Tối ưu hoá bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ

Ở Việt Nam hiện nay, các cặp nhiệt điện chuẩn chỉ được dẫn xuất cao nhất đến điểm chuẩn nhiệt độ bạc 961,78 oC mà chưa được dẫn xuất chuẩn đến điểm chuẩn nhiệt độ đồng 1084,62 oC, trong

Trang 1

Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 i

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN XUẤT CHUẨN NHIỆT ĐỘ 2

1.1 Thang nhiệt độ quốc tế ITS – 90 2

1.2 Hệ thống dẫn xuất nhiệt độ với cặp nhiệt điện 8

1.3 Nhận xét và kết luận 19

CHƯƠNG 2 LÒ TÁI TẠO ĐIỂM CHUẨN NHIỆT ĐỘ ĐỒNG 20

2.1 Cấu tạo lò tái tạo điểm chuẩn đồng 20

2.2 Các phương trình cân bằng nhiệt trong lò tái tạo 24

2.3 Bình điểm đồng tinh khiết 29

2.4 Kết luận 33

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ TÁI TẠO 34

ĐIỂM CHUẨN NHIỆT ĐỘ ĐỒNG 34

3.1 Bộ điều khiển nhiệt độ lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng 36

3.2 Tính toán thông số bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng 38

3.3 Phương pháp tối ưu thông số điều khiển theo chỉ số dao động mềm 42

3.4 Kết luận 62

CHƯƠNG 4 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 63

4.1 Đánh giá độ đồng đều, độ ổn định của lò tái tạo 63

4.2 Đánh giá trạng thái nóng chảy và đông đặc của hệ thống điểm chuẩn đồng 67

4.3 Kết quả đưa lò tái tạo vào hiệu chuẩn cặp nhiệt điện 71

4.4 Kết luận 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 75

Trang 2

Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các điểm chuẩn nhiệt độ của ITS-90 3

Bảng 1.2 một số loại dây bù thường dùng 13

Bảng 1.3 Đặc tính của một số cặp nhiệt điện chuẩn bằng kim loại quí và kim loại không quí hay gặp trong thực tế 15

Bảng 4.1: Khảo sát bình điểm đồng Cu -VMI 64

Bảng 4.2: Khảo sát bình điểm đồng Cu- Fluke 65

Bảng 4.3 Các kết quả thu được sau 3 lần tái tạo trạng thái nóng chảy bình Cu 69

Bảng 4.4 Các kết quả thu được sau 3 lần tái tạo trạng thái đông đặc bình Cu VMI 71

Bảng 4.5 Kết quả hiệu chuẩn cặp nhiệt điện tại điểm chuẩn nhiệt độ đồng 72

Trang 3

Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 iii

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Điểm trạng thái ba pha của nước tinh khiết 2

Hình 1.2 Trạng thái nóng chảy và đông đặc của Thiếc tinh khiết 4

Hình 1.3 Mạch cặp nhiệt điện 9

Hình 1.4 Trường nhiệt độ trên mạch cặp nhiệt điện 10

Hình 1.5: Hệ số Seebeck của một số loại cặp nhiệt điện 11

Hình 1.6 Cấu trúc của cặp nhiệt điện 12

Hình1.7: Sơ đồ nối cặp nhiệt điện dung dây bù trong thực tế 12

Hình 1.8 Đặc tính quan hệ mV - oC của một số cặp nhiệt điện hay dùng 13

Hình 1.9 Hệ thống các điểm chuẩn nhiệt độ tại VMI 17

Hình 2.1 Búp lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng 20

Hình 2.2 vỏ bảo vệ bên ngoài lò tái tạo điểm chuẩn đồng 21

Hình 2.3 Mặt cắt ngang lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng 22

Hình 2.4 Đồ thị cân bằng nhiệt vật nung 26

Hình 2.5: Bình điểm đồng chế tạo trong nước 32

Hình 2.6: Bình điểm đồng 5919A, Fluke 32

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động 1 vòng 34

Hình 3.2 Sơ đồ mạch kín bộ điều khiển lò tái tạo 36

Hình 3.3 Đặc tính quá độ của lò tái tạo với bộ điều khiển PID của Hãng sản xuất 37

Hình 3.4: Đặc tính mới của hệ thống sau quá trình tự điều chỉnh 39

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống lò tái tạo xác định thông số theo phương pháp Ziegler-Nicholes 2 40

Hình 3.6 Hệ thống kín dao động điều hoà 40

Hình 3.7: Đặc tính ra của hệ thống với bộ điều khiển mới theo Ziegler - Nicholes 41

Trang 4

Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 iv

Hình 3.8- Đánh giá dự trữ ổn định theo các điểm cắt giữa đặc tính mềm và parabol 45

