Thiết kế chế tạo mô hình và điểu khiển máy khuấy trộn

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế chế tạo mô hình và điểu khiển máy khuấy trộn

1

TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG KHUẤY TRỘN

Quá trình khuấy hệ lỏng rất thường gặp trong công nghiệp: công nghiệp hoáchất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xâydựng…

Quá trình khuấy có thể được thực hiện trong các ống có chất lỏng chảy qua,trong các bơm vận chuyển, trên đĩa của các tháp tinh luyện cũng như trong cácthiết bị khuấy hoạt động nhờ năng lượng cơ học đưa vào qua cơ cấu khuấy hoạtđộng nhờ năng lượng của khí nén

Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích:

 Tạo ra các hệ đồng chất từ các thể tích lỏng-lỏng, lỏng-khí, lỏng-rắncó tính chất thành phần khác nhau

 Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

 Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối vàquá trình hoá học

nhau như hệ lỏng-lỏng, lỏng-khí, lỏng-rắn.

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG KHUẤY TRỘN TRONG CÔNG NGHIỆP

Theo nguyên lý làm việc người ta chia ra làm hai loại: liên tục và giánđoạn

Loại làm việc gián đoạn gồm các loại sau:

 Máy khuấy thùng quay hình trụ nằm ngang, thẳng đứng, trục chéo,hình lục giác nằm ngang, chữ V

 Máy khuấy nằm ngang một trục, hai trục

 Máy khuấy vít tải thẳng đứng

 Máy khuấy lớp sôi có cánh đảo

Loại làm việc liên tục gồm các loại sau:

 Máy trộn vít tải nằm ngang một trục, hai trục

 Máy trộn ly tâm

1.3 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN

Là sự phân bố tương hỗ của hai hay nhiều chất sau khi trộn Nó là chỉ tiêu đểđánh giá hiệu quả khuấy và có thể sử dụng để đánh giá cường độ khuấy

Theo công thức Hixon-Tenry thì mức độ khuấy là

i

i 1

1 X

2.2 Cường Độ Khuấy

Người ta thường dùng một trong các đại lượng sau đây biểu thị cường độkhuấy:

 Số vòng quay n của cánh khuấy

 Vận tốc vòng V của đầu cánh khuấy

 Chuẩn số Reynolds Re=ndV2 đặc trưng cho quá trình khuấy

 Công suất khuấy riêng: nghĩa là công suất chi phí để khuấy một đơn vịthể tích

Nv VN (1-2)

0.3.3 Hiệu Quả Khuấy

Hiệu quả khuấy được xác định bằng năng lượng tiêu hao để đạt được hiệuứng công nghệ cần thiết Thiết bị khuấy có hiệu quả cao nếu nó đạt được yêucầu đề ra và tốn ít năng lượng nhất và ngược lại

2

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN

VĂN TỐT NGHIỆP

Với những đòi hỏi về mặt kỹ thuật đã nêu trong chương trước cũng như nhucầu thực tế ngày một cao trong sản xuất công nghiệp bắt buộc người kỹ sư phảicó trình độ kỹ thuật cao và kinh nghiệm thực tế phong phú Do vậy với kiến thứccủa mình, đề tài của em chỉ trình bày những vấn đề đơn thuần về mặt kỹ thuậtmà một người kỹ sư khi thiết kế phải quan tâm đến

Đề tài giới thiệu về các phương pháp đo mức và nhiệt độ thông dụng trongkỹ thuật và trong công nghiệp sản xuất, đồng thời thuyết minh cũng nêu lên mộtvài phương pháp để xử lý tín hiệu lấy được từ cảm biến theo hai hướng xử lýphần cứng hoặc phần mềm (ở mô hình là cách đo mức sử dụng phần mềm)

Mặt khác luận văn cũng trình bày các vấn đề kỹ thuật có liên quan đến môhình như nguyên lý hoạt động của các loại bơm, sơ đồ mạch điện khuếch đạitương thích giữa hệ điều khiển với và cơ cấu chấp hành Ngoài ra, phần thuyếtminh cung’ giới thiệu một cách cơ bản nội dung phần lý thuyết điều khiển mờ đểtừ đó có thể phát triển đề tài theo hướng ứng dụng logic mờ trong phần xử lýnhiệt độ của mô hình Hoặc có thể hướng đề tài theo việc đo mức chất lỏng theotính liên tục, đây không phải là phần mới nhưng lại rất cần thiết trong sản xuất

vì các loại cảm biến mức rất hiếm và đắt ở thị trường Việt Nam

3

THIẾT KẾ HỆ CƠ CỦA MÔ

HÌNH

3.1 TÍNH TOÁN TRỤC KHUẤY TRỘN

Vì đây là mô hình thí nghiệm nên phần thuyết minh chỉ đưa ra phương pháp

để tính toán, để có một kích thước chính xác cần các số liệu thực tế để thay vào

công thức từ đó mới xác định được kích thước thật của một hệ thống khuấy trộn

Khi tính toán trục khuấy phải biết được sơ đồ chịu lực của nó Các điều kiện

cơ bản để trục khuấy có thể làm việc được chính là điều kiện bền và điều kiện

ổn định, vì vậy cần phải tính toán trục khuấy theo các điều kiện dao động, theo

độ cứng và theo điều kiện bền

Việc tính toán trục theo ổn định dao động chính là xác định kích thước của

trục sao cho vận tốc tới hạn 1 của nó thoả mãn với các yêu cầu về ổn định theo

bản sau:

Môi trường khuấy

Điều kiện ổn định của trục

Tính toán trục theo điều kiện cứng nhằm kiểm tra xem chuyển vị dài ở trạngthái động của trục tại các tiết diện đặc biệt (như nơi đặc hộp đệm, nơi có thể xảy

ra va chạm giữa cánh khuấy và các thiết bị) có nằm trong phạm vi cho phép haykhông

Tính toán trục theo bền là kiểm tra độ bền uốn xoắn của trục tại các tiết diệnnguy hiểm

Có hai loại sơ đồ trục khuấy: loại trục một nhịp và loại consol Các bước tínhtoán trục như sau:

 Xác định đường kính sơ bộ của trục theo xoắn (tốt nhất là tính theoxoắn và uốn):

3 16

cp

x t

M d



 (3-1)

Trong đó: d t – đường kính trục, m

cp – ứng suất cắt cho phép, N / m2

Mx – momen xoắn có thể xác định theo công thức



dc x x

N C

M 

Ở đây: Nđc – công suất động cơ, W

 – vận tốc góc của trục, s-1

Cx – hệ số dao động tải, thường lấy 1.1-1.6

 Kiểm tra độ cứng của trục tại các tiết diện nguy hiểm như hộp đệm,chỗ mắc cánh khuấy nếu gần thành thiết bị:

f  i f cp (3-2)

