Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hóa

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

Đại học đà nẵng Trờng đại học bách khoa Hoàng Minh Công Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hoá Đà Nẵng - 2006 Lời mở đầu Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công nghệ tiến hành trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc rất cao và sử dụng nhiều thiết bị sử dụng chất lu (chất lỏng, khí và hơi) yêu cầu khống chế nhiệt độ chặt chẽ cũng nh thờng xuyên đo kiểm các thông số áp suất, thành phần môi trờng khí Do vậy đo và kiểm tra nhiệt độ cũng nh các thông số công nghệ khác có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đảm bảo điều khiển quá trình công nghệ theo theo yêu cầu, đảm bảo chất lợng sản phẩm và an toàn cho thiết bị. Đo và kiểm tra cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các thiết bị đo và kiểm tra tự động nói chung cũng nh đo và kiểm tra nhiệt độ nói riêng ngày càng có nhiều chủng loại với tính năng sử dụng và độ tin cậy khi làm việc cao, đáp ứng nhu cầu đa dạng của sản xuất. Thiết bị đo và kiểm tra có thể là một dụng cụ đo đơn giản gồm một đầu đo và bộ phận hiển thị hoặc là cả một hệ thống phức tạp gồm các cảm biến, các bộ chuyển đổi tín hiệu đo, truyền kết quả đi xa, xử lý số liệu Trang bị những kiến thức cơ bản về kiểm nhiệt cũng nh đo, kiểm tra các thông số và chỉ tiêu công nghệ là hết sức cần thiết, giúp cho sinh viên tiếp thu tốt các môn học chuyên ngành cũng nh vận dụng vào thực tế sản xuất sau này. Đối với sinh viên ngành cơ khí - luyện cán thép, môn học Kiểm nhiệt và tự động hoá là một môn học bắt buộc trong chơng trình đào tạo. Giáo trình đợc biên soạn theo nội dung môn học gồm 8 chơng, đề cập đến những vấn đề chủ yếu về kỹ thuật đo nói chung, thiết bị đo và kiểm tra nhiệt độ, thiết bị đo và kiểm tra các thông số và chỉ tiêu công nghệ quan trọng trong các quá trình luyện kim. Do nội dung giáo trình bao quát rộng, tài liệu tham khảo hạn chế và trình độ có hạn của ngời biên soạn nên chắc chắn giáo trình không tránh khỏi sai sót. Tác giả mong muốn nhận đợc sự góp ý của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình đợc hoàn thiện hơn. Các nhận xét, góp ý xin gửi về Khoa Cơ khí Trờng Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng. Tác giả Chơng 1 Các khái niệm và đặc trng cơ bản trong đo lờng 1.1. Khái niệm và phơng pháp đo Trong công nghiệp, nhiều quá trình công nghệ đòi hỏi phải tiến hành trong những điều kiện công nghệ (nh nhiệt độ, áp suất, lu lợng, thành phần môi trờnggọi chung là thông số công nghệ) cần khống chế trong một giới hạn nhất định. Đo và kiểm tra các thông số công nghệ cho phép ngời thực hiện biết đợc trạng thái của quá trình, từ đó tác động để đảm bảo sự hoạt động bình thờng của hệ thống thiết bị cũng nh đạt đợc hiệu quả kinh tế và chất lợng sản phẩm theo yêu cầu. Đối với các hệ thống tự động, đo và kiểm tra thông số công nghệ là khâu không thể thiếu đảm nhận sự cung cấp tín hiệu cần thiết cho quá trình điều khiển hoạt động của thiết bị. Do vậy đo và kiểm tra có tầm quan trọng rất lớn trong công nghiệp nói chung cũng nh trong lĩnh vực luyện kim nói riêng. 