thông minh 109 8.2. Các khâu chức năng của cảm biến thông minh 110 8.2.1. Chuyển đổi chuẩn hoá 110 8.2.2. Bộ dồn kênh MUX 112 8.2.3. Bộ chuyển đổi t−ơng tự - số 114 8.3. Các thuật toán xử lý trong cảm biến thông minh 116 8.3.1. Tự động khắc độ 116 8.3.2. Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn 117 8.3.3. Gia công kết quả đo 119 Tài liệu tham khảo 129 Mục lục 131 -134-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - -135-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 1 Các khái niệm và đặc tr−ng cơ bản trong đo l−ờng 1.1. Khái niệm và ph−ơng pháp đo Trong công nghiệp, nhiều quá trình công nghệ đòi hỏi phải tiến hành trong những điều kiện công nghệ (nh− nhiệt độ, áp suất, l−u l−ợng, thành phần môi tr−ờng gọi chung là thông số công nghệ) cần khống chế trong một giới hạn nhất định. Đo và kiểm tra các thông số công nghệ cho phép ng−ời thực hiện biết đ−ợc trạng thái của quá trình, từ đó tác động để đảm bảo sự hoạt động bình th−ờng của hệ thống thiết bị cũng nh− đạt đ−ợc hiệu quả kinh tế và chất l−ợng sản phẩm theo yêu cầu. Đối với các hệ thống tự động, đo và kiểm tra thông số công nghệ là khâu không thể thiếu đảm nhận sự cung cấp tín hiệu cần thiết cho quá trình điều khiển hoạt động của thiết bị. Do vậy đo và kiểm tra có tầm quan trọng rất lớn trong công nghiệp nói chung cũng nh− trong lĩnh vực luyện kim nói riêng. 1.1.1. Phép đo Thực chất của phép đo là đem so sánh đại l−ợng cần đo với một đại l−ợng khác đã đ−ợc chuẩn hóa. Ví dụ để đo chiều dài của một vật, ng−ời ta so sánh chiều dài cần đo với chiều dài của một vật chuẩn theo quy −ớc bằng một mét, đo khối l−ợng một vật, ng−ời ta đem so sánh khối l−ợng cần đo với khối l−ợng của một vật chuẩn có khối l−ợng theo quy −ớc bằng một lilôgam 1.1.2. Ph−ơng pháp đo Căn cứ vào nguyên tắc đo, ng−ời ta chia các ph−ơng pháp đo thành ba loại: ph−ơng pháp đo trực tiếp, ph−ơng pháp đo gián tiếp và ph−ơng pháp đo kết hợp. - Ph−ơng pháp đo trực tiếp: đem đại l−ợng cần đo so sánh trực tiếp với đại l−ợng chuẩn cùng bản chất, ví dụ nh− đo chiều dài, đo khối l−ợng, - Ph−ơng pháp đo gián tiếp: là phép đo mà kết quả nhận đ−ợc dựa trên cơ sở đo các số liệu có liên quan với đại l−ợng cần đo theo một quan hệ nhất định, ví dụ nh− đo nhiệt độ thông qua sự đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu. - Ph−ơng pháp kết hợp: kết hợp cả hai ph−ơng pháp trên. Khi đo gián tiếp, đối với mỗi dụng cụ đo phải xây dựng đ−ợc quan hệ giữa đại l−ợng đo đ−ợc s (còn gọi là đại l−ợng đầu ra hay đáp ứng) và đại l−ợng cần đo m (còn gọi là đại l−ợng đầu vào hay kích kích). Quan hệ trên đ−ợc biểu diễn d−ới dạng -5-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - hàm số đại số s = F(m) hoặc bằng đồ thị gọi chung là đ−ờng cong chuẩn của dụng cụ đo. Để thiết lập đ−ờng cong chuẩn ng−ời ta dùng các ph−ơng pháp chuẩn dụng cụ đo đ−ợc tiến hành bằng cách đo giá trị của đại l−ợng đầu ra (s) ứng với một loạt giá trị đã biết chính xác của đại l−ợng đầu vào (m). s s s2 s1 s x m m 1 2 m mx m a) b) Hình 1.1 Đ−ờng cong chuẩn dụng cụ đo a) Xây dựng đ−ờng cong chuẩn b) Sử dụng đ−ờng cong chuẩn Đ−ờng cong chuẩn cho phép xác định mọi giá trị của m từ s trong phạm vi đo. Để dễ sử dụng ng−ời ta th−ờng chế tạo dụng cụ đo sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra ∆s và biến thiên đầu vào ∆m: ∆s = S.∆m Trong đó S là độ nhạy của dụng cụ đo. s m Hình 1.2 Đ−ờng cong chuẩn tuyến tính của dụng cụ đo 1.2. Sai số của phép đo 1.2.1. Sai số Trong thực tế, do nhiều nguyên nhân khác nhau, khi đo ta không thể xác định chính xác giá trị thực của đại l−ợng cần đo (giá trị cần đo) mà chỉ nhận đ−ợc giá trị gần đúng của nó (giá trị đo). Hiệu số giữa giá trị đo m và giá trị cần đo A đ−ợc gọi là sai số tuyệt đối của phép đo: -6-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - δ = m − A (1.1) Do không thể xác định đ−ợc A nên không thể tính đ−ợc sai số của phép đo theo công thức (1.1) . Bởi vậy, sai số của phép đo chỉ có thể đánh giá một cách −ớc tính. 1.2.2. Các loại sai số Khi đánh giá ng−ời ta phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. a) Sai số hệ thống Sai số hệ thống là sai số mà giá trị và quy luật đã biết tr−ớc và có thể phát hiện bằng cánh kiểm tra dụng cụ đo bằng dụng cụ mẫu. Với một giá trị cho tr−ớc của đại l−ợng cần đo, sai số hệ thống có thể không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian. Sai số hệ thống th−ờng có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch hoặc không đầy đủ về dụng cụ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt, d−ới đây là những nguyên nhân th−ờng gặp của sai số hệ thống: - Sai số do giá trị của đại l−ợng chuẩn không đúng: thí dụ điểm 0 của dụng cụ đo bị lệch khỏi vị trí, sai lệch của nhiệt độ chuẩn cặp nhiệt Sai số dạng này có thể giảm đ−ợc bằng cách kiểm tra kỹ càng các thiết bị phụ trợ trong mạch đo. - Sai số do đặc tính của dụng cụ đo: sai số độ nhạy hoặc sai số đ−ờng cong chuẩn là nguyên nhân th−ờng gặp của sai số hệ thống do đặc tính của dụng cụ đo. Thí dụ đ−ờng cong chuẩn của cặp nhiệt ngẫu do nhà sản xuất cung cấp đ−ợc xác định trên cơ sở chuẩn một số cặp nhiệt cùng đ−ợc chế tạo một lần. Tuy nhiên, một cặp nhiệt ngẫu nào đó có đ−ờng cong chuẩn khác đôi chút so với đ−ờng cong chuẩn của các cặp nhiệt đã đ−ợc kiểm định. Tr−ờng hợp hóa già của bộ phận cảm nhận trong dụng cụ đo cũng th−ờng kéo theo sự sai lệch khỏi đ−ờng cong chuẩn ban đầu, đặc biệt là đối với cặp nhiệt và nhiệt điện trở. Để tránh sai số hệ thống trong các tr−ờng hợp này cần phải th−ờng xuyên chuẩn lại dụng cụ đo. - Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng: tốc độ hồi đáp của dụng cụ đo và các dụng cụ thứ cấp trong mạch đo th−ờng có hạn, bởi vậy tất cả các phép đo tiến hành tr−ớc khi chế độ hoạt động bình th−ờng của thiết bị đo đ−ợc thiết lập đều gây ra sai số. Thí dụ một đầu đo nhiệt độ có tốc độ hồi đáp rất khác nhau phụ thuộc vào việc nó đ−ợc đặt trong chất lỏng đứng yên hay có dòng chảy. Tr−ờng hợp đầu đo -7-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - nhiệt độ có nhiệt dung và quán tính nhiệt lớn đ−ợc đặt vào môi tr−ờng đo có thể tích nhỏ làm thay đổi nhiệt độ môi tr−ờng đo cũng gây ra sai số. - Sai số do xử lý kết quả sai: sai số dạng này h−ợng gặp phải do sự nhận xét, đánh giá không đúng khi tiến hành hiệu chỉnh kết quả đo chứa những điểm có độ lệch lớn để nhận đ−ợc giá trị chính xác hơn. Sau đây là một số tr−ờng hợp th−ờng gặp: + Tr−ờng hợp do giả thiết sai dẫn đến xử lý sai kết quả đo, chẳng hạn khi kết quả đo lệch khỏi độ tuyến tính trong phép đo do sử dụng dụng cụ đo giả thiết là tuyến tính. + Tr−ờng hợp khi đo nhiệt độ, do nhiệt độ đo đ−ợc của dụng cụ đo và nhiệt độ môi tr−ờng cần đo khác nhau do có sự dẫn nhiệt của vỏ dụng cụ hoặc dây dẫn, từ đó không đánh giá đúng sự tiêu hao nhiệt l−ợng nên xử lý sai kết quả đo. b) Sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà giá trị và quy luật của nó ch−a biết tr−ớc. Sự xuất hiện của sai số ngẫu nhiên cũng nh− dấu và biên độ của nó mang tính không xác định. - Sai số do tính không xác định của đặc tr−ng thiết bị: nguyên nhân đầu tiên là do độ linh động của thiết bị, sai số độ linh động bằng độ biến thiên lớn nhất của đại l−ợng đo để gây nên sự thay đổi có thể nhận biết đ−ợc của đại l−ợng đầu ra của dụng cụ đo. Nguyên nhân thứ hai là do đọc sai số liệu, sai lệch này ít nhiều do thói quen của ng−ời đo, nh−ng mặt khác cũng do chất l−ợng của thiết bị, thí dụ độ mảnh của kim chỉ thị đồng hồ đo. - Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên: do sự rung động, sự thăng giáng của nhiệt độ môi tr−ờng, sự không ổn định của nguồn điện áp nuôi thiết bị tác động một cách ngẫu nhiên làm cho kết đo bị sai lệch. - Sai số do sự thay đổi của các đại l−ợng ảnh h−ởng: khi đo, dụng cụ đo th−ờng không chỉ chịu tác động của đại l−ợng đo mà ít nhiều còn chịu tác động của các đại l−ợng ảnh h−ởng mà mức độ ảnh h−ởng của chúng không đ−ợc tính đến khi chuẩn dụng cụ đo. Thí dụ một dụng cụ đo đ−ợc chuẩn trong điều kiện nhiệt độ 20oC thì mọi sự thay đổi nhiệt độ trên d−ới 20oC đều kéo theo sự thay đổi kết quả đo. -8-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 1.2.3. Ph−ơng pháp đánh giá sai số Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo bị tản mạn khi đo lặp lại. Tuy nhiên bằng ph−ơng pháp xử lý thống kê có thể xác định đ−ợc giá trị xác suất của đại l−ợng đo và giới hạn của sai số. Khi đo lặp lại n lần cùng một giá trị của đại l−ợng cần đo ta nhận đ−ợc kết quả là a1, a2, , an. Giá trị trung bình cộng sau n lần đo sẽ là: a + a + + a m = 1 2 n n Khi n rất lớn thì m → A , khi đó sai số tuyệt đối đ−ợc xác định bởi công thức: δ = m − m Các sai số ngẫu nhiên tác động lên các lần đo một cách hoàn toàn không phụ thuộc nhau. Bởi vậy xác suất xuất hiện các kết quả đo sẽ tuân theo định luật phân bố Gaus (hình 1.3). Khi đó mật độ xác suất y của sai số có giá trị δ xác định bởi công thức: 1 ⎡ δ2 ⎤ y = .exp⎢− 2 ⎥ σ 2π ⎣ 2σ ⎦ Trong đó σ là sai số bình ph−ơng trung bình, xác định theo công thức: δ2 + δ2 + + δ2 σ = 1 2 n n y σ1 σ2 σ3 δ Hình 1.3 Quy luật phân bố chuẩn của sai số ngẫu nhiên Căn cứ vào đặc tr−ng của sai số ng−ời ta đánh giá chất l−ợng của dụng cụ đo nh− tính trung thực, tính đúng đắn và độ chính xác. Dụng cụ đo có tính đúng đắn là dụng cụ đo có sai số hệ thống nhỏ, giá trị xác suất th−ờng gặp của đại l−ợng đo gần với giá trị thực (hình 1.4a) -9-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Dụng cụ đo có tính trung thực là dụng cụ đo có sai số ngẫu nhiên nhỏ, thể hiện kết quả các lần đo tập trung xung quanh giá trị trung bình a (hình 1.4b). Hình 1.4c là dạng phân bố kết quả đo của dụng cụ đo có tính trung thực và đúng đắn thấp. y y a) b) a ) a ) a a thực y y thực Giá trị Giá trị c) d) ) a a ) a a Hình 1.4 Các dạng kết quả đo ứng với các dụng cụ đo chất l−ợng khác nhau a) Loại có tính đúng đắn cao b) Loại có tính trung thực cao c) Loại có tính trung thực và tính đúng đắn thấp d) Loại có độ chính xác cao Dụng cụ đo có độ chính xác cao là dụng cụ đo cho kết quả đo đơn lẽ gần với giá trị thực của đại l−ợng đo. Dụng cụ đo chính xác đồng thời cũng là dụng cụ đo trung thực và đúng đắn (hình 1.4d). Ngoài ra, để so sánh độ chính xác của các phép đo khác nhau, ng−ời ta đ−a ra khái niệm sai số t−ơng đối xác định bằng công thức sau: m − m ε = .100 [%] m 1.3. Thiết bị đo và phân loại 1.3.1. Thiết bị đo Thiết bị đo là hệ thống bao gồm các dụng cụ đo và các dụng cụ thứ cấp cho phép xác định chính xác đại l−ợng cần đo trong điều kiện tốt nhất có thể. Đối với các thiết bị đo đơn giản, th−ờng gồm bộ phận đo và bộ phận hiển thị, thí dụ thiết bị đo chỉ gồm một cặp nhiệt nối trực tiếp với một milivôn kế. Tuy nhiên, trong thực tế do nhu cầu khai thác tín hiệu, đặc biệt là trong việc đo và kiểm tra tự động, thiết bị đo th−ờng gồm rất nhiều thành phần nh− cảm biến, các bộ chuyển đổi nhiều kênh, -10-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bộ tuyến tính hóa tín hiệu, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi t−ơng tự - số , bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ Trên hình 1.5 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ đơn giản, còn hình 1.6 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần. àV 1 2 Hình 1.5 Mạch đo nhiệt độ đơn giản 1) Cặp nhiệt 2) Dây dẫn 3) Milivôn kế Máy in 7 Bộ Bộ Bộ CB Bộ 3 CH CĐ VXL 1 KĐ 2 4 5 Màn hình 8 Hình 1.6 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần 1) Cảm biến đo nhiệt độ 2) Bộ khuếch đại 3) Bộ chuẩn hóa tín hiệu 4) Bộ chuyển đổi t−ơng tự - số 5) Bộ vi xử lý 7) Máy in 8) Màn hình 1.3.2. Phân loại thiết bị đo - Theo cách đọc kết quả, thiết bị đo đ−ợc chia ra: + Thiết bị đo tự chỉ. + Thiết bị đo tự ghi. + Thiết bị đo tự ghi và tự chỉ. + Thiết bị đo tổng ghi. - Theo đại l−ợng cần đo phân ra: + Thiết bị đo nhiệt. + Thiết bị đo điện. + Thiết bị đo áp suất - Theo phạm vi ứng dụng: -11-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - + Thiết bị đo trong nghiên cứu. + Thiết bị đo trong công nghiệp. - Theo cấp chính xác: Giả sử trị số thực của đại l−ợng cần đo là m, kết quả đo lần thứ i là mi, thang đo của thiết bị đo có giới hạn là M thì sai số quy dẫn của thiết bị đo là: m − m χ = i .100 [%] M Cấp chính xác của thiết bị đo là sai số quy dẫn cực đại cho phép. Trong công nghiệp phổ biến là các dụng cụ đo có cấp chính xác 0,5; 1; 1,5. 