Trong đo: f i – độ võng của trục tại tiết diện nguy hiểm

cp

f – độ võng cho phép tại tiết diện nguy hiểm tương ứng

 Kiểm tra trục theo điều kiện ổn định (dao động) Trong trường hợp nàyvận tốc quay của trục phải thoả mãn các điều kiện ổn định như bảng 3.1 Nếuđường kính của trục chỉ tính sơ bộ theo xoắn thì cần kiểm tra bền theo cả xoắnvà uốn tại các tiết diện nguy hiểm Sau đây trình bày cách xác định vận tốc góctới hạn thứ nhất 1 của trục thường gặp là trục consol

3.1.1 Xác định vận tốc góc tới hạn thứ nhất của trục bằng đồ thị

Vận tốc góc tới hạn thứ nhất 1 của trục (không kể kiểu cánh khuấy, loạithùng khuấy, loại môi trường khuấy) có thể xác định theo công thức

1 2

2 1

m

EJ L



Trong đó: L – chiều dài chung của trục khuấy, m

J – momen quán tính của trục khuấy, m4

m1 – khối lượng một met chiều dài trục, kg/m

 – hệ số, phụ thuộc vào tỉ lệ khối lượng cơ cấu khuấy và khốilượng trục k

L m

3.1.2 Tính toán trục khuấy trộn consol

3.1.2.1 Sơ đồ chịu lực

Lực tác dụng lên trục khuấy bao gồm momen xoắn Mx sinh ra do trở lực củamôi trường (momen xoắn tác dụng từ bộ truyền động tới để cân bằng vớimomen xoắn sinh ra do trở lực của môi trường), lực hướng kính Fr và lực hướngtrục Fa

các cách của cơ cấu khuấy (khi áp suất trở lực hoặc trở lực riêng trên đơn vị dàiq(r) phân bố như ở hình vẽ đối với cơ cấu khuấy bản hai cánh) có thể xác địnhtheo công thức:

Trong đó: N – công suất khuấy,W

 – khối lượng riêng của môi trường khuấy, kg/m3

dk – đường kính cánh khuấy, m

KN – hệ số công suất Công suất khuấy và momen trung bình là những đại lượng thay đổi theo thờigian do việc thay đổi phân bố vận tốc dẫn đến thay đổi áp suất làm sản sinh daođộng (do không cân bằng) Như vậy khi tính bền cần phải chú ý đến momenxoắn lớn nhất

x x

n

N C N

C

 (3-6)

Trong đó: Nđc – công suất động cơ, W

np – số vòng quay trục khuấy, vg/ph

Cx – hệ số chú ý đến dao động lực cản và lấy từ 1.1-1.6

Mx – momen xoắn, NmLực hướng kính bằng lực tác dụng lên một cánh của cơ cấu khuấy (có điểmđặt lực cách đường trục của trục khuấy một đoạn rF) và được xác định theo côngthức:

r F

x c

M F

F   (3-7)

Trong đó:Nc – số cánh của động cơ

rF – khoảng cách của điểm đặt lực Fr đến trục quay, m

Mx – momen xoắn tính theo công thức

x x

n

N C N

C

Đối với cơ cấu khuấy bản F d k

8

3

c k

x

r d N

M 8

F 

Lực chiều trục đối với các cánh khuấy vận chuyển chất lỏng theo chiều trục(chân vịt, tuabin hở cánh nghiêng, bản cánh nghiêng, vít tải, băng) có thể xácđịnh theo công thức:

z 1

Nếu thay

1 a

 – khối lượng riêng của môi trường khuấy, kg/m3

vz – vận tốc chất lỏng theo chiều trục, m/s

N – công suất khuấy, W4

d

A  2k

 – diện tích tiết diện quay của cơ cấu khuấy, m2

Nếu thiết bị làm việc dưới áp suất dư p thì lực chiều trục F a à do áp suất dưtác động lên cơ cấu khuấy là

p 4

dc dc

xT

x

M n

N N

=2.7 – hệ số quá tải động cơ

Nđc – công suất động cơ, W

np – số vòng quay trục khuấy, vg/ph

 – vận tốc góc trục khuấy, rad/s



dc xT

N

M  – momen xoắn quy ước, NmKhi khởi động momen xoắn cản tác dụng lên trục khuấy sẽ lớn hơn lúc làmviệc bình thường Momen khởi động do trường điện từ của stato động cơ điện

truyền động trục khuấy, của cánh khuấy, của môi trường khuấy và khắc phục trởlực chuyển động khuấy trộn của môi trường được khuấy, nghĩa là

iM x I I M xk

2

1 max   (3-9)

Trong đó: i – tỉ số truyền động của bộ truyền

Mxmax – momen xoắn khởi động của động cơ, Nm

 – gia tốc góc khi khởi động, rad/s2

Mxk – momen xoắn trở lực của cánh khuấy khi khởi động, Nm

I1 – tổng momen quán tính của khối lượng chuyển động nằm trêntiết diện A - A quy về tiết diện trục khuấy, I1 I dc i2I td (với Idc làmomen quán tính của động cơ, I2 là tổng momen quán tính của cơcấu khuấy)

Momen xoắn cực đại tác dụng lên trục ở tiết diện A-A là:

.

2 xk

M   từ các công thức trên ta rút ra công thức xác định momen xoắn cực đại tácdụng lên trục cánh khuấy là

I I

I C

N



3.1.2.2 Tính trục theo bền

Từ sơ đồ chịu lực ta vẽ được biểu đồ momen xoắn và uốn Momen uốn tạigối đỡ B có giá trị cực đại

x F c r

r N l F

M   1  1 

Giá trị phản lực tại ổ đỡ A và B là :

F

x c

uB r

rA

ar

M l N a

M a

l F F

2 1

c r rA

a

l r

N F F

l F

1 khi 0 x 1 a

x l F

2 1 khi 0 x 2 l

Dùng thuyết năng lượng ta có thể tìm được giá trị ứng suất tương ứng tại B:

5 0 2

3

2 2

2 2

3

4 1 3 16 3

x x

x u

uB xB

uB tdB

M

M d

M W

M W

Trong đó: uB, xB – tương ứng là ứng suất uốn và ứng suất cắt tại B

MuB, Mx – momen uốn và momen xoắn lúc làm việc tại B

Wu, Wx – momen chống uốn và chống xoắn tại tiết diện BỨng suất tương đương tính theo công thức trên mang đặc trưng biến đổi chukỳ Giá trị của nó cần thoả mãn điều kiện:

b

d u cp





 