Hình 3.9- Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển 46

Hình 3.10 Hệ điều khiển tự động của bộ khử nhiễu 50

Hình 3.11 Đặc tính thời gian của lò tái tạo với công suất đốt 40% và 60% 57

Hình 3.12 Kết quả nhận dạng đối tượng 58

Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 58

Hình 3.14 Đặc tính mềm của hệ hở 59

Hình 3.15 Đặc tính quá độ của hệ thống kín 60

Hình 3.16 Đặc tính thời gian của lò tái tạo điểm chuẩn đồng 61

Hình 4.1 Sai lệch nhiệt độ theo chiều sâu nhúng bình điểm đồng VMI 65

Hình 4.2 Sai lệch nhiệt độ theo chiều sâu nhúng bình điểm đồng Fluke 66

Hình 4.3 Độ ổn định của lò tái tạo tại nhiệt độ t = 1080 o C 67

Hình 4.4: Tái tạo quá trình nóng chảy bình Cu lần 1 68

Hình 4.7: Tái tạo quá trình đông đặc bình Cu VMI lần 1 70

Hình 4.10 Tái tạo trạng thái đông đặc của điểm chuẩn nhiệt độ đồng 71

Hình 4.11 Hiệu chuẩn cặp nhiệt điện tại điểm chuẩn nhiệt độ đồng 72

Trang 5

Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 1

LỜI NÓI ĐẦU

Dẫn xuất chuẩn nhiệt độ là một việc làm vô cùng quan trọng trong công tác đảm bảo đo lường Ở Việt Nam hiện nay, các cặp nhiệt điện chuẩn chỉ được dẫn xuất cao nhất đến điểm chuẩn nhiệt độ bạc (961,78 oC) mà chưa được dẫn xuất chuẩn đến điểm chuẩn nhiệt độ đồng (1084,62 oC), trong dải đo chính đến 1100 oC và phải sử dụng phương trình ngoại suy để tính toán quan hệ nhiệt độ - sức nhiệt điện động (t oC – mV), gây ra sai số lớn hoặc phải gửi đi nước ngoài gây tốn kém cả về mặt kinh tế và thời gian

Trong đề tài khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết

bị tái tạo, dẫn xuất điểm chuẩn nhiệt độ đồng” do Viện Đo lường Việt Nam chủ trì, cùng với việc thiết kế cấu trúc lò, bảo ôn lò thì bộ điều khiển cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng Bộ điều khiển phải đảm bảo độ chính xác điều khiển và duy trì trạng thái ổn định của lò trong khoảng thời gian dài

Bên cạnh đó, những thiết bị chuẩn đo lường nhiệt độ (thiết bị dùng để dẫn xuất

đo lường) sau một khoảng thời gian dài sử dụng thường bị trôi, đặc tính thay đổi không còn đảm bảo độ chính xác và ổn định của thiết bị Những thiết bị này có thể được hiệu chuẩn và hiệu chỉnh độ chính xác Tuy nhiên, để đảm bảo được tính ổn định của thiết bị thì các thông số điều khiển của bộ điều khiển phải chỉnh định lại, mà việc này vẫn đang bị bỏ ngỏ tại Việt Nam Những thiết bị mất ổn định này thường là bị loại

bỏ khỏi hệ thống dẫn xuất hoặc gửi lại hãng sản xuất, việc làm này gây lãng phí và mất thời gian

Với mục tiêu là tối ưu hoá cho bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ

đồng, tác giả chọn đề tài “Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ”

Đề tài sẽ xác định lại các thông số của bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ theo 3 phương pháp: phương pháp tự tính toán của bộ điều khiển của nhà sản xuât (chế

độ Auto-tune của bộ điều khiển); phương pháp Ziegler – Nicholes 2 và phương pháp tối ưu hóa bộ điều khiển theo chỉ số dao động mềm do PGS TSKH Nguyễn Văn Mạnh

đề xuất Dựa vào những kết quả đó để lựa chọn được thông số tối ưu cho bộ điều khiển Đảm bảo cho công tác tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng và dẫn xuất chuẩn

Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN XUẤT CHUẨN NHIỆT ĐỘ 1.1 Thang nhiệt độ quốc tế ITS – 90

1.1.1 Giới thiệu chung Thang nhiệt độ ITS - 90

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý quan trọng, là một trong 7 đơn vị cơ bản của hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI), gồm m, kg, A, s, cd, mol và K

Đơn vị nhiệt độ là Kelvin, ký hiệu là K hoặc Celsius, ký hiệu là oC, được định nghĩa như sau: Kelvin là đơn vị đo nhiệt độ (ký hiệu là K) và bằng 1/273,16 nhiệt độ nhiệt động lực tại điểm ba pha của nước tinh khiết (hình 1.1)

Hình 1.1 Điểm trạng thái ba pha của nước tinh khiết Thang Nhiệt độ quốc tế 1990 (ITS – 90) sử dụng cả hai đơn vị nhiệt độ Kelvin

và Celsius, quan hệ giữa đơn vị K và oC được biểu thị bởi công thức:

t90 (oC) = T90 (K) – 273,15 (1.1) Chuẩn quốc tế của đơn vị nhiệt độ chính là Thang nhiệt độ quốc tế (ITS - 90) hiện nay đang được quốc tế sử dụng rộng rãi, Thang nhiệt độ bao gồm 17 điểm chuẩn

Trang 7

nhiệt độ (bảng 1.1) (là các điểm nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ đông đặc hoặc các điểm nhiệt độ ở trạng thái ba pha (rắn - lỏng - khí) của một số chất tinh khiết khác nhau được quốc tế thống nhất), từ điểm áp suất hơi của heli, gần độ 0 tuyệt đối (độ 0 tuyệt đối: 0 K hoặc bằng -273,15 oC) cho đến điểm đông đặc của đồng tinh khiết (có giá trị

là 1357,77 K , hoặc là 1084,62 oC) và ngoại suy ra dải nhiệt độ cao hơn trong vùng bức xạ của ánh sáng đơn sắc

 256,15

 252,85 -248,5939 -218,7916 -189,3442 -38,8344 0,01 29,7646 156,5985 231,928 419,527 660,323 961,78

He e-H2 e-H2/He e-H2/He

Ne

O2

Ar

Hg TPW

Trang 8

Au

Cu

F

Ghi chú: Các ký hiệu có ý nghĩa như sau:

V: điểm áp suất hoá hơi T: điểm ba (nhiệt độ tại các pha rắn, lỏng, hơi cân bằng)

M, F: điểm nóng chảy và điểm đông đặc (nhiệt độ các pha rắn, lỏng cân bằng ở áp suất 101 525 Pa)

Hình 1.2 Trạng thái nóng chảy và đông đặc của Thiếc tinh khiết

1.1.2 Nguyên tắc xây dựng thang ITS-90

Thang ITS-90 mở rộng từ 0,65 K đến nhiệt độ cao nhất có thể đo được trong thực tế bằng định luật bức xạ Planck dùng cho bức xạ đơn sắc Thang ITS-90 bao gồm một số dải chính và các dải phụ, thông qua các dải đó nhiệt độ T90 sẽ được xác định

Các dải chính hoặc dải phụ sẽ phủ nhau và ở những miền phủ nhau đó tồn tại những cách xác định khác nhau cho T90, những cách xác định khác nhau này là hoàn

Trang 9

toàn tương đương Tuy nhiên với các phép đo độ chính xác rất cao, có thể xuất hiện những sai khác về số giữa các phép đo tiến hành tại cùng một điểm nhiệt độ nhưng theo những cách xác định khác nhau Cũng tương tự như ngay cả khi chỉ sử dụng một cách xác định thì hai dụng cụ nội suy thích hợp cũng có thể cho các trị số khác nhau của nhiệt độ nằm giữa các điểm chuẩn nhiệt độ Trên thực tế các sai khác này là không đáng kể và được chấp nhận phù hợp với thang nhiệt độ

Thang ITS-90 được xây dựng theo cách để mỗi dải của nó, với bất kỳ nhiệt độ

đã cho nào, trị số của T90 đều rất gần với trị số của nhiệt độ nhiệt động T theo các ước lượng tốt nhất ở thời điểm thang ITS-90 được công nhận

Một trong những nguyên tắc chủ đạo khi xây dựng thang ITS-90 là có nhiều cách lựa chọn khi thể hiện thang tùy theo dải nhiệt độ sử dụng, độ chính xác và khả năng tái tạo

Thang ITS-90 khác với IPTS-68 ở một số điểm chính sau:

+ Mở rộng tới nhiệt độ thấp hơn (0,65 K thay vì 13,8 K của IPTS-68) + Gần với nhiệt độ nhiệt động hơn

+ Cặp nhiệt điện Pt-10%Rh-Pt không còn là dụng cụ định nghĩa của thang

1.1.3 Xây dựng thang ITS-90

a Trong khoảng từ 0,65 K đến 5,0 K nhiệt độ T90 được xác định bằng mối tương quan nhiệt độ và áp suất hơi của khí 3He và 4He theo phương trình có dạng sau:

Trang 10

Giá trị các hằng số A0, Ai, B và C đã được quy định đối với 3He trong dải từ 0,65 K đến 3,2 K và đối với 4He trong dải từ 2,25 K đến 2,1768 K và từ 2,1768 K đến 5,0 K

b Trong khoảng từ 3,0 K đến 24,5561 K (điểm ba của Neon) nhiệt độ T90 được xác định bằng nhiệt kế khí 3He và 4He đã được hiệu chuẩn tại ba điểm chuẩn nhiệt độ

Đó là điểm ba của Neon (24,5561 K), điểm ba của hydro (13,8033 K) và một điểm nhiệt độ nằm trong khoảng từ 3,0 K đến 5 K được xác định bằng nhiệt kế áp suất hơi 3

He và 4He

c Trong khoảng từ 13,8033 K đến 961.78 C (điểm đông đặc của bạc) nhiệt độ

T90 được xác định bằng các nhiệt kế điện trở Platin (PRT) đã được hiệu chuẩn tại tập hợp các điểm chuẩn nhiệt độ và sử dụng các phương trình nội suy (các hàm chuẩn -

WR(T90) và hàm sai lệch - ∆W) đã quy định

Dải nhiệt độ này được phân thành các dải nhỏ, trong đó mỗi dải có hàm chuẩn

và hàm sai lệch riêng cũng như có PRT với cấu trúc riêng phù hợp

Nhiệt độ