1.4. Đo và kiểm tra trong công nghệ luyện kim Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công nghệ liên quan đến việc đo nhiệt độ, áp suất, l−u l−ợng chất l−u hoặc một số chỉ tiêu công nghệ nh− độ ẩm, độ pH, độ điện ly, thành phần khí các yếu tố trên không những ảnh h−ởng đến hiệu suất quá trình, mà còn ảnh h−ởng lớn tới sự hoạt động của thiết bị cũng nh− chất l−ợng sản phẩm và hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất. Do vậy việc đo và kiểm tra th−ờng xuyên các thông số công nghệ nhằm xác lập điều kiện công nghệ tốt nhất để đảm bảo sự vận hành an toàn cho thiết bị và đạt đ−ợc kết quả mong muốn là hết sức cần thiết. Trong luyện kim, rất nhiều quy trình công nghệ trong luyện kim đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc rất cao nh− thiêu kết quặng, nấu chảy và luyện hợp kim, nung thép để cán hoặc nhiệt luyện Các quá trình này th−ờng yêu cầu khống chế nhiệt độ lò và nhiệt độ vật liệu phù hợp với từng giai đoạn gia công, nhiệt độ cao hay thấp đều ảnh h−ởng đến năng suất, hiệu quả kinh tế và chất l−ợng sản phẩm. Chẳng hạn khi nung thép để cán hoặc nhiệt luyện, nhiệt độ lò và nhiệt độ vật nung phải khống chế theo một chế độ nung định tr−ớc đảm bảo không xẩy ra hiện t−ợng nứt, cong vênh khi ở nhiệt độ thấp, không bị quá nhiệt hoặc cháy khi ở nhiệt độ cao. Trong luyện kim, sử dụng nhiều các thiết bị làm việc với chất l−u (chất lỏng, chất khí, hơi) nh− thiết bị cấp gió, cấp khí nén, cấp nhiên liệu, thiết bị làm mát, thiết bị bôi trơn do đó việc đo và kiểm tra th−ờng xuyên nhiệt độ, áp suất hoặc l−u l−ợng chất l−u cũng rất quan trọng. Nếu nhiệt độ, áp suất và l−u l−ợng chất l−u không đủ theo yêu cầu có thể làm cho thiết bị hoạt động không bình th−ờng, ng−ợc -12-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - lại nếu quá cao có thể làm hỏng thiết bị, thậm chí gây nổ sinh mất an toàn đối với thiết bị và ng−ời. Đặc biệt, trong luyện kim nhiều quá trình công nghệ th−ờng đ−ợc tiến hành trong môi tr−ờng khí mà thành phần của chúng nhiều khi có ảnh h−ởng rất quyết định đến hiệu quả quá trình cũng nh− chất l−ợng sản phẩm và khí thải. Việc phân tích khí không những cho phép điều chỉnh thành phần khí phù hợp với yêu cầu công nghệ mà còn giúp cho việc xử lý khí thải một cách có hiệu quả. Do những yêu cầu trên, giáo trình đi sâu trình bày các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo và thiết bị đo cần thiết đ−ợc dùng trong luyện kim nh− đo nhiệt độ, đo áp suất, đo l−u l−ợng, phân tích khí và sơ l−ợc một số vấn đề về đo một số chỉ tiêu công nghệ. Bên cạnh đó, giáo trình cũng đề cập đến những vấn đề cần thiết trong kỹ thuật đo là truyền kết quả đi xa, một số thiết bị đo tiên tiến ứng dụng trong kỹ thuật đo l−ờng và kiểm tra tự động. -13-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 2 đo nhiệt độ 2.1. Khái niệm chung 2.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ Nhiệt độ là một thông số công nghệ quan trọng trong nhiều quá trình luyện kim. Bởi vậy, việc đo và kiểm tra nhiệt độ là một trong những khâu hết sức cần thiết trong công nghiệp luyện kim. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại l−ợng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại l−ợng cùng bản chất, còn nhiệt độ là đại l−ợng đặc tr−ng cho mức nội năng của vật chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. a) Thang nhiệt độ Để đo nhiệt độ tr−ớc hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối đ−ợc thiết lập dựa vào tính chất của khí lý t−ởng. Theo định lý Carnot: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ là θ1 và θ2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2: F()θ η = 1 (2.1) F(θ 2 ) Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang nhiệt độ. Ng−ợc lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang nhiệt độ. Đặt F(θ) = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch đ−ợc viết nh− sau: T η = 1− 1 (2.2) T2 Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn. Đối với chất khí lý t−ởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và ph−ơng trình đặc tr−ng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng: p.v=G(θ) (2.3) Có thể chứng minh đ−ợc rằng: G(θ)=RT (2.4) -14-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trong đó R là hằng số khí lý t−ởng, T là nhiệt độ động học tuyệt đối. Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ t−ơng ứng với một hiện t−ợng nào đó với điều kiện hiện t−ợng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại. - Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này ng−ời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái n−ớc - n−ớc đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K. - Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC. Trong thang đo này nhiệt độ của điểm cân bằng trạng thái n−ớc - n−ớc đá bằng 0oC, nhiệt độ điểm n−ớc sôi là 100oC. Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (2.5) - Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm n−ớc đá tan là 32oF và điểm n−ớc sôi là 212oF. Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius: 5 T( o C) = {T()o F − 32} (2.6) 9 9 T(o F)= T()o C + 32 (2.7) 5 Bảng 2.1 Cho các giá trị t−ơng ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau. Bảng 2.1 Nhiệt độ một số hiện t−ợng quan trọng theo các thang đo Nhiệ độ Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 - 459,67 Hỗn hợp n−ớc - n−ớc đá 273,15 0 32 Cân bằng n−ớc - n−ớc đá - hơi 273,16 0,01 32,018 N−ớc sôi 373,15 100 212 b) Nhiệt độ đo đ−ợc và nhiệt độ cần đo Vật thể hoặc môi tr−ờng cần đo nhiệt độ gọi là môi tr−ờng đo, phần tử cảm nhận của dụng cụ đo đ−ợc gọi là vật đo. Giả sử môi tr−ờng đo có nhiệt độ thực bằng -15-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Tx., điều kiện để đo đúng nhiệt độ của môi tr−ờng đo là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi tr−ờng đo và vật đo. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ của vật đo không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi tr−ờng Tx, do đó khi đo ta chỉ nhận đ−ợc nhiệt độ Tc là nhiệt độ của vật đo. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc là nhiệt độ đo đ−ợc. Giữa nhiệt độ cần đo và nhiệt độ đo đ−ợc tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Chúng ta hãy khảo sát tr−ờng hợp đo bằng dụng cụ đo tiếp xúc. L−ợng nhiệt truyền từ môi tr−ờng vào vật đo xác định theo công thức: dQ = αA(Tx − Tc )dt Trong đó: α - hệ số dẫn nhiệt. A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. t - thời gian trao đổi nhiệt. L−ợng nhiệt vật đo hấp thụ: dQ = mCdTc Trong đó: m - khối l−ợng của vật đo. c - nhiệt dung của vật đo. Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của vật đo ra môi tr−ờng ngoài và giá đỡ, ta có: αA()Tx − Tc dt = mCdTc mC Đặt = τ , gọi là hằng số thời gian nhiệt, ta có: αA dT dt c = Tx − Tc τ o T( K) T x Tc 0,63Tx τ t (s) Hình 2.1. Trao đổi nhiệt của vật đo -16-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Nghiệm của ph−ơng trình có dạng: t − τ Tc = Tx − ke (2.8) Từ (2.8) ta nhận thấy Tc → Tx chỉ khi t→ ∞. Trên thực tế, thời gian tiếp xúc giữa vật đo và môi tr−ờng đo là có giới hạn, đồng thời có sự truyền nhiệt từ vật đo ra môi tr−ờng bên ngoài do đó Tc < Tx , trong phép đo luôn tồn tại sai lệch ∆T = Tx − Tc . Sai lệch ∆T càng bé phép đo càng chính xác. Để tăng độ chính xác, khi đo cần phải: - Tăng c−ờnng sự trao đổi nhiệt giữa vật đo và môi tr−ờng đo. - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa vật đo và môi tr−ờng bên ngoài. Để tăng c−ờng trao đổi nhiệt giữa môi tr−ờng đo và vật đo ta phải dùng vật đo có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao. Để hạn chế tổn thất nhiệt từ vật đo ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ vật đo ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp. 2.1.2. Ph−ơng pháp đo nhiệt độ Nh− chúng ta đã biết, nhiệt độ không thể đo trực tiếp mà phải đo gián tiếp thông qua sự thay đổi tính chất của vật liệu theo nhiệt độ. Bởi vậy để đo nhiệt độ cần phải biết đ−ợc quan hệ phụ thuộc của tính chất vật lý của vật đo, của môi tr−ờng đo vào nhiệt độ, những tính chất này phải phụ thuộc đơn trị vào nhiệt độ. D−ới tác động của nhiệt độ, tính chất của môi tr−ờng đo và vật đo thay đổi, thông qua xác định tính chất của môi tr−ờng đo và vật đo ta xác định đ−ợc nhiệt độ của môi tr−ờng đo. Theo nguyên tắc đo, ng−ời ta chia ra hai ph−ơng pháp đo gồm đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc. - Ph−ơng pháp đo tiếp xúc: khi đo, vật đo tiếp xúc với môi tr−ờng đo, phép đo dựa trên các hiện t−ợng: + Giản nở của vật liệu. + Biến đổi trạng thái của vật liệu. + Thay đổi điện trở của vật liệu. + Hiệu ứng nhiệt điện. - Ph−ơng pháp đo không tiếp xúc: khi đo vật đo không tiếp xúc với môi tr−ờng đo, phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt của môi tr−ờng đo vào nhiệt độ, ví dụ đo nhiệt độ bằng hỏa kế. -17-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - D−ới đây nghiên cứu một số loại dụng cụ đo cơ bản và các dụng cụ thứ cấp th−ờng dùng khi đo nhiệt độ. 2.2. Nhiệt kế giãn nở 2.2.1. Nguyên lý đo Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế giản nở dựa vào sự giãn nở của vật liệu khi tăng nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ hầu hết các chất giản nở làm tăng thể tích. Thể tích của khối chất phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệ hàm số: V = V0 (1+ α v t) (2.9) Trong đó: Vo, V: thể tích khối chất ở 0oC và ở nhiệt độ toC [m3]. αv: hệ số giản nở thể tích [1/độ]. Đối với vật thể rắn, quan hệ giữa chiều dài vật và nhiệt độ có dạng: l = l0 (1+ αt) (2.10) Trong đó: o o lo, l: chiều dài của vật thể ở 0 C và ở nhiệt độ t C. α: hệ số giản nở dài [1/độ]. 2.2.2. Các loại nhiệt kế giãn nở a) Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn Trong thực tế, nhiệt kế dùng chất rắn th−ờng có hai loại: gốm và kim loại, kim loại và kim loại. - Nhiệt kế gốm - kim loại(Dilatomet): gồm một thanh gốm (1) đặt trong ống kim loại (2), một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại, đầu còn lại A nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị. 2 4 1 2 1 2 a) b) Hình 2.2 Nhiệt kế giãn nở a) Nhiệt kế gốm - kim loại b) Nhiệt kế kim loại - kim loại -18-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại và của gốm là αk và αg. Do αk > αg, khi nhiệt độ tăng một l−ợng dt, thanh kim loại giãn thêm một l−ợng dlk, thanh gốm giãn thêm một l−ợng dlg với dlk>dlg, làm cho thanh gốm dịch sang phải. Dịch chuyển của thanh gốm phụ thuộc (dlk - dlg) do đó phụ thuộc nhiệt độ. - Nhiệt kế kim loại - kim loại: gồm hai thanh kim loại (1) và (2) có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc. Giả sử α1 > α2 , khi giãn nở nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh (2). Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn th−ờng dùng để đo nhiệt độ d−ới 700oC. b) Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Hình 2.3 trình bày cấu tạo của một nhiệt kế dùng chất lỏng. Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ống mao dẫn (2) và chất lỏng (3). 2 Chất lỏng sử dụng th−ờng dùng là thuỷ ngân có hệ số giãn nở nhiệt α =18.10-5/oC, vỏ nhiệt kế 3 bằng thuỷ tinh có α =2.10-5/oC. Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt đ−ợc đặt tiếp xúc 1 với môi tr−ờng đo. Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng Hình 2.3 Nhiệt kế giản nở giãn nở và dâng lên trong ống mao dẫn. Thang đo dùng chất lỏng đ−ợc chia độ trên vỏ theo dọc ống mao dẫn. Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng đơn giản và rẽ tiền, đo t−ơng đối chính xác nh−ng không biến đổi đ−ợc thành tín hiệu điện. Dải nhiệt độ làm việc từ - 50 ữ 600oC tùy theo vật liệu chế tạo vỏ bọc. 2.3. Nhiệt kế điện trở 2.3.1. Nguyên lý đo Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở là dựa vào sự thay đổi điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Trong tr−ờng hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở của vật liệu theo nhiệt độ có dạng: R()T = R 0 .F(T − T0 ) (2.11) -19-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trong đó R0 là điện trở ở nhiệt độ T0, F là hàm đặc tr−ng cho vật liệu và F = 1 khi T = T0. Hiện nay th−ờng sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở hỗn hợp các oxyt bán dẫn. Tr−ờng hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng: 2 3 R(T) = R 0 (1+ AT + BT + CT ) (2.11) o o Trong đó nhiệt độ T đo bằng C, T0 = 0 C và A, B, C là các hệ số thực nghiệm. Các hệ số đ−ợc xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã biết tr−ớc. Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R ng−ời ta xác định đ−ợc nhiệt độ cần đo. Khi độ biến thiên của nhiệt độ ∆T (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể coi nh− thay đổi theo hàm tuyến tính: R()T + ∆T = R(T)(1+ α R ∆T) (2.13) Trong đó αR là hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T, xác định bởi công thức: 1 dR α = (2.14) R R()T dT Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ, chẳng hạn ở 0oC platin (Pt) có -3 o αR=3,9.10 / C. ∆R Chất l−ợng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo đ−ợc , do đó R 0 min cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện đ−ợc: 1 ∆R ∆Tmin = (2.15) α R R o min ∆R Ví dụ nếu = 10 −6 và với những phép đo quanh điểm 0oC, vật liệu là platin thì R 0 min −4 o ∆Tmin = 2,6.10 C. Thực ra, điện trở không chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện trở suất mà còn chịu tác động của sự thay đổi kích th−ớc hình học của nó. Bởi vậy đối với một điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ có dạng: -20-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 1 dR 1 dρ 1 dl 1 ds α = = + − R R dT ρ dT l dT s dT 1 dρ 1 dl 1 ds Đặt α = ; α = ; α = , mặt khác α = 2α , ta có: ρ ρ dT l l dT s s dT s l αR = αρ + αl − αs = αρ − αl Trên thực tế th−ờng α ρ >> α l nên có thể coi α R = α ρ . 2.3.2. Các loại nhiệt kế điện trở 2.3.2.1. Nhiệt kế điện trở kim loại a) Vật liệu Vật liệu dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở kim loại phải thỏa mãn các yêu cầu: + Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích th−ớc nhiệt kế vẫn nhỏ. + Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu. + Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc. + Dễ gia công và có khả năng thay lẫn. Do vậy, vật liệu th−ờng dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở là Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W. - Platin : + Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. + Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. + Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ữ 1000oC. Điện trở platin th−ờng đ−ợc chế tạo với đ−ờng kính dây từ 0,05 - 0,07 mm, điện trở Ro = 10Ω; 46Ω; 100 Ω. - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/oC. -21-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC. Đồng đ−ợc sử dụng trong một số tr−ờng hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc th−ờng không v−ợt quá 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây dẫn đến làm tăng kích th−ớc điện trở. Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo đ−ợc các điện trở cao với kích th−ớc nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất d− sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở. Bảng 2.3. Đặc tr−ng vật lý quan trọng của một số vật liệu làm điện trở đo Thông số Cu Ni Pt W o Tf ( C) 1083 1453 1769 3380 c (JoC-1kg-1) 400 450 135 125 λ (WoC-1m-1) 400 90 73 120 6 o αl x10 ( C) 16,7 12,8 8,9 6 ρ x108 (Ωm) 1,72 10 10,6 5,52 α x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5 b) Cấu tạo Để tránh sự làm nóng đầu đo, dòng điện chạy qua điện trở th−ờng giới hạn ở giá trị một vài mA. Mặt khác, để điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn, muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích th−ớc điện trở. Để hợp lý ng−ời ta th−ờng chọn điện trở R ở 0oC có giá trị vào khoảng 100Ω, khi đó với điện trở platin sẽ có đ−ờng kính dây cỡ vài àm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận đ−ợc nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm th−ơng mại th−ờng có điện trở ở 0oC là 50Ω, 500Ω và 1000Ω, các điện trở lớn th−ờng đ−ợc dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp. -22-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - - Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống đ−ợc va chạm mạnh và rung động. Do vậy, điện trở kim loại đ−ợc cuốn trên lõi và bao bọc trong bên ngoài bằng thuỷ tinh hoặc gốm, đồng thời đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 2.4 trình bày cấu tạo một số đầu đo điện trở th−ờng dùng trong công nghiệp. 1 6 1 23 2 4 5 7 5 1 Hình 2.4 Đầu đo nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống sứ cách điện 4) Dây nối 5) Trục gá 6) Vỏ bọc 7) Xi măng - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng th−ờng đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng nh− hình vẽ 2.5. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài àm và kích th−ớc nhiệt kế cỡ 1cm2. Hình 2.5 Nhiệt kế bề mặt Đặc tr−ng chính của nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC đối với tr−ờng hợp Ni và Fe-Ni. ~4.10-3/oC đối với tr−ờng hợp Pt. - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ữ 260 oC đối với Ni và Fe-Ni. -23-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - -260oC ữ 1400 oC đối với Pt. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt l−u ý đến ảnh h−ởng biến dạng của bề mặt đo. 2.3.2.2. Nhiệt kế điện trở silic Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi đ−ợc kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở d−ơng, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC ở 25oC. R(Ω) 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 o -50 0 50 100 T C Hình 2.6 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic Đầu đo của nhiệt kế điện trở silic đ−ợc chế tạo có kích th−ớc cỡ 500x500x240 àm, đ−ợc mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc. Trong dải nhiệt độ làm việc (-55 ữ 200oC) có thể lấy gần đúng giá trị điện trở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: 2 R T = R 0 [1+ A(T − T0 )+ B(T − T0 ) ] Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn. Sự thay đổi nhiệt của điện trở t−ơng đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá bằng cách mắc thêm một điện trở phụ. 2.3.2.3. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn a) Vật liệu chế tạo Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn đ−ợc chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể nh−: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức: -24-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2 ⎡ T ⎤ ⎧ ⎛ 1 1 ⎞⎫ ⎜ ⎟ R(T) = R 0 ⎢ ⎥ exp⎨β⎜ − ⎟⎬ (2.16) ⎣T0 ⎦ ⎩ ⎝ T T 0 ⎠⎭ Trong đó R0(Ω) là điện trở ở nhiệt độ T0(K). Độ nhạy nhiệt có dạng: β + b α R = T 2 Vì ảnh h−ởng của hàm mũ đến điện trở chiếm −u thế nên biểu thức (2.16) có thể viết lại: ⎧ ⎛ 1 1 ⎞⎫ ⎜ ⎟ R(T) = R 0 exp⎨B⎜ − ⎟⎬ (2.17) ⎩ ⎝ T T 0 ⎠⎭ B Và độ nhạy nhiệt: α R = − T 2 Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K. c) Cấu tạo Hỗn hợp bột oxyt đ−ợc trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó đ−ợc nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000oC. Các dây nối kim loại đ−ợc hàn tại hai điểm trên bề mặt đã đ−ợc phủ bằng một lớp kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bằng vỏ thuỷ tinh. 2 3 1 Hình 2.7 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh 1) Vỏ bọc 2) Điện trở 3) Dây nối Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 - 10-3K. Đầu đo có kích th−ớc nhỏ nên có thể đo nhiệt độ tại từng điểm và nhiệt dung nhỏ nên thời gian hồi đáp bé. Tùy thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC. 2.3.2.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp a) Mạch đo dùng logomet Sơ đồ mạch đo trình bày trên hình 2.8. -25-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Logomet gồm rôto (1) trên đó bố trí hai cuộn dây (2) bắt chéo nhau, đặt trong từ tr−ờng của nam châm vĩnh cữu (3). Rôto đ−ợc nối với hai lò xo cản (4), dòng điện đi vào các cuộn dây qua các lò xo cản. 2 I1 I2 N M2 M1 S 3 Rp2 1 R p1 4 4 R R 2 1 Rt Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo dùng logomet 1) Rôto 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu 4) Lò xo cản Giả sử Rt = Rt0, khi đó: Rp2 + R2 + Rt = R p1 + R1 (2.18) Và I1 = I 2 Mô men quay M1 và M2 sinh ra do hai dòng điện chạy qua các cuộn dây: M1 = n.c.l.r.B 2 .i 2 M 2 = n.c.l.r.B1.i1 Trong đó: n, l, r - số vòng, chiều dài cạnh và bán kính của khung dây. B1, B2 - từ thông qua các cuộn dây. c - hằng số. Do các lò xo cản và các khung dây có cấu tạo giống nhau và bố trí đối xứng, M1 = M 2 và ng−ợc chiều nên rôto đứng yên. Khi nhiệt độ tăng lên Rt tăng, làm cho: Rp2 + R2 + Rt > R p1 + R1 (2.19) -26-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi đó I1 > I 2 và M 2 > M1 làm cho rôto quay theo chiều của M2, khi rôto quay M2 giảm xuống và M1 tăng lên cho đến khi M1 = M 2 thì ngừng quay. ở vị trí cân bằng: B 2I 2 = B1I1 E B I R + R ⇒ 2 = 1 = p1 1 B1 I2 E R p2 + R p + R t B R + R + R ⇒ 2 = p2 p t (2.20) B1 R p1 + R1 Góc quay của rôto là hàm của tỉ số từ thông qua các cuộn dây và là hàm của nhiệt ⎛ B2 ⎞ độ: ϕ = f⎜ ⎟ = f(t). ⎝ B1 ⎠ Logomet dùng để đo nhiệt độ th−ờng đ−ợc chế tạo với cấp chính xác 1 và 2. b) Mạch đo dùng cầu cân bằng - Cầu hai dây dẫn: a G R R R2 3 G R2 3 E E R R1 1 b Rd2 Rd1 Rd2 Rd1 R t a) Rt b) Hình 2.9 Sơ đồ mạch đo dùng cầu cân bằng a) Cầu hai dây dẫn b) Cầu ba dây dẫn o Trong sơ đồ cầu hai dây dẫn (hình 2.9a) khi ở nhiệt độ t0 = 0 C thì: R1.R3 = R2 .R t0 (2.21) -27-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi đó, điện áp Uab = 0 , dòng điện qua điện kế bằng 0 và kim điện thế kế (G) chỉ không. Khi ở nhiệt độ t, Rt thay đổi và R1.R3 ≠ R 2 .R t làm cho cầu mất cân bằng ( Uab ≠ 0 ), điều chỉnh R2 sao cho cầu đạt cân bằng mới, nếu bỏ qua thay đổi của điện trở dây nối thì vị trí của con chạy của biến trở R2 phụ thuộc đơn trị vào nhiệt độ cần đo. - Cầu ba dây dẫn: khi tính đến điện trở của dây nối, ở nhiệt độ t ta có: R1.R3 = R 2 .(R t +R d1 +Rd2 ) (2.22) Nh− vậy R2 không phụ thuộc đơn trị vào nhiệt độ đo nên gây ra sai số. Để khắc phục sai số này ng−ời ta dùng sơ đồ cầu ba dây dẫn nh− hình 2.9b, khi đó: ()R1 + Rd2 .R3 = R2 .