Ở đây   u – giới hạn bền mỏi, N/m2

n-1 – hệ số an toàn mỏi và lấy 23

b – hệ số tác dụng bậc, đối với tiết diện ổ đỡ lấy b = 1.11.2

kd – hệ số độ lớn tra theo bảng sau

Bảng 3.2Đường

1 2 3

1

3

4 1 3 16

uB k

M M

M d





Độ bền đứt tại tiết diện B được kiểm tra với hai trường hợp:

gây đứt nguy hiểm nhất chỉ là tải trọng xoắn Mx nên trục muốn bền phảithoả mãn điều kiện:

cp k

x d

T cp

nT – hệ số an toàn, thường lấy 34

b – hệ số tác dụng bậc, đối với ổ đỡ thường lấy 1.11.2

2 Nếu môi trường không có nguy cơ đông cứng hoặc đông lạnh thì tảitrọng gây đứt nguy hiểm nhất là tải trọng khởi động Lúc này ứng suấttương đương tính theo công thức:

5 0 2 3

'

3

4 1 3

k

xA tdB

M

M d

M





và thoả mãn điều kiện tdB'  cp

Trong đó MxBA – momen uốn tại tiết diện B ở giai đoạn khởi động

cp – ứng suất cho phép uốn, N/m2 và xác định theo côngthức cp  3 cp với cp ứng suất cắt cho phép

3.1.2.3 Tính trục theo độ cứng

Tính trục theo độ cứng chính là kiểm tra xem chuyển vị hướng kính của trụctại các tiết diện nguy hiểm có thoả điều kiện:

f  i f cp (3-10)

Chuyển vị hướng kính của trục khuấy:

Chuyển vị đàn hồi hướng kính (độ võng đàn hồi) của trục khuấy xác định bởiphương trình đàn hồi

u t

EJ ''  trong đó fi – độ võng đàn hồi của trục khuấy tại tiết diện đang xét

Mu – momen tại tiết diện đó, Nm

Ji – momen quán tính tại tiết diện đang xét, mm4

E – modun đàn hồi của vật liệu trục Tích phân phương trình trên một lần và hai lần khi 0 x 1 a ta có

3 1 1

1 1 1 '

1

6

) 5

0 ( '

C x C

x a

M f EJ

C x a M f EJ

uB i

uB i

Các hằng số tích phân C1 và C2 xác định theo điều kiện biên: f1=0 khi x1=0 vàkhi x1=a.Thay các điều kiện biên này vào phương trình trên ta sẽ có một hệphương trình hai ẩn số C1 và C2. Giải hệ này ta tìm được C1 = -a2/6 và C2 =0.Thay các giá trị C1 và C2 vào phương trình trên cho ta kết quả sau:

1

x ax

27

3

EJ

a M

Góc xoay của tiết diện trục trong đoạn 0 x 1 a là:

6

1 2

Tại ổ đỡ A có góc xoay:

1

' 1

6EJ

a M

3EJ

a M

B  Tương tự tích phân phương trình đường đàn hồi trong khoảng 0 x 2 l với Mu

x l F

3 2

2 2 2 2

1

3

2 2 2

' 2 1

6

1 2

1 2 1

C l

x C l

x l

x l M f EJ

C l

x l

x l M f EJ

uB uB

Trong khoảng 0 x2 l l1 (lúc này Ji =J1) có các điều kiện sau: f2=0 và

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1

' 2

3

2 6

3

1 2

1

l

x l

x l

ax l M f

l

a l

x l

x EJ

l M f

uB uB

2 1

2 1 2 1 2

3 2

2 2 2

1

2 2 2

2 2

2 1 1

2 1

2

2 2 2

2

'

2

23

11

31

33

11

2

132

1

l

l l

l l

l l

x J

J l

x l

x l

J

ax J EJ

l M

f

l

l J

J l

J

a J l

x l

x EJ

l M

f

uB uB

độ võng tại tiết diện có mắc cơ cấu khuấy:

2 2

J

J l

l l

a EJ

l M

l M

3 1

2 2

Từ đó ta nhận xét rằng nếu a càng nhỏ thì độ võng của trục càng nhỏ, nhưngđộ võng gây ra do dịch chuyển hướng kính và biến dạng của ổ trục càng lớn.Độ võng của trục tại các ổ trục là:

B t

A

f d

S d

f d

f d f

Do biến dạng này sẽ xuất hiện góc nghiêng của trục tại ổ so với đường nối

2 1

3 1 1

2 0

J

J l

l l

a EJ

l M a

l f

k

3.1.2.4 Kiểm tra trục theo độ cứng

Các độ võng fk và f’C phải thoả mãn điều kiện f  i f cp

3.1.2.5 Khoảng cách tối ưu giữa hai ổ đỡ

Khoảng cách tối ưu giữa hai ổ đỡ ứng với chuyển vị nhỏ nhất của trục gọi làkhoảng cách tối ưu atư Muốn xác định khoảng cách tối ưu ta lấy đạo hàm của độvõng theo khoảng cách a giữa hai ổ đỡ rồi cho nó bằng không, nghĩa là:



Khoảng cách tối ưu thường chưa phải là khoảng cách hợp lý Vì nếu ta chọnkhoảng cách tối ưu thì phản lực tại các ổ đỡ có thể sẽ rất lớn, dẫn tới kích thướccác ổ đỡ cũng sẽ lớn Điều này sẽ không kinh tế và không tiện lợi

3.1.2.6 Tính toán trục theo ổn định ngang

Tính toán trục theo ổn định ngang là xác định xem trục có thoả mãn điều kiện

ở bảng 3.1 không Nếu trục không thoả mãn những điều kiện này thì cần thựchiện những biện pháp như: thay đổi các quan hệ kích thước trục, thay đổi độcứng của trục, thay đổi vận tốc làm việc để thoả mãn cho được các điều kiệnđó.Vận tốc góc tới hạn 1 có thể xác định khá chính xác Để đơn giản và thuậntiện trong tính toán ta giả thiết khối lượng dao động tập trung tại cơ cấu khuấyvà đặt ở ngay đầu trục, đồng thời bỏ qua sức cản của môi trường khuấy Như vậyphương trình vi phân của dao động ngang là:

mf f f mk'cos0 t (3-12)

fmax – biên độ dao động, m

 – pha ban đầu

1 – tần số dao động riêng của trục hoặc vận tốc góc tới hạn củatrục và được xác định theo công thức: 1  m k

m – khối lượng dao động, xác định theo công thức

t

m

với mk – khối lượng cơ cấu khuấy, kg

ml – khối lượng chất lỏng cùng dao động theo với tốc độ[f], kg

k – độ cứng của trục tại chổ mắc cánh khuấyKhối lượng chất lỏng cùng dao động có thể xác định nhờ giả thuyết rằng thểtích chất lỏng cùng dao động chính là thể tích tạo nên bởi một cánh của cơ cấukhuấy khi quay

