Nguyên lý chung của các cảm biến nhiệt theo phƣơng pháp không tiếp xúc là nguyên lý bức xạ nhiệt. Mỗi nguồn nhiệt sẽ có một bức xạ và bức xạ này phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nhiệt đó, cảm biến sẽ thu lại bức xạ này nhƣ một tín hiệu đầu vào từ tín hiệu này sẽ xác định đƣợc nhiệt độ của nguồn nhiệt. Phƣơng pháp này có ƣu điểm rất lớn là việc bố trí hệ thống đo nhiệt sẽ không ảnh hƣởng tới hệ thống công nghệ tức là không phải gia công để cấy cảm biến vào dao hoặc chi tiết nhƣ trƣờng hợp sử dụng cặp nhiệt ngẫu. Tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là việc bố trí vị trí của cảm biến lại gặp nhiều khó khăn, thậm chí có nhiều trƣờng hợp thay vì đo nhiệt độ tại vùng biến dạng hoặc mặt trƣớc của dao cảm biến lại đo nhiệt độ của phoi thoát ra vì phoi thoát ra chắn giữa cảm biến và vùng biến dạng hoặc chắn giữa cảm biến và mặt trƣớc của dao làm cho kết quả đo không chính xác. Một vấn đề nữa là cảm biến loại này phụ thuộc rất nhiều vào môi trƣờng (nhiệt độ môi trƣờng,
Học viên: Nguyễn Quang Định 25
độ ẩm, gió…) giữa cảm biến và nguồn sinh nhiệt cần đo. Cho dù là có nhƣợc điểm nhƣ vật nhƣng vì có ƣu điểm rất lớn là không ảnh hƣởng tới hệ thống công nghệ nên trong sản xuất thực tế ngày nay để kiểm soát nhiệt cắt (dùng nhiệt cắt làm đầu vào cho điều khiển thích nghi) ngƣời ta vẫn sử dụng hệ thống đo nhiệt cắt theo phƣơng pháp đo không tiếp xúc.
2.2.1 Đo nhiệt cắt bằng phương pháp quang học
Ở phƣơng pháp này khi cắt tia nhiệt phát ra từ một điểm nhất định của trƣờng nhiệt độ của chi tiết hay dụng cụ đƣợc bắt bởi hai thấu kính và các thiết bị tập trung tia nhiệt, nhận cƣờng độ tia quang nhiệt, pin nhiệt và đồng hồ đo.
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý quang học
Thuận lợi chính của phƣơng pháp này là có thể cho phép đạt đƣợc tính tổng quan về nhiệt độ của những vị trí khác nhau của chi tiết gia công, dao và phoi, khi mà các phƣơng pháp trƣớc đây không đo đƣợc. Nhƣng phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là khó hiệu chỉnh, thiết bị khó khắc độ, gá thiết bị trên dao khó khăn, dụng cụ tƣơng đối phức tạp. Khi đo chính xác thì cần máy đo nhạy và đắt tiền.
2.2.2 Đo nhiệt cắt bằng tế bào quang
Phần tử nhận nhiệt độ là tế bào PbS. Tế bào PbS thực chất là điện trở mà khi lộ sang phóng xạ thì nó thay đổi điện trở không đáng kể. Mạch điện đƣợc mô tả trên hình 2.10. Sự thay đổi điện trở tế bào đƣợc ghi lại bởi sự thay đổi điện trở trên osciloscope.
Học viên: Nguyễn Quang Định 26
Hình 2.10 Sơ đồ và mạch điện để đo nhiệt cắt bằng tế bào quang điện
Trƣớc hết tế bào nhìn thấy qua lỗ trên nguồn sang. Nguồn sáng đƣợc đặt ở khoảng cách khá xa để đảm bảo các tia sáng song song. Do dụng cụ tiến về phía trƣớc nên mặt phẳng cắt (mặt phẳng trƣợt) đi đến đúng lỗ và bịt nó phía trên, cắt mất nguồn sáng và tạo ra sự thay đổi điện thế trong tế bào.
Sự phân bố nhiệt cắt trên mặt trƣớc đƣợc tiếp nhận bởi việc sử dụng tế bào PbS. Nhiệt độ trên mặt trƣớc phụ thuộc vào độ lớn lƣợng mài mòn. Nhiệt độ trung bình mặt trƣớc thay đổi liên tục với lƣợng mài mòn của mặt trƣớc.