1.1.1. Phép đo Thực chất của phép đo là đem so sánh đại lợng cần đo với một đại lợng khác đã đợc chuẩn hóa. Ví dụ để đo chiều dài của một vật, ngời ta so sánh chiều dài cần đo với chiều dài của một vật chuẩn theo quy ớc bằng một mét, đo khối lợng một vật, ngời ta đem so sánh khối lợng cần đo với khối lợng của một vật chuẩn có khối lợng theo quy ớc bằng một lilôgam 1.1.2. Phơng pháp đo Căn cứ vào nguyên tắc đo, ngời ta chia các phơng pháp đo thành ba loại: phơng pháp đo trực tiếp, phơng pháp đo gián tiếp và phơng pháp đo kết hợp. - Phơng pháp đo trực tiếp: đem đại lợng cần đo so sánh trực tiếp với đại lợng chuẩn cùng bản chất, ví dụ nh đo chiều dài, đo khối lợng, - Phơng pháp đo gián tiếp: là phép đo mà kết quả nhận đợc dựa trên cơ sở đo các số liệu có liên quan với đại lợng cần đo theo một quan hệ nhất định, ví dụ nh đo nhiệt độ thông qua sự đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu. - Phơng pháp kết hợp: kết hợp cả hai phơng pháp trên. Khi đo gián tiếp, đối với mỗi dụng cụ đo phải xây dựng đợc quan hệ giữa đại lợng đo đợc s (còn gọi là đại lợng đầu ra hay đáp ứng) và đại lợng cần đo m (còn gọi là đại lợng đầu vào hay kích kích). Quan hệ trên đợc biểu diễn dới dạng -5- hàm số đại số s = F(m) hoặc bằng đồ thị gọi chung là đờng cong chuẩn của dụng cụ đo. Để thiết lập đờng cong chuẩn ngời ta dùng các phơng pháp chuẩn dụng cụ đo đợc tiến hành bằng cách đo giá trị của đại lợng đầu ra (s) ứng với một loạt giá trị đã biết chính xác của đại lợng đầu vào (m). Đờng cong chuẩn cho phép xác định mọi giá trị của m từ s trong phạm vi đo. Để dễ sử dụng ngời ta thờng chế tạo dụng cụ đo sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m: ssm2 m1 mmx m s2 s1 sx a) b)Hình 1.1 Đờng cong chuẩn dụng cụ đo a) Xây dựng đờng cong chuẩn b) Sử dụng đờng cong chuẩn m.Ss =Trong đó S là độ nhạy của dụng cụ đo. s m Hình 1.2 Đờng cong chuẩn tuyến tính của dụng cụ đo 1.2. Sai số của phép đo 1.2.1. Sai số Trong thực tế, do nhiều nguyên nhân khác nhau, khi đo ta không thể xác định chính xác giá trị thực của đại lợng cần đo (giá trị cần đo) mà chỉ nhận đợc giá trị gần đúng của nó (giá trị đo). Hiệu số giữa giá trị đo m và giá trị cần đo A đợc gọi là sai số tuyệt đối của phép đo: -6- (1.1) Am =Do không thể xác định đợc A nên không thể tính đợc sai số của phép đo theo công thức (1.1) . Bởi vậy, sai số của phép đo chỉ có thể đánh giá một cách ớc tính. 1.2.2. Các loại sai số Khi đánh giá ngời ta phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. a) Sai số hệ thống Sai số hệ thống là sai số mà giá trị và quy luật đã biết trớc và có thể phát hiện bằng cánh kiểm tra dụng cụ đo bằng dụng cụ mẫu. Với một giá trị cho trớc của đại lợng cần đo, sai số hệ thống có thể không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian. Sai số hệ thống thờng có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch hoặc không đầy đủ về dụng cụ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt, dới đây là những nguyên nhân thờng gặp của sai số hệ thống: - Sai số do giá trị của đại lợng chuẩn không đúng: thí dụ điểm 0 của dụng cụ đo bị lệch khỏi vị trí, sai lệch của nhiệt độ chuẩn cặp nhiệt Sai số dạng này có thể giảm đợc bằng cách kiểm tra kỹ càng các thiết bị phụ trợ trong mạch đo. - Sai số do đặc tính của dụng cụ đo: sai số độ nhạy hoặc sai số đờng cong chuẩn là nguyên nhân thờng gặp của sai số hệ thống do đặc tính của dụng cụ đo. Thí dụ đờng cong chuẩn của cặp nhiệt ngẫu do nhà sản xuất cung cấp đợc xác định trên cơ sở chuẩn một số cặp nhiệt cùng đợc chế tạo một lần. Tuy nhiên, một cặp nhiệt ngẫu nào đó có đờng cong chuẩn khác đôi chút so với đờng cong chuẩn của các cặp nhiệt đã đợc kiểm định. Trờng hợp hóa già của bộ phận cảm nhận trong dụng cụ đo cũng thờng kéo theo sự sai lệch khỏi đờng cong chuẩn ban đầu, đặc biệt là đối với cặp nhiệt và