3.1.3 Tính các ổ đỡ trục khuấy

Tính các ổ đỡ với các phản lực ổ đỡ như sau:

Ổ đỡ trên vừa chịu lực hướng kính được tính theo công thức

F

x c

uB r

rA

ar

M l N a

M a

l F F

2 1

M

rB

Trong đó a – khoảng cách giữa hai ổ đỡ, m

dti – đường kính trục tại chỗ mắc hộp đệm, mĐể đảm bảo một loại ổ kích thước cho sẵn có thể chịu được lực nói chung thìcần phải chọn khoảng cách a hợp lý Thường tỉ lệ 5 10

3.2 TÍNH BỀN CƠ CẤU KHUẤY

3.2.1 Tính bền cơ cấu khuấy cánh thẳng

Sơ đồ chịu lực: muốn tính toán chính xác cơ cấu khuấy cần phải xác định được

sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu khuấy, được quyết định bởi cấu trúc chong chóng

Do quan hệ dòng chảy ở trong thiết bị khuấy với các cánh khuấy và thùng khuấykhác nhau nên hiện nay mới chỉ biểu diễn được các công thức gần đúng Đó là

do ảnh hưởng của nhiều yếu tố: loại và dạng cánh khuấy, loại thùng khuấy,chuẩn số Reynolds, chuẩn số Frul, sự tạo xoáy … Mặt khác, việc xác định lực tácdụng lên cánh khuấy còn do yếu tố động lực học (dao động độ cứng) Vì thế, chỉcó thể đưa ra các phương phap tính gần đúng sức bền của các cánh của cơ cấukhuấy

Khi cánh cơ cấu khuấy chuyển động thì chịu tác dụng của áp suất cản của môitrường theo định luật Newton

p  C'pv2 (3-13)

Trong đó: p – áp suất, N/m2

v – vận tốc tương đối của cánh khuấy trong môi trường, m/s  – khối lượng riêng của môi trường, kg/m3

C’p – hệ số trở lực của môi trường, C’p= f (Re,Fr )Để tính toán tiện lợi cần chuyển lực phân bố diện tích (áp suất) thành lựcphân bố độ dài q(r) (N/m)

trong đó b – chiều cao cánh khuấy, m

Lực phân bố q(r) phân bố chiều dài của cánh cơ cấu khuấy theo quy luật mũ.Trong thực tế ta chỉ cần tính bền ở tiết diện nguy hiểm nhất, vì thế hoàn toàncho phép chuyển sơ đồ tương đương với FC chính là hợp lực tác dụng lên cánh(gọi tắc là lực cánh) đặt tại điểm đặt lực nằm trên đường trục của cánh và cókhoảng cánh tới trục quay là rk Tỉ số rF/ rk phụ thuộc vào chế độ khuấy và thùngkhuấy

3.2.1.1 Tính chiều dày cánh của cơ cấu khuấy

Giá trị lớn nhất của momen uốn xuất hiện tại chân của cánh được xác địnhtheo công thức:

M umax r F  r bF C (3-14)

trong đó Mumax – momen uốn lớn nhất, Nm

rF – khoảng cách giữa điểm đặt lực và trục cơ cấu khuấy, m

b v C pb r

FC – lực cánh, NNếu cánh nghiêng thì xác định theo công thức:

cos

c F

x C

N r

M

F  (3-15)

Thay giá trị của FC vào công thức trên ta có:

 cos

1

max

C x

k F k b u

N

M r

r r

r M

trong đó S – chiều dày cánh, m

Mumax – momen uốn lớn nhất, Nm

b – chiều cao của cánh, m

T – giới hạn chảy của vật liệu làm cánh, N/m2

nT – hệ số an toàn chảy, nT=23

3.2.1.2 Xác định khoảng cánh từ điểm đặt lực tới trục quay

 Đối với thùng khuấy có tấm chắn khi chảy rối vận tốc tiếp tuyến của chấtlỏng coi như bằng không Như vậy, vận tốc tương đối của cánh khuấy chính bằngvận tốc vòng của cánh khuấy, nghĩa là:

v=r (3-17)

Như vậy:

b r C

r

2 2 '

) (  

Lực cánh tác dụng lên một phân tố diện tích dA=bdr của cánh khuấy là:

dF C q r dr C p' 2r2bdr

2

1 )

 (3-18)

Trong đó C’p – hệ số trở lực

Lực tổng tác dụng lên một tổng của cơ cấu khuấy là:

2 '

62

1

b k

p p

r

r c

3 cos

k b k

b k

C C

x F

r r r

r r

F N

M r



Khi đường kính bạc cơ cấu khuấy rb =(00.5)rk thì rF =(0750.805)rk

 Đối với thùng khuấy không tấm chắn có cơ cấu khuấy làm việc ở chế độkhuấy rối (Rek>104) sẽ không tồn tại vận tương đối giữa cánh cơ cấu khuấy vàmôi trường khi r<r0 (r0-bán kính phần lõi chất lỏng, phần này chuyển động vớivận tốc bằng vận tốc cánh khuấy có bán kính r tương ứng) Như vậy, chỉ tồn tạilực phân bố dài ở r>r0, vì ở phầnôc1 tương đối giữa cánh khuấy và môi trườngkhuấy:

75 0 0

v   (3-19)

Lực phân bố dài có giá trị:

2 75 0 0 0

2 '

2 )

r r r b C dr r q

c

2 75 0 0 0

2 '

2 )

r r r b C dr

r q

k

0 0

2 '

2 )

C dF r

x xc

0 0

2 ' 2

cos cos

0





Sau khi lấy tích phân ta có:

3 0 75 1 0 2

'

9

49 8

9

32 1 8

cos

k k

k

p c

x

r

r r

r r

r b

C N

bằng cách thay Fc và Mx/ Nc từ các biểu thức trên ta có:

1 0

4 0 5

3 0 75 1 0

65

495

241

9

498

9

32143

k k

k

k k

k k

F

r

r r

r r

r

r

r r

r r

r r

BƠM THỦY LỰC

Trong hệ thống thủy lực, bơm tạo ra dòng chảy của lưu chất Bơm không tạo

ra áp suất nhưng phải thắng lực cản để chảy bên trong mạch Có hai nhóm bơm

cơ bản: bơm có lưu lượng riêng (không dương) âm (bơm ly tâm) và bơm cólưu lượng riêng dương (bơm thể tích)

