Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN DỰA TRÊN HỐC DẠNG HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH CỦA

4.3. Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ

Yêu cầu về bức xạ ra của nguồn giả vật đen có bước sóng đỉnh nằm trong vùng phổ LWIR (8-12 m), tương ứng với dải nhiệt độ bức xạ thấp, gần với nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ làm việc của nguồn bức xạ nghiên cứu nằm trong khoảng 10-50C nhƣ nêu trong yêu cầu kỹ thuật (Bảng 4.1). Để có thể nhận đƣợc bức xạ của nguồn vật đen nghiên cứu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường, chúng tôi sử dụng một máy phát nhiệt hoạt động trên nguyên lý điện - nhiệt (Thermoelectric - TE) Peltier, hay còn gọi là máy phát nhiệt TE.

Hình 4.12: Sơ đồ cấu tạo chung của máy phát nhiệt TE [112].

Hình 4.12 mô tả nguyên lý cấu tạo chung của máy phát nhiệt TE. Trên hình vẽ, các bán dẫn n và p đƣợc kết nối liên tiếp với nhau, trong khi đó, nhiệt đƣợc truyền qua các vùng bán dẫn lại có chiều song song với nhau. Máy phát

QC

TC

A

TH QH

L

I

N P

118

nhiệt TE hoạt động ở chế độ làm lạnh có đặc điểm: tấm thu nhiệt (cold substrate) tiếp xúc với môi trường cần làm lạnh; nhiệt được bơm từ tấm thu nhiệt tới tấm tản nhiệt (hot substrate) và thải ra ngoài môi trường. Chiều bơm nhiệt có thể đảo ngƣợc nếu đảo chiều dòng điện (máy phát nhiệt hoạt động ở chế độ làm nóng). Các đại lƣợng mô tả quá trình làm lạnh là hàm phụ thuộc với là nhiệt độ của tấm tỏa nhiệt và tấm thu nhiệt tương ứng của máy lạnh. Các phương trình đặc trưng của máy phát nhiệt ở chế độ làm lạnh đƣợc biểu diễn nhƣ sau [113] :

(4.2) (4.3) Trong đó,

- Chiều dài vùng bán dẫn.

- Tiết diện vùng bán dẫn.

- Nhiệt bơm tại tiếp giáp.

- Nhiệt độ tấm thu nhiệt.

- Nhiệt độ tấm tỏa nhiệt.

- Dòng điện.

- Hệ số Seebeck.

- Điện trở.

- Hệ số truyền nhiệt.

- Điện áp hiệu dụng

- Số lƣợng các cặp tiếp giáp n-p - là các biến phụ thuộc nhiệt độ.

Trong công thức tính (4.2), số hạng mô tả hiệu ứng Peltier;

số hạng mô tả hiệu ứng Joule khi dòng tỏa nhiệt trên điện trở, hệ số 1/2 cho thấy một nửa lƣợng nhiệt Joule đƣợc phân bố cho tấm thu nhiệt, một nửa cho tấm tản nhiệt; số hạng mô tả hiệu ứng truyền nhiệt Fourier. Có thể thấy, hiệu ứng điện nhiệt Peltier luôn có mất mát nhiệt do hiệu ứng Joule và Fourier. Trong công thức điện áp (4.3), số hạng biểu diễn điện áp Seebeck, số hạng biểu diễn điện áp theo định luật Ohm.

Nhiệt lƣợng tỏa ra tại tấm toả nhiệt đƣợc tính theo hiệu suất [112]:

(4.4)

119

Trở nhiệt của tấm thu nhiệt (Heat Sink Resistance - HSR) đƣợc đo bởi nhiệt độ tấm thu nhiệt so với nhiệt độ môi trường ( ) trên công suất nhiệt tỏa ra [112]:

(4.5)

Hình 4.13: Biểu đồ xác định các tham số cực đại của máy phát nhiệt TE hoạt động ở chế độ làm lạnh trong điều kiện tiêu chuẩn [112].

