Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hóa - Chương 2

Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công nghệ tiến hμấnh trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc rất cao vμấ sử dụng nhiều thiết bị sử dụng chất lưu (chất lỏng, khí vμấ hơi) yau cầu kh

Chơng đo nhiệt độ 2.1 Khái niệm chung 2.1.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ Nhiệt độ thông số công nghệ quan trọng nhiều trình luyện kim Bởi vậy, việc đo kiểm tra nhiệt độ khâu cần thiết công nghiệp luyện kim Tuy nhiên việc xác định xác nhiệt độ vấn đề không đơn giản Đa số đại lợng vật lý xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với đại lợng chất, nhiệt độ đại lợng đặc trng cho mức nội vật đo gián tiếp dựa vào sù phơ thc cđa tÝnh chÊt vËt liƯu vµo nhiƯt ®é a) Thang nhiƯt ®é §Ĩ ®o nhiƯt ®é tr−íc hết phải thiết lập thang nhiệt độ Thang nhiệt độ tuyệt đối đợc thiết lập dựa vào tính chất khí lý tởng Theo định lý Carnot: hiệu suất động nhiệt thuận nghịch hoạt động hai nguồn có nhiệt độ thang đo phụ thuộc vào vµ θ2: η= F (θ ) F (θ ) (2.1) Dạng hàm F phụ thuộc vào thang nhiệt độ Ngợc lại việc chọn dạng hàm F định thang nhiệt độ Đặt F() = T, hiệu suất nhiệt động nhiệt thuận nghịch ®−ỵc viÕt nh− sau: η = 1− T1 T2 (2.2) Trong T1 T2 nhiệt độ động học tuyệt đối hai nguồn Đối với chất khí lý tởng, nội U phụ thuộc vào nhiệt độ chất khí phơng trình đặc trng liên hệ áp suất p, thể tích v nhiệt độ có dạng: p.v=G() (2.3) Có thể chứng minh đợc rằng: G()=RT (2.4) - 14 - Trong R số khí lý tởng, T nhiệt độ động học tuyệt đối Để gán giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ Muốn cần gán giá trị cho nhiệt độ tơng ứng với tợng với điều kiện tợng hoàn toàn xác định có tính lặp lại - Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ K Trong thang đo ngời ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nớc - nớc đá - giá trị sè b»ng 273,15 K - Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ oC Trong thang đo nhiệt độ điểm cân trạng thái nớc nớc đá 0oC, nhiệt độ điểm nớc sôi 100oC Nhiệt độ Celsius xác ®Þnh qua nhiƯt ®é Kelvin theo biĨu thøc: T(oC)= T(K) - 273,15 (2.5) - Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ oF Trong thang đo này, nhiệt độ điểm nớc đá tan 32oF điểm nớc sôi 212oF Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit vµ nhiƯt Celssius: T oC = ( ) T o F − 32 ( ) o T C + 32 T oF = {( ) } (2.6) ( ) (2.7) Bảng 2.1 Cho giá trị tơng ứng số nhiệt độ quan trọng theo thang đo khác Bảng 2.1 Nhiệt độ số tợng quan trọng theo thang đo Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF) -273,15 - 459,67 Hỗn hợp nớc - nớc đá 273,15 32 Cân nớc - nớc đá - 273,16 0,01 32,018 Nớc sôi 373,15 100 212 Nhiệ độ Điểm tuyệt đối b) Nhiệt độ đo đợc nhiệt độ cần đo Vật thể môi trờng cần đo nhiệt độ gọi môi trờng đo, phần tử cảm nhận dụng cụ đo đợc gọi vật đo Giả sử môi tr−êng ®o cã nhiƯt ®é thùc b»ng - 15 - Tx., điều kiện để đo nhiệt độ môi trờng đo phải có cân nhiệt môi trờng đo vật đo Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân, nhiệt