CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN
3.1.1/ Cảm biến nhiệt độ:
a/ Giới thiệu:
• Khái niệm: Cảm biến nhiệt độ là cảm biến mà tín hiệu đầu vào là nhiệt độ, tín hiệu đầu ra là tín hiệu điện như là điện trở hay điện áp.
Phương pháp đo không tiếp xúc: năng lượng bức xạ của một nguồn nhiệt dưới dạng năng lượng phát ra trong vùng hồng ngoại của quang phổ điện từ. Phương pháp này có thể được sử dụng để đo cho chất rắn và lỏng không phản chiếu, nhưng lại không có hiệu quả với chất khí vì sự trong suốt tự nhiên của nó. Ví dụ nhiệt kế hồng ngoại.
Sự thay đổi suất điện động (điện áp) khi nhiệt độ thay đổi. Tiêu biểu là cặp nhiệt ngẫu.
Sự thay đổi điện trở kim loại khi nhiệt độ thay đổi, điển hình là điện trở nhiệt kim loại (RTD), và nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor).
• Nhiệm vụ:
Trong hệ thống sản xuất nước lạnh, dùng 4 cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ của các đường nước đến và ra khỏi tháp giải nhiệt, các đường nước cấp và hồi làm mát các phòng rồi báo tín hiệu đo được về bộ điều khiển DDC.
Trong mỗi AHU, sử dụng hai cảm biến nhiệt độ đo và báo tín hiệu đường gió cấp và hồi.
b/ Đặc điểm của cảm biến lựa chọn:
Trong hệ thống ĐHTT, vì chất cần đo là nước và không khí, dải nhiệt độ cần đo không rộng khoảng từ 70C đến dưới 800C và yêu cầu độ chính xác khá cao, đảm bảo hoạt động tốt trong lâu dài điều kiện khí hậu nóng ẩm của nước ta nên ta chọn cảm biến nhiệt độ loại RTD bởi các đặc điểm:
• Ưu điểm:
Độ chính xác cao và tính lặp lại cao
Dải nhiệt độ rộng: -2000C đến +6500C (-3280F đến +12020F) phụ thuộc vào mỗi loại
Ổn định dài hạn: độ lệch > 0,10C/năm
Điện áp đầu ra của nó lớn hơn điện áp đầu ra của cặp nhiệt ngẫu
Điện trở tuyến tính
Điện trở có thể được xác định trong PTN và biến đổi không đáng kể qua thời gian
Có thể sử dụng cáp tiêu chuẩn để nối tới thiết bị điều khiển • Nhược điểm:
Giá cao hơn thermistor và cặp nhiệt ngẫu
Nội nhiệt của RTD có thể ảnh hưởng tới sai số
Kích thước lớn hơn thermistor và cặp nhiệt ngẫu
Không bền như cặp nhiệt ngẫu trong điều kiện làm việc rung và sốc cao. Tuy nhiên, những nhược điểm trên không ảnh hưởng đến hệ thống điều hòa trung tâm thiết kế.
RTD bao gồm thành phần cảm biến nhiệt độ, dây nối giữa thành phần này với dụng cụ đo và giá đỡ. Thành phần cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ và thường có hai dạng dây kim loại và màng mỏng kim loại.
Nguyên lý làm việc của nó dựa vào sự thay đổi điện trở kim loại khi nhiệt độ thay đổi. Sự thay đổi này thông qua hệ số nhiệt điện trở. RTD được sản xuất từ những vật liệu có hệ số nhiệt độ dương, phổ biến là Cu, Ni, hợp chất Ni/Fe, Vonfram và Pt.
Pt có thể đo được nhiệt độ lên tới 12000F (6500C) và có độ chính xác cao nhất, ổn định. Dải nhiệt độ thích hợp cho việc sử dụng của nó cao hơn Ni, Cu, hợp chất Ni/Fe. Thêm nữa, nó trơ về mặt hoá học, cung cấp sự thay đổi điện kháng tuyến tính nhất, cho phép đo dễ nhất.
Cu cũng được sử dụng trong sản xuất RTDs có giá rẻ. Sự thay đổi điện trở của Cu còn tuyến tính hơn Pt. Tuy nhiên, dải nhiệt độ của nó bị hạn chế và dễ bị ảnh hưởng bởi sự ăn mòn. Thiết bị sử dụng Cu và Ni/Fe có thể bị bất lợi do tác động của ăn mòn và môi trường ẩm cao. Như không ta dùng Cu, Ni/Fe.
Vonfram có độ nhạy nhiệt cao hơn Pt khi nhiệt độ dưới 1000C và có độ tuyến tính hơn. Từ Vonfram có thể chế tạo ra các sợi mảnh tuy nhiên áp suất tạo ra khi kéo sợi Vonfram rất khó bị triệt tiêu. Vậy không chọn.
Ni có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với Pt. Điện trở của Ni ở 1000 C lớn gấp 1,617 lần so với giá trị ở 00 C, trong khi đối với Pt độ chênh này là 1,385. Tuy nhiên Ni có hoạt tính hoá học cao, dễ bị oxy hoá khi nhiệt độ tăng do vậy nhiệt độ làm việc của nó hạn chế.
Dưới đây là bảng giới hạn nhiệt độ của các vật liêụ:
Vật liệu Dải đo nhiệt độ
Ni -150 ÷ 6000F Cu -100 3000F
Vì dải nhiệt độ cần đo không cần cao, và giá Ni rẻ hơn Pt, độ nhạy nhiệt của Ni lại cao hơn nên vật liệu thành phần cảm biến được chọn là Ni.
Để đạt được độ nhạy cao, điện trở phải lớn, muốn vậy cần giảm tiết diện và tăng chiều dài dây. Tuy nhiên để có độ bền cơ học tốt các RTD có điện trở vào khoảng 100Ω. Các giá trị thấp hơn cũng có nhưng chúng làm cho tín hiệu khó đo hơn. Các giá trị cao hơn thường dùng đo ở dải nhiệt độ thấp vì ở đó cho phép thu được độ nhạy tốt. Vậy ta chọn loại có điện trở 1kΩ.
Vì môi trường làm việc khác nhau nên:
• Ở AHU loại RTD được chọn là T6311M-1 của hãng Johnson, kiểu lắp đặt là dạng ống (duct), chiều dài đầu đo là 200mm.
• Ở hệ thống sản xuất nước lạnh chọn loại T631AM-1 của hãng Johnson, kiểu lắp đặt dạng lỗ (well), chiều dài đầu đo là 150mm.
Cả 2 loại có cùng thông số kĩ thuật như sau:
- Điều kiện nhiệt độ làm việc: -460C đến 1040C
- Điện trở tham khảo của cảm biến là 1kΩ ở 700F (210C) - Độ chính xác: ±0,340F ở 700F(±0,190F ở 210C)
- Hệ số nhiệt độ của Ni: ≈ 3Ω/0F(5,4/0C)
- Loại màng mỏng kim loại Ni có điện trở 1kΩ, vỏ bọc kim loại
Đối với cảm biến nhiệt độ Ni 1kΩ, điện trở dây có thể gây ra sai số xấp xỉ 10F (0.560C) đối với dây dài 250 ft (76m), 18AWG hoặc dây dài 100 ft (31m), 22AWG. Để sai số nhỏ nhất, hạn chế tổng điện trở của dây nối dưới 3Ω.
Nguồn cấp cho cảm biến là tín hiệu 0 đến 10V.
Vì điện trở của cảm biến được chọn là 1000Ω tương đối lớn và độ chính xác yêu cầu không cao lắm nên ta sử dụng đường truyền 2 dây.