(R t +Rd1 ) (2.23) Trong ph−ơng trình (2.23) ảnh h−ởng của nhiệt độ tới điện trở dây nối phân ra hai vế nên tăng độ chính xác phép đo, do đó có thế đạt cấp chính xác 0,2. - Cầu cân bằng điện từ: Hình 2.10 trình bày sơ đồ cấu tạo của một mạch đo dùng cầu cân bằng điện từ. Các bộ phân cơ bản của mạch đo gồm: cầu cân bằng (1), bộ khuếch đại (2) và động cơ (3). A RP ĐC 1 R H Rm Rk ∆U 3 R 4 Cu Rm Rt Hình 2.10 Sơ đồ mạch dùng cầu cân bằng điện từ 1) Cầu cân bằng 2) Bộ khuếch đại 3) Động cơ Nguyên lý hoạt động: Giả sử ở nhiệt độ t0 cầu cân bằng, khi đó ∆U = 0 , động cơ (3) và con chạy của biến trở Rp đứng yên. Khi Rt thay đổi, cầu mất cân bằng và -28-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ∆U ≠ 0 , tín hiệu qua bộ khuếch đại (2) vào động cơ (4), động cơ quay một mặt làm quay kim chỉ, một mặt làm dịch chuyển con chạy của biến trở Rp cho đến khi cầu đạt cân bằng mới. Thiết bị đo đ−ợc chế tạo với cấp chính xác 0,5 và cầu cân bằng của nhóm nào thì đi cùng với nhiệt kế điện trở của nhóm ấy. 2.4. Cặp nhiệt ngẫu 2.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện Ph−ơng pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Ng−ời ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn t0 chế tạo từ hai vật liệu có bản chất hoá học 2 khác nhau đ−ợc nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn AB là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động xuất hiện do 1 hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt t điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối Hình 2.11 Sơ đồ nguyên với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai lý cặp nhiệt ngẫu cực xuất hiện một hiệu điện thế. Hiện t−ợng trên có thể giải thích nh− sau: Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ. Thông th−ờng khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng. Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và ở nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t). Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A → B và ở chổ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t) có tác dụng cản trở sự khuếch tán. Khi đạt cân bằng eAB(t) sẽ không đổi. T−ơng tự, tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0). -29-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế t−ơng ứng trong A là eA(t,t0) và trong B là eB(t,t0). Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau: E AB = e AB (t) + e BA (t 0 ) + e A (t 0 , t) + e B (t, t 0 ) (2.24) Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ng−ợc chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có: E AB = e AB (t) + e BA (t 0 ) Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động tổng: E AB = e AB (t 0 ) + e BA (t 0 ) = 0 Hay: e BA (t 0 ) = −e AB (t 0 ) (2.25) Nh− vậy: E AB = e AB (t) − e AB (t 0 ) (2.26) Ph−ơng trình (2.26) gọi là ph−ơng trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ ph−ơng trình (2.26) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t0 = const thì: E AB = e AB (t) + C = f(t) (2.27) Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t0 = const biết tr−ớc làm nhiệt độ so sánh và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định đ−ợc nhiệt độ t ở mối hàn thứ hai. Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba (hình 2.12) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. t C 0 t 2 0 t0 B 2 3 t1 3 C A B 4 A t1 1 B 1 t t a) b) Hình 2.12 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba -30-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - - Trong tr−ờng hợp a: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) Vì: e AB (t 0 ) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) = 0 Nên: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) - Tr−ờng hợp b: E ABC (t, t 1 , t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) + e BC (t 1 ) + e CB (t 1 ) Vì: e BC (t 1 ) = −e CB (t 1 ) Nên: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh. 2.4.2. Vật liệu chế tạo cực nhiệt điện Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Tuy nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Sức điện động đủ lớn (để dễ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp). + Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc. + Dễ kéo sợi. + Có khả năng thay lẫn. + Giá thành rẽ. Hình 2.13 biểu diễn quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của các vật liệu dùng để chế tạo điện cực so với điện cực chuẩn platin. - Cặp Platin - Rođi/Platin: Cực d−ơng là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. Đặc tính: o + Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600 C , Eđ =16,77mV. + Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300oC. + Đ−ờng đặc tính có dạng đ−ờng cong bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - o 300 C thì Eđ ≈ 0. -31-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - o + Trong môi tr−ờng có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100 C. Các cực của cặp nhiệt ngẫu PtRd - Pt th−ờng đ−ợc chế tạo với đ−ờng kính φ = 0,5 mm. Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau t−ơng đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này th−ờng đ−ợc dùng làm cặp nhiệt chuẩn. Eđ 1 2 4 5 3 6 7 T 8 9 11 10 Hình 2.13 Sức điện động của một số vật liệu chế tạo cực 1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi 7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben - Cặp nhiệt Chromel/ - Alumel: Cực d−ơng là Chromel (hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe), cực âm là Alumen (hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si)). Đặc tính: o + Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100 C, Eđ = 46,16 mV. + Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC. + Đ−ờng kính cực φ = 3 mm. - Cặp nhiệt Chromel - Coben: Cực d−ơng là chromel, cực âm là coben (hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni). Đặc tính: o + Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800 C, Eđ = 66 mV. + Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC. - Cặp nhiệt Đồng - Coben: Cực d−ơng là đồng sạch, cực âm là coben. Đặc tính: -32-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - + Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC. + Nhiệt độ làm việc dài hạn < 300oC. Loại này đ−ợc dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo. Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của một số cặp nhiệt cho ở hình 2.14. Eđ E J K R S B toC Hình 2.14 Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu E - Chromel - Constantan R - PlatinRodi (13%) - Platin J - Sắt - Constantan S - PlatinRodi (10%) - Platin K - Chromel - Alumel B - PlatinRodi (30%) - Platin-rodi 2.4.3. Các cặp nhiệt ngẫu dùng trong công nghiệp Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp trình bày trên hình 2.15. Đầu làm việc của các cực (3) đ−ợc hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối dây (6) đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực ng−ời ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc. 3 4 5 6 2 7 8 1 Hình 2.15 Cấu tạo cặp nhiệt 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây cực 4) Sứ cách điện 5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt -33-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nh−ng cũng không đ−ợc quá lớn. Tr−ờng hợp vỏ bằng thép, mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp. 2.4.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Nhiệt độ cần đo đ−ợc xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở hai đầu dây của cặp nhiệt ngẫu, do vậy muốn nâng cao độ chính xác cần phải: + Giảm thiểu ảnh h−ởng tác động của môi tr−ờng đo lên nhiệt độ đầu tự do. + Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của đầu đo và mạch đo. 2.4.4.1. Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế a) Sơ đồ Trên hình 2.16 biểu diễn sơ đồ mạch thông dụng dùng milivôn kế. mV C C t0 t0 2 3 A B t 1 Hình 2.16 Sơ đồ mạch đo dùng milivon kế Trong mạch đo, cặp nhiệt (AB) đ−ợc nối với milivôn kế (mV) qua các dây dẫn (C) tạo thành mạch kín. Dòng điện (i) do suất điện động nhiệt điện EAB(t,t0) sinh ra trong mạch chạy qua khung dây của milivôn kế, làm khung dây quay đi một góc (ϕ) k ϕ = 1 .i (2.28) k 2 Trong đó: k1- hệ số phụ thuộc cấu tạo của khung dây và từ tr−ờng của nam châm, xác định bởi công thức: k1 = c1.n.e.r.l.B k2 - hệ số phụ thuộc vào độ cứng của lò xo cản của milivôn kế. -34-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - c1- hằng số. n - số vòng dây của khung dây. r - bán kính của khung dây. e - điện tích của điện tử. L - chiều dài cạnh khung dây. B - cảm ứng từ của nam châm vĩnh cữu. k Đặt S = 1 gọi là độ nhạy của milivôn kế ta có: k 2 ϕ = S.i (2.29) Thang đo của milivôn kế đ−ợc chia độ theo nhiệt độ. Để đo trực tiếp hiệu nhiệt độ giữa hai điểm ng−ời ta dùng sơ đồ đo vi sai nh− hình 2.17. Trong sơ đồ này, cả hai đầu (1) và (2) của cặp nhiệt ngẫu là đầu làm việc t−ơng ứng với nhiệt độ t1 và t2. Kết quả đo cho phép ta xác định trực tiếp giá trị của hiệu số hai nhiệt độ t1- t2. mV mV t t0 3 0 4 B B BBB A A A A A A 1 t1 2 t2 Hình 2.17 Sơ đồ đo vi sai Hình 2.18 Sơ đồ mắc nối tiếp Tr−ờng hợp nhiệt độ môi tr−ờng đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt nh− hình 2.18. Sức điện động tổng của bộ mắc nối tiếp bằng E ∑ = nE AB (t,t 0 ). b) Các yếu tố ảnh h−ởng đến độ chính xác phép đo - ảnh h−ởng của nhiệt độ đầu tự do t0: o Các cặp nhiệt đ−ợc chuẩn ở điều kiện nhiệt độ đầu tự do t0 = 0 C, khi đó: E AB (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) -35-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - E ' E AB (t, t 0 ) ' E AB (t 0 , t 0 ) toC Hình 2.19 ảnh h−ởng nhiệt độ đầu tự do ' 0 Nếu nhiệt độ đầu tự do bằng t 0 ≠ 0 C thì giá trị sức điện động đo đ−ợc: ' ' E AB (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) ' ' Rút ra: E AB (t, t 0 ) = E AB (t, t 0 ) + [e AB (t 0 ) − e AB (t 0 )] ' ' Hay: E AB (t,t 0 ) = E AB (t,t 0 ) + E AB (t 0 ,t 0 ) (2.30) ' Do E AB (t,t 0 ) ≠ E AB (t,t 0 ), trong khi thang chia độ của milivôn kế chia theo giá trị của E AB (t,t 0 ) dẫn đến sai số khi đo, để khắc phục sai số này cần bù nhiệt độ đầu tự do, d−ới đây trình bày một số ph−ơng pháp bù nhiệt độ đầu tự do. Dùng dây bù: Để loại trừ ảnh h−ởng của nhiệt độ đối t−ợng đo lên đầu tự do có thể mắc dụng cụ đo theo sơ đồ hình 2.20. t C 0 E C mV 2 3 t’ t’ 1 A 0 0 D t0 2 A B D 3 1 4 B 0 t t Hình 2.20 Bù nhiệt độ đầu tự do bằng dây bù Từ sơ đồ ta có: ' ' E = eAB (t) − eCA (t 0 ) + eBD (t 0 ) − eCD (t 0 ) ' ' Chọn dây dẫn C và D sao cho eCA (t 0 ) = eDB (t 0 ) (12 = 34), khi đó: E = eAB (t) − eCD (t 0 ) -36-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Vì e(t0) = 0, nên: E = e AB (t) − e AB (t 0 ) Dùng cầu bù: Trên hình 2.21 giới thiệu sơ đồ dùng cầu bù tự động bù nhiệt độ đầu tự do. F C a t0 Rd R1 mV t1 t1 cd t D 0 R2 R A B b 3 t Bộ nguồn Hình 2.21 Cầu bù tự động bù nhiệt độ đầu tự do Cầu bù gồm điện trở R1, R2, R3 làm bằng manganin (hợp kim chứa 99,4%Cu, 0,6%Ni) có hệ số nhiệt điện trở bằng không, còn Rđ làm bằng đồng có hệ số nhiệt o -1 điện trở (4,25 ữ4,28).10-3 C . Khi nhiệt độ đầu tự do t0 = 0, cầu cân bằng Ucd = 0. Giả sử nhiệt độ đầu tự do tăng lên t’0, khi đó Rđ tăng lên, cầu mâst cân bằng, làm xuất hiện một điện áp Ucd. Ng−ời ta tính toán sao cho điện áp này bù vào sức nhiệt điện động một l−ợng đúng bằng l−ợng cần hiệu chỉnh, nghĩa là Ucd = EAB(t’0,t0). Nh− vậy trên cửa vào của dụng cụ đo có điện áp: ' E AB (t, t 0 ) + U cd = E AB (t, t 0 ) o o Sai số bù của cầu tiêu chuẩn khi nhiệt độ t0 thay đổi trong khoảng 0 - 50 C là ±3 C. - ảnh h−ởng của điện trở mạch đo: Xét mạch đo dùng milivôn kế điện từ (hình 2.22). t0 Rd 2 3 t0 RV t1 t1 A B Rt 1 t Hình 2.22 ảnh h−ởng của điện trở mạch đo -37-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Tổng trở của mạch đo xác định theo công thức: ∑R = Rt + Rd + RV Trong đó: Rt - điện trở của các điện cực. R d - điện trở của dây nối. R V - điện trở trong của milivôn kế. Khi đó điện áp giữa hai đầu milivôn kế xác định bởi công thức: R V Vm = E AB (t, t 0 ) R t + R d + R V Rút ra: ⎡+R t R d ⎤ E AB (t, t 0 ) = Vm ⎢1+ ⎥ (2.31) ⎣ R V ⎦ Theo biểu thức (2.31) khi Rv >> Rt+Rd thì: E AB (t, t 0 ) ≈ Vm ảnh h−ởng của Rt: Đối với cặp cromen-alumen hoặc cặp cromen-coben có điện trở Rt khá nhỏ nên sự thay đổi của nó ít ảnh h−ởng tới kết quả đo. Đối với cặp PtRd - Pt có điện trở Rt khá lớn (~ 15Ω) nên sự thay đổi của nó ảnh h−ởng đáng kể tới kết quả đo. ảnh h−ởng của Rd: thông th−ờng Rd khá nhỏ nên ít ảnh h−ởng tới kết quả đo. ảnh h−ởng của RV : Rv = Rkd + Rf . Điện trở phụ Rf của milivôn kế th−ờng chế tạo bằng vật liệu có αR = 0 nên không ảnh h−ởng, sự thay đổi Rv khi nhiệt độ tăng chủ yếu do sự thay đổi của điện -3 o trở khung dây Rkd (chế tạo bằng đồng αR = 4,2.10 / C). Để giảm sai số nên chọn RP/Rkd lớn. 2.4.4.2. Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện thế kế Trên hình 2.23 trình bày sơ đồ đo bằng ph−ơng pháp xung đối, dựa theo nguyên tắc so sánh điện áp cần đo với một điện áp rơi trên một đoạn điện trở. -38-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - E E R R đc R đc i M A B iC A B 0 R R i G P E RG G M EX Rd P EX -+ K D Rx t a) b) Hình 2.23 Sơ đồ đo bằng ph−ơng pháp xung đối Theo sơ đồ hình (2.23a) ta có: E X = I C R AB + I P (R d + R x + R G ) I C = I 0 + I P E X = (I 0 + I P )R AB + I P (R d + R x + R G ) E X − I 0 R AB I P = R AB + R d + R X + R G Nếu EX = I0RAB thì IP = 0, tức là điện thế kế chỉ không, khi đó điện áp rơi trên AB bằng giá trị EX cần đo. Ta có: l R = R AB L l E = I R X 0 L Nếu cố định đ−ợc I0, L và R ta có Ex phụ thuộc đơn trị vào l tức là phụ thuộc vào vị trí con chạy của đồng hồ đo. Trên sơ đồ hình (2.23b), EM là một pin mẫu, RM là một điện trở mẫu bằng manganin. Khi đóng P vào K thì điện áp rơi trên RM đ−ợc so sánh với pin mẫu. Nếu kim điện kế chỉ không thì không cần điều chỉnh dòng I0, nếu kim điện kế lệch khỏi không thì dịch chuyển Rđc để kim điện kế về không. Khi đo đóng P vào D và xê dịch biến trở R để kim điện kế chỉ không, khi đó Ex = UAB. -39-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2.5. Hoả kế Hỏa kế là dụng cụ đo nhiệt độ không tiếp xúc. Theo nguyên lý làm việc ng−ời ta chia ra: hoả kế bức xạ toàn phần, hoả kế quang. 2.5.1. Hoả kế bức xạ toàn phần Nguyên lý dựa trên định luật Kiêc-khôp: Năng l−ợng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật. E = σT 4 (2.32) Trong đó: σ là hệ số bức xạ, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối (K). Thông th−ờng có hai dạng: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ và hoả kế bức xạ có kính phản xạ. 1 2 4 4 3 1 5 5 a) b) Hình 2.24 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) G−ơng phản xạ 4) Bộ phận thu năng l−ợng 5) Dụng cụ đo thứ cấp Trong sơ đồ hình (2.24a): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính hội tụ (2) đập tới bộ phận thu năng l−ợng tia bức xạ (4), bộ phận này đ−ợc nối với dụng cụ đo thứ cấp (5). Trong sơ đồ hình (2.24b): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới g−ơng phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng l−ợng tia bức xạ (4), bộ phận này đ−ợc nối với dụng cụ đo thứ cấp (5). Bộ phận thu năng l−ợng có 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 th−ờng trong khoảng nhiệt độ 100 - 150oC. + Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây. + Kích th−ớc đủ nhỏ để tập trung năng l−ợng bức xạ vào đó. -40-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trên hình 2.25 trình bày cấu tạo của một bộ thu là tổ hợp cặp nhiệt. Các cặp nhiệt (1) th−ờng dùng cặp crômen/côben mắc nối tiếp với nhau. Các vệt đen (2) phủ bằng bột platin. 1 2 Hình 2.25 Bộ thu năng l−ợng 1) Cặp nhiệt 2)Lớp phủ platin Hoả kế dùng g−ơng phản xạ tổn thất năng l−ợng thấp (~ 10%), hoả kế dùng thấu kính hội tụ có thể tổn thất tới 30 - 40%. Tuy nhiên loại thứ nhất lại có nh−ợc điểm là khi môi tr−ờng nhiều bụi, g−ơng bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó tăng sai số. Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số th−ờng không v−ợt quá ±27oC, trong điều kiện: + Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1. + Tỉ lệ giữa đ−ờng kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 1/16. + Nhiệt độ môi tr−ờng 20 ± 2oC. ∆T ε1 ε + Khoảng cách đo tốt nhất là 1 ± 0,2 mét. 2 ε3 Trong thực tế độ đen của vật đo ε <1, khi 1 đó T = 4 .T . Thông th−ờng xác định theo đo ε đọc công thức sau: Tđọc Tđo = Tđọc + ∆T Hình 2.26 Hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen Với ∆T là l−ợng hiệu chỉnh phụ thuộc Tđọc và độ đen của vật đo (hình 2.26). 2.5.2. Hoả kế quang Hoả kế quang chế tạo dựa trên định luật Plăng: -41-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - C I = 1 (2.33) λ T ⎛ C 2 ⎞ λ5 ⎜e RT −1⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Trong đó: I - c−ờng độ bức xạ đơn sắc ứng với b−ớc sóng λ ở nhiệt độ T oK. λT C1, C2 là các hằng số. Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang là so sánh độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một b−ớc sóng nhất định và theo cùng một h−ớng. Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau. Từ hình 2.27 ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị, do đó ng−ời ta th−ờng cố định b−ớc sóng ở 0,65àm. I λT T 1 T 2 T3 0,65àm λ Hình 2.27 Sự phụ thuộc của c−ờng độ ánh sáng vào b−ớc sóng và nhiệt độ Trên hình 2.28 trình bày sơ đồ cấu tạo của hỏa kế quang. 4 5 1 3 6 7 2 8 Rb mA K Hình 2.28 Sơ đồ hoả kế quang học 1) Nguồn bức xạ 2)Vật kính 3) Kính lọc 4&6) Vách ngăn 5) Bóng đèn mẫu 7) Kính lọc ánh sáng đỏ 8) Thị kính -42-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi đo, h−ớng hoả kế quang vào vật cần đo (1), ánh sáng bức xạ từ vật 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. - Sai số khi đo: Sai số do độ đen của vật đo ε < 1. Khi đó Tđo xác định bởi công thức: 1 λ 1 = ln Tdo C 2 ελ Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ∆T, giá trị của ∆T cho theo đồ thị. Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh h−ởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này th−ờng nhỏ. Khi môi tr−ờng có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh h−ởng. 2.6. Các ph−ơng pháp đo nhiệt độ khác Để đo nhiệt độ có thể sử dụng điot hoặc tranzito mắc theo kiểu điot (nối B với C) và phân cực thuận với dòng không đổi. Khi đó điện áp (V) giữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt độ. V1 V2 V V V I I a) b) c) Hình 2.29 Sơ đồ đo nhiệt độ bằng điot và tranzito a) Điot b) Tranzito mắc theo kiểu điot c) Cặp tranzito mắc theo kiểu điot Độ nhạy nhiệt của điot hoặc tranzito mắc theo kiểu điot xác định bởi biểu thức: dV S = dT Th−ờng giá trị của độ nhạy nhiệt vào cỡ - 2,5V/oC. Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào dòng ng−ợc qua điot nên để đo nhiệt độ cần chọn các linh kiện có đặc tr−ng t−ơng tự (đối với một giá trị dòng I cho tr−ớc phải có cùng điện áp V và dòng ng−ợc I0). -43-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Để tăng độ tuyến tính và loại trừ ảnh h−ởng của dòng ng−ợc, ng−ời ta dùng hai tranzito mắc xung đối (sơ đồ hình 2.29c), khi đó độ nhạy nhiệt xác định theo công thức: I S = 86,56 ln 1 (àV/oK) I2 Khi đó hiệu điện thế giữa hai cực emitơ xác dịnh theo công thức: V = S.T Độ nhạy nhiệt của điot hoặc tranzito mắc theo kiểu điot lớn hơn nhiều so với cặp nhiệt ngẫu nh−ng nhỏ hơn so với nhiệt điện trở. Mặt khác, dùng điot hoặc tranzito không cần đến nhiệt độ chuẩn. Các nhiệt kế dùng điot hoặc tranzito có thể đo nhiệt độ nằm trong khoảng - 50 ữ 150oC với độ ổn định cao. -44-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 3 Đo áp suất 3.1. áp suất và ph−ơng pháp đo áp suất Trong công nghiệp luyện kim sử dụng nhiều các thiết bị thủy lực và khí nén, để hệ thống làm việc bình th−ờng phải đo và kiểm tra áp suất một cách liên tục, nếu áp suất chất lỏng, khí hoặc hơi v−ợt quá một giới hạn nhất định có thể ảnh h−ởng xấu đến hoạt động của thiết bị, thậm chí có thể làm hỏng hoặc nổ bình chứa, đ−ờng ống dẫn gây thiệt hại nghiêm trọng. Bởi vậy, việc đo áp suất chất l−u có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng nh− giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết bị có sử dụng chất l−u. 3.1.1. áp suất và đơn vị đo a) Khái niệm Khi chứa một chất lỏng, chất khí hoặc hơi (gọi chung là chất l−u) vào trong một bình chứa nó sẽ gây nên một áp lực tác dụng lên thành bình. áp suất là đại l−ợng có giá trị bằng lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình: dF p = (3.1) dS Trong đó: dF: lực tác dụng [N] . dS: diện tích thành bình chịu lực tác dụng [m2]. Trong tr−ờng hợp chất l−u không chuyển động, áp suất chất l−u là áp suất tĩnh (pt) do trọng l−ợng của cột chất l−u gây nên cộng với tác dụng của áp suất khí quyển tác dụng lên mặt thoáng của chất l−u. p t = p 0 + ρgh (3.2) Trong đó: po: áp suất khí quyển. ρ: khối l−ợng riêng của chất l−u. g: gia tốc trọng tr−ờng. h: khoảng cách từ điểm khảo sát đến mặt thoáng tiếp xúc với khí quyển. -45-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trong tr−ờng hợp chất l−u chuyển động, áp suất chất l−u gồm hai thành phần, gồm suất tĩnh (pt) và áp suất động (pđ): p = p t + pđ (3.3) áp suất tĩnh phụ thuộc vào vị trí của điểm khảo sát, trị số xác định theo công thức (3.2). áp suất động (pt) là thành phần do chuyển động của chất l−u gây nên, trị số phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của chất l−u, đ−ợc xác định theo công thức: ρv 2 p= (3.4) đ 2 Trong đó v là tốc độ chuyển động của chất l−u. b) Đơn vị đo áp suất Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất là pascal (Pa): 1 Pa là áp suất tạo bởi một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m2 theo h−ớng pháp tuyến. Đơn vị Pa t−ơng đối nhỏ nên trong công nghiệp ng−ời ta còn dùng đơn vị áp suất là bar (1 bar = 105 Pa) và một số đơn vị khác. Bảng 3.1 trình bày các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng. Bảng 3.1 Đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa các đơn vị Đơn vị pascal bar atmotsphe kg/cm2 mmH O mmHg mbar áp suất (Pa) (b) (atm) 2 1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2 1 bar 105 1 1,02 0,987 1,02.104 750 103 1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 735 9,80.102 1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104 760 1,013.103 -5 -3 -4 1mmH2O 9,8 9,8.10 10 0,968.10 1 0,0735 0,098 1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 136 1 1,33 1mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 1,02 0,750 1 3.1.2. Ph−ơng pháp đo áp suất Ph−ơng pháp đo áp suấp phụ thuộc vào dạng áp suất. Đối với áp suất tĩnh có thể tiến hành đo bằng các ph−ơng pháp sau: -46-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - + Đo trực tiếp áp suất chất l−u thông qua một lỗ đ−ợc khoan trên thành bình. + Đo gián tiếp thông qua đo biến dạng của thành bình d−ới tác động của áp suất . Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một đầu đo đặt sát thành bình. Trong tr−ờng hợp này, áp suất cần đo đ−ợc cân bằng với áp suất thuỷ tỉnh do cột chất lỏng làm việc tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, thiết bị đo th−ờng trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và đầu đo phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất l−u cần đo áp suất. Trong cách đo thứ hai, ng−ời ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất. Ph−ơng pháp đo áp suất động dựa nguyên tắc chung là đo hiệu áp suất tổng và áp suất tĩnh. Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng. Thông th−ờng việc đo hiệu (p - pt) thực hiện nhờ hai đầu đo nối với hai đầu ra của một ống Pitot, trong đó đầu đo thứ nhất đo áp suất tổng còn đầu đo thứ hai đo áp suất tĩnh. Pđ=p-pt Hình 3.1 Đo áp suất động bằng ống Pitot Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt tr−ớc và áp suất tĩnh lên mặt sau của một màng đo (hình 3.2), nh− vậy tín hiệu do đầu đo cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. 1 2 p pt Hình 3.2 Đo áp suất động bằng màng 1) Màng đo 2) Phần tử áp điện -47-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 3.2. áp kế dùng dịch thể Nguyên lý chung của ph−ơng pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất l−u với áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế. 3.2.1. Vi áp kế kiểu phao Vi áp kế kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình (1) có tiết diện lớn F và bình nhỏ có tiết diện f (hình 3.3). Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp. Khi đo, áp suất lớn (p1) đ−ợc đ−a vào bình lớn, áp suất bé (p2) đ−ợc đ−a vào bình nhỏ. Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác động về một phía, ng−ời ta mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng, van (4) đ−ợc khoá lại. p2 p1 5 6 4 7 h2 3 2 h1 1 Hình 3.3. Vi áp kế kiểu phao 1) Bình lớn 2) Phao 3) Kim chỉ thị 4, 5, 6) Van 7) Bình nhỏ Khi đạt sự cân bằng áp suất, ta có: p1 − p2 = g()ρm − ρ (h1 + h2 ) Trong đó: g - gia tốc trọng tr−ờng. ρm - trọng l−ợng riêng của chất lỏng làm việc. ρ - trọng l−ợng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo. Mặt khác từ cân bằng thể tích ta có: F.h1 = f.h2 Suy ra: 1 h1 = .(p1 − p2 ) (3.5) ()1 + F / f (ρm − ρ)g -48-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi mức chất lỏng trong bình lớn thay đổi (h1 thay đổi), phao của áp kế dịch chuyển và qua cơ cấu truyền động làm quay kim chỉ thị trên đồng hồ đo. Biểu thức (3.5) là ph−ơng trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu phao. áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. Khi thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi đ−ợc phạm vi đo. Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao (1; 1,5) nh−ng chứa chất lỏng độc hại mà khi áp suất thay đổi đột ngột có thể tràn ra ngoài ảnh h−ởng đến đối t−ợng đo và môi tr−ờng. 3.2.2. Vi áp kế kiểu chuông Cấu tạo của vi áp kế kiểu chuông (hình 3.4), gồm chuông (1) nhúng trong chất lỏng làm việc chứa trong bình (2). 3 3 p p 2 1 2 A 2 dx B dy dH p1 p1 ab) Hình 3.4 Vi áp kế kiểu chuông 1) Chuông 2) Bình chứa 3) Chỉ thị Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân bằng (hình 3.4a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p1-p2) >0 thì chuông đ−ợc nâng lên (hình 3.4b). Khi đạt cân bằng ta có: d()p1 − p 2 .F = (dH + dy)∆f.g(ρm − ρ) (3.6) Với: dh = dx + dy d()p1 − p2 = dh(ρm − ρ)g fdy = ∆f.dH + (Φ − F)dx Trong đó: F - tiết diện ngoài của chuông. dH - độ di chuyển của chuông. -49-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông. dx - độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông. ∆f - diện tích tiết diện thành chuông. Φ - diện tích tiết diện trong của bình lớn. dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông. f - diện tích tiết diện trong của chuông. Giải các ph−ơng trình trên ta có: f dH = d()p1 − p2 ∆f.g()ρm − ρ Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p1 - p2) nhận đ−ợc ph−ơng trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu chuông: f H = (p1 − p2 ) (3.7) ∆f.g()ρm − ρ áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo đ−ợc áp suất thấp và áp suất chân không. 3.2.3. Vi áp kế bù Vi áp kế bù (hình 3.5a) gồm hai bình thông nhau (1) và (2), trong bình (2) có kim (3). Bình (1) có thể di động lên xuống nhờ vít (4). 4 b) 1 2 3 c) d) a) Hình 3.5 Vi áp kế bù 1) Bình lớn 2) Bình bé 3) Kim 4) Vít Khi áp suất p1 trong bình (1) và p2 trong bình (2) bằng nhau, kim có ảnh nh− hình 3.5b. Giả sử p1 tăng lên, n−ớc trong bình (1) hạ xuống, n−ớc trong bình (2) dâng lên, khi đó ảnh của kim có dạng hình (3.5c). Điều chỉnh vít (4) để hạ bình (1) xuống, khi đó mực n−ớc trong bình (1) dâng lên, bình (2) hạ xuống cho đến khi ảnh của kim có dạng hình 3.5b thì đọc kết quả đo áp suất trên bảng chia độ của vít (4). -50-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Tr−ờng hợp p1 giảm, n−ớc trong bình (1) dâng lên, n−ớc trong bình (2) hạ xuống, khi đó ảnh của kim có dạng hình (3.3d), điều chỉnh vít (4) để nâng bình (1) lên, mực n−ớc trong bình (1) hạ xuống, n−ớc trong bình (2) dâng lên cho đến khi ảnh của kim có ảnh nh− hình 3.5b và đọc kết quả. Giới hạn đo của vi áp kế bù từ 125 - 150 mmH2O, sai số: ± 0,05 mmH2O. 3.2.4. áp kế vành khuyên áp kế vành khuyên (hình 3.6a) gồm vành khuyên (1) có tiết diện hình chữ S, trong đó chứa chất lỏng (3), trên vành khuyên có treo đối trọng (4). Vành khuyên có thể quay quanh tâm O. A 2 p2 A 1 p p1 p2 1 O A-A ρgh 3 α b) 4 G a) G c) Hình 3.6 áp kế vành khuyên 1) Vành khuyên 2) Vách ngăn 2) Dịch thể 3) Đối trọng Ban đầu, áp suất p1 = p 2 , mực dịch thể bên trái và bên phải bằng nhau, đối trọng nằm chính giữa. Giả sử p1 tăng lên, p1 − p 2 = ∆p > 0 , mực n−ớc bên trái hạ xuống, bên phải dâng lên. Bên trái màng ngăn chịu tác dụng của lực do ∆p gây ra, sinh ra mô men quay: Mq = R.S.∆p Trong đó: R: khoảng cách từ tâm vách ngăn đến tâm quay. S: diện tích vách ngăn. Mô men quay Mq làm quay vành khuyên theo chiều kim đồng hồ, đồng thời đối trọng G đ−ợc nâng lên sinh ra mô men cản M c = G.sin α , khi Mq = Mc thì vành khuyên đứng yên (hình 3.6c). Từ hình vẽ ta có: -51-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - RS sin α = .∆p (3.8) G Với R, S và G không đổi ta có sự phụ thuộc giữa hiệu áp suất và góc quay theo hàm sin, thông qua cơ cấu chuyển đổi ta có thể biểu diễn (3.8) d−ới dạng: α = C.∆p (3.9) Từ biểu thức (3.9) ta nhận thấy độ nhạy của áp kế không phụ thuộc tỉ trọng của dịch thể, muốn tăng độ nhạy tăng R, giảm G. Giới hạn đo của áp kế khi dịch thể là n−ớc từ 25 - 160 mmH2O, thủy ngân là 400 - 2500mmH2O, cấp chính xác 1; 1,5. 3.3. áp kế đàn hồi Nguyên lý chung của áp kế loại này dựa trên cơ sở đo sự biến dạng đàn hồi của một phần tử biến dạng nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng th−ờng dùng là lò xo, màng mỏng, ống trụ và kiểu đèn xếp. 3.3.1. áp kế lò xo Phần tử biến dạng của áp kế có cấu tạo dạng lò xo (hình 3.7), là một ống kim loại uốn cong, một đầu giữ cố định còn một đầu để tự do. Khi đ−a chất l−u vào trong ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng và đầu tự do dịch chuyển. N1 N A 2b γ Nr A 2a R p p a) b) c) Hình 3.7 Lò xo ống a) Lò xo một vòng b) Lò xo nhiều vòng c) Lò xo xoắn Trên hình (3.7a) là sơ đồ lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình trái xoan. Khi áp suất trong ống và ngoài ống có chênh lệch lò xo sẽ biến dạng, nếu áp suất trong ống lớn hơn lò xo sẽ giãn ra, ng−ợc lại nó sẽ co lại. Đối với các lò xo ống thành mỏng biến thiên góc ở tâm (γ) d−ới tác dụng của áp suất (p) xác định bởi công thức: -52-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 1 − ν2 R2 ⎛ b2 ⎞ α ∆γ = pγ . ⎜1− ⎟ (3.10) ⎜ 2 ⎟ 2 Y bh ⎝ a ⎠ β + x Trong đó: ν - hệ số poisson. Y - mô đun Young. R - bán kính cong. h - bề dày thành ống. a, b - các bán trục của tiết diện ôvan. α, β - các hệ số phụ thuộc vào hình dáng, tiết diện ngang của ống. x = Rh/a2 - tham số chính của ống. Lực thành phần theo h−ớng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 - 0,7) ở đầu tự do xác định theo theo biểu thức: ⎛ b2 ⎞ 48s γ − sin γ N = pab⎜1− ⎟ . = k p (3.11) t ⎜ 2 ⎟ 2 1 ⎝ a ⎠ ε + x 3γ − 4sin γ + sin γ.cosγ Lực h−ớng kính: ⎛ b2 ⎞ 48s γ − cosγ N = pab⎜1− ⎟ . = k p (3.10) r ⎜ 2 ⎟ 2 2 ⎝ a ⎠ ε + x γ − sin γ.cosγ Trong đó s và ε các hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a. Giá trị của k1, k2 là hằng số đối với mỗi lò xo ống nên ta có thể viết đ−ợc biểu thức xác định lực tổng hợp: 2 2 N = k1 + k 2 .p = kp (3.12) 2 2 Với k = k1 + k 2 = f(a, b, h, R, γ) . Bằng cách thay đổi tỉ số a/b và giá trị của R, h, γ ta có thể thay đổi đ−ợc giá trị của ∆γ, N và độ nhạy của phép đo. Lò xo ống một vòng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay ng−ời ta dùng lò xo ống nhiều vòng có cấu tạo nh− hình (3.7b). Đối với lò xo ống dạng vòng th−ờng phải sử dụng thêm các cơ cấu truyền động để tăng góc quay. Để tạo ra góc quay lớn ng−ời ta dùng lò xo xoắn có tiết diện ô van hoặc hình răng khía nh− hình 3.7c, góc quay th−ờng từ 40 - 60o, do đó kim chỉ thị có thể gắn trực tiếp trên đầu tự do của lò xo. -53-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Lò xo ống chế tạo bằng đồng thau có thể đo áp suất d−ới 5 MPa, hợp kim nhẹ hoặc thép d−ới 1.000 MPa, còn trên 1.000 MPa phải dùng thép gió. 3.3.2. áp kế màng Phần tử biến dạng có cấu tạo dạng màng mỏng, đ−ợc chia ra hai loại: màng đàn hồi và màng dẻo. Màng đàn hồi có dạng tròn phẳng hoặc có uốn nếp đ−ợc chế tạo bằng thép. Khi áp suất tác dụng lên hai mặt của màng khác nhau gây ra lực tác động lên màng làm cho nó biến dạng. Biến dạng của màng là hàm phi tuyến của áp suất và khác nhau tuỳ thuộc điểm khảo sát. Với màng phẳng, độ phi tuyến khá lớn khi độ võng lớn, do đó th−ờng chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của màng. D D h h p p a) b) Hình 3.8 Sơ đồ màng đo áp suất a) Màng phẳng b) Màng uốn nếp Độ võng của tâm màng phẳng d−ới tác dụng của áp suất tác dụng lên màng xác định theo công thức sau: 3 pR4 δ = (1− ν2 ) (3.13) 16 Yh3 Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng với độ võng lớn hơn màng phẳng. Độ võng của tâm màng uốn nếp xác định theo công thức: δ bδ3 pR4 a = + = (3.14) h h3 Yh4 Với a, b là các hệ số phụ thuộc hình dạng và bề dày của màng. Khi đo áp suất nhỏ ng−ời ta dùng màng dẻo hình tròn phẳng hoặc uốn nếp, chế tạo từ vải tẩm cao su. Trong một số tr−ờng hợp ng−ời ta dùng màng dẻo tâm cứng, khi đó ở tâm màng đ−ợc kẹp cứng giữa hai tấm kim loại. -54-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - D D h h p p a) b) Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng a) Màng phẳng b) Màng uốn nếp Đối với màng dẻo th−ờng, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi biểu thức: πD 2 N = .p (3.14) 12 Với D là đ−ờng kính ổ đỡ màng. Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi biểu thức: π D2 + Dd + d2 N = ( ).p (3.15) 12 Trong đó D, d - đ−ờng kính màng và đ−ờng kính đĩa cứng. 3.3.3. áp kế ống trụ Phần tử biến dạng của áp kế có cấu tạo dạng ống hình trụ, thành mỏng, một đầu bịt kín, một đầu hở, đ−ợc chế tạo bằng kim loại (hình 3.10). L e J2 ε J3 1 J4 J1 r ε2 a) b) Hình 3.10 Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí gắn cảm biến đo biến dạng Đối với ống dài (L>>r), khi áp suất chất l−u tác động lên thành ống làm cho ống biến dạng, biến dạng ngang (ε1) và biến dạng dọc (ε2) của ống xác định bởi biểu thức: -55-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ⎛ ν ⎞ p r ε1 = ⎜1− ⎟ . = k1p (3.16) ⎝ 2 ⎠ Y e ⎛ 1 ⎞ p r ε2 = ⎜ − ν⎟ . = k 2 p (3.17) ⎝ 2 ⎠ Y e Trong đó: p - áp suất. Y - mô đun Young. ν - hệ số poisson. r, e - bán kính trong và chiều dày thành ống. Để chuyển tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện ng−ời ta dùng các cảm biến đo biến dạng. 3.3.4. áp kế kiểu đèn xếp Phần tử biến dạng có cấu tạo kiểu đèn xếp (hình 3.11), là một ống hình trụ xếp nếp có khả năng biến dạng đáng kể d−ới tác dụng của áp suất. p r α 2Rb 2R ng Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo ống kiểu đèn xếp Trong giới hạn tuyến tính, tỉ số giữa lực tác dụng và biến dạng của ống là không đổi và đ−ợc gọi là độ cứng của ống. Để tăng độ cứng th−ờng ng−ời ta đặt thêm vào trong ống một lò xo. Vật liệu chế tạo là đồng, thép cacbon hoặc thép hợp kim ống đ−ợc chế tạo với đ−ờng kính từ 8 - 100mm, chiều dày thành 0,1 - 0,3 mm. Độ dịch chuyển (δ) của đáy d−ới tác dụng của lực chiều trục (N) xác định theo công thức: 1− ν2 n δ = N. − (3.18) 2 2 Yh0 A0 − αA1 + α A2 + B0h / Rb -56-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trong đó: h0 - chiều dày thành ống xiphông. n - số nếp làm việc. α - góc bịt kín. ν - hệ số poisson. A0, A1, B0 - các hệ số phụ thuộc Rng/Rtr, r/(R+r). Rng, Rtr - bán kính ngoài và bán kính trong của xi phông. r - bán kính cong của nếp uốn. Lực chiều trục tác dụng lên đáy xác định theo công thức: π N = (R +R )2 ∆p (3.19) 5 ng tr 3.4. áp kế điện áp kế điện làm việc theo nguyên tắc biến đổi tác động của áp suất (th−ờng là tín hiệu cơ) thành tín hiệu điện dựa trên hiện t−ợng cảm ứng điện từ hoặc biến thiên điện trở, điện cảm, điện dung của một phần tử chuyển đổi. 3.4.1. áp kế áp trở áp kế áp trở sử dụng bộ chuyển đổi điện kiểu áp trở, phần tử nhạy cảm đ−ợc chế tạo từ vật liệu có điện trở nhạy cảm với tác dụng của lực do áp suất gây nên. 3 R4 o R1 60 R 3 R2 JT 2 1 a) b) Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp trở a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí đặt trên màng 1) Đế silic - N 2) Bán dẫn P 3) Dây dẫn Trên hình 3.12 trình bày cấu tạo của phần tử áp trở silic (hình 3.12a) và vị trí gắn chúng trên bộ chuyển đổi (hình 3.12b). Phần tử áp trở gồm đế silic (1) loại N trên đó có khuếch tán tạp chất tạo thành lớp bán dẫn loại P (2), mặt trên đ−ợc bọc cách điện và có hai tiếp xúc kim loại để nối dây dẫn (3). -57-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trên hình 3.12b là tr−ờng hợp màng định h−ớng (100) có gắn 4 cảm biến áp trở, trong đó có hai cảm biến đặt ở tâm theo h−ớng (110) và hai cảm biến đặt ở biên tạo thành với h−ớng (100) một góc 60o. Với cách đặt nh− vậy, biến thiên điện trở của hai cặp cảm biến khi có ứng suất nội sẽ bằng nhau nh−ng trái dấu: ∆R1 = ∆R3 = −∆R2 = −∆R4 = ∆R Để đo biến thiên điện trở ng−ời ta dùng mạch cầu, khi đó ở hai đầu đ−ờng chéo cầu đ−ợc nuôi bằng dòng một chiều sẽ là: I V = ()∆R − ∆R + ∆R − ∆R = I∆R m 4 1 2 3 4 Sự thay đổi t−ơng đối của trở kháng theo ứng lực σ tính xác định theo biểu thức: ∆R = πσ R0 Trong đó π là hệ số áp trở của tinh thể (~ 4.10-10 m2/N), khi đó biểu thức điện áp có dạng: Vm = πIR0σ (3.20) Bộ chuyển đổi kiểu áp trở làm việc trong dải nhiệt độ từ - 40oC đến 125oC phụ thuộc vào độ pha tạp. Ng−ời ta cũng có thể bù trừ ảnh h−ởng của nhiệt độ bằng cách đ−a thêm vào bộ chuyển đổi một bộ phận hiệu chỉnh đ−ợc điều khiển qua đầu đo nhiệt độ JT. 3.4.2. áp kế áp điện áp kế áp điện sử dụng bộ chuyển đổi kiểu áp điện làm việc theo nguyên tắc hiệu ứng áp điện. D F d Trục điện -Q +Q F Trục quang p a) b) c) Hình 3.13 áp kế áp điện a) Phần tử áp điện b) Bộ chuyển đổi dạng tấm b) Bộ chuyển đổi dạng ống -58-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi tác dụng lực cơ học lên một tấm vật liệu áp điện (thạch anh, gốm PTZ, ) thì trên hai mặt của tấm xuất hiện các điện tích trái dấu, hiệu điện thế xuất hiện giữa hai mặt (bản cực) tỉ lệ với lực tác dụng (hình 3.13a). áp suất (p) gây nên lực F tác động lên các bản áp điện, làm xuất hiện trên hai mặt của bản áp điện một điện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng: Q = kF Với F = p.S, do đó: Q = kpS Trong đó: k - hằng số áp điện, trong tr−ờng hợp thạch anh k = 2,22.10-12 C/N. S - diện tích hữu ích của màng. Đối với bộ chuyển đổi sử dụng phần tử áp điện dạng ống (hình 3.13c), điện tích trên các bản cực xác định theo công thức: 4dh Q = kF (3.21) D2 − d2 Trong đó: D, d - đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính trong của phần tử áp điện. h - chiều cao phần phủ kim loại. Trên hình 3.13b trình bày áp kế dùng bộ chuyển đổi áp điện dạng tấm mắc song song. Giới hạn trên của cảm biến áp suất dùng bộ biến đổi áp điện từ 2,5 - 100 MPa, cấp chính xác 1,5; 2. Bộ biến đổi áp điện có hồi đáp tần số rất tốt nên th−ờng dùng để đo áp suất thay đổi nhanh, tuy nhiên chúng có nh−ợc điểm là nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. 3.4.3. áp kế điện dung áp kế điện dung sử dụng bộ chuyển đổi kiểu điện dung (hình 3.14). Hình 3.14a trình bày cấu tạo một áp kế điện dung, bộ chuyển đổi gồm bản cực động là màng kim loại (1), và bản cực tĩnh (2) gắn với đế bằng cách điện thạch anh (4). D−ới tác động của áp suất cần đo, bản cực động biến dạng làm cho khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi và điện dung của tụ điện thay đổi theo. -59-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2 4 1 2 p1 p2 3 4 1 5 p a) b) Hình 3.14 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 1) Bản cực động 2&3) Bản cực tĩnh 4) Cách điện 5) Dầu silicon Sự phụ thuộc của điện dung C vào độ dịch chuyển của màng có dạng: s C = ε (3.22) δ + δ0 Trong đó: ε - hằng số điện môi của cách điện giữa hai bản cực. δ0 - khoảng cách giữa các điện cực khi áp suất bằng 0. δ - độ dịch chuyển của màng. Hình 3.14b trình bày cấu tạo một áp kế điện dung kiểu vi sai gồm hai bản cực tĩnh (2) và (3) gắn với chất điện môi cứng (4), kết hợp với màng (1) nằm giữa hai bản cực để tạo thành hai tụ điện C12 và C13. Khoảng trống giữa các bản cực và màng điền đầy bởi dầu silicon (5). Các áp suất p1 và p2 của hai môi tr−ờng đo tác động lên màng, làm màng dịch chuyển giữa hai bản cực tĩnh và tạo ra biến thiên của dòng tín hiệu im (cung cấp bởi nguồn nuôi) tỉ lệ với áp suất giữa hai môi tr−ờng: C1 − C 2 i m = K1 = K(p1 − p2 ) (3.23) C1 + C 2 Để biến đổi biến thiên điện dung C thành tín hiệu đo l−ờng, th−ờng dùng mạch cầu xoay chiều hoặc mạch vòng cộng h−ởng LC. Bộ cảm biến kiểu điện dung đo đ−ợc áp suất đến 120 MPa, sai số ± (0,2 - 5)%. 3.4.4. áp kế điện cảm áp kế điện cảm sử dụng bộ chuyển đổi điện cảm làm việc theo nguyên tắc hiện t−ợng cảm ứng điện từ kiểu khe từ biến thiên hoặc kiểu biến áp vi sai. -60-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - a) áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên sử dụng bộ chuyển đổi điện cảm kiểu khe từ biến thiên (hình 3.15), gồm tấm sắt từ động gắn trên màng (1) và nam châm điện có lõi sắt (2) và cuộn dây (3). D−ới tác dụng của áp suất đo, màng (1) dịch chuyển làm thay đổi khe hở từ (δ) giữa tấm sắt từ và lõi từ của nam châm điện, do đó thay đổi độ tự cảm của cuộn dây. p 1 δ 2 3 Hình 3.15 áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên 1) Tấm sắt từ 2) Lõi sắt từ 3) Cuộn dây Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây, từ thông tản và tổn hao trong lõi từ thì độ tự cảm của bộ biến đổi xác định bởi công thức sau: W2 L = (3.24) ltb /()(àS tb + δ / à0S0 ) Trong đó: W - số vòng dây của cuộn dây. ltb, Stb: chiều dài và diện tích trung bình của lõi từ. δ, S0 - chiều dài và tiết diện khe hở không khí. à, à0 - độ từ thẩm của lõi từ và không khí. Thông th−ờng ltb/(àStb) << δ/(à0S0), do đó có thể tính L theo công thức gần đúng: S L = W2 .à 0 0 δ Với δ = kp, ta có ph−ơng trình đặc tính tĩnh của cảm biến áp suất dùng bộ biến đổi cảm ứng: S L = W2 .à 0 (3.25) 0 kp -61-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Để đo độ tự cảm L ng−ời ta dùng cầu đo xoay chiều hoặc mạch cộng h−ởng LC. b) áp kế điện cảm kiểu biến áp vi sai áp kế điện cảm loại này sử dụng bộ chuyển đổi kiểu biến áp vi sai (hình 3.16). 1 2 5 R1 I1 E R2 U p r 6 3 4 Hình 3.16 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai 1) Lò xo vòng 2) Bộ biến đổi 3) Lõi thép 4) Cuộn sơ cấp 5&6) Cuộn thứ cấp Bộ biến đổi gồm một khung cách điện trên đó quấn cuộn sơ cấp (4). Cuộn thứ cấp gồm hai cuộn dây (5) và (6) quấn ng−ợc chiều nhau. Lõi thép di động (3) nối với lò xo (1). Đầu ra của cuộn thứ cấp nối với điện trở R1, cho phép điều chỉnh giới hạn đo trong phạm vi ±25%. Nguyên lý làm việc: dòng điện I1 chạy trong cuộn sơ cấp sinh ra từ thông biến thiên trong hai nửa cuộn thứ cấp, làm xuất hiện trong hai nửa cuộn dây này các suất điện động cảm ứng e1 và e2: e1 = 2πf.I1M1 e2 = 2πf.I1M2 Trong đó M1 và M2 là hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp và các nửa cuộn thứ cấp. Hai nửa cuộn dây đấu ng−ợc chiều nhau, do đó suất điện động trong cuộn thứ cấp: E = e1 − e2 = 2πfI1 (M1 − M2 ) = 2πfI1M Đối với phần tử biến đổi chuẩn có điện trở cửa ra R1 và R2 thì điện áp ra của bộ biến đổi xác định bởi công thức: Vra = 2πfI1M ra (3.26) Giá trị hỗ cảm Mra phụ thuộc độ dịch chuyển của lõi thép: -62-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - δ M ra = M max (3.27) δmax Trong đó Mmax là hỗ cảm lớn nhất của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ứng với độ dịch chuyển lớn nhất của lõi thép. Từ ph−ơng trình (3.26) và (3.27), tìm đ−ợc điện áp ra của bộ biến đổi: 2πfI1M max Vra = δ (3.28) δmax -63-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 4 Đo l−u l−ợng 4.1. Khái niệm chung 4.2.1. L−u l−ợng và đơn vị đo L−u l−ợng là l−ợng chất l−u chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. Tuỳ theo đơn vị tính l−ợng chất l−u theo thể tích hoặc khối l−ợng, ng−ời ta phân biệt: + L−u l−ợng thể tích (Q) tính bằng m3/s, m3/giờ + L−u l−ợng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ L−u l−ợng trung bình trong khoảng thời gian ∆t = t2 - t1 xác định bởi biểu thức: ∆V ∆m Q = hoặc G = (4.1) tb ∆t tb ∆t Trong đó ∆V, ∆m là thể tích và khối l−ợng chất l−u chảy qua ống trong thời khoảng gian khảo sát ∆t. L−u l−ợng tức thời xác định theo công thức: dV dm Q = hoặc G = (4.2) dt dt 4.1.2. Ph−ơng pháp đo l−u l−ợng Để đo l−u l−ợng ng−ời ta dùng các l−u l−ợng kế. Tuỳ thuộc vào tính chất chất l−u, yêu cầu công nghệ, ng−ời ta sử dụng các l−u l−ợng kế khác nhau. Nguyên lý hoạt động của các l−u l−ợng kế dựa trên cơ sở: - Đếm trực tiếp thể tích chất l−u chảy qua l−u l−ợng kế trong một khoảng thời gian xác định ∆t. - Đo vận tốc chất l−u chảy qua l−u l−ợng kế khi l−u l−ợng là hàm của vận tốc. - Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, l−u l−ợng là hàm phụ thuộc độ giảm áp. Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp. 4.2. L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo thể tích L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo thể tích làm việc theo nguyên tắc đếm trực tiếp l−ợng thể tích chất l−u đi qua buồng chứa có thể tích xác định của l−u l−ợng kế. -64-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Theo cấu tạo, l−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo thể tích đ−ợc chia ra: l−u l−ợng kế bánh răng, l−u l−ợng kế cánh. 4.2.1. L−u l−ợng kế bánh răng Sơ đồ nguyên lý của l−u l−ợng kế bánh răng trình bày trên hình 4.1. 3 1 V2 2 V1 a) b) c) Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý của l−u l−ợng kế bánh răng 1&2) Bánh răng 3) Vỏ L−u l−ợng kế gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp với nhau trong vỏ (3) (hình 4.1a). D−ới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng (2) quay và truyền chuyển động tới bánh răng (1) (hình 4.1b) cho đến lúc bánh răng (2) ở vị trí thẳng đứng, bánh răng (1) nằm ngang. Chất lỏng trong thể tích V1 đ−ợc đẩy sang cửa ra. Sau đó bánh răng (1) quay và quá trình t−ơng tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong buồng V2 đ−ợc đẩy sang cửa ra. Thông th−ờng thể tích buồng chứa V1 = V2 = V0 , do đó trong một vòng quay của trục l−u l−ợng kế, thể tích chất lỏng qua l−u l−ợng kế bằng bốn lần thể tích V0. Trục của một trong hai bánh răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài vỏ l−u l−ợng kế. Thể tích chất l−u chảy qua l−u l−ợng kế trong thời gian ∆t = t2 - t1 tỉ lệ với số vòng quay xác định bởi công thức: ∆V = q v (N 2 − N1 ) (4.3) Trong đó: qV - thể tích chất l−u chảy qua l−u l−ợng kế ứng với một vòng quay. N1, N2 - tổng số vòng quay của l−u l−ợng kế tại thời điểm t1 và t2. L−u l−ợng trung bình: ∆V q v (N 2 − N1 ) Q tb = = (4.4) ∆t t 2 − t1 -65-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - L−u l−ợng tức thời: dV dN Q = = q = q n (4.5) dt v dt v dN Với n = là tốc độ quay của trục l−u l−ợng kế. dt Thông th−ờng thể tích chất l−u chảy qua l−u l−ợng kế đ−ợc biểu diễn d−ới dạng: ∆V = q c (N c2 − N c1 ) (4.6) Trong đó: qc - hệ số l−u l−ợng kế (thể tích chất l−u chảy qua l−u l−ợng kế ứng với một đơn vị chỉ thị trên l−u l−ợng kế). Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị của l−u l−ợng kế tại thời điểm t1 và t2. Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện ng−ời ta dùng một trong ba cách d−ới đây: - Dùng một nam châm nhỏ gắn trên trục quay của l−u l−ợng kế, khi nam châm đi qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện. Đếm số xung điện theo thời gian sẽ tính đ−ợc tốc độ quay của trục l−u l−ợng kế. - Dùng tốc độ kế quang. - Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp. Giới hạn đo của l−u l−ợng kế loại này từ 0,01 - 250 m3/giờ, cấp chính xác 0,5; 1, tổn thất áp suất nhỏ nh−ng có nh−ợc điểm là chất lỏng đo phải đ−ợc lọc tốt và gây ồn khi làm việc. 4.2.2. L−u l−ợng kế kiểu cánh Để đo l−u l−ợng dòng khí ng−ời ta sử dụng l−u l−ợng kế kiểu cánh (hình 4.2). 1 8 2 3 7 4 5 6 Hình 4.2 L−u l−ợng kế kiểu cánh 1) Vỏ 2, 4,7&8) Cánh 3) Tang quay 5) Con lăn 6) Cam -66-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - L−u l−ợng kế gồm vỏ hình trụ (1), các cánh (2,4,7,8), tang quay (3) và cam (6). Khi cánh (4) ở vị trí nh− hình vẽ, áp suất chất khí tác động lên cánh làm cho tang (3) quay. Trong quá trình quay các cánh luôn tiếp xúc với mặt ngoài cam (6) nhờ các con lăn (5). Trong một vòng quay, thể tích chất khí đi qua l−u l−ợng kế bằng thể tích vành chất khí giữa vỏ và tang. Chuyển động quay của tang đ−ợc truyền đến cơ cấu đếm đặt bên ngoài vỏ l−u l−ợng kế. L−u l−ợng kế kiểu cánh có thể đo l−u l−ợng đến 100 - 300 m3/giờ, cấp chính xác 0,25; 0,5. 4.3. L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo tốc độ 4.3.1. Nguyên lý đo L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo tốc độ dựa trên công thức: Q = v.S (4.7) Trong đó: Q - l−u l−ợng. v - tốc độ dòng chảy. S - diện tích tiết diên ngang ống dẫn. Tiết diện S biết tr−ớc, đo v xác định đ−ợc Q. 4.3.2. L−u l−ợng kế tuabin h−ớng trục Hình 4.3 trình bày sơ đồ cấu tạo của một l−u l−ợng kế tuabin h−ớng trục. 4 2 1 3 Hình 4.3 Sơ đồ cấu tạo l−u l−ợng kế tuabin h−ớng trục 1) Bộ chỉnh dòng chảy 2) Tuabin 3) Bộ truyền bánh răng-trục vít 4) Thiết bị đếm Bộ phận chính của l−u l−ợng kế là một tuabin h−ớng trục nhỏ (2) đặt theo chiều chuyển động của dòng chảy. Tr−ớc tuabin có đặt bộ chỉnh dòng chảy (1) để -67-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - san phẳng dòng rối và loại bỏ xoáy. Chuyển động quay của tuabin qua bộ bánh răng - trục vít (3) truyền tới thiết bị đếm (4). Tốc độ quay của tuabin tỉ lệ với tốc độ dòng chảy: n = kv Trong đó: k - hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo l−u l−ợng kế. v- tốc độ dòng chảy. L−u l−ợng thể tích chất l−u chảy qua l−u l−ợng kế: F Q = v.S = n [m3/s] (4.8) k Với: S - tiết diện dòng chảy [m2]. n - tốc độ quay của tuabin [vòng/s]. Nếu dùng cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của l−u l−ợng kế trong một khoảng thời gian từ t1 đến t2 sẽ nhận đ−ợc thể tích chất lỏng chảy qua l−u l−ợng kế : F dV = dQ.dt = n.dt k F t2 V = ndt k ∫ t1 F Hay V = (N − N ) (4.9) k 2 1 t2 Với N2 − N1 = ∫ ndt t1 L−u l−ợng kế tuabin h−ớng trục với đ−ờng kính tuabin từ 50 - 300 mm có phạm vi đo từ 50 - 300 m3/giờ, cấp chính xác 1; 1,5; 2. 4.3.3. L−u l−ợng kế tuabin tiếp tuyến Để đo l−u l−ợng nhỏ ng−ời ta dùng l−u l−ợng kế tuabin tiếp tuyến có sơ đồ cấu tạo nh− hình 4.4. Tuabin (1) của l−u l−ợng kế đặt trên trục quay vuông góc với dòng chảy. Chất l−u qua màng lọc (2) qua ống dẫn (3) vào l−u l−ợng kế theo h−ớng tiếp tuyến với -68-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - tuabin làm quay tuabin. Cơ cấu đếm liên kết với trục tuabin để đ−a tín hiệu đến mạch đo. 1 2 3 Hình 4.4 L−u l−ợng kế tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến 1) Tuabin 2) Màng lọc 3) ống dẫn L−u l−ợng kế tuabin tiếp tuyến với đ−ờng kính tuabin từ 15 - 40 mm có phạm vi đo từ 3 - 20 m3/giờ, cấp chính xác 2; 3. 4.4. L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo độ giảm áp 4.4.1. Nguyên lý đo L−u l−ợng kế đo l−u l−ợng theo độ giảm áp hoạt động dựa trên nguyên tắc đo độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua thiết bị thu hẹp. Khi chảy qua thiết bị thu hẹp (hình 4.5), vận tốc chất l−u tăng lên và đạt cực đại (v2) tại tiết diện B-B, do đó tạo ra sự chênh áp tr−ớc và sau thiết bị thu hẹp. Sử dụng một áp kế vi sai đo độ chênh áp này có thể xác định đ−ợc l−u l−ợng của dòng chảy. F F2 F1 A 0 BC W 1 W2 p’ 1 p’ ∆p δp p’1 p3’ p1 p2 p’2 v ’ v1 2 v3 Hình 4.5 Phân bố vận tốc và áp suất của một dòng chảy lý t−ởng qua thiết bị thu hẹp -69-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giả sử chất lỏng không bị nén, và dòng chảy là liên tục, vận tốc cực đại của dòng chảy tại tiết diện B-B đ−ợc xác định theo biểu thức: 1 2 ' ' v 2 = ()p1 − p 2 ξ − à2m 2 ρ Trong đó: p1’, p2’ - áp suất tĩnh tại tiết diện A-A và B-B. ρ - tỉ trọng chất l−u. ξ - hệ số tổn thất thuỷ lực. m - tỉ số thu hẹp của thiết bị, m = F0/F1. à - hệ số thu hẹp dòng chảy, à = F2/F0. Th−ờng ng−ời ta không đo độ giảm áp ∆p’ = p’1 - p’2 ở tiết diện A-A và B-B, mà đo độ giảm áp ∆p = p1 - p2 ngay tr−ớc và sau thiết bị thu hẹp. Quan hệ giữa ∆p’ và ∆p có dạng: ' ' p1 − p 2 = ψ p1 − p 2 Khi đó: ψ 2 v 2 = ()p1 − p 2 ξ − à2m 2 ρ và l−u l−ợng khối l−ợng của chất l−u: G = v 2 F2ρ = v 2àF0ρ àψ G = F0 2ρ()p1 − p 2 ξ − à2 m 2 Hay: G = αF0 2ρ(p1 − p 2 ) (4.10) àψ Với α = gọi là hệ số l−u l−ợng. ξ − à2 m 2 2 Từ các biểu thức trên và F0 = πd /4, ta nhận đ−ợc công thức xác định l−u l−ợng khối (G) và l−u l−ợng thể tích (Q) của dòng chất l−u: πd 2 G = α 2ρ(p − p ) (4.11) 4 1 2 -70-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - πd 2 2 Q = α ()p − p (4.12) 4 ρ 1 2 Trong tr−ờng hợp môi tr−ờng chất l−u chịu nén, thì khi áp suất giảm, chất l−u giản nở, làm tăng tốc độ dòng chảy so với khi không chịu nén, do đó phải đ−a thêm vào hệ số hiệu chỉnh ε (ε < 1), khi đó các ph−ơng trình trên có dạng: G = cαε ρ(p1 − p 2 ) (4.13) 1 Q = cαε (p − p ) (4.14) ρ 1 2 ở đây: c = (π 2)/ 4 là hằng số. ρ - tỉ trọng chất l−u tại cửa vào của lỗ thu hẹp. 4.4.2. Thiết bị thu hẹp a) Màng ngăn Màng ngăn có hai loại: màng ngăn chuẩn và màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt. Màng ngăn chuẩn có lỗ thu hẹp hình trụ (hình 4.8a), đ−ợc chế tạo với nhiều cỡ kích th−ớc khác nhau. Màng ngăn chuẩn có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt nh−ng tổn thất của dòng chảy qua thiết bị thu hẹp khá lớn, đ−ợc sử dụng khi đo l−u l−ợng các dòng chảy có trị số Reynol lớn hơn trị số tới hạn. Màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt nh− màng ngăn có lỗ côn (hình 4.8b), lỗ hình phểu (hình4.8c), đ−ợc sử dụng khi đo l−u l−ợng các dòng chảy có trị số Reynol nhỏ hơn giá trị tới hạn, vì khi đó hệ số l−u l−ợng không phải là hằng số. Trong tr−ờng hợp này, trên cơ sở thực nghiệm ng−ời ta xác định hệ số l−u l−ợng cho mỗi lỗ thu hẹp và xem nh− không đổi trong phạm vi trị số Reynol giới hạn. a) b) c) Hình 4.6 Cấu tạo màng ngăn dùng để đo l−u l−ợng dòng chảy a) Màng ngăn chuẩn b) Màng ngăn lỗ côn c) Màng ngăn hình phểu -71-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - b) ống thu hẹp ống thu hẹp chuẩn có cấu tạo dạng ống venturi (hình 4.7), có biên dạng gần giống với biên dạng dòng chảy khi bị thu hẹp, nhờ đó dòng chảy biến đổi từ từ, giảm tổn thất áp suất khi qua thiết bị thu hẹp nh−ng loại này có nh−ợc điểm là khó chế tạo và lắp đặt. Hình 4.7 Sơ đồ cấu tạo của ống thu hẹp chuẩn 4.4.3. Sơ đồ thiết bị đo Đối với hệ thống đo l−u l−ợng theo độ giảm áp thông dụng gồm hai bộ phận cơ bản: thiết bị thu hẹp và thiết bị đo áp. Ngoài ra tùy theo yêu cầu sử dụng trong hệ thống đo có thể trang bị thêm các bộ phận: biến đổi điện, tích phân l−u l−ợng, tính khối l−ợng chất l−u, tính toán xử lý số liệu, biến đổi tỉ trọng chất l−u trong điều kiện làm việc Đối với thiết bị thu hẹp, trong công nghiệp sử dụng rộng rãi các màng ngăn, khi cần giảm tổn thất dòng chảy sử dụng ống thu hẹp venturi. Để nhận đ−ợc kết quả đo chính xác cao, khi đặt thiết bị thu hẹp phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Lỗ của thiết bị thu hẹp phải đồng tâm với ống dẫn. + ống đo áp phải đặt ngay tr−ớc và sau thiết bị thu hẹp. + Tr−ớc và sau thiết bị thu hẹp, ống dẫn phải có một đoạn thẳng không thay đổi tiết diện, không có van hoặc các vật cản làm thay đổi dòng chảy với chiều dài cần thiết. Đối với thiết bị đo hiệu áp suất, tùy theo phạm vi đo, tính chất chất l−u, yêu cầu sử dụng kết quả đo có thể dùng các loại áp kế khác nhau. Trên hình 4.8 trình bày một số hệ thống đo với thiết bị thu hẹp màng ngăn và áp kế đo hiệu áp khác nhau. -72-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - α ρgh G a) b) c) Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống đo l−u l−ợng theo độ giảm áp a)Với ống Pito b) Với áp kế vành khuyên c) Với màng đàn hồi Trên hình 4.9 trình bày sơ đồ hệ thống đo l−u l−ợng đ−ợc dùng rộng rãi trong nhà máy luyện kim và nhà máy hóa chất. Hệ thống gồm hai bộ phận: Bộ phận đo l−u l−ợng tức thời (A) và bộ phận tích phân l−u l−ợng (B) . 8 3 9 1 2 a1 11 10 a2 12 10 b b1 13 2 14 15 4 16 7 6 A B 5 Hình 4.9 Hệ thống đo l−u l−ợng kiểu 1, 2 & 3) Cuộn dây và lõi sắt 4) Bộ phận so sánh 5) Động cơ xoay chiều 6) Cam 7) Kim chỉ 8) Động cơ đồng bộ 9) Vành bán khuyên 10 & 11) Chổi điện 12 &13) Vành khuyên dẫn điện 14) Cuộn dây 15) Ly hợp 16) Hộp số -73-
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Nguyên tắc làm việc của bộ phân đo l−u l−ợng tức thời: Khi ch−a làm việc, l−u l−ợng bằng 0, các lõi sắt (1) và (2) ở giữa các cuộn dây thứ cấp, vì số vòng dây của các cuộn dây a1, b1 và a2, b2 bằng nhau và đấu ng−ợc pha, ta có: U = U a1 b1 ⇒ U = U − U = 0 1 a1 b1 và U = U a2 b2 ⇒ U = U − U = 0 . 2 a2 b2 Khi đó ∆U = U1 − U 2 = 0 , động cơ (5) đứng yên và kim chỉ (7) chỉ 0. Để chỉnh điểm không, đóng khóa (K) và điều chỉnh lõi sắt (3). Khi làm việc, l−u l−ợng tăng lên, giả sử lõi sắt (1) dịch chuyển lên, U tăng, a1 U giảm dẫn đến U = U − U > 0 và ∆U = U − U > 0 , sai lệch điện áp qua b1 1 a1 b1 1 2 khuếch đại (4) làm cho động cơ (5) quay cam (6) và kim (7). Cam (6) quay làm cho lõi sắt (2) dịch chuyển lên cho đến khi vị trí t−ơng đối của nó nh− lõi sắt (1) thì ∆U = U1 − U2 = 0 , động cơ (5) ngừng quay. Nguyên tắc làm việc của bộ tích phân l−u 10 l−ợng: α Khi kim chỉ 0, thì hai chổi than (9) và (10) của vành khuyên (11) hợp với tâm vành khuyên (11) một góc β = 180o , chỉ có động cơ (8) đ−ợc cấp 9 điện. Khi l−u l−ợng tăng, động cơ (5) liên động Hình 4.10 Sơ đồ vị trí chổi với chổi than (10) quay, làm dịch chuyển chổi than của vành bán khuyên than (10) đi một góc α, góc hợp bởi hai chổi than và tâm vành khuyên β = 180 − α giảm xuống. Khi chổi than (9) và (10) nối điện cuộn dây (14) hút khớp nối (15) làm quay hộp số (16). Số vòng quay trên hộp số (16) tỉ lệ với thời gian nối điện cho cuộn dây, do đó tỉ lệ với góc dịch chuyển chổi than (10) là α. Ta có: Q ∑ = k.n (4.15) -74-