2.2.3 Phương pháp đo quang học sử dụng kỹ thuật hồng ngoại
Hồng ngoại hình ảnh là một công nghệ lý tƣởng để đo nhiệt cắt do đo lƣờng khu vực đầy đủ của nó bằng cách sử dụng các điểm ảnh tƣơng đối nhanh và nhỏ. Việc đo nhiệt cắt đƣợc thực hiện bởi một máy quay video kỹ thuật số hồng ngoại. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là việc bố trí hệ thống đo nhiệt cắt không ảnh hƣởng tới hệ thống công nghệ. Tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là bản ghi ảnh nhiệt bức xạ phải từ một mặt phẳng đứng vuông góc với vùng tiếp xúc. Sự có mặt của dung dịch trơn nguội có thể ảnh hƣởng tới bức xạ và do đó ảnh hƣởng tới việc đo và nhiệt độ trong mặt phẳng có thể không là điển hình của nhiệt độ trung tâm bên trong vùng tiếp xúc.
Học viên: Nguyễn Quang Định 27
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
- Nghiên cứu về các phƣơng pháp đo nhiệt cắt, nguyên lý của các phƣơng pháp, ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp.
Học viên: Nguyễn Quang Định 28
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO NHIỆT CẮT
Từ phân tích ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp đo nhiệt cắt đã nêu ở chƣơng 2 cùng với yêu cầu của luận văn và điều kiện làm thí nghiệm tôi chọn phƣơng án đo nhiệt cắt quá trình phay sử dụng cặp nhiệt ngẫu.
3.1 Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các loại cặp nhiệt ngẫu.
3.1.1. Nguyên lý cấu tạo, hoạt động của cảm biến nhiệt điện
Cảm biến nhiệt điện với dạng đơn giản nhất của nó là chuyển đổi nhiệt điện. Hoạt động của cảm biến này dựa trên nguyên lý: điện áp phát sinh dƣới tác dụng của chênh lệch nhiệt độ. Nhƣ vậy, cảm biến sẽ thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ ở đầu vào thành điện áp ở đầu ra. Vì vậy cảm biến nhiệt điện thuộc loại cảm biến nhiệt điện đơn giản, chuyển đổi nhiệt điện thể hiện trên sơ đồ khối hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ khối cảm biến nhiệt điện
3.1.2. Các hiệu ứng nhiệt điện
a. Hiệu ứng Peltier
Ở vị trí tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhƣng cùng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc nhƣ hình 3.2. Hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ. Đây chính là suất điện động Peltier
VM -VN = T B / A P Hình 3.2 Hiệu ứng Peltier
Học viên: Nguyễn Quang Định 29 b. Hiệu ứng Thomson
Trong một vật dẫn đồng nhất A, giữa hai điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động nhƣ ở hình 3.3. Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn nhiệt độ TM, TN của hai điểm M và N. Suất điện động Thomson là hàm nhiệt độ. Định luật Magnus phát biểu nếu hai đầu ngoài của một mạch chỉ gồm một vật dẫn duy nhất và đồng chất đƣợc duy trì ở cùng một chiều nhiệt độ thì suất điện động Thomson bằng không.
TM TN A TN , TM A h DT E Hình 3.3 Hiệu ứng Thomson c. Hiệu ứng Seebeck
Giả sử có một mạch kín từ tạo thành từ hai vật dẫn A B và hai chuyển tiếp của chúng đƣợc giữ nhiệt độ T1, T2 nhƣ hình 3.4. Khi đó mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này gây nên một suất điện động do kết quả tác động đồng thời của hai hiệu ứng Peltier 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 lƣợt bằng
dt h e 2 1 T T A ab 2 T B / A bc P e ecd h dt 2 1 T T B 2 T A / B da P e
Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng của các suất điện động thành phần Peltier và Thomson ở trên. dt ) h h ( P P E B T T A 1 T B / A T B / A T T B / A 2 1 2 1 2
Nếu chọn T1 là nhiệt độ so sánh và lấy T1 = 0C, khi đó đối với một cặp vật dẫn A B cho trƣớc, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2.
Học viên: Nguyễn Quang Định 30
Hình 3.4 Hiệu ứng Seebeck
3.1.3 Đặc trưng chưng độ nhạy nhiệt
Cặp nhiệt có cấu tạo gồm hai dây dẫn A và B đƣợc nối với nhau bởi mối hàn có nhiệt độ T1 và T2. Suất điện động E phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm các dây dẫn A, B và vào nhiệt độ T1, T2. Thông thƣờng nhiệt độ của một mối hàn đƣợc giữ ở giá trị không đổi và biết trƣớc, gọi nhịêt độ chuẩn (T1 = Tref). Nhiệt độ T2 của mối hàn thứ hai, khi đặt trong môi trƣờng nghiên cứu nó sẽ đạt tới giá trị Tc chƣa biết. Nhiệt độ Tc là hàm của nhiệt độ Tx và của các quá trình trao đổi nhiệt xảy ra.
