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

- Nắm bắt sơ lược được kết cấu và nguyên lý hoạt động của một hệ thống máy trộn đơn giản. - Biết và sử dụng thành thạo các port xuất nhập và ứng dụng timer của microcontroller AT8951. - Làm quen với các thiết bị điều khiển tự động.

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Tóm tắt đề tài ii

Mục lục iii

Chöông 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Giới thiệu về hề hệ thống khuấy trộn 1

1.2 Giới thiệu một số hệ thống khuấy trộn trong công nghiệp 2

1.3 Các chỉ tiêu đánh giá quá trình khuấy trộn 2

1.3.1 Mức độ khuấy trộn 2

1.3.2 Cường độ khuấy 2

1.3.3 Hiệu quả khuấy 3

Chương 2 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 4 Chương 3 THIẾT KẾ HỆ CƠ CỦA MÔ HÌNH 5

3.1 Tính tốn trục khuấy-trộn 5

3.1.1 Xác định vận tới hạn thứ nhất bằng đồ thị 7

3.1.2 Tính tốn trục khuấy-trộn congxon 8

3.1.2.1 Sơ đồ chịu lực 8

3.1.2.2 Tính trục theo bền 10

3.1.2.3 Tính trục theo độ cứng 13

3.1.2.4 Kiểm tra trục theo độ cứng 16

3.1.2.5 Khoảng cách tối ưu giữa hai ổ đỡ 16

3.1.2.6 Tính tốn trục theo ổn định ngang 16

3.1.3 Tính các ổ đỡ trục khuấy 17

3.2 Tính bền cơ cấu khuấy 17

3.2.1 Tính bền cơ cấu khuấy cánh thẳng 17

3.2.1.1 Tính chiều dày cánh của cơ khuấy 18

3.2.1.2 Xác định khoảng cách từ điểm đặt lực tới trục quay 19

Chương 4 BƠM THỦY LỰC 21

4.1 Bơm có lưu lượng riêng không dương (bơm ly tâm) 21

4.2 Bơm có lưu lượng riêng dương (bơm thể tích) 22

Chương 5 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 24

5.1 Thang nhiệt độ 25

5.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo 27

5.2.1 Nhiệt độ đo được 27

5.2.2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn 27

5.3.1 Độ nhạy nhiệt 27

5.3.2 Điện trở kim loại 29

5.3.2.1 Chọn kim loại 29

5.3.2.2 Chế tạo nhiệt kế 30

5.3.3 Nhiệt điện trở 32

5.3.3.1 Đặc điểm chung 32

5.3.3.2 Độ dẫn của nhiệt điện trở 32

5.3.3.3 Quan hệ điện trở-nhiệt độ 33

5.3.4 Điện trở Silic 35

5.4 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt 36

5.4.1 Đặc trưng chung-độ nhạy nhiệt 36

5.4.2 Các hiệu ứng nhiệt điện 38

5.4.2.1 Hiệu ứng Peltier 38

5.4.2.2 Hiệu ứng Thomson 39

5.4.2.3 Hiệu ứng Seebeck 40

5.4.3 Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo 40

5.4.3.1 Chế tạo cặp nhiệt và vỏ bảo vệ 40

5.4.3.2 Sơ đồ đo 41

5.4.3.3 Phương pháp đo 42

5.4.4 Các loại cặp nhiệt thường dùng trong thực tế 44

5.5 Đo nhiệt độ bằng Diot và Tranzitor 45

5.5.1 Đặc điểm chung-độ nhạy nhiệt 45

5.5.2 Quan hệ điện áp-nhiệt độ 46

5.6 Cảm biến quang trong đo nhiệt độ 47

Chương 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO MỨC CHẤT LƯU 52

6.1 Phương pháp thủy tĩnh 53

6.2 Phương pháp điện 55

6.2.1 Cảm biến độ dẫn 55

6.2.2 Cảm biến tụ điện 55

6.3 Các phương pháp dùng bức xạ 58

6.3.1 Phương pháp đo bằng hấp thụ tia  58

6.3.2 Phương pháp đo bằng sóng siêu âm 58

Chương 7 LÝ THUYẾT MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN 61

7.1 Khái niệm về tập mờ 62

7.1.1 Định nghĩa 62

7.1.2 Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 63

7.1.2.1 Định nghĩa 1 63

7.1.2.2 Định nghĩa 2 64

7.1.2.3 Định nghĩa 3 64

7.2 Các phép tốn trên tập mờ 64

7.2.1 Phép hợp hai tập mờ 64

7.2.2 Phép giao hai tập mờ 65

7.2.3 Phép bù của một tập mờ 65

7.3 Biến ngôn ngữ và giá trị của nó 65

7.4 Luật hợp thành mờ 68

7.4.1 Mệnh đề hợp thành 68

7.4.2 Mô tả mệnh đề hợp thành mờ 69

7.4.3 Luật hợp thành mờ 70

Chương 8 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 72

8.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 72

8.1.1 Giới thiệu cảm biến đo mức 61F-GN 72

8.1.2 Rơ-le 24VDC 73

8.1.3 Cảm biến nhiệt độ MF-904 73

8.1.4 Các thông số của các thiết bị 73

