Đo lường Đại lượng không Điện Đề tài tìm hiểu về nguyên lý hoạt Động của pt100 rtd và cách sử dụng trong Đo lường công nghiệp

Khái niệm PT100 - Cảm biến nhiệt điện trở Resistance Temperature Detectors hay RTD, là một loại cảm biến mà điện trở thay đổi khi nhiệt độ môi trường chúng được đưa vào thay đổi - Sự th

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

-🙣🙣🙣 -ĐO LƯỜNG ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PT100 RTD VÀ CÁCH SỬ DỤNG

TRONG ĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆP.

Giảng viên hướng dẫn: TS Đoàn Diễm Vương

Sinh viên thực hiện: Vũ Sỹ Dũng

Nguyễn Thành Lộc

Đỗ Văn VũNguyễn Tiến ViệtNguyễn Tiến HảiNgành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và

Mục Lục

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ PT100 RTD 2

1 Khái niệm PT100 2

2 Phân loại cảm biến Pt100 3

2.1 Theo cấu tạo 3

2.2 Theo cách lắp đặt 3

2.3 Phân loại theo số dây của cảm biến 4

3 Mạch chia áp, Mạch cầu không cân bằng, Mạch cầu cân bằng 7

3.1 Mạch chia áp 7

3.2 Mạch cầu không cân bằng 7

3.3 Mạch cầu cân bằng tự động 8

4 Các đặc tính cơ bản của platium 8

4.1 Đặc tính cơ bản 8

4.2 Đặc tính tuyến tính 9

4.3 Bạch kim có đặc tính trơ 9

5 Hệ số Alpha 10

6 Bảng tiêu chuẩn Pt100 (385) 12

7 Cấu tạo của RTD Pt100 13

8 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ: 15

8.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên đầu củ hành: 15

8.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn tủ điện: 16

9 Kết nối Pt100 tới PLC 17

10 Ứng dụng của Pt100 18

10.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm 18

10.2 Ứng dụng PT100 đo nhiệt độ lò sấy gỗ 18

10.3 Ứng dụng đo nhiệt độ lò hơi 19

10.4 Ngành năng lượng 19

10.5 Thiết bị đo lường và nghiên cứu khoa học 20

10.6 Ngành điện tử và tự động hóa 20

11 Ưu và nhược điểm của Pt100 21

11.1 Ưu điểm của Pt100 21

11.2 Nhược điểm của Pt100 22

Tóm tắt 22

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 :aaa 3

Hình 1.2:aaa 4

Hình 2.1:aaa 5

Hình 2.2:aaa 6

Hình 2.3 :aaa 6

Hình 2.4 :aaa 7

Hình 2.5 :aaa 7

Hình 3.1 :aaa 8

Hình 3.2 :aaa 8

Hình 3.3 :aaa 9

Hình 4.1 :aaa 2

Hình 4.2:aaa 10

Hình 4.3 :aaa 10

Hình 5.1 :aaa 11

Hình 5.2:aaa 11

Hình 5.3 :aaa 12

Hình 5.4 :aaa 13

Hình 6.1 :aaa 13

Hình 7.1 :aaa 14

Hình 7.2:aaa 14

Hình 7.3 :aaa 15

Hình 8.1 :aaa 16

Hình 8.2:aaa 17

Hình 9.1 aaa 17

Hình 10.1 :aaa 19

Hình 10.2 :aaa 19

Hình 10.3 :aaa 20

Hình 10.4 :aaa 20

Hình 10.5 :aaa 21

Hình 10.6 :aaa 21

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

R100C: Giá trị điện trở ở nhiệt độ 100°C

R0c: Giá trị điện trở ở nhiệt độ 0°C

Tx: Giá trị nhiệt độ của điện trở cần đo

Rx: Giá trị điện trở cần đo

PLC (Programmable Logic Controller) - Bộ điều khiển logic khả trìnhNTC :thermocouple – cặp nhiệt điện

PTC : nhiệt điện trở - thermistor

EMI : nhiễu điện từ - EMI Shielding

MỞ ĐẦU

Việc đo lường và kiểm soát nhiệt độ đóng vai trò vô cùng quan trọng, ảnh hưởng trục tiếp đến hiệu suất và chất lượng công

việc Từ các quy trình sản xuất công nghiệp nặng đến lĩnh vực sản xuất thực phẩm và đồ uống, việc giám sát nhiệt độ chính xác là yếu tố không thể thiếu Trong số các cảm biến đo nhiệt