độ vật đo không đạt tới nhiệt độ môi trờng Tx, đo ta nhận đợc nhiệt độ Tc nhiệt ®é cđa vËt ®o NhiƯt ®é Tx gäi lµ nhiƯt độ cần đo, nhiệt độ Tc nhiệt độ đo đợc Giữa nhiệt độ cần đo nhiệt độ đo đợc tồn chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc định Chúng ta hÃy khảo sát trờng hợp ®o b»ng dơng ®o tiÕp xóc L−ỵng nhiƯt trun từ môi trờng vào vật đo xác định theo công thøc: dQ = αA (Tx − Tc )dt Trong ®ã: α - hÖ sè dÉn nhiÖt A - diÖn tÝch bề mặt trao đổi nhiệt t - thời gian trao ®ỉi nhiƯt L−ỵng nhiƯt vËt ®o hÊp thơ: dQ = mCdT c Trong đó: m - khối lợng vật ®o c - nhiƯt dung cđa vËt ®o NÕu bá qua tổn thất nhiệt vật đo môi trờng giá đỡ, ta có: A(Tx Tc )dt = mCdTc Đặt mC = , gọi sè thêi gian nhiÖt, ta cã: αA dTc dt = T x − Tc τ T(oK) Tx Tc 0,63Tx τ t (s) Hình 2.1 Trao đổi nhiệt vật đo - 16 - Nghiệm phơng trình có dạng: Tc = Tx − ke − t τ (2.8) Tõ (2.8) ta nhËn thÊy Tc → Tx chØ t→ ∞ Trên thực tế, thời gian tiếp xúc vật đo môi trờng đo có giới hạn, đồng thời có truyền nhiệt từ vật đo môi trờng bên Tc < Tx , phép đo tồn sai lệch T = Tx Tc Sai lệch T bé phép đo xác Để tăng độ xác, đo cần phải: - Tăng cờnng trao đổi nhiệt vật đo môi trờng đo - Giảm trao đổi nhiệt vật đo môi trờng bên Để tăng cờng trao đổi nhiệt môi trờng đo vật đo ta phải dùng vật đo có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao Để hạn chế tổn thất nhiệt từ vật đo tiếp điểm dẫn từ vật đo mạch đo bên phải có hệ số dẫn nhiệt thấp 2.1.2 Phơng pháp ®o nhiƯt ®é Nh− chóng ta ®· biÕt, nhiƯt ®é đo trực tiếp mà phải đo gián tiếp thông qua thay đổi tính chất vật liệu theo nhiệt độ Bởi để đo nhiệt độ cần phải biết đợc quan hệ phụ thuộc tính chất vật lý vật đo, môi trờng đo vào nhiệt độ, tính chất phải phụ thuộc đơn trị vào nhiệt độ Dới tác động nhiệt độ, tính chất môi trờng đo vật đo thay đổi, thông qua xác định tính chất môi trờng đo vật đo ta xác định đợc nhiệt độ môi trờng đo Theo nguyên tắc đo, ngời ta chia hai phơng pháp đo gồm đo tiếp xúc đo không tiếp xúc - Phơng pháp đo tiếp xúc: đo, vật đo tiếp xúc với môi trờng đo, phép đo dựa tợng: + Giản nở vật liệu + Biến đổi trạng thái vËt liƯu + Thay ®ỉi ®iƯn trë cđa vËt liƯu + Hiệu ứng nhiệt điện - Phơng pháp đo không tiếp xúc: đo vật đo không tiếp xúc với môi trờng đo, phép đo dựa vào phụ thuộc xạ nhiệt môi trờng đo vào nhiệt ®é, vÝ dơ ®o nhiƯt ®é b»ng háa kÕ - 17 - Dới nghiên cứu số loại dụng cụ đo dụng cụ thứ cấp th−êng dïng ®o nhiƯt ®é 2.2 NhiƯt kÕ gi·n nở 2.2.1 Nguyên lý đo Nguyên lý hoạt động nhiệt kế giản nở dựa vào giÃn nở vật liệu tăng nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ hầu hết chất giản nở làm tăng thể tích ThĨ tÝch cđa khèi chÊt phơ thc nhiƯt ®é theo quan hƯ hµm sè: V = V0 (1 + α v t ) (2.9) Trong ®ã: Vo, V: thĨ tÝch khối chất 0oC nhiệt độ toC [m3] v: hệ số giản nở thể tích [1/độ] Đối với vật thể rắn, quan hệ chiều dài vật nhiệt độ có dạng: l = l (1 + t ) (2.10) Trong đó: lo, l: chiều dài vật thể 0oC nhiệt độ toC : hệ số giản nở dài [1/độ] 2.2.2 Các loại nhiệt kÕ gi·n në a) NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n