Để tính toán cho yêu cầu làm lạnh của thiết bị nghiên cứu, ta có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để đánh giá [112]. Phương pháp này được sử dụng để tính các điều kiện hiệu quả của một máy phát nhiệt TE hoạt động

Biểu đồ hiệu suất máy phát nhiệt TE (a)

Biểu đồ V/Vmax (b)

Biểu đồ I/Imax (c)

120

ở chế độ làm lạnh nhƣ là hàm của nhiệt độ với những trị số nhiệt độ chọn trước. Mô hình nhiệt này rất hiệu quả cho những tính toán ước lượng, cho dù chênh lệch nhiệt độ có thể tuyến tính trong một dải khá rộng, nhƣng các tính chất động lực học của máy phát nhiệt TE lại có thể không tuyến tính với nhiệt độ. Các giá trị ƣớc lƣợng theo mô hình này là các giá trị thông số biên lớn nhất của máy phát nhiệt cần chọn. Trong thực tế, để lựa chọn các máy phát nhiệt và chế độ hoạt động phù hợp, người ta thường xác định hiệu suất (E), điện áp và dòng chuẩn hóa (V/Vmax, I/Imax) phụ thuộc TH và TC, với Vmax và Imax là các giá trị định mức cực đại đƣợc cho trên các đồ thị đặc trƣng bởi nhà sản xuất (Hình 4.13).

Giả thiết TH = 385 K, TC = 275 K, Ta = 300 K, trên biểu đồ (Hình 4.13a), tìm điểm E~ 4,5% tương ứng với nhiệt độ TH, TC đã chọn. Tương tự, trên các biểu đồ Hình 4.13b và 4.13c, tìm các giá trị tương ứng V~ 0,2Vmax , I~

0,25Imax. Nếu máy phát nhiệt hoạt động ở V= 2,4 V, I = 1,3 A ta tính đƣợc điện áp Vmax = 12 V, Imax = 5,4 A và bằng các công thức (4.4) và (4.5) ta tính đƣợc nhiệt thải là QH = 57 W, HSR ~ 0,3 C/W.

Hình 4.14: Đặc tuyến hoạt động của module AC-027 [114].

Trong các máy phát nhiệt TE loại nhỏ, ta chọn module AC-027 của hãng TE Technology [114] có các thông số về dòng và điện áp thỏa mãn dữ

121

kiện yêu cầu. Trên các đặc tuyến (T-P) mô tả hoạt động của module AC-027 (Hình 4.14), nếu nhiệt độ tấm thu nhiệt (nhiệt độ buồng trao đổi nhiệt) cân bằng ở 10C, nhiệt độ môi trường ở 25C, ta có công suất tải nhiệt của module AC-027 là 16W. Module AC-027 có công suất tải nhiệt 24W khi chênh lệch nhiệt độ là 0C, điện áp hoạt động Vmax là 12 VDC, dòng Imax = 5,6 A, phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu về nguồn điện (Bảng 4.1) và những cân nhắc về nhiệt trên đây. Cấu tạo của module AC-027 còn bao gồm 2 quạt gió nuôi bằng nguồn 12 V với dòng tiêu thụ lần lƣợt là 0,24 A và 0,58 A cho quạt phía tấm thu nhiệt và quạt phía tấm tỏa nhiệt tương ứng. Phương pháp tải nhiệt của AC-027 là dùng quạt gió phân tán nhiệt trong không gian buồng trao đổi nhiệt. Có thể tạo một buồng trao đổi nhiệt đóng kín, một vách buồng lắp tấm thu nhiệt của máy phát nhiệt TE. Các vách còn lại của buồng sẽ hấp thụ nhiệt của khối không khí trong buồng, và ở trạng thái nhiệt độ cân bằng với nhiệt độ của khối khí ấy. Trong trường hợp hốc phát xạ nghiên cứu, mặt đáy của khối hình nón của hốc có thể đƣợc thiết kế nhƣ là một vách của buồng trao đổi nhiệt, đặt đối diện với tấm thu nhiệt của máy phát nhiệt. Do đáy nón trao đổi nhiệt với khối không khí trong buồng nhiệt, nên thiết kế của nó sẽ không phụ thuộc vào diện tích tấm thu nhiệt của module AC-027.