độ hiện có như: cảm biến nhiệt điện trở (RTD), cặp nhiệt điện (TC), IC nhiệt độ, hỏa kế, nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor)

… Trong đó, nhiệt điện trở Platinum 100 hay Pt100 là một phần quan trọng của nhiều hệ thống kiểm soát quy trình và là một lựa chọn nổi bật, phổ biến nhờ độ chính xác cao, tính ổn định và độ bền vượt trội

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ PT100 RTD

1 Khái niệm PT100

- Cảm biến nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detectors) hay RTD, là một loại cảm biến mà điện trở thay đổi khi nhiệt

độ môi trường chúng được đưa vào thay đổi

- Sự thay đổi này của điện trở tỉ lệ thuận với nhiệt độ và sự thay đổi theo tuyến tính

- Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở RTD cũng tăng và ngược lại Vì thế, nếu đo được điện trở trên cảm biến RTD, chúng ta có thể xác định được nhiệt độ Điều này hoàn toàn phụ thuộc vào những đặc tính vật lí của vật liệu chế tạo

ra RTD

Hình 1.1 :aaa

- RTD có thể được chế tạo từ nhiều kim loại khác nhau như: nickel và copper, platium…có những đặc tính vật lí khiến nó trở lên rất lí tưởng để sử dụng làm các cảm biến nhiệt điện trở RTD

Hình 1.2:aaa

2 Phân loại cảm biến Pt100

Cảm biến Pt100 được phân loại theo nhiều tiêu chí, mỗi loại có

những đặc điểm và ứng dụng riêng

2.1 Theo cấu tạo

- Cảm biến Pt100 dạng dây quấn: Đây là loại phổ biến nhất, với một cuộn dây bạch kim được quấn quanh một lõi cách nhiệt Loại này có cấu trúc đơn giản, dễ sản xuất, giá thành thấp nên được ứng dụng rộng rãi

- Cảm biến Pt100 dạng màng mỏng: Loại này có độ chính xác cao hơn, sử dụng một màng mỏng bạch kim được phủ lên một lớp nền cách điện Màng mỏng bạch kim có diện tích bề mặt lớn hơn, do đó nó có thể phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi nhiệt độ Loại cảm biến này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, như trong ngành công nghiệp y tế, hóa chất

- Cảm biến Pt100 dạng chip: Loại này nhỏ gọn, dễ dàng tích hợpvào các thiết bị điện tử Nó được sử dụng trong các ứng dụng cần kích thước nhỏ, chẳng hạn như thiết bị y tế, thiết bị di động

2.2 Theo cách lắp đặt

- Cảm biến Pt100 dạng dây dò: Được gắn trực tiếp vào môi

trường cần đo nhiệt độ Loại này có khả năng đo nhiệt độ

chính xác hơn vì nó tiếp xúc trực tiếp với môi trường cần đo

 Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, thiết kế có thể uốn congđược, thích hợp đo ở những vị trí có diện tích nhỏ

 Nhược điểm: Chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 200oC

- Cảm biến Pt100 dạng củ hành: Được lắp đặt trong một ống bảo vệ, không tiếp xúc trực tiếp với môi trường cần đo Loại này được sử dụng trong các ứng dụng có môi trường khắc

nghiệt, chẳng hạn như môi trường ăn mòn, môi trường có áp suất cao

 Ưu điểm: Đo được trong những môi trường nhiệt độ cao vớikhả năng đo liên tục Thiết kế chắc chắn với lớp vỏ ngoài cảmbiến được làm bằng Inox Có chỗ để gắn bộ chuyển đổi tínhiệu từ tín hiệu nhiệt độ sang 4-20mA

 Nhược điểm: Có lẽ nhược điểm duy nhất của thiết bị chính

là thiết kế khá lớn, không thích hợp để đo trong những vị trínhỏ Ngoài ra giá của cảm biến dạng đầu dò cũng cao hơnkhá nhiều so với loại dây

- Cảm biến Pt100 dạng tiếp xúc bề mặt: Được gắn trực tiếp lên

bề mặt cần đo nhiệt độ Loại này sử dụng để đo nhiệt độ của các bề mặt phẳng, chẳng hạn như tường, sàn, mái

2.3 Phân loại theo số dây của cảm biến

2.3.1 RTD Pt100 2 dây

Hình 2.1:aaa

Để xác định điện trở của RTD, người ta sử dụng một mạch cầu đặc

biệt, gọi là cầu Wheatstone .