nhiệt điện trở. Để tránh sai số hệ thống trong các trờng hợp này cần phải thờng xuyên chuẩn lại dụng cụ đo. - Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng: tốc độ hồi đáp của dụng cụ đo và các dụng cụ thứ cấp trong mạch đo thờng có hạn, bởi vậy tất cả các phép đo tiến hành trớc khi chế độ hoạt động bình thờng của thiết bị đo đợc thiết lập đều gây ra sai số. Thí dụ một đầu đo nhiệt độ có tốc độ hồi đáp rất khác nhau phụ thuộc vào việc nó đợc đặt trong chất lỏng đứng yên hay có dòng chảy. Trờng hợp đầu đo -7- nhiệt độ có nhiệt dung và quán tính nhiệt lớn đợc đặt vào môi trờng đo có thể tích nhỏ làm thay đổi nhiệt độ môi trờng đo cũng gây ra sai số. - Sai số do xử lý kết quả sai: sai số dạng này hợng gặp phải do sự nhận xét, đánh giá không đúng khi tiến hành hiệu chỉnh kết quả đo chứa những điểm có độ lệch lớn để nhận đợc giá trị chính xác hơn. Sau đây là một số trờng hợp thờng gặp: + Trờng hợp do giả thiết sai dẫn đến xử lý sai kết quả đo, chẳng hạn khi kết quả đo lệch khỏi độ tuyến tính trong phép đo do sử dụng dụng cụ đo giả thiết là tuyến tính. + Trờng hợp khi đo nhiệt độ, do nhiệt độ đo đợc của dụng cụ đo và nhiệt độ môi trờng cần đo khác nhau do có sự dẫn nhiệt của vỏ dụng cụ hoặc dây dẫn, từ đó không đánh giá đúng sự tiêu hao nhiệt lợng nên xử lý sai kết quả đo. b) Sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà giá trị và quy luật của nó cha biết trớc. Sự xuất hiện của sai số ngẫu nhiên cũng nh dấu và biên độ của nó mang tính không xác định. - Sai số do tính không xác định của đặc trng thiết bị: nguyên nhân đầu tiên là do độ linh động của thiết bị, sai số độ linh động bằng độ biến thiên lớn nhất của đại lợng đo để gây nên sự thay đổi có thể nhận biết đợc của đại lợng đầu ra của dụng cụ đo. Nguyên nhân thứ hai là do đọc sai số liệu, sai lệch này ít nhiều do thói quen của ngời đo, nhng mặt khác cũng do chất lợng của thiết bị, thí dụ độ mảnh của kim chỉ thị đồng hồ đo. - Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên: do sự rung động, sự thăng giáng của nhiệt độ môi trờng, sự không ổn định của nguồn điện áp nuôi thiết bị tác động một cách ngẫu nhiên làm cho kết đo bị sai lệch. - Sai số do sự thay đổi của các đại lợng ảnh hởng: khi đo, dụng cụ đo thờng không chỉ chịu tác động của đại lợng đo mà ít nhiều còn chịu tác động của các đại lợng ảnh hởng mà mức độ ảnh hởng của chúng không đợc tính đến khi chuẩn dụng cụ đo. Thí dụ một dụng cụ đo đợc chuẩn trong điều kiện nhiệt độ 20oC thì mọi sự thay đổi nhiệt độ trên dới 20oC đều kéo theo sự thay đổi kết quả đo. -8- 1.2.3. Phơng pháp đánh giá sai số Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo bị tản mạn khi đo lặp lại. Tuy nhiên bằng phơng pháp xử lý thống kê có thể xác định đợc giá trị xác suất của đại lợng đo và giới hạn của sai số. Khi đo lặp lại n lần cùng một giá trị của đại lợng cần đo ta nhận đợc kết quả là a1, a2, , an. Giá trị trung bình cộng sau n lần đo sẽ là: na .aamn21+++= Khi n rất lớn thì Am , khi đó sai số tuyệt đối đợc xác định bởi công thức: mm = Các sai số ngẫu nhiên tác động lên các lần đo một cách hoàn toàn không phụ thuộc nhau. Bởi vậy xác suất xuất hiện các kết quả đo sẽ tuân theo định luật phân bố Gaus (hình 1.3). Khi đó mật độ xác suất y của sai số có giá trị xác định bởi công thức: =222exp.21y Trong đó là sai số bình phơng trung bình, xác định theo công thức: n 2n2221+++= y123 Hình 1.3 Quy luật phân bố chuẩn của sai số ngẫu nhiên Căn cứ vào đặc trng của sai số ngời ta đánh giá chất lợng của dụng