5. Nội dung thực hiện
2.1.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý hiện diện khắp mọi nơi và trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp vì mỗi sản phẩm, thiết bị hay điều kiện làm việc cần những nhiệt độ khác nhau. Muốn có đƣợc nhiệt độ phù hợp cần phải có hệ thống điều khiển. Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phƣơng pháp điều khiển thích hợp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Để thực hiện việc tự động hệ thống điều khiển nhiệt độ ta cần có các thiết bị đo nhiệt để gửi lại đầu vào, so sánh với tín hiệu đặt và đƣa ra lệnh điều khiển. Sau đây tác giả sẽ giới thiệu các cảm biến nhiệt độ dùng cho hệ thống này.
2.1.2.1 Cảm biến nhiệt độ.
Nhiệt độ từ môi trƣờng sẽ đƣợc cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lƣợng nhiệt này thành một đại lƣợng điện nào đó. Nhƣ thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trƣờng cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến đều bao gồm vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lƣỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trƣờng vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (một trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt ). Nguyên tắc đặt ra là tăng cƣờng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trƣờng cần đo.
Phân loại cảm biến nhiệt
a. Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ).
- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ƣu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hƣởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thƣờng dùng: Lò nhiệt, môi trƣờng khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C 1400 D.C
Hình 2.2 Cấu tạo của cặp đo nhiệt
b. Cặp đo nhiệt
- Gồm 2 dây kim loại khác nhau đƣợc hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
đặt ra là phải ổn định và đo đƣợc nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lƣu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).
c. Thermistor
- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
- Ƣu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
- Thƣờng dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
- Tầm đo: 50 150 D.C.
Hình 2.3 Cấu tạo thermistor
Cấu tạo Thermistor
- Thermistor đƣợc cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này đƣợc hòa trộn theo tỉ lệ và khối lƣợng nhất định sau đó đƣợc nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dƣơng PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thƣờng dùng nhất là loại NTC.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy ngƣời ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thƣờng gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.
d. Bán dẫn
- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ. - Ƣu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
- Thƣờng dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
- Tầm đo: -50 150 D.C.
Hình 2.4 Cấu tạo bán dẫn
- Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến đƣợc chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại nhƣ Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trƣờng. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ƣu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….
- Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dƣới dạng diode ( hình dáng tƣơng tự Pt100), các loại IC nhƣ: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này đƣợc phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
e. Nhiệt kế bức xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).
- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.
- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lƣợng của môi trƣờng mang nhiệt.
- Ƣu điểm: Dùng trong môi trƣờng khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trƣờng đo.
- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền. - Thƣờng dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung. - Tầm đo: -54 1000 D.F.
Hình 2.5: Cấu tạo hỏa kế
Cấu tạo hỏa kế
- Nhiệt kế bức xạ ( hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trƣờng mà các cảm biến thông thƣờng không thể tiếp xúc đƣợc ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến).
- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cƣờng độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tƣợng bức xạ năng lƣợng. Và năng lƣợng bức xạ sẽ có một bƣớc sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bƣớc sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.