8.1.5 Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của mô hình 75

8.2 Vi xử lý trong điều khiển 77

8.2.1 Tóm tắt phần cứng AT8951 78

8.2.1.1 Cấu hình chân ra 78

8.2.1.2 Các đặc trưng của mạch dao động 81

8.2.1.3 Chế độ nghỉ 82

8.2.1.4 Chế độ nguồn giảm 83

8.2.2 Các mạch vi xử lý ứng dụng trong mô hình 83

Tài liệu tham khảo Phụ lục: Bài Thí Nghiệm Ứng Dụng Vi Xử Lý Trong Điều Khiển Mô Hình Máy Trộn

PHỤ LỤCBÀI THÍ NGHIỆM: ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TRONG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY TRỘN

- Mô hình máy trộn gồm các thiết bị:

 Hai bơm từ A và B bơm dung dịch vào bình khuấy, một bơm từ C có nhiệm vụhút hỗn hợp từ bình khuấy ra bể C, có lưu lượng 24l/ph

sử dụng được các tín hiệu này Điều này đã được bộ cảm biến MF-904 đảm nhận, nókhông chỉ đóng vai trò khuyếch đại mà còn hiển thị nhiệt độ và xử lý nhiệt độ một cáchđơn giản

3.3 Thực hành

- Quan sát cấu tạo của mô hình máy trộn

- Viết chương trình điều khiển trên máy tính theo hai cách đo mức đã nêu và nạp vàoAT8951

- Cho hệ thống hoạt động

3.4 Báo cáo thí nghiệm

- Nêu lên ưu nhược điểm của hệ thống

- Dựa vào kết quả thí nghiệm so sánh hai giải thuật điều khiển trên

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 hố chất, côngnghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng…

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

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-rắn có tínhchất thành phần khác nhau

 Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

 Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá trình

hố học

Ba loại quá trình điển hình này thực hiện với các loại đồng thể và dị thể khác 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 gián đoạn

Loại làm việc gián đoạn gồm các loại sau:

 Máy khuấy thùng quay hình trụ nằm ngang, thẳng đứng, trục chéo, hình lụcgiác 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





 nếu i  i0

0 i

i

1X

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

 Số vòng quay n của cánh khuấy

 Vận tốc vòng V của đầu cánh khuấy

 Chuẩn số Reynolds Re=

V

nd 2

đặc trưng cho quá trình khuấy

 Công suất khuấy riêng: nghĩa là công suất chi phí để khuấy một đơn vị thể tích V

N

Nv  (1-2)

0.3.3 Hiệu Quả Khuấy

Hiệu quả khuấy được xác định bằng năng lượng tiêu hao để đạt được hiệu ứng côngnghệ cần thiết Thiết bị khuấy có hiệu quả cao nếu nó đạt được yêu cầu đề ra và tốn ít nănglượng 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 nhu cầu thực tếngày một cao trong sản xuất công nghiệp bắt buộc người kỹ sư phải có trình độ kỹ thuậtcao và kinh nghiệm thực tế phong phú Do vậy với kiến thức của mình, đề tài của em chỉtrình bày những vấn đề đơn thuần về mặt kỹ thuật mà một người kỹ sư khi thiết kế phảiquan tâm đến

Đề tài giới thiệu về các phương pháp đo mức và nhiệt độ thông dụng trong kỹ thuật vàtrong công nghiệp sản xuất, đồng thời thuyết minh cũng nêu lên một vài phương pháp để

xử lý tín hiệu lấy được từ cảm biến theo hai hướng xử lý phần cứng hoặc phần mềm (ở môhình là cách đo mức sử dụng phần mềm)

Mặt khác luận văn cũng trình bày các vấn đề kỹ thuật có liên quan đến mô hình nhưnguyên lý hoạt động của các loại bơm, sơ đồ mạch điện khuếch đại tương thích giữa hệđiều khiển với và cơ cấu chấp hành Ngồi ra, phần thuyết minh cung’ giới thiệu một cách

cơ bản nội dung phần lý thuyết điều khiển mờ để từ đó có thể phát triển đề tài theo hướngứng dụng logic mờ trong phần xử lý nhiệt độ của mô hình Hoặc có thể hướng đề tài theoviệc đo mức chất lỏng theo tính liên tục, đây không phải là phần mới nhưng lại rất cần thiếttrong sản xuất vì các loại cảm biến mức rất hiếm và đắt ở thị trường Việt Nam