Trong sơ đồ này, có bốn điện trở trong đó RA=RB=RC và điện trở thứ tư chính là RTD và điện trở của nó có thể được suy ra từ điện áp

đo được trên hai chân cầu

Hình 2.2:aaa

Thiết kế RTD 2 dây này có độ sai số khoảng 2% nên không hoàn toàn chính xác vì bản thân các dây dẫn bạch kim có điện trở do chiều dài của dây và các điểm kết nối, ngoài ra còn có điện trở từ nhiệt độ được phát hiện tại điểm đo

Hình 2.3 :aaa

 Ưu điểm: Giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng.

 Nhược điểm: Độ chính xác thấp hơn so với các loại cảm biến khác do ảnh hưởng của điện trở dây dẫn.

Hình 2.5 :aaa

Loại RTD 3 dây được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành Mặc dù đắt hơn RTD 2 dây, nhưng độ ổn định và độ chính xác bổ sung rất đáng giá.

Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn so với cảm biến 2 dây, có thể đáp ứng hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp hiện nay,có thể bù trừnhiệt tốt, được sử dụng phổ biến nhất

Nhược điểm: Giá thành cao hơn so với cảm biến 2 dây

3 Mạch chia áp, Mạch cầu không cân bằng, Mạch cầu cân

bằng

Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thôngthường được dùng mạch chia áp hoặc mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là lôgômmét từđiện hoặc cầu tự động cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở

3.2 Mạch cầu không cân bằng

Hình 3.2 :aaa

Sơ đồ này có khả năng loại trừ được sai số do điện áp nguồn cung cấp thay đổi

Ba nhánh của mạch cầu R1, R2 và R3 là các điện trở làm bằng manganin, nhánh thứ

tư là điện trở nhiệt RT, bốn nhánh điện trở được mắc theo sơ đồ mạch cầu ba dây Trong

sơ đồ, điện trở RCu là điện trở của dây dẫn, Ra1, Ra2 là các điện trở điều chỉnh

Cầu được cung cấp bởi nguồn điện áp 1 chiều V, khi cầu không cân bằng thì điện áp

ra của cầu được xác định bằng công thức:

Vab=V R1( RT+ RCu 2+ Ra 2)−R2( R3++ RCu 1+ Ra 1)

( R1+ R2)(( R3++ RCu 1+ Ra 1+ RT+ RCu 2+ Ra 2)Chọn RCu1=Rcu2=Rcu; Ra1=Ra2=Ra khi đó điện áp ra của cầu sẽ được xác định bởi biểuthức

- Bạch kim là 1 nguyên tố cơ bản có kí hiệu hóa học là Pt Nó là

kí hiệu đầu tiên của Pt100.

- Bạch kim có nuyên tử khối là 195, điều này biến nó trở thành 1kim loại khá nặng với các electron tự do dẫn điện tốt, mặc dù không tốt bằng Cu và Ag

Hình 4.1 :aaa

4.2 Đặc tính tuyến tính

Bạch kim có điện trở thay đổi theo nhiệt độ gần như là tuyến tính

và có điện trở chính xác 100ohm ở mức 0 °C và và đây chính là ý

nghĩa của số “100” trong Pt100.

Hình 4.2:aaa

4.3 Bạch kim có đặc tính trơ

- Một số đặc tính khác của bạch kim khiến nó có giá trị cao trong việc đo nhiệt độ đó là bạch kim khá trơ

- Bạch kim không phản ứng với các hợp chất khác

- RTD Pt100 được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp là loại có điện trở thay đổi với khoảng 0,385 ôm cho mỗi 1°C tănglên

Phương trình này liên hệ khi điện trở RTD ở nhiệt độ được đo với

R ở nhiệt độ bằng 0°C Hệ số Alpha trong phương trình mô tả tốc độthay đổi dựa theo nhiệt độ

+) T x: Giá trị nhiệt độ của điện trở cần đo

+) R x: Giá trị điện trở cần đoĐối với Pt100 RTD, chúng em đã thay thế các giá trị điện trở của Pt100 ở mức 0°C với mức 100°C thì ta thấy Alpha bằng 0,00385Nếu biết được alpha thì có thể tính toán được điện trở gần đúng

mà RTD có thể hiện ở các nhiệt độ trong phạm vi của nó

RTD Pt100 thường dùng được gọi là RTD Pt100 (385), có những RTD bạch kim thể hiện những giá trị alpha khác nhau và chúng sẽ được chỉ định bằng các giá trị alpha tương ứng VD: Cảm biến Pt100