Trong thùc tÕ, nhiƯt kÕ dïng chÊt r¾n th−êng có hai loại: gốm kim loại, kim loại kim lo¹i - NhiƯt kÕ gèm - kim lo¹i(Dilatomet): gåm gốm (1) đặt ống kim loại (2), đầu gốm liên kết với ống kim loại, đầu lại A nối với hệ thống truyền động tíi bé phËn chØ thÞ 2 a) b) H×nh 2.2 NhiƯt kÕ gi·n në a) NhiƯt kÕ gèm - kim lo¹i b) NhiƯt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i - 18 - HƯ sè gi·n nở nhiệt kim loại gốm k g Do k > g, nhiệt độ tăng lợng dt, kim loại giÃn thêm lợng dlk, gốm giÃn thêm lợng dlg với dlk>dlg, làm cho gốm dịch sang phải Dịch chuyển gèm phơ thc (dlk - dlg) ®ã phơ thuộc nhiệt độ - Nhiệt kế kim loại - kim loại: gồm hai kim loại (1) (2) có hệ số giÃn nở nhiệt khác liên kết với theo chiỊu däc Gi¶ sư α1 > α2 , gi·n në nhiƯt hai kim lo¹i cong vỊ phía (2) Dựa vào độ cong kim loại để xác định nhiệt độ Nhiệt kế giÃn nở dùng chất rắn thờng dùng để đo nhiệt độ dới 700oC b) NhiƯt kÕ gi·n në dïng chÊt láng H×nh 2.3 trình bày cấu tạo nhiệt kế dùng chÊt láng NhiƯt kÕ gåm b×nh nhiƯt (1), èng mao dÉn (2) vµ chÊt láng (3) ChÊt láng sư dụng thờng dùng thuỷ ngân có hệ số giÃn në nhiƯt α =18.10-5/oC, vá nhiƯt kÕ b»ng thủ tinh có =2.10-5/oC Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt đợc đặt tiếp xúc với môi trờng đo Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giÃn nở dâng lên ống mao dẫn Thang đo Hình 2.3 Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng đợc chia độ vỏ theo däc èng mao dÉn NhiƯt kÕ gi¶n në dïng chất lỏng đơn giản rẽ tiền, đo tơng đối xác nhng không biến đổi đợc thành tín hiệu điện Dải nhiệt độ làm việc từ - 50 ữ 600oC tïy theo vËt liƯu chÕ t¹o vá bäc 2.3 Nhiệt kế điện trở 2.3.1 Nguyên lý đo Nguyên lý chung đo nhiệt độ điện trở dựa vào thay đổi điện trở suất vật liệu theo nhiệt độ Trong trờng hợp tổng quát, thay ®ỉi ®iƯn trë cđa vËt liƯu theo nhiƯt ®é cã d¹ng: R(T ) = R F (T − T0 ) - 19 - (2.11) Trong R0 điện trở nhiệt độ T0, F hàm đặc trng cho vËt liƯu vµ F = T = T0 Hiện thờng sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ là: điện trở kim loại, điện trở silic điện trở hỗn hợp oxyt bán dẫn Trờng hợp điện trở kim loại, hàm cã d¹ng: ( R(T ) = R + AT + BT + CT ) (2.11) Trong ®ã nhiÖt ®é T ®o b»ng oC, T0 = 0oC A, B, C hệ số thực nghiệm Các hệ số đợc xác định xác thực nghiệm đo nhiệt độ đà biết trớc Khi đà biết giá trị hệ số, từ giá trị R ngời ta xác định đợc nhiệt độ cần ®o Khi ®é biÕn thiªn cđa nhiƯt ®é ∆T (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở coi nh thay đổi theo hàm tuyến tính: R(T + T ) = R(T )(1 + α R ∆T ) (2.13) Trong R hệ số nhiệt điện trở hay gọi độ nhạy nhiệt nhiệt độ T, xác định công thức: R = dR R(T ) dT (2.14) Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu nhiệt độ, chẳng hạn 0oC platin (Pt) có R=3,9.10-3/oC Chất lợng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ mà đo đợc R R0 , xác định thay đổi nhỏ nhiệt độ phát đợc: Tmin = Ví dụ R R0 ∆R αR Ro (2.15) = 10 −6 vµ víi phép đo quanh điểm 0oC, vật liệu platin Tmin = 2,6.10 oC Thực ra, điện trở không thay đổi nhiệt độ thay