Khi tính tốn trục khuấy phải biết được sơ đồ chịu lực của nó Các điều kiện cơ bản đểtrục khuấy có thể làm việc được chính là điều kiện bền và điều kiện ổn định, vì vậy cầnphải tính tốn trục khuấy theo các điều kiện dao động, theo độ cứng và theo điều kiện bền.Việc tính tốn trục theo ổn định dao động chính là xác định kích thước của trục sao chovận tốc tới hạn 1 của nó thoả mãn với các yêu cầu về ổn định theo bản sau:

Bảng 3.1

Mơi trường khuấy

Điều kiện ổn định của trục

Aûnh hưởng của sức cản tại các vùng xa cộng hưởng (các vùng làm việc) là khơngđáng kể Sức cản chỉ ảnh hưởng lớn lên chuyển vị của trục trong vùng cộng hưởng, cịnhầu như ít ảnh hưởng tới giá trị của tần số dao động riêng (tốc độ tới hạn) của trục Trongtính tốn kỹ thuật hoặc xác định đường kính trục từ điều kiện ổn định dao động rồi kiểm trahoặc kiểm tra trục theo điều kiện ổn định dao động và điều kiện cứng sau khi xác định kíchthước của nĩ từ điều kiện bền

Tính tốn trục theo điều kiện cứng nhằm kiểm tra xem chuyển vị dài ở trạng thái độngcủa trục tại các tiết diện đặc biệt (như nơi đặc hộp đệm, nơi cĩ thể xảy ra va chạm giữacánh khuấy và các thiết bị) cĩ nằm trong phạm vi cho phép hay khơng

Tính tốn trục theo bền là kiểm tra độ bền uốn xoắn của trục tại các tiết diện nguy hiểm

Cĩ hai loại sơ đồ trục khuấy: loại trục một nhịp và loại consol Các bước tính tốn trụcnhư sau:

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

3 16

cp

x t

M d

M 

Ở đây: Nđc – cơng suất động cơ, W

 – vận tốc gĩc 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 mắccánh 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

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 này vận tốcquay của trục phải thoả mãn các điều kiện ổn định như bảng 3.1 Nếu đường kính của trụcchỉ tính sơ bộ theo xoắn thì cần kiểm tra bền theo cả xoắn và uốn tại các tiết diện nguyhiểm Sau đây trình bày cách xác định vận tốc góc tới hạn thứ nhất 1 của trục thường gặp

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 khối lượng trục

Momen xoắn trung bình M x sinh ra do trở lực của môi trường tác dụng lên các cáchcủa cơ cấu khuấy (khi áp suất trở lực hoặc trở lực riêng trên đơn vị dài q(r) phân bố như ởhình vẽ đối với cơ cấu khuấy bản hai cánh) có thể xác định theo 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 thời gian doviệc thay đổi phân bố vận tốc dẫn đến thay đổi áp suất làm sản sinh dao động (do khôngcân bằng) Như vậy khi tính bền cần phải chú ý đến momen xoắn lớn nhất

M x C x'M x

 (3-5)

Trong đó: '

x

C - hệ số dao động tải lấy bằng 1.1-1.6

Để tiện lợi và an tồn trong tính tốn người ta thay công suất khuấy trộn bằng công suấtđộng cơ Nđc

x x

n

N C N

r F

x c

MF

F   (3-7)

Trong đĩ: Nc – số cánh của động cơ

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

Mx – momen xoắn tính theo cơng thức

x x

n

N C N

x

M8

z 1

Nếu thay

1 a

Trong đĩ Fa1 – lực chiều trục gây ra do sức cản chất lỏng đi theo chiều trục, N

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

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

Nếu thiết bị làm việc dưới áp suất dư p thì lực chiều trục Faà do áp suất dư tác động

lên cơ cấu khuấy là

p 4

Nếu mơi trường khuấy cĩ nguy cơ đơng cứng hoặc đặc thì cĩ thể xuất hiện momen xoắnquá tải Mxmax của động cơ, như vậy :

dc dc

xT

x x

M

M n

N N

M max

=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, Nm

Khi khởi động momen xoắn cản tác dụng lên trục khuấy sẽ lớn hơn lúc làm việc bìnhthường Momen khởi động do trường điện từ của stato động cơ điện cung cấp sẽ dùng đểkhắc phục quán tính của roto cua( động cỏ, của các bộ truyền động trục khuấy, của cánhkhuấy, của môi trường khuấy và khắc phục trở lực chuyển động khuấy trộn của môi trườngđược khuấy, nghĩa là

iM xmax I1.I2.M xk (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 trên tiếtdiện A - A quy về tiết diện trục khuấy, I1 I dc i2 I td (với Idc là momen quántính của động cơ, I2 là tổng momen quán tính của cơ cấu khuấy)

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

7.11

I I

I C

r N l F

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

x F

c r rA

a

l r

N F F

l F

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 chu kỳ Giá trịcủa nó cần thoả mãn điều kiện:

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

1

6

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:

1 Nếu môi trường có nguy cơ đông cứng hoặc đông đặc thì tải trọng gây đứtnguy hiểm nhất chỉ là tải trọng xoắn Mx nên trục muốn bền phải thoả mãn điềukiện:

cp k

Mx – momen xoắn, Nm

cp – ứng suất cho phép và được xác định theo công thức

T b

T cp

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 tải trọnggây đứt nguy hiểm nhất là tải trọng khởi động Lúc này ứng suất tương đương tínhtheo công thức:

5 0 2 3

'

3

4 1 3

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 công thức

Chuyển vị hướng kính của trục khuấy:

Chuyển vị đàn hồi hướng kính (độ võng đàn hồi) của trục khuấy xác định bởi phươngtrình đàn hồi

u t

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 và khi

x1=a.Thay các điều kiện biên này vào phương trình trên ta sẽ có một hệ phương 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 vàophương trình trên cho ta kết quả sau:

1

x ax

27

3

EJ

a M

tại x1=a/3Góc 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

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

1

' 2

3EJ

a M

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

Trong khoảng l l1 x2 l (lúc này Ji =J2) có các điều kiện biên:   1  ' 2

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

2 2

Từ đó ta nhận xét rằng nếu a càng nhỏ thì độ võng của trục càng nhỏ, nhưng độ võnggây ra do dịch chuyển hướng kính và biến dạng của ổ trục càng lớn

10 ) 7 4

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 tâm hai ổ:

f   với i=1,2

Độ võng tổng cộng của trục tại tiết diện mắc cơ cấu khuấy:

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 là khoảngcách tối ưu atư Muốn xác định khoảng cách tối ưu ta lấy đạo hàm của độ võng theo khoảngcách 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 chọn khoảngcách tối ưu thì phản lực tại các ổ đỡ có thể sẽ rất lớn, dẫn tới kích thước các ổ đỡ cũng sẽlớn Điều này sẽ không kinh tế và không tiện lợi

3.1.2.6 Tính tốn trục theo ổn định ngang

Tính tốn trục theo ổn định ngang là xác định xem trục có thoả mãn điều kiện ở bảng 3.1không Nếu trục không thoả mãn những điều kiện này thì cần thực hiện những biện phápnhư: thay đổi các quan hệ kích thước trục, thay đổi độ cứng của trục, thay đổi vận tốc làmviệc để thoả mãn cho được các điều kiện đó.Vận tốc góc tới hạn 1 có thể xác định kháchính xác Để đơn giản và thuận tiện trong tính tốn ta giả thiết khối lượng dao động tậptrung tại cơ cấu khuấy và đặt ở ngay đầu trục, đồng thời bỏ qua sức cản của môi trườngkhuấy Như vậy phương trình vi phân của dao động ngang là:

f

mk mf

1

0 '

(3-12)

Trong đó: f – chuyển vị dài, m

fmax – biên độ dao động, m

 – pha ban đầu

1 – tần số dao động riêng của trục hoặc vận tốc góc tới hạn của trục và đượcxác định theo công thức:

m

k

 1

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 thể tích chấtlỏng cùng dao động chính là thể tích tạo nên bởi một cánh của cơ cấu khuấy 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

M l N a

M a

l F F

3.2 TÍNH BỀN CƠ CẤU KHUẤY

3.2.1 Tính bền cơ cấu khuấy cánh thẳng

Sơ đồ chịu lực: muốn tính tốn chính xác cơ cấu khuấy cần phải xác định được sơ đồ lựctác dụng lên cơ cấu khuấy, được quyết định bởi cấu trúc chong chóng Do quan hệ dòngchảy ở trong thiết bị khuấy với các cánh khuấy và thùng khuấy khác nhau nên hiện naymới 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 xốy …Mặt khác, việc xác định lực tác dụng lên cánh khuấy còn do yếu tố động lực học (dao động

độ cứng) Vì thế, chỉ có thể đưa ra các phương phap tính gần đúng sức bền của các cánhcủa cơ cấu khuấy

Khi cánh cơ cấu khuấy chuyển động thì chịu tác dụng của áp suất cản của môi trườngtheo 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 tốn tiện lợi cần chuyển lực phân bố diện tích (áp suất) thành lực phân bố độ dàiq(r) (N/m)

trong đó b – chiều cao cánh khuấy, m

b v C pb r

q( )   p' 2

Lực phân bố q(r) phân bố chiều dài của cánh cơ cấu khuấy theo quy luật mũ Trongthực tế ta chỉ cần tính bền ở tiết diện nguy hiểm nhất, vì thế hồn tồn cho phép chuyển sơ đồtương đương với FC chính là hợp lực tác dụng lên cánh (gọi tắc là lực cánh) đặt tại điểmđặt lực nằm trên đường trục của cánh và có khoảng cánh tới trục quay là rk Tỉ số rF/ rk phụthuộc vào chế độ khuấy và thùng khuấy.