cụ đo nh tính trung thực, tính đúng đắn và độ chính xác. Dụng cụ đo có tính đúng đắn là dụng cụ đo có sai số hệ thống nhỏ, giá trị xác suất thờng gặp của đại lợng đo gần với giá trị thực (hình 1.4a) -9- Dụng cụ đo có tính trung thực là dụng cụ đo có sai số ngẫu nhiên nhỏ, thể hiện kết quả các lần đo tập trung xung quanh giá trị trung bình a (hình 1.4b). Hình 1.4c là dạng phân bố kết quả đo của dụng cụ đo có tính trung thực và đúng đắn thấp. yGiá trị thực aa aya y a a Giá trị thực b))d)) a a)) y c)) a Hình 1.4 Các dạng kết quả đo ứng với các dụng cụ đo chất lợng khác nhau a) Loại có tính đúng đắn cao b) Loại có tính trung thực cao c) Loại có tính trung thực và tính đúng đắn thấp d) Loại có độ chính xác cao Dụng cụ đo có độ chính xác cao là dụng cụ đo cho kết quả đo đơn lẽ gần với giá trị thực của đại lợng đo. Dụng cụ đo chính xác đồng thời cũng là dụng cụ đo trung thực và đúng đắn (hình 1.4d). Ngoài ra, để so sánh độ chính xác của các phép đo khác nhau, ngời ta đa ra khái niệm sai số tơng đối xác định bằng công thức sau: 100.mmm = [%] 1.3. Thiết bị đo và phân loại 1.3.1. Thiết bị đo Thiết bị đo là hệ thống bao gồm các dụng cụ đo và các dụng cụ thứ cấp cho phép xác định chính xác đại lợng cần đo trong điều kiện tốt nhất có thể. Đối với các thiết bị đo đơn giản, thờng gồm bộ phận đo và bộ phận hiển thị, thí dụ thiết bị đo chỉ gồm một cặp nhiệt nối trực tiếp với một milivôn kế. Tuy nhiên, trong thực tế do nhu cầu khai thác tín hiệu, đặc biệt là trong việc đo và kiểm tra tự động, thiết bị đo thờng gồm rất nhiều thành phần nh cảm biến, các bộ chuyển đổi nhiều kênh, -10- bộ tuyến tính hóa tín hiệu, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi tơng tự - số , bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ Trên hình 1.5 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ đơn giản, còn hình 1.6 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần. 2àV 1 Hình 1.5 Mạch đo nhiệt độ đơn giản 1) Cặp nhiệt 2) Dây dẫn 3) Milivôn kế Bộ VXL 5 Bộ CĐ 4 Bộ CH 2Máy in 7 3 Bộ KĐ Màn hình 8 CB 1 Hình 1.6 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần 1) Cảm biến đo nhiệt độ 2) Bộ khuếch đại 3) Bộ chuẩn hóa tín hiệu 4) Bộ chuyển đổi tơng tự - số 5) Bộ vi xử lý 7) Máy in 8) Màn hình 1.3.2. Phân loại thiết bị đo - Theo cách đọc kết quả, thiết bị đo đợc chia ra: + Thiết bị đo tự chỉ. + Thiết bị đo tự ghi. + Thiết bị đo tự ghi và tự chỉ. + Thiết bị đo tổng ghi. - Theo đại lợng cần đo phân ra: + Thiết bị đo nhiệt. + Thiết bị đo điện. + Thiết bị đo áp suất - Theo phạm vi ứng dụng: -11- [...]... cầu bù tự động bù nhiệt độ đầu tự do C F t1 t1 D B A Rdt0 c t0 R2 a R1 mV d b R3 t Bộ nguồn Hình 2.21 Cầu bù tự động bù nhiệt độ đầu tự do Cầu bù gồm điện trở R1, R2, R3 làm bằng manganin (hợp kim chứa 99,4%Cu, 0,6%Ni) có hệ số nhiệt điện trở bằng không, còn Rđ làm bằng đồng có hệ số nhiệt điện trở (4,25 ữ4,28).10-3oC-1 Khi nhiệt độ đầu tự do t0 = 0, cầu cân bằng Ucd = 0 Giả sử nhiệt độ đầu tự do tăng... đo có nhiệt độ thực bằng - 15 - Tx., điều kiện để đo đúng nhiệt độ của môi trờng đo là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trờng đo và vật đo Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ của vật đo không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trờng Tx, do đó khi đo ta chỉ nhận đợc nhiệt độ Tc là nhiệt độ của vật đo Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc là nhiệt độ đo đợc Giữa nhiệt độ cần đo và nhiệt độ... nghệ Bên cạnh đó, giáo trình cũng đề cập đến những