Hình 3.5 Cấu tạo cặp nhiệt
Biểu thức diễn giải sự phụ thuộc suất điện động vào nhiệt độ nhƣ sau.
i 8 i 0 i iT a E
Trong đó E đo bằng μV và T đo bằng C . Giá trị cụ thể của các hệ số ai trong biểu thức trên dựa vào các thông số của từng loại cặp nhiệt.
Độ nhạy nhiệt (hay còn gọi là năng suất nhiệt điện) của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ Tc đƣợc xác định bởi biểu thức c B / A dT dE Tc) ( s Trong đó s là hàm của nhiệt độ và có đơn vị μV /C.
Học viên: Nguyễn Quang Định 31
Hình 3.6 Biểu đồ đặc tính cặp nhiệt loại K Cr và Al
Công thức biến đổi điện áp thành nhiệt độ nhƣ sau.
n n 5 5 4 4 3 3 2 2 1 0 a x a x a x a x a x a x a T Trong đó: T - Nhiệt độ
a - Hệ số đa thức tƣơng ứng với mỗi cặp nhiệt x - Điện áp của cặp nhiệt
n - Bậc của đa thức
3.1.4 Phương pháp đo điện áp cảm biến nhiệt điện
Phƣơng pháp đo điện áp nhiệt điện giản đơn nhất đƣợc thể hiện trên hình vẽ 2.28. Thực chất của phƣơng pháp này là từng tiếp xúc của dây dẫn A và B đƣợc tạo nên thông qua đồng hồ đo và đồng hồ đo lúc này giữ vai trò là một vật ngắn mạch nhiệt. Chú ý : Máy đo đƣợc coi là vật ngắn mạch nhiệt khi và chỉ khi các đầu nối (tiếp điểm) vào của nó phải cùng ở một nhiệt độ.
Học viên: Nguyễn Quang Định 32
Hình 3.7 Sơ đồ đo điện áp nhiệt điện (a) và mạch thay thế nó (b)
Máy đo sẽ đo dòng một chiều tạo bởi điện áp nhiệt điện. Hãy thử xét một ví dụ về xác định dòng một chiều chạy qua máy đo sau đây. Phần (b) của hình vẽ đã thể hiện mạch thay thế Thevenin của một hệ đo nhiệt độ đơn giản cặp nhiệt.
Điện áp nguồn UT của mạch thay thế đƣợc tính bằng biểu thức : UT UAB(T,T0)
Và đây chính là điện áp nhiệt điện
Điện trở trong RT của mạch thay thế đƣợc tính bằng :
T A B
R R R
Đây chính là điện trở tổng của các dây dẫn
Nhƣ vậy, dòng chạy qua máy đo có điện trở Rm :
0 ( , ) AB A B m U T T I R R R
+ Phụ thuộc vào điện áp nhiệt điện ; + Phụ thuộc vào tổng điện trở RARBRm
của mạch. Dòng chạy trong mạch cũng gây ra những tác dụng nhƣ sau.
+ Các điện trở của dây dẫn cũng nhƣ của máy đo sẽ nóng lên (theo định luật Joule).
+ Nhiệt độ của các tiếp điểm thay đổi theo chiều làm giảm chênh lệch nhiệt độ đã tạo nên điện áp nhiệt điện (Theo định luật Poltier). Bản chất
Học viên: Nguyễn Quang Định 33
của hiện tƣợng theo định luật Poltier là tiếp điểm nóng sẽ nguội đi và tiếp điểm nguội sẽ nóng dần lên.
Những tác dụng của dòng vừa nêu trên sẽ gây nên những sai số, vì vậy, để phép đo chính xác, phải tìm giải pháp làm giảm độ lớn dòng đến vị trí số bé nhất có thể. Có hai phƣơng pháp làm giảm dòng thƣờng đƣợc sử dụng là
+ Dử dụng máy đo có nội trở lớn.
+ Sử dụng phƣơng pháp đo điện áp bù trừ.
3.1.5 Thay đổi nhiệt độ điểm lạnh
Trƣớc hết, cần phải ghi nhớ rằng bản chất của điện áp nhiệt điện là hàm chênh lệch nhiệt độ, theo ví dụ đã xét ở phần trên ta thấy dòng I của đồng hồ đo tỉ lệ với điện áp nhiệt điện UAB(T,T0). Nếu phải đo nhiệt độ của điểm nóng T thì nhất thiết phải giữ điểm lạnh T0 ở một giá trị không đổi. Vì, nếu nhiệt độ điểm lạnh thay đổi nhất định sẽ gây nên sai số đo. Vả lại, chỉ có thể đo đƣợc nhiệt độ điểm nóng thông qua sự đối chiếu với nhiệt độ điểm lạnh, nếu nhiệt độ điểm lạnh bị thay đổi thì phép đo mất ý nghĩa.