4.1 BƠM CÓ LƯU LƯỢNG RIÊNG KHÔNG DƯƠNG (BƠM LY TÂM)

Một cơ cấu có lưu lượng riêng không dương điển hình là bơm ly tâm trong đólưu lượng cung cấp từ bơm sẽ giảm khi áp suất cản của hệ thống tăng Nếu cửathoát của bơm ly tâm hoàn toàn bị chặn thì bơm sẽ ngừng hoạt động, và lưulượng cung cấp là zero Bơm ly tâm được minh hoạ ở hình 4.1 với các đặc tínhcủa hệ thống Bánh công tác quay và làm cho lưu chất bị hút vào cổng vào củabơm và sau đó lưu chất được đưa ra cổng thoát bởi tác động của lực ly tâm

Bơm có lưu lượng riêng không dương được ứng dụng giới hạn trong việc cungcấp thêm (trợ giúp) cho các hệ thống bơm lưu lượng riêng dương chính, cho cáchệ thống chuyển dịch lưu chất, cho các hệ thống làm nguội và điều hoà

Hình 4.1 Bơm ly tâm: sơ đồ hoạt động và đường đặc tính lưu lượng/áp suất

4.2 BƠM CÓ LƯU LƯỢNG RIÊNG DƯƠNG (BƠM THỂ TÍCH)

Bơm lưu lượng riêng dương được trình bày ở hình 4.2

Xem khoảng dịch chuyển của bơm là L và vận tốc của bơm là np(vòng/ phút).Vậy lưu lượng riêng cho một vòng :

L d

Hình 4.2 Bơm có lưu lượng riêng dương

Gọi Qp lưu lượng cung cấp thật của bơm trong một phút, Tp là momen xoắntrung bình, và Pp là lượng tăng áp qua bơm Khi đó:

Lưu lượng bơm lý thuyết =Lưu riêng trong một vòng  Số vòng quay trong một phút

p v

n D

Q p

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượngđược quan tâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiềutính chất của vật chất Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làmthay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó, thí dụ như ápsuất và thể tích của một chất khí, sự thay đổi pha hay điểm Curi của các vật liệutừ tính Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sốnghàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết

Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của một nhiệt độ là vấn đề không đơngiản Vì phần lớn các đại lượng vật lý đều có thể xác định một cách định lượngnhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất được coi là đại lượng sosánh Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng mở rộng vì chúng có thể xácđịnh được bằng bội số hoặc ước số của đại lượng chuẩn (đại lượng so sánh).Ngược lại, nhiệt độ là đại lượng gia tăng: việc nhân hoặc chia nhiệt độ không cómột ý nghĩa vật lý rõ ràng Bởi vậy, việc nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lậpthang đo nhiệt độ là điều cần làm trước khi có thể nói đến việc đo nhiệt độ

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chínhsau đây:

- Phương pháp quang: dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao độngnhiệt (hiệu ứng Doppler)

- Phương pháp cơ: dựa trên sự giãn nở của vật rắn của chất lỏng hoặc khí(với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm thanh

- Phương pháp điện: dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệuứng Secbeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh

5.1 THANG NHIỆT ĐỘ

Các tính chất vật lý của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng Từ sự thayđổi nhiệt của một đặc trưng vật lý của vật liệu cho trước người ta luôn luôncó thể xác định một thang nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ và đặc biệt là nhậnbiết sự cân bằng của hai nhiệt độ Tuy vậy, thang nhiệt độ như thế là hoàn toàntuỳ tiện bởi vì nó liên quan đến một tính chất đặc biệt của một vật thể đặc biệt:nó không cho phép gán cho một giá trị nhiệt độ một ý nghĩa vật lý riêng Chỉ cóxuất phát từ các định luật nhiệt động học mới có thể xác định thang nhiệt độ cóđặc trưng tổng quát cho mọi trường hợp

Các thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự như nhau và dựa trên tínhchất của khí lý tưởng Định luật Carnot nêu rõ: hiệu suất  của một động cơnhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn (với nhiệt độ 1 và 2 tương ứng),trong một thang đo bất kỳ, chỉ phụ thuộc vào 1 và 2:  = F(1)/F(2)

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại, việc lựa chọnhàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt đo Đặt F() = T chúng ta sẽ xác định T nhưlà nhiệt độ động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch đượcviết như sau:

 = 1- T1/ T2 (5-1)

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học của hai nguồn Như đã biết, chấtkhí lý tưởng được xác định bởi:

- Nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí

- Phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ  :

p.v = G() (5-2)

Có thể chứng minh được rằng G() = R.T

Trong đó R là hằng số của chất khí lý tưởng Giá trị R của một phân tử gamcủa chất khí chỉ phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ Để có thể gán một giá trị số

cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện là hiện tượngnày hoàn toàn xác định và có tính lặp lại.

Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:

Thang Kelvin: đơn vị là K Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ

của điểm cân bằng của ba trạng thái nước- nước đá-hơi một giá trị số bằng

273,15K

Từ thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối (thang Kelvin) người ta đã xácđịnh các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit (bằng cách dịch chuyểncác giá trị nhiệt độ)

Thang Celsius:

Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là oC, một độ Celsius bằng một độKelvin Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bởibiểu thức :

T(0C) = T(K) – 273,15 (5-3)

Thang Fahrenheit:

Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F)

T(0C) = {T(0F) – 32}5/9 (5-4) T(0F) = 9/5 T(0C) + 32 (5-5)

Trong bảng 5.1 ghi các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng ở cácthang đo khác nhau:

Bảng 5.1

Hỗn hợp nước-nước

Cân bằng nước-nước

5.2 NHIỆT ĐỘ ĐO ĐƯỢC VÀ NHIỆT ĐỘ CẦN ĐO

5.2.1 Nhiệt độ đo được

Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hay một cặp nhiệt) chính bằng nhiệt độcủa cảm biến và ký hiệu là Te Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sựtrao đổi nhiệt trong đó Nhiệm vụ của người làm thực nghiệm là làm thế nào đểgiảm hiệu số Tx-Te xuống nhỏ nhất Có hai biện pháp để giảm sự khác biệtgiữa Tx và Te:

-Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo

-Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài

5.2.2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Thông thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngoài Để đo nhiệtđộ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoanmột lỗ nhỏ với đường kính bằng r và độ sâu bằng L Lỗ này dùng để đưa cảmbiến vào sâu trong vật rắn Để tăng độ chính xác của kết quả, phải đảm bảo haiđiều kiện:

-Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp mười lần đường kínhcủa nó (L10r)

-Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cáchgiữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan Khoảng trống giữa vỏ cảm biến và thành lỗkhoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt

5.3 ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG ĐIỆN TRỞ

5.3.1 Độ nhạy nhiệt

Trong trường hợp tổng quát, giá trị của một điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ: R(T) = R0F(T-T0) (5-6)

R0 là điện trở ở nhiệt độ T0 và F là hàm đặc trưng cho vật liệu, F=1 khi T=T0.Trường hợp kim loại :

R(T) = R0(1+AT+BT 2 + CT3) (5-7)