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 định theo côngthức:

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

rb – bán kính bạc của cơ cấu khuấy, m

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

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 tồn 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 chất lỏng coinhư bằng không Như vậy, vận tốc tương đối của cánh khuấy chính bằng vận tốc vòng củacánh khuấy, nghĩa là:

v=r (3-17)

Như vậy:

b r C

 (3-18)

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 độ khuấy rối(Rek>104) sẽ không tồn tại vận tương đối giữa cánh cơ cấu khuấy và môi trường khi r<r0

(r0-bán kính phần lõi chất lỏng, phần này chuyển động với vận tốc bằng vận tốc cánhkhuấy có bán kính r tương ứng) Như vậy, chỉ tồn tại lực phân bố dài ở r>r0, vì ở phầnôc1tương đối giữa cánh khuấy và môi trường khuấy:

75 0 0

v   (3-19)

Lực phân bố dài có giá trị:

2 75 0 0 0

2 '

2 )

r

Lực cản tác dụng lên một phân tố diện tích dA = b.dr của cánh khuấy là:

dr r

r r r b C dr r q

c

2 75 0 0 0

2 '

2 )

r r r b C dr

r q

r r

r r c

k

0 0

2 '

2 )

C dF r

x xc

0 0

2 '

2

coscos

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

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 đó lưulượng cung cấp từ bơm sẽ giảm khi áp suất cản của hệ thống tăng Nếu cửa thốt của bơm lytâm hồn tồn bị chặn thì bơm sẽ ngừng hoạt động, và lưu lượng cung cấp là zero Bơm lytâm được minh hoạ ở hình 4.1 với các đặc tính của hệ thống Bánh công tác quay và làmcho lưu chất bị hút vào cổng vào của bơm và sau đó lưu chất được đưa ra cổng thốt bởi tácđộng của lực ly tâm

Bơm có lưu lượng riêng không dương được ứng dụng giới hạn trong việc cung cấpthêm (trợ giúp) cho các hệ thống bơm lưu lượng riêng dương chính, cho các hệ thốngchuyển dịch lưu chất, cho các hệ thống làm nguội và điều hồ

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 lưulượng riêng cho một vòng :

L d

2



L

Đường kính d

Đường Hút

Đường Thoát

n p (vòng/phút)

Hình 4.2 Bơm cĩ lưu lượng riêng dương

Gọi Qp lưu lượng cung cấp thật của bơm trong một phút, Tp là momen xoắn trung bình,

và Pp là lượng tăng áp qua bơm Khi đĩ:

Lưu lượng bơm lý thuyết =Lưu riêng trong một vịng  Số vịng quay trong một phút =Dp  np

Lưu lượng thật của bơm luơn nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết do sự rị rỉ và thất thốt ở bêntrong hệ thống:

Lưu lượng thật của bơm/Lưu lượng lý thuyết = hiệu suất thể tích

= pv

khi đĩ:

p p

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 lượng được quantâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất.Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đạilượng chịu sự ảnh hưởng của nó, thí dụ như áp suất và thể tích của một chất khí, sự thayđổi pha hay điểm Curi của các vật liệu từ tính Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trongcông nghiệp và trong đời sống hàng 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 đơn giản Vìphần lớn các đại lượng vật lý đều có thể xác định một cách định lượng nhờ so sánh chúngvới một đại lượng cùng bản chất được coi là đại lượng so sánh Những đại lượng như vậygọi là đại lượng mở rộng vì chúng có thể xác định được bằng bội số hoặc ước số của đạilượng chuẩn (đại lượng so sánh) Ngược lại, nhiệt độ là đại lượng gia tăng: việc nhân hoặcchia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lý rõ ràng Bởi vậy, việc nghiên cứu cơ sở vật lý đểthiết lập thang 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 chính sau đây:

- Phương pháp quang: dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệuứng Doppler)

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

- Phương pháp điện: dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứngSecbeck, 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 thay đổi nhiệtcủa một đặc trưng vật lý của vật liệu cho trước người ta luôn luôn có thể xác định mộtthang nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ và đặc biệt là nhận biết sự cân bằng của hai nhiệt

độ Tuy vậy, thang nhiệt độ như thế là hồn tồn tuỳ tiện bởi vì nó liên quan đến một tínhchất 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 có xuất phát từ các định luật nhiệt động học mới có thể xác địnhthang nhiệt độ có đặc trưng tổng quát cho mọi trường hợp

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

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại, việc lựa chọn hàm F sẽquyết định thang đo nhiệt đo Đặt F() = T chúng ta sẽ xác định T như là nhiệt độ độnghọc tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:

 = 1- T1/ T2 (5-1)

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học của hai nguồn Như đã biết, chất khí lýtưởng 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 gam của chất khíchỉ phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác địnhđơn vị cho nhiệt độ Muốn vậy chỉ gán một giá trị số cho nhiệt độ tương ứng với một hiệntượng nào đó với điều kiện là hiện tượng này hồn tồn 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 xác định cácthang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit (bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệtđộ)

Trong bảng 5.1 ghi các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng ở các thang đokhác nhau:

Bảng 5.1

Cân bằng nước-nước

Nước sôi 372.15 100 212

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 độ của cảmbiến và ký hiệu là Te Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt trong

đó Nhiệm vụ của người làm thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số Tx-Te xuốngnhỏ nhất Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa 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 ngồi

5.2.2 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn

Thông thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngồi Để đo nhiệt độ của mộtvật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoan một lỗ nhỏ với đườngkính bằng r và độ sâu bằng L Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong vật rắn Để tăng

độ chính xác của kết quả, phải đảm bảo hai điều kiện:

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

-Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách giữa vỏcảm biến và thành lỗ khoan Khoảng trống giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải đượclấp 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 :

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 biết trước Khi đãbiết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo

Khi độ biến thiên nhiệt độ T (xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có thể thay đổi theohàm 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 vàovật 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:

Thông thường các điện trở sử dụng để đo nhiệt độ có các hệ số R10-3/ C0 , và l10

-5/ C0 , cho nên trên thực tếR =P

5.3.2 Điện trở kim loại

cấu trúc của plantin đảm bảo sự ổn của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ loạivật liệu này Các điện trở làm bằng platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng với

T=-200 C0

1000 C0 nếu như vỏ bảo vệ của nó cho phép

Nikel có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với platin Điện trở của nikel ở 100 C0 lớn

gấp 1,617 lần so với giá trị ở 0 C0 Đối với platin sự chênh lệch của điện trở ở hai nhiệt

độ này chỉ bằng 1,385 Tuy vậy nikel là chất có hoạt tính hố học cao, nó dễ bị ôxy hố khinhiệt độ làm việc tăng Điều này làm giảm tính ổn định của nó và hạn chế dải nhiệt độ làmviệc của điện trở Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở nhiệt độ thấp hơn

Wonfram có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nó có thểđược sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn Từ wonfram có thể chế tạo cácsợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trị số cao, hoặc là tối thiểu hố kích thước của cácđiện trở Tuy nhiên ứng suất (tạo ra trong quá trình kéo sợi) trong wonfram rất khó có thể

bị triệt tiêu hồn tồn bằng phương pháp ủ nhiệt Vì thế các điện trở wonfram có độ ổn địnhnhiệt nhỏ hơn so với các điện trở chế tạo từ platin

Trong bảng 5.2 dưới đây liệt kê một số đặc trưng vật lý quan trọng của các vật liệuthường được sử dụng để chế tạo điện trở Các ký hiệu trong bảng có ý nghĩa như sau:

) (W o C 1m 1

Một cách tổng quát, sự thay đổi nhiệt của một điện trở R=RRT sẽ gây nên một điện

áp do Vm=R.i, trong đó i là dòng điện chạy qua điện trở Thông thường i được giới hạn ởgiá trị một vài mA để tránh làm nóng đầu đo Để có độ nhạy cao phải sử dụng các điện trởtương đối lớn Muốn vậy phải:

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

bị đứt

- Tăng chiều dài dây Việc này cũng bị giới hạn vì tăng chiều dài dây làm tăng kíchthước 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 dài khoảng 10cm, sau khicuốn 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 đó chúng 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 chống được vachạm mạnh và rung động Trong trường hợp này điện trở kim loại được cuốn và bao bọctrong 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 các vật liệu cấuthành để tránh gây ứng suất trong quá trình làm việc Độ kín của vỏ bọc cần được đảm bảomột cách tuyệt đối Ngồi ra vật liệu bọc dây điện trở phải có độ cách điện tốt và tránh mọihiện tượng điện phân có thể dẫn đến làm hỏng kim loại Vì lý do này mỗi loại vật liệu chỉđược dùng trong một khoảng nhiệt 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 được chế tạobằng phương pháp quan hố và sử dụng các vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt (Ptđược sử dụng khi cần độ chính xác cao) Chiều dày lớp kim loại cỡ một vài m và kíchthước nhiệt kế cỡ 1cm2 Các đặc trưng của nhiệt kế bề 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 /thể tích cao

và trở kháng nhiệt nhỏ của đế đảm bảo cho thời gian hồi đáp cỡ mili giây Tuy nhiên cầnphải lưu ý là nhiệt kế bề mặt rất nhặy với mọi biến dạng của cấu trúc bề mặt được dánnhiệt kế Hệ số cảm biến của nikel phụ thuộc vào biến dạng: giá trị của nó nhỏ khi bị nén.Bởi vậy nếu không thể dán nhiệt kế trên vùng không có biến dạng thì tốt nhất là dán nótrên vùng bị biến dạng nén

Một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sai số của phép đo là biến dạng gây nên do sựkhác nhau giữa độ giãn nở của nhiệt kế và của cấu trúc nằm dưới bề mặt Hiệu ứng này đặc

các nhà thiết kế phải được cung cấp những số 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 lầnlớn hơn so với điện trở kim loại Ngồi ra, hệ số nhiệt của chúng có giá trị âm và phụ thuộcmạnh 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 thích hợp, sau

đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở 1000oC Các dây nối kim loại được hàn tại haiđiểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại Các nhiệt điện trở được chếtạo với những hình dạng khác nhau (đĩa, hình trụ, vòng…) và phần tử nhạy cảm có thểđược bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần Các vật liệu thường được sử dụng có điện trở suấtcao cho phép chế tạo những điện trở có giá trị thích hợp với một lượng vật chất nhỏ và vớikích thước tối thiểu (cỡ mm) Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời

do nhiệt 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 kiện sử dụng

Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bị phá huỷ hố học và tăng độ ổ định khi làmviệc Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh những thăng gián nhiệt độ độtngột bởi vì điều này có thể dẫn đến làm rạn nứt vật liệu Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở,dãi nhiệt độ làm việc có thể thay đổi từ một vài độ tuyệt đối đến đến khoảng 300 oC Có thể

mở rộng dãi nhiệt độ này nhưng khi đó trị số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc

ở nhiệt độ cao

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 công 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 thiết để làm đứtmối liên kết, A và a là hằng số đặc trưng cho vật liệu Tuy nhiên một điện tử và một lỗtrống tự do có thể tái hợp lại để hình thành một mối liên kết Số lần tái hợp R trong mộtđơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích tỷ lệ với nồng độ điện tử và lỗ trống tự do:

R = r np (5-14)

Trong đó: r là hệ số tái hợp, vì n=p nên:

R = r.n2

Ở trạng thái cân bằng nồng độ điện tích tự do không thay đổi:

G = Rnghĩa là:

Nếu tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ linh động của điện tử n và lỗ trống p

thí độ dẫn có thể được viết dưới dạng biểu thức sau:

 = C.Tb.exp(-/T) (5-15)

Trong đó C và b là các hằng số đặc trưng cho vật liệu:

b = 14

 = qEi/2k

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

T T B R

T

R exp 1 1 (5-18)

và bỏ qua không xét đến sự phụ thuộc của B vào nhiệt độ Trong trường hợp này, độnhạy nhiệt có dạng R = -B/T2 Giá trị của B nằm trong khoảng 3000 5000K

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 cùngnhiệt điện trở đó Giá trị của B đối với nhiệt điện trở này bằng 3200K ở -80 oC và tăng lênđến 4150K khi nhiệt độ bằng 150 oC, tương ứng với  = 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 hiện những biếnthiên 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 K đến 300

oC Để đo nhiệt độ ngồi phạm vi của dải này, cần phải chọn vật liệu đặc biệt, thí dụcacbuasilic và có biện pháp bảo vệ hữu hiệu chống lại sự phá huỷ hố 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 những nhiệt điện trở cóđiện trở cao ở nhiệt độ 25 oC (từ 100 đến 500) Việc lựa chọn giá trị chính xác của điệntrở phụ thuộc vào thiết bị đo

nhiệt độ làm việc (hình 5.2) bằng cách mắc thêm một điện trở phụ (song song hoặc nối tiếptùy thuộc vào mạch đo ).

- Khoảng nhiệt độ sử dụng bị hạn chế trong khoang’ từ -50 oC đến 120 oC Các điện trởsilic được chế tạo bằng cơng nghệ khuyếch tán tạïp chất vào đơn tinh thể silic Sự thay đổinhiệt của điện trở suất của silic phụ thuộc vào nồng độ pha tạp và vào nhiệt độ

Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 120 oC (khoang( nhiệt độ làm việc của điện trở silic), điện trởsuất tăng khi nhiệt độ tăng do độ linh động của hạt tải giảm mà nồng độ của chúng trênthực tế khơng thay đổi Nồng độ khơng đổi được tạo ra do pha tạp, nĩ lớn hơn rất nhiều sovới nồng độ gây nên bởi sự ion hố (hình thành cặp điện tử-lỗ trống) Hệ số nhiệt độ củađiện trở càng nhỏ khi pha tạp càng mạnh

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 độ tăng Quátrình ion hố do nhiệt (chuyển mức của điện tử từ vùng hố trị lên vùng dẫn) chiếm ưu thếlàm cho nồng độ hạt tải tăng lên lớn hơn là nồng độ pha tạp Hệ số nhiệt của điện trở suấttrong vùng này khơng 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 cĩ cấu tạo gồm hai dây dẫn A và B được nối với nhau bởi hai mối hàn cĩnhiệt độ T1và T2 Suất điện động E phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm các dây dẫn A, B

và vào nhiệt độ T1 và T2 Thơng thường nhiệt độ của một mối hàn được giữ ở giá trị khơngđổi và biết trước, gọi là nhiệt độ chuẩn (T1= Tref) Nhiệt độ T2 của mối hàn thứ hai, khi đặttrong mơi trường nghiên cứu nĩ sẽ đạt giá trị Tc chưa biết Nhiệt độ Tc là hàm của nhiệt độ