đổi thay đổi điện trở suất mà chịu tác động thay đổi kích thớc hình học Bởi điện trở dây cã chiỊu dµi l vµ tiÕt diƯn s, hƯ sè nhiệt độ có dạng: - 20 - R = Đặt α ρ = dR dρ dl ds + − = R dT ρ dT l dT s dT dρ dl ds ; αl = ; s = , mặt khác s = 2α l , ta cã: ρ dT l dT s dT αR = αρ + αl − αs = αρ − α l Trªn thùc tÕ th−êng α ρ >> α l nªn cã thĨ coi α R = α 2.3.2 Các loại nhiệt kế điện trở 2.3.2.1 Nhiệt kế điện trở kim loại a) Vật liệu Vật liệu dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở kim loại phải thỏa mÃn yêu cầu: + Có điện trở suất đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lín mµ kÝch th−íc nhiƯt kÕ vÉn nhá + Hệ số nhiệt điện trở tốt luôn không đổi dấu, không triệt tiêu + Có đủ độ bền cơ, hoá nhiệt độ làm việc + Dễ gia công có khả thay lẫn Do vậy, vật liệu thờng dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở Pt Ni Ngoài dïng Cu, W - Platin : + Cã thÓ chÕ tạo với độ tinh khiết cao (99,999%) tăng độ xác tính chất điện + Có tính trơ mặt hoá học tính ổn định cấu trúc tinh thể cao đảm bảo tính ổn định cao đặc tính dẫn điện trình sử dụng + Hệ số nhiệt điện trë ë 0oC b»ng 3,9.10-3/oC + §iƯn trë ë 100oC lớn gấp 1,385 lần so với 0oC + Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -200oC ữ 1000oC Điện trở platin thờng đợc chế tạo với đờng kính dây từ 0,05 - 0,07 mm, điện trở Ro = 10; 46; 100 - Nikel: + Có độ nhạy nhiƯt cao, b»ng 4,7.10-3/oC - 21 - + §iƯn trë ë 100oC lín gÊp 1,617 lÇn so víi ë 0oC + Dễ bị oxy hoá nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định + Dải nhiệt độ làm việc thấp 250oC Đồng đợc sử dụng số trờng hợp nhờ độ tuyến tính cao điện trở theo nhiệt độ Tuy nhiên, hoạt tính hoá học đồng cao nên nhiệt độ làm việc thờng không vợt 180oC Điện trở suất đồng nhỏ, ®ã ®Ĩ chÕ t¹o ®iƯn trë cã ®iƯn trë lín phải tăng chiều dài dây dẫn đến làm tăng kích thớc điện trở Wonfram có độ nhạy nhiệt độ tuyến tính cao platin, làm việc nhiệt độ cao Wonfram chế tạo dạng sợi mảnh nên chế tạo đợc ®iƯn trë cao víi kÝch th−íc nhá Tuy nhiªn, øng suất d sau kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn cách ủ giảm tính ổn định điện trở Bảng 2.3 Đặc trng vật lý quan trọng số vật liệu làm điện trở ®o Th«ng sè Cu Ni Pt W Tf (oC) 1083 1453 1769 3380 c (JoC-1kg-1) 400 450 135 125 λ (WoC-1m-1) 400 90 73 120 αl x106 (oC) 16,7 12,8 8,9 ρ x108 (Ωm) 1,72 10 10,6 5,52 α x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5 b) Cấu tạo Để tránh làm nóng đầu đo, dòng điện chạy qua điện trở thờng giới hạn giá trị vài mA Mặt khác, để điện trở có độ nhạy nhiệt cao điện trở phải có giá trị đủ lớn, muốn phải giảm tiết diện dây tăng chiều dài dây Tuy nhiên giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thớc điện trở Để hợp lý ngời ta thờng chọn điện trở R 0oC có giá trị vào khoảng 100, ®ã víi ®iƯn trë platin sÏ cã ®−êng kÝnh d©y cỡ vài àm chiều dài khoảng 10cm, sau quấn lại nhận đợc nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm Các sản phẩm thơng mại thờng có điện trở 0oC 50, 500 1000, điện trở lớn thờng đợc dùng để đo dải nhiệt ®é thÊp - 22 - - NhiƯt kÕ c«ng nghiƯp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống đợc va chạm mạnh rung động Do vậy, điện trở kim loại đợc lõi bao bọc bên thuỷ tinh gốm, đồng thời đặt vỏ bảo vệ thép Trên hình 2.4 trình bày cấu tạo số đầu đo điện trở thờng dùng c«ng nghiƯp 5 Hình 2.4 Đầu đo nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống sứ cách điện 4) Dây nối 5) Trục gá 6) Vỏ bọc 7) Xi măng - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ bề mặt vật rắn Chúng thờng đợc chế tạo phơng pháp quang hoá sử dụng vật liệu làm điện trở Ni, Fe-Ni hc Pt CÊu tróc cđa mét nhiƯt kÕ bỊ mỈt có dạng nh hình vẽ 2.5 Chiều dày lớp kim loại cỡ vài àm kích thớc nhiệt kế cỡ 1cm2 Hình 2.5 Nhiệt kế bề mặt Đặc trng nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC trờng hợp Ni Fe-Ni ~4.10-3/oC trờng hợp Pt - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ữ 260 oC Ni Fe-Ni - 23 - Giữa hai đầu dây dẫn có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, có khuếch tán điện tử hình thành hiệu điện tơng ứng A eA(t,t0) B eB(t,t0) Sức điện động tổng sinh hiệu ứng nhiệt điện xác định công thøc sau: E AB = e AB ( t ) + e BA ( t ) + e A ( t , t ) + e B ( t, t ) (2.24) Vì eA(t0,t) eB(t,t0) nhỏ ngợc chiều bỏ qua, nên ta cã: E AB = e AB ( t ) + e BA ( t ) NÕu nhiƯt ®é hai mối hàn nhau, chẳng hạn t0 søc ®iƯn ®éng tỉng: E AB = e AB ( t ) + e BA ( t ) = Hay: e BA ( t ) = −e AB ( t ) (2.25) E AB = e AB ( t ) − e AB ( t ) (2.26) Nh vậy: Phơng trình (2.26) gọi phơng trình cặp nhiệt ngẫu Từ phơng trình (2.26) nhận thấy giữ nhiệt độ t0 = const th×: E AB = e AB ( t ) + C = f ( t ) (2.27) Chän nhiÖt ®é ë mét mèi hµn t0 = const biÕt tr−íc làm nhiệt độ so sánh đo sức điện động sinh mạch ta xác định đợc nhiệt độ t mối hàn thứ hai Sức điện động cặp nhiệt không thay đổi nối thêm vào mạch dây dẫn thứ ba (hình 2.12) nhiệt độ hai đầu nối dây thứ ba gièng t0 C t0 2 t0 B t1 A B t1 1 t C A B t a) b) Hình 2.12 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba - 30 - - Trong tr−êng hỵp a: E ABC ( t, t ) = e AB ( t ) + e BC ( t ) + e CA ( t ) V×: e AB ( t ) + e BC ( t ) + e CA ( t ) = Nªn: E ABC ( t, t ) = e AB ( t ) − e AB ( t ) - Tr−êng hỵp b: E ABC ( t, t , t ) = e AB ( t ) − e AB ( t ) + e BC ( t ) + e CB ( t ) V×: e BC ( t ) = −e CB ( t ) Nªn: E ABC ( t, t ) = e AB ( t ) − e AB ( t ) Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác làm xuất sức điện động ký sinh 2.4.2 Vật liệu chế tạo cực nhiệt điện Để chế tạo cực nhiệt điện dùng nhiều kim loại hợp kim khác Tuy nhiên chúng phải đảm bảo yêu cầu sau: + Sức điện động đủ lớn (để dễ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp) + Có đủ độ bền học hoá học nhiệt độ làm việc + Dễ kéo sợi + Có khả thay lẫn + Giá thành rẽ Hình 2.13 biểu diễn quan hệ sức điện động nhiệt độ vật liệu dùng để chế tạo điện cực so với điện cực chuẩn platin - Cặp Platin - Rođi/Platin: Cực dơng hợp kim Platin (90%) rôđi (10%), cực âm platin Đặc tính: + Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600oC , Eđ =16,77mV + Nhiệt độ làm việc dài hạn