Trong đó T đo bằng độ oC và T0 =0 oC

R(T) = R0.exp{B[

0

1 1

T

T  ]} (5-8)

Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối

Các hệ số được xác định chính xác bằng cách đo những nhiệt độ đã biếttrước Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R người ta xác định đượcnhiệt độ cần đo

Khi độ biến thiên nhiệt độ T (xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có thể thayđổi theo hàm tuyến tín:

R(T+ T)=R(T).(1+RT) (5-9) R = R(1T) dT dR (5-10)

R là hệ số nhiệt độ của điện trở hay độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T Hệ số R

phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ Thí dụ, ở nhiệt độ 0 oC:

-Platin (Pt) có hệ số R = 3,9.10-3/ oC

-Một số loại nhiệt điện trở có R = 5,2.10-2/oC

Chất lượng của thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được

min =10-6 và đối với những phép đo xung quanh điểm oC thì:

- Tmin  2,6.10–4oC đối với điện trở Pt

- Tmin  2,0.10-5oC đối với nhiệt điện trở

Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở phụ thuộc đồng thời vào điện trở

suất  và kích thước hình học của nó Đối với một dây điện trở chiều dài l và tiết

diện s, hệ số nhiệt độ được tính theo biểu thức:

R=R(1T) dT dR = 1 dT d 1l dT dl  1s dT ds



(5-11)

Trong đó :

5.3.2 Điện trở kim loại

5.3.2.1 Chọn Kim Loại

Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác người ta thườnglàm điện trở bằng Pt, Ni Đôi khi còn dùng Cu, W để chế tạo điện trở

Plantin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999) Điều này chophép tăng độ chính xác của các tính chất điện củavật liệu Ngoài ra, tính trơ vềhoá học và sự ổn định về cấu trúc của plantin đảm bảo sự ổn của các đặc tínhdẫn điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này Các điện trở làm bằng platinhoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng với T=-2000C 10000C nếu nhưvỏ bảo vệ của nó cho phép

Nikel có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin Điện trở của nikel ở 100

C

0 lớn gấp 1,617 lần so với giá trị ở 00C Đối với platin sự chênh lệch củađiện trở ở hai nhiệt độ này chỉ bằng 1,385 Tuy vậy nikel là chất có hoạt tínhhoá học cao, nó dễ bị ôxy hoá khi nhiệt độ làm việc tăng Điều này làm giảmtính ổn định của nó và hạn chế dải nhiệt độ làm việc của điện trở Thông thườngcác điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt độ thấp hơn 2500C

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp bởi vì sự thay đổi nhiệt của cácđiện trở chế tạo bằng đồng có độ tuyến tính cao Tuy vậy, do hoạt tính hóa họccủa đồng quá lớn nên các điện trở loại này chỉ được sử ở nhiệt độ T<1800C Ngoài ra, do điện trở suất của đồng nhỏ nên muốn có điện trở trị số cao phảităng chiều dài của dây làm tăng kích thước của điện trở

Wonfram có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nócó thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn Từ wonfram cóthể chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trị số cao, hoặc là tốithiểu hoá kích thước của các điện trở Tuy nhiên ứng suất (tạo ra trong quá trìnhkéo sợi) trong wonfram rất khó có thể bị triệt tiêu hoàn toàn bằng phương pháp

ủ nhiệt Vì thế các điện trở wonfram có độ ổn định nhiệt nhỏ hơn so với các điệntrở chế tạo từ platin

vật liệu thường được sử dụng để chế tạo điện trở Các ký hiệu trong bảng có ýnghĩa như sau:

Tf - nhiệt độ nóng chảy

c - nhiệt lượng riêng ở 20 oC

t

 - độ dẫn nhiệt

l

 - hệ số giãn nở tuyến tính

 - điện trở suất ở 20 oC

5.3.2.2 Chế Tạo Nhiệt Kế

Giá trị điện trở và kích thước dây:

Một cách tổng quát, sự thay đổi nhiệt của một điện trở R=RRT sẽ gây nênmột điện áp do Vm=R.i, trong đó i là dòng điện chạy qua điện trở Thôngthường i được giới hạn ở giá trị một vài mA để tránh làm nóng đầu đo Để có độnhạy cao phải sử dụng các điện trở tương đối lớn Muốn vậy phải:

- Giảm tiết diện dây Việc này bị hạn chế bởi vì tiết diện dây càng nhỏ thìdây càng dể bị đứt

- Tăng chiều dài dây Việc này cũng bị giới hạn vì tăng chiều dài dây làmtăng kích thước điện trở

Giải pháp nhân nhượng :

Một giải pháp nhân nhượng thường được áp dụng: ấn định giá trị R 100 ở

0oC Khi đó, nếu dùng platin đường kính dây cỡ vài chục m và chiều dàikhoảng 10cm, sau khi cuốn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm.Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở 0oC là 50 , 500, và 1000.Các điện trở trị số lớn thường được sử dụng để đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đóchúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt

Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chốngđược va chạm mạnh và rung động Trong trường hợp này điện trở kim loại đượccuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm đặt trong vỏ kín bằng thép

Khi chọn vật liệu chế tạo nhiệt kế cần chú ý đến hệ số giãn nở nhiệt của cácvật liệu cấu thành để tránh gây ứng suất trong quá trình làm việc Độ kín của vỏbọc cần được đảm bảo một cách tuyệt đối Ngoài ra vật liệu bọc dây điện trởphải có độ cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân có thể dẫn đến làmhỏng kim loại Vì lý do này mỗi loại vật liệu chỉ được dùng trong một khoảngnhiệt độ nhất định: dưới 500oC đối với thủy tinh và dưới 10000oC đối với gốm

Nhiệt kế bề mặt:

Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn Nó thường đượcchế tạo bằng phương pháp quan hoá và sử dụng các vật liệu làm điện trở là Ni,Fe-Ni hoặc Pt (Pt được sử dụng khi cần độ chính xác cao) Chiều dày lớp kimloại cỡ một vài m và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2 Các đặc trưng của nhiệt kếbề mặt như sau:

-Độ nhạy R : 5 10-3/oC đối với trường hợp Ni và Fe-Ni

4 10-3/oC đối với trường hợp Pt

-Dải nhiệt độ sử dụng: từ - 195oC đến 260oC đối với Ni và Fe-Ni

từ - 260oC đến 1400oC đối với Pt

Khi sử dụng nhiệt kế được dán trên bề mặt cần đo nhiệt độ Tỷ lệ bề mặt /thểtích cao và trở kháng nhiệt nhỏ của đế đảm bảo cho thời gian hồi đáp cỡ miligiây Tuy nhiên cần phải lưu ý là nhiệt kế bề mặt rất nhặy với mọi biến dạngcủa cấu trúc bề mặt được dán nhiệt kế Hệ số cảm biến của nikel phụ thuộc vàobiến dạng: giá trị của nó nhỏ khi bị nén Bởi vậy nếu không thể dán nhiệt kếtrên vùng không có biến dạng thì tốt nhất là dán nó trên vùng bị biến dạng nén.Một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sai số của phép đo là biến dạng gâynên do sự khác nhau giữa độ giãn nở của nhiệt kế và của cấu trúc nằm dưới bềmặt Hiệu ứng này đặc biệt lớn khi nhiệt độ đo lớn hơn nhiều so nhiệt đô(â của

liệu về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ đối với vật liệu cần đo.