Hình 6.1 :aaa

7 Cấu tạo của RTD Pt100

RTD Pt100 thường được chế tạo bằng cách quấn một sợi dây bạch kim mỏng quanh lõi không dẫn điện giúp hỗ trợ sợi dây mỏng cố định Toàn bộ cụm được bọc trong một lớp vỏ để bảo vệ cảm biến vàtạo sự ổn định

Hình 7.1 :aaa

Trong các ứng dụng công nghiệp, RTD thường được đặt bên trong

các ống kim loại bảo vệ gọi là thermowell và được làm đầy bằng

chất làm đầy(chứa bột alumina được làm khô) và đổ đầy vào nhằm bảo vệ cảm biến khi bị rung động Chiều dài của RTD và thiết kế của thermowell là các thông số thiết kế do kỹ sư thiết bị đo lường vàtính toán

Hình 7.2:aaa

RTD Pt100 có thể được chế tạo từ một dây bạch kim duy nhất, tạo

ra một cảm biến có hai dây dẫn

Các dây dẫn này có thể được kết nối với một card I/O đặc biệt được thiết kế để chấp nhận đầu vào RTD hoặc có thể được kết nối với một bộ chuyển đổi nhiệt độ được đặt trong đầu củ hành thường làm bằng các vật liệu cách điện như: nhựa, nhôm hay gốm hoặc được gắn vào tủ điện

Trong cả hai trường hợp, thẻ I/O hoặc bộ chuyển đổi sẽ có chươngtrình cơ sở xác định nhiệt độ được RTD đọc từ điện trở đã đo

Bảng tiêu chuẩn Pt100 (385) mà chúng em đã giới thiệu trước đâyđược lập trình vào bộ chuyển đổi (transmitter) và thẻ đầu vào tương

tự RTD

Hình 7.3 :aaa

8 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ:

Bộ chuyển đổi tín hiệu đưa tín hiệu về “phạm vi tín hiệu” điện được

sử dụng rộng rãi trên toàn cầu là 4-20mA, 0-10V, 1-5V… Vì:

 Tín hiệu output của cảm biến nhiệt độ khi truyền đi xa dễ bị nhiễu; dẫn đến việc báo sai nhiệt độ Còn tín hiệu 4-20mA khi truyền đi xa không bị giảm tín hiệu

 Để chuẩn hóa tín hiệu trong nhà máy để tất cả tín hiệu trong nhà máy đều được thống nhất dễ xử lý

 PLC hoặc biến tần trong nhà máy của bạn chỉ nhận được tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V chứ không nhận trực tiếp tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ

Ta có 2 loại bộ chuyển đổi với 2 hình dạng và vị trí lắp đặt khác nhau như sau:

8.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên đầu củ hành:

Ở phần trên của cảm biến nhiệt độ loại đầu củ hành; có thiết kế chỗ

để lắp đặt bộ chuyển đổi tín hiệu Khi sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ này, ta sẽ gắn trực tiếp bộ chuyển đổi vào phần này

Hình 8.1 :aaa

Thiết bị chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên đầu cảm biến nhiệt độ

Ưu điểm của bộ này là tín hiệu nhiệt độ được chuyển đổi trực tiếp trên đầu cảm biến Việc này sẽ giúp tín hiệu luôn hoạt động ổn định,

ít bị nhiễu khi truyền đi

8.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn tủ điện:

Hình 8.2:aaa

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn trên tủ điện

Loại thiết bị này thường được dùng cho cảm biến nhiệt độ loại dây

là nhiều nhất Với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt trên tủ điện; nên đôi khi loại này cũng được dùng cho cảm biến nhiệt độ loại đầu

củ hành

9 Kết nối Pt100 tới PLC

Hình 9.1 aaa

Để kết nối cảm biến nhiệt độ Pt100 với PLC (Programmable Logic Controller), ta cần thực hiện các bước cơ bản là:

1) Chọn đúng mô-đun đầu vào trên PLC

Pt100 không thể kết nối trực tiếp với các đầu vào analog tiêu chuẩn của PLC, trừ khi PLC có hỗ trợ cho cảm biến RTD Vì vậy cần sử dụng bộ chuyển đổi (transmitter) từ Pt100 sang tín hiệu điện áp phùhợp