4.3.2. Điều khiển nhiệt độ của đáy nón

Nhiệt độ của đáy nón đƣợc điều khiển tự động, dựa trên bộ điều khiển tỷ lệ P.I.D thương mại. Trên Hình 4.15, sai lệch nhiệt độ E(T) = TSV – TPV

được đưa tới bộ điều khiển, với TS là nhiệt độ đặt và TPV là nhiệt độ đo lường đƣợc. Bộ điều khiển xử lý sai lệch này dựa trên luật P.I.D, tạo ra một lƣợng điều khiển cho nguồn cấp nhiệt nhằm khử sai lệch này về zero. Cảm biến nhiệt độ có chức năng biến nhiệt thành tín hiệu điện đƣợc chọn phù hợp với yêu cầu và phạm vi điều khiển.

Các cảm biến nhiệt độ tiêu chuẩn trong công nghiệp thường là các điện trở nhiệt (RTD), các cặp nhiệt điện và các cảm biến hồng ngoại. Cảm biến RTD thông dụng đƣợc làm từ Platinium, điện trở 100  (ký hiệu Pt100). Các cảm biến cặp nhiệt điện đƣợc phân thành loại J, K, T, R, S, B và L tùy thuộc vào dải nhiệt độ và độ chính xác yêu cầu. Chúng tôi chọn cảm biến nhiệt độ là cặp nhiệt điện kiểu K, hoạt động trong dải nhiệt độ từ 0-300C (model E52- CA1DY của hãng Omron). Đặc điểm của loại cảm biến này là có đầu đo đƣợc

122

chế tạo dưới dạng đai ốc M6, dễ dàng gá chặt trên đế kim loại, cho phép đo nhiệt độ ở độ dày tới 13 mm.

Trên thị trường, các bộ điều khiển nhiệt độ cài đặt sẵn P.I.D, có lối vào tương thích với RTD hay cặp nhiệt điện, được nhiều hãng công nghiệp cung cấp. Lối vào các bộ điều khiển nhiệt độ có thể thiết lập được để tương thích với tín hiệu điện áp một chiều (5-10 V, hay 10-50 mV) hoặc dòng (4-20 mA) của các cảm biến chuẩn. Tín hiệu điều khiển nguồn nhiệt có thể là tín hiệu ON/OFF hoặc điều chế độ rộng xung (PWM), thích hợp điều khiển các thiết bị đóng/ngắt nguồn điện nhƣ rơle cơ khí (SPDT), rơle bán dẫn (SSR), hay các triac. Lối ra tín hiệu analog có thể đƣợc thiết kế trên một số bộ điều khiển nhiệt độ, cho tín hiệu 0-10 V hay 4-20 mA thay đổi theo tỷ lệ phần trăm lƣợng điều khiển lối ra. Bộ điều khiển nhiệt độ chuẩn công nghiệp kiểu SDC15 của Hãng Yamatake (Azbil) đƣợc lựa chọn, với những thông số kỹ thuật chính nhƣ sau [115]:

Nguồn nuôi: 85 - 264 VAC/ 21,6 - 26,4 VDC Kiểu điều khiển: ON/OFF hoặc tỷ lệ P.I.D.

Lối vào: RTD/ Cặp nhiệt điện/ Tín hiệu DC

Lối ra: rơle/ PWM (Điện áp)/Dòng

Sai số:  0,5% hay  1 digit cuối

Giải pháp điều khiển nhiệt độ trên đây đáp ứng đƣợc các yêu cầu về thiết kế cấp nhiệt cho nguồn giả vật đen nghiên cứu.

Hình 4.15: Sơ đồ vòng điều khiển nhiệt độ.