5.3.3 Nhiệt điện trở

5.3.3.1 Đặc điểm chung

Một tính chất quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt rất cao,khoảng 10 lần lớn hơn so với điện trở kim loại Ngoài ra, hệ số nhiệt của chúngcó giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ

Nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp các ôxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO,MgAL2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4

Để chế tạo nhiệt điện trở, các bột ô xít được trộn với nhau theo một tỷ lệ thíchhợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở 1000oC Các dây nối kimloại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kimloại Các nhiệt điện trở được chế tạo với những hình dạng khác nhau (đĩa, hìnhtrụ, vòng…) và phần tử nhạy cảm có thể được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần.Các vật liệu thường được sử dụng có điện trở suất cao cho phép chế tạo nhữngđiện trở có giá trị thích hợp với một lượng vật chất nhỏ và với kích thước tốithiểu (cỡ mm) Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời donhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn

Độ ổn định của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào việc chế tạo nó và điều kiệnsử dụng Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bị phá huỷ hoá học vàtăng độ ổ định khi làm việc Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần phảitránh những thăng gián nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này có thể dẫn đến làm rạnnứt vật liệu Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, dãi nhiệt độ làm việc có thể thayđổi từ một vài độ tuyệt đối đến đến khoảng 300 oC Có thể mở rộng dãi nhiệt độnày nhưng khi đó trị số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độcao

5.3.3.2 Độ Dẫn Của Nhiệt Điện Trở

Một cách tổng quát, độ dẫn của một chất bán dẫn được biểu diễn bởi côngthức:

kết giữa các nguyên tử và dẫn đến sự hình thành các cặp điện tử và lỗ trống Sốcặp G hình thành trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích được biểu diễnbởi biểu thức:

G = A.Ta.exp(-qEi/kT) (5-13)

Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chất bán dẫn, Ei là năng lượng cần thiếtđể làm đứt mối liên kết, A và a là hằng số đặc trưng cho vật liệu Tuy nhiên mộtđiện tử và một lỗ trống tự do có thể tái hợp lại để hình thành một mối liên kết.Số lần tái hợp R trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích tỷ lệ với nồngđộ điện tử và lỗ trống tự do:

.

2 / 1

Ei là năng lượng liên kết

5.3.3.3 Quan Hệ Điện TRở–Nhiệt Độ

Từ biểu thức của độ dẫn  có thể viết biểu thức của điện trở:

o

T T T

T R T

2



(5-16)

nhạy dưới dạng:

T T B R

Trên hình 5.1a biểu diễn sự thay đổi của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của

một nhiệt điện trở Trên hình 5.1b biểu diễn sự thay đổi của độ nhạy nhiệt R

vào nhiệt độ của cùng nhiệt điện trở đó Giá trị của B đối với nhiệt điện trở nàybằng 3200K ở -80 oC và tăng lên đến 4150K khi nhiệt độ bằng 150 oC, tương ứngvới  = 2600K và b =3,6

R (T) 1M

Hình 5.1a Đặc trưng điện trở của nhiệt điện trở.

T(K) 400

350 300

250 200

0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 - R

Hình 5.1b Đặc trưng độ nhạy nhiệt của một nhiệt điện trở.

Độ nhạy nhiệt cao của nhiệt điện trở cho phép ứng dụng chúng để phát hiệnnhững biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (10-410-3K)

Các nhiệt điện trở có thể được sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ một vài độ Kđến 300 oC Để đo nhiệt độ ngoài phạm vi của dải này, cần phải chọn vật liệuđặc biệt, thí dụ cacbuasilic và có biện pháp bảo vệ hữu hiệu chống lại sự pháhuỷ hoá học

Để đo nhiệt độ thấp, người ta sử dụng các nhiệt điện trở có giá trị nhỏ ở 25 oC(thí dụ 50 hoặc 100) Trong khi đó, để đo nhiệt độ cao cần phải sử dụng nhữngnhiệt điện trở có điện trở cao ở nhiệt độ 25 oC (từ 100 đến 500) Việc lựachọn giá trị chính xác của điện trở phụ thuộc vào thiết bị đo

5.3.4 Điện trở Silic

Đây là một điện trở bán dẫn, nó khác với những nhiệt điện trở nói trên ởnhững điểm sau:

- Hệ số nhiệt độ của điện trở suất có giá trị dương, cỡ 0,7 / oC ở 25oC Sựthay đổi nhiệt độ của nó tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá đặc tuyến củacảm biến trong vùng nhiệt độ làm việc (hình 5.2) bằng cách mắc thêm một điệntrở phụ (song song hoặc nối tiếp tùy thuộc vào mạch đo )

- Khoảng nhiệt độ sử dụng bị hạn chế trong khoang’ từ -50 oC đến 120 oC.Các điện trở silic được chế tạo bằng công nghệ khuyếch tán tạïp chất vào đơntinh thể silic Sự thay đổi nhiệt của điện trở suất của silic phụ thuộc vào nồng độpha tạp và vào nhiệt độ

Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 120 oC (khoang( nhiệt độ làm việc của điện trở silic),điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng do độ linh động của hạt tải giảm mà nồng độ

tạp, nó lớn hơn rất nhiều so với nồng độ gây nên bởi sự ion hoá (hình thành cặpđiện tử-lỗ trống) Hệ số nhiệt độ của điện trở càng nhỏ khi pha tạp càng mạnh.

2000 1500 1000

500

300 -55 -25 0 25 50 75 100

R (  )

đầu đo

tuyến tính hoá với R = 2,6 k 

tuyến tính hoá với R = 2,5 k 

Nhiệt độ (  C)

Hình 5.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở Silic.