vấn đề cần thiết trong kỹ thuật đo là truyền kết quả đi xa, một số thiết bị đo tiên tiến ứng dụng trong kỹ thuật đo lờng và kiểm tra tự động - 13 - Chơng 2 đo nhiệt độ 2.1 Khái niệm chung 2.1.1 Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ Nhiệt độ là một thông số công nghệ quan trọng trong nhiều quá trình luyện kim Bởi vậy, việc đo và kiểm tra nhiệt độ là một trong... của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ là 1 và 2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào 1 và 2: = F ( 1 ) F ( 2 ) (2.1) Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang nhiệt độ Ngợc lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang nhiệt độ Đặt F() = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch đợc viết nh sau: = 1 T1 T2 (2.2) Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học... (2) có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc Giả sử 1 > 2 , khi giãn nở nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh (2) Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn thờng dùng để đo nhiệt độ dới 700oC b) Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Hình 2.3 trình bày cấu tạo của một nhiệt kế dùng chất lỏng Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ống mao dẫn... trao đổi nhiệt giữa vật đo và môi trờng đo - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa vật đo và môi trờng bên ngoài Để tăng cờng trao đổi nhiệt giữa môi trờng đo và vật đo ta phải dùng vật đo có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao Để hạn chế tổn thất nhiệt từ vật đo ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ vật đo ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp 2.1.2 Phơng pháp đo nhiệt độ Nh chúng ta đã biết, nhiệt độ... - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K Trong thang đo này ngời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nớc - nớc đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K - Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC Trong thang đo này nhiệt độ của điểm cân bằng trạng thái nớc nớc đá bằng 0oC, nhiệt độ điểm nớc sôi là 100oC Nhiệt độ Celsius... Eđ = 66 mV + Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC - Cặp nhiệt Đồng - Coben: Cực dơng là đồng sạch, cực âm là coben Đặc tính: - 32 - + Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC + Nhiệt độ làm việc dài hạn < 300oC Loại này đợc dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của một số cặp nhiệt cho ở hình 2.14 Eđ E J K R S B toC Hình 2.14 Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu E... và nhiệt ở nhiệt độ làm việc 3 2 5 4 6 7 8 1 Hình 2.15 Cấu tạo cặp nhiệt 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây cực 4) Sứ cách điện 5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt - 33 - quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt. .. Trờng hợp nhiệt độ môi trờng đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt nh hình 2.18 Sức điện động tổng của bộ mắc nối tiếp bằng E = nE AB ( t, t 0 ) b) Các yếu tố ảnh hởng đến độ chính xác phép đo - ảnh hởng của nhiệt độ đầu tự do t0: Các cặp nhiệt đợc chuẩn ở điều kiện nhiệt độ đầu tự do t0 = 0oC, khi đó: E AB ( t, t 0 ) = e AB ( t . Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hoá Đà Nẵng - 2006 Lời mở đầu Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công. ngành cơ khí - luyện cán thép, môn học Kiểm nhiệt và tự động hoá là một môn học bắt buộc trong chơng trình đào tạo. Giáo trình đợc biên soạn theo nội dung môn