2) Lựa chọn và kết nối dây

Pt100 có nhiều cấu hình dây: 2 dây, 3 dây, và 4 dây Loại phổ biến nhất trong công nghiệp là 3 dây, vì nó có thể bù trừ cho điện trở dâydẫn, tăng độ chính xác trong đo lường Ví dụ trong cấu hình 3 dây, 2dây đỏ của cảm biến sẽ chia sẻ cùng một terminal, còn dây trắng sẽ nối vào terminal riêng

3) Cấu hình PLC

Sau khi kết nối, bạn cần cấu hình đầu vào analog trên PLC để đọc tín hiệu từ Pt100 Điều này bao gồm việc chỉ định kênh đầu vào và thiết lập tỷ lệ

4) Hiệu chỉnh và kiểm tra

Sau khi kết nối và cấu hình, hãy thực hiện kiểm tra hệ thống bằng cách thay đổi nhiệt độ và theo dõi kết quả trên PLC Nếu cần thiết, hiệu chỉnh lại hệ thống để đảm bảo độ chính xác cao nhất

10 Ứng dụng của Pt100

Dùng để kiểm soát nhiệt độ trong các quá trình sản xuất, chưng cất

và chế biến như lò nướng bánh mì hoặc trong lồi nước sôi

-Hình 10.1 :aaa

10.2 Ứng dụng PT100 đo nhiệt độ lò sấy gỗ

Có rất nhiều cách để sấy gỗ như sấy chân không, sấy cao tần, sấy ngưng tụ ẩm, … Các phương pháp này đều dựa trên nguyên lý nhiệt

độ Để chất lượng gỗ được tốt nhất thì trong quá trình sấy gỗ phải luôn đảm bào được nhiệt độ

Hình 10.2 :aaa

10.3 Ứng dụng đo nhiệt độ lò hơi

Pt100 được sử dụng để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ trong lò hơi, giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy và duy trì nhiệt độ an toàn

Hình 10.3 :aaa

10.4 Ngành năng lượng

 Nhà máy nhiệt điện và thủy điện: Pt100 được dùng để giám

sát nhiệt độ của nước, dầu, khí đốt trong quá trình vận hành các tua-bin, giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn vận hành

 Ngành năng lượng mặt trời: Sử dụng trong các hệ thống

năng lượng mặt trời để đo và điều chỉnh nhiệt độ của các tấm pin hoặc các thiết bị lưu trữ nhiệt

Hình 10.4 :aaa

10.5 Thiết bị đo lường và nghiên cứu khoa học

Trong các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu, Pt100 được

sử dụng trong các thiết bị đo lường nhiệt độ có độ chính xác cao, đểphục vụ nghiên cứu và kiểm định chất lượng

Hình 10.5 :aaa

10.6 Ngành điện tử và tự động hóa

Pt100 được tích hợp vào hệ thống điều khiển tự động trong cácdây chuyền sản xuất để giám sát và duy trì nhiệt độ chính xáchoặc cảnh báo, tự động tắt máy nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng an

toàn Ngoài ra trong nghiên cứu pt100 còn giúp các nhà khoa họctheo dõi các biến đổi nhiệt độ nhỏ và tự động thu thập dữ liệu.

Hình 10.6 :aaa

Ngoài ra Pt100 còn được áp dụng cho hóa Chất, luyện Kim, điện,

cơ khí, vật liệu Xây Dựng, công nghiệp, trong nghành công

nghiệp nhựa, sắt thép, xi măng…

11 Ưu và nhược điểm của Pt100

11.1 Ưu điểm của Pt100

- Độ chính xác cao: Pt100 có khả năng đo nhiệt độ rất chính xác

với độ sai số nhỏ,

- Ổn định và đáng tin cậy: Do sử dụng vật liệu bạch kim

(Platinum), Pt100 có tính ổn định cao và ít bị ảnh hưởng bởi tácđộng của thời gian, giúp duy trì độ chính xác trong thời gian dài

- Phạm vi đo rộng: Pt100 có khả năng đo trong một dải nhiệt độ

rất rộng, thường từ -200°C đến +850°C, phù hợp cho nhiều ứngdụng công nghiệp

- Khả năng tương thích tốt với hệ thống điều khiển: Pt100 dễ dàng

tích hợp vào các hệ thống điều khiển tự động hoặc thiết bị đolường, nhờ sự phổ biến của các bộ chuyển đổi tín hiệu dành choloại cảm biến này

- Tính tuyến tính cao: Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của

Pt100 khá tuyến tính, giúp dễ dàng trong việc hiệu chỉnh và tínhtoán nhiệt độ chính xác