Trong trường hợp nhiệt độ lớn hơn 120 oC, điện trở suất giảm khi nhiệt độtăng Quá trình ion hoá do nhiệt (chuyển mức của điện tử từ vùng hoá trị lênvùng dẫn) chiếm ưu thế làm cho nồng độ hạt tải tăng lên lớn hơn là nồng độ phatạp Hệ số nhiệt của điện trở suất trong vùng này không phụ thuộc vào pha tạp:đây là trường hợp bán dẫn riêng

5.4 ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG CẶP NHIỆT

5.4.1 Đặc trưng chung-độ nhạy nhiệt

Cặp nhiệt có cấu tạo gồm hai dây dẫn A và B được nối với nhau bởi hai mốihàn có nhiệt độ T1và T2 Suất điện động E phụ thuộc vào bản chất vật liệu làmcác dây dẫn A, B và vào nhiệt độ T1 và T2 Thông thường nhiệt độ của một mốihàn được giữ ở giá trị không đổi và biết trước, gọi là nhiệt độ chuẩn (T1= Tref).Nhiệt độ T2 của mối hàn thứ hai, khi đặt trong môi trường nghiên cứu nó sẽ đạtgiá trị Tc chưa biết Nhiệt độ Tc là hàm của nhiệt độ Tx và của các quá trình traođổi nhiệt (có thể xảy ra)

Việc sử dụng cặp nhiệt có nhiều lợi thế Kích thước cặp nhiệt nhỏ nên có thể

đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tượng nghiên cứu và tăng tốc độ hồi đáp (do

nhiệt dung nhỏ) Một ưu điểm quan trọng nữa là cặp nhiệt cung cấp suất điệnđộng nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do vậy không có hiệu ứngđốt nóng.

Tuy nhiên sử dụng cặp nhiệt cũng có điều bất lợi: phải biết trước nhiệt độ sosánh Tref , và do vậy sai số Tref cũng chính là sai số của Tc

-10

10 20 30 40 50 60 70

E

J K

R S B E(mV)

Hình 5.3 Sự thay đổi nhiệt của suất điện động E của một số loại cặp nhiệt.

Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng của nhiệt độ là hàm khôngtuyến tính của Tc (hình 5.3) Mỗi loại cặp nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trịcủa suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ) và một biểu thức diễn giải sự phụthuộc của suất điện động vào nhiệt độ Thí dụ, đối với cặp nhiệt platin-30rodi/platin-6rodi, trong khoảng nhiệt độ từ 0 oC đến 1820 oC theo chuẩn NFC42-321sự phụ thuộc của suất điện động E vào nhiệt độ có dạng :

i

i T a E

Trong đó: E đo bằng m và T đo bằng oC Giá trị cụ thể của các hệ số ai trongbiểu thức trên như sau:

a0 = 0 a1 = -2,4674601620.10-1

270 oC đối với cặp nhiệt đồng/vàng-coban đến 2700 oC đối với cặp nhiệtwonfram-reni 5%/wonfram-reni 26% Như vậy, cặp nhiệt có dải nhiệt độ làmviệc rộng hơn nhiều so với nhiệt kế điện trở và đây cũng là một ưu điểm củachúng.

Độ nhạy nhiệt (hay còn gọi là năng suất nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ởnhiệt độ Tc được xác định bởi biểu thức :

c

B A c

dT

dE T

s( )  / (5-19)

Trong đó: s là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là V/ oC Thí dụ:

Cặp nhiệt Fe/constantan:

s(0 oC)=52,9V/ oC,s(700oC)=63,8V/ oC

Cặp nhiệt Pt-Rh(10%)/Pt

s(0oC)=6,4V/ oC,s(1400oC)=11,93V/ oC

5.4.2 Các hiệu ứng nhiệt điện

Trong các chuỗi (dãy) dẫn điện nối tiếp dạng kim chất lỏng hay kim bán dẫn có các hiệu ứng nhiệt điện (thí dụ hiệu Joule) Chúng được thể hiệnthông qua sự chuyển đổi giữa năng lượng của dao động nhiệt và năng lượng điệncủa các hạt tải chuyển động

loại-5.4.2.1 Hiệu ứng Peltier

Ở tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng cùng mộtnhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc (hình 5.4a) Hiệu điện thế này chỉphụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ:

VM – VN = PT

A/B (5-20)

Đây chính là suất điện động Peliter

Định luật Volta phát biểu như sau: trong một chuỗi cách nhiệt được cấu thànhtừ những vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0 Thí dụ, trongmột chuỗi gồm bốn vật dẫn A, B, C, D mắc nối tiếp (hình 5.4b), tổng suất điệnđộng sẽ bằng 0:

Như vậy có thể kết luận, khi hai vật dẫn A và D được phân cách bởi các vậttrung gian và toàn hệ thống được cách nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn Avà D ở đầu mút cũng chính bằng hiệu điện thế nếu như chúng (A và D) tiếp xúctrực tiếp với nhau

5.4.2.2 Hiệu ứng Thomson

Trong một vật dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhausẽ sinh ra một suất điện động (hình 5.4c) Suất điện động này chỉ phụ thuộc vàobản chất của vật dẫn và nhiệt độ TM, TN của hai điểm M và N:



M

N

N M

T

T A T

c b

c)hiệu ứng Thomson d)hiệu ứng Seebeck.

5.4.2.3 Hiệu ứng Seebeck

Giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A B và hai chuyển tiếp củachúng được giữ ở nhiệt độ T1 và T2 (hình 5.4d), khi đó mạch sẽ tạo thành mộtcặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện này sẽ gây nên một suất điện động do kết quả tácđộng đồng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson Suất điện động đó gọi làsuất điện động Seebeck

Thật vậy, suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và a lần lượt bằng:

cd h dT

/

T A B

/ / /

T

T

B A

T B A

T B A

T B

Nếu chọn nhiệt độ T1 làm nhiệt độ so sánh và lấy T1=0oC, khi đó đối với mộtcặp vật dẫn A và B cho trước, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2

5.4.3 Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo

5.4.3.1 Chế tạo ccëp nhiệt và vỏ bảo vệ

Trong khi chế tạo cặp nhiệt cần phải tránh tạo ra những cặp nhiệt ký sinh.Nguyên nhân gây ra cặp nhiệt ký sinh là do gấp khúc dây, nhiễm bẩn hoá học,bức xạ hạt nhân (biến đổi nguyên tố) Mối hàn cũng phải nhỏ tới mức tối đa, bởi

vì nếu vùng hàn có kích thước lớn thì giữa các điểm khác nhau có thể nhiệt độsẽ khác nhau tạo ra suất điện động ký sinh

Có ba kỹ thuật chính thường được sử dụng để hàn cặp nhiệt:

- Hàn thiếc khi nhiệt độ sử dụng không quá cao

- Hàn xì bằng đèn xì axêtylen

- Hàn bằng tia lửa điện

Để tránh mọi tiếp xúc ở ngoài mối hàn, dây được đặt sứ cách điện Sứ cáchđiện phải trơ về hoá học và có điện trở lớn Cấu trúc cặp nhiệt-sứ cách điệnthường không bền vững cơ học, bởi vậy để bảo vệ, người ta còn trang bị thêm