Tx và của các quá trình trao đổi nhiệt (cĩ 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 điện động nên khi đo không cần códòng điện chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng

Tuy nhiên sử dụng cặp nhiệt cũng có điều bất lợi: phải biết trước nhiệt độ so sánh 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 không tuyến tínhcủa Tc (hình 5.3) Mỗi loại cặp nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trị của suất điện động phụthuộc vào nhiệt độ) và một biểu thức diễn giải sự phụ thuộc 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 oCđến 1820 oC theo chuẩn NFC42-321 sự phụ thuộc của suất điện động E vào nhiệt độ códạng :

i i

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 trong biểu thứctrên như sau:

Đối với một số loại cặp nhiệt khác, khoảng nhiệt độ làm việc của chúng có thể chia ranhững vùng nhỏ Trong mỗi vùng như thế, mối quan hệ giữa suất điện động và nhiệt độđược mô tả bằng một biểu thức riêng đặc trưng cho vùng.

Nói chung mỗi loại cặp nhiệt có một giới hạn của dải nhiệt độ làm việc, từ -270 oC đốivới cặp nhiệt đồng/vàng-coban đến 2700 oC đối với cặp nhiệt wonfram-reni 5%/wonfram-reni 26% Như vậy, cặp nhiệt có dải nhiệt độ làm việc rộng hơn nhiều so với nhiệt kế điệntrở và đây cũng là một ưu điểm của chúng

Độ nhạy nhiệt (hay còn gọi là năng suất nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ Tc

được xác định bởi biểu thức :

c

B A c

dT

dE T

5.4.2 Các hiệu ứng nhiệt điện

Trong các chuỗi (dãy) dẫn điện nối tiếp dạng kim loại-chất lỏng hay kim loại-bán dẫn

có các hiệu ứng nhiệt điện (thí dụ hiệu Joule) Chúng được thể hiện thông qua sự chuyểnđổi giữa năng lượng của dao động nhiệt và năng lượng điện của các hạt tải chuyển động

5.4.2.1 Hiệu ứng Peltier

Ở tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng cùng một nhiệt độ tồntại một hiệu điện thế tiếp xúc (hình 5.4a) Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào bản chất củavật 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 thành từ nhữngvật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0 Thí dụ, trong một chuỗi gồm bốnvật dẫn A, B, C, D mắc nối tiếp (hình 5.4b), tổng suất điện động sẽ bằng 0:

Như vậy có thể kết luận, khi hai vật dẫn A và D được phân cách bởi các vật trung gian

và tồn hệ thống được cách nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và D ở đầu mút cũngchính bằng hiệu điện thế nếu như chúng (A và D) tiếp xúc trực 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 nhau sẽ sinh ramột suất điện động (hình 5.4c) Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản 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

Hình 5.4 Các hiệu ứng nhiệt điện a)hiệu ứng Pleitier b)hiệu ứmg Volta

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 của chúng đượcgiữ ở nhiệt độ T1 và T2 (hình 5.4d), khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện Cặp nhiệtđiện này sẽ gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứngPeltier và Thomson Suất điện động đó gọi là suất 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

E (5-23)

Nếu chọn nhiệt độ T1 làm nhiệt độ so sánh và lấy T1=0oC, khi đó đối với một cặp vậtdẫn 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 hố 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 độ sẽ 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 ngồi mối hàn, dây được đặt sứ cách điện Sứ cách điện phải trơ

về hố học và có điện trở lớn Cấu trúc cặp nhiệt-sứ cách điện thường không bền vững cơ

học, bởi vậy để bảo vệ, người ta còn trang bị thêm một lớp vỏ bọc bên ngồi Vỏ bọc này

đảm bảo kín để khí không lọt qua và chống được thăng gián nhiệt độ đột ngột Nó thường

được làm bằng sứ hoặc bằng thép Nếu vỏ bằng thép thì mối hàn có thể thì mối hàn có thể

tiếp xúc với vỏ thép để giảm thời gian hồi đáp

5.4.3.2 Sơ đồ đo

Trên hình 5.5 biểu diễn sơ đồ đo thông dụng của cặp nhiệt

Điều kiện lắp ráp từng đôi cùng nhiệt độ:

- Các mối hàn A/M1 và B/M1 của cặp nhiệt

- Các mối hàn của các dây kim loại trung gian M1/ M2vàM2/ M3

Khi đó trong mạch chỉ có suất điện động Seebeck của cặp nhiệt Thực vậy, tổng suất

điện động trong trường hợp này được viết dưới dạng biểu thức:

T

T A T

A M T

T M T

M M T

T M T

M M

T

T M T

M M T

T M T

M M T

T M T

T B T

B A

dT h

P dT

h P

dT h

P

dT h

P dT

h P

dT h

dT h

P

e

/ 1 1

1 / 2 2

2 / 3

3 3

/ 2 2

2 / 1 1