Có nhiều nguyên nhân gây nên sự thay đổi của điểm lạnh, song tập trung cụ thể vào ba nguyên nhân sau.
+ Sự dẫn nhiệt dọc theo các dây dẫn.
+ Bức xạ nhiệt từ đối tƣợng có nhiệt độ cần đo.
+ Sự thay đổi của nhệt độ môi trƣờng quanh điểm lạnh.
Hai nguyên nhân đầu thật sự phải đƣợc chú ý khi khoảng cách đối tƣợng đo và thiết bị đo, nghĩa là khoảng cách giữa các điểm nóng lạnh, không xa nhau lắm. Để đạt đƣợc độ chính xác mong muốn, trong thực tế, phải đảm bảo sao cho sự thay đổi nhiệt độ của điểm lạnh là rất bé để có thể bỏ qua đƣợc khi so với chênh lệch nhiệt độ cần đo.
Có hai giải pháp tƣơng đối phổ biến để đảm bảo cho mục đích khống chế điểm lạnh.
Đặt thiết bị đo cách xa đối tƣợng đo một cách hợp lý (xa quá sẽ tổn hao nhiều trên đƣờng dẫn). Và phải đặt máy đo trong môi trƣờng nhiệt độ cố định. Nhƣ vậy sẽ
Học viên: Nguyễn Quang Định 34
tránh đƣợc bức xạ nhiệt từ đối tƣợng đo vào điểm lạnh cũng nhƣ tạo đƣợc một môi trƣờng nhiệt ổn định quanh điểm lạnh.
Điều này cần đặc biệt lƣu ý khi phải thực hiện những phép đo xa ở những điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Ở những trƣờng hợp này, hệ thiết bị đo phải đƣợc đặt cách xa đối tƣợng đo để đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị, nghĩa là điểm nguội phải đặt cách xa điểm nóng. Ví dụ, đo các đối tƣợng cháy, nổ, ô nhiễm môi trƣờng…
Giữ ổn định điểm lạnh. Duy trì nhiệt độ lạnh tại một giá trị nhất định. Để thực hiện giải pháp này, ngƣời ta có thể sử dụng một trong những phƣơng pháp cụ thể nhƣ sau.
* Phƣơng pháp cách xa hai điểm nóng và điểm lạnh bằng dây bù.
Nếu đối tƣợng đo (điểm nóng) và thiết bị đo (điểm lạnh) phải đặt cách xa nhau thì dây dẫn phải đƣợc nối dài ra. Nhƣ vậy, điện trở dây nối dài sẽ tăng lên đáng kể. Vì vật liệu làm cặp nhiệt có điện trở suất khá lớn và giá thành cũng khá đắt nên không sử dụng các vật liệu này làm dây nối dài đƣợc. Cần phải sử dụng một loại vật liệu rẻ tiền và có điện trở suất thấp để làm dây nối dài. Đƣơng nhiên khi nối thêm một vật liệu khác vào thì sẽ gặp phải hiện tƣợng phát sinh điện áp nhiệt điện phụ tải các điểm nối. Đây là một vấn đề kỹ thuật cần phải đƣợc giải quyết. Để giải quyết tốt vấn đề này, trƣớc hết hãy xét một ví dụ khái quát để hiểu rõ hơn ảnh hƣỡng của các dây nối dài có vật liệu cặp nhiệt.
Hãy xét sơ đồ mạch đo nhiệt ứng dụng cặp nhiệt có vật liệu (A,B) với các dây nối dài có vật liệu (C,D) trên hình 3.8 có dây nối dài bằng vật liệu khác biệt (CD)
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt (A, B)
Trong đó: T là nhiệt độ cần đo, A và B là vật liệu cặp nhiệt. C và D là vật liệu dây nối dài.
Học viên: Nguyễn Quang Định 35
Tn là nhiệt độ điểm nối giữa dây cặp nhiệt và dây nối dài. T0 nhiệt độ đầu nối thiết bị đo.
Giả thiết rằng thiết bị đo là một vật ngắn mạch nhiệt, ngoài ra, nhiệt độ các điểm nối giữa dây cặp nhiệt với dây nối dài đều đƣợc giữ ở giá trị Tn. Khi ấy, dƣới tác dụng của chênh lệch nhiệt độ T- Tn, điện áp nhiệt điện của cặp nhiệt tạo ra từ các vật liệu A và B sẽ là:
UT1 = UAB (T; Tn)
Dƣới tác dụng của chênh lệch nhiệt độ Tn – T0, điện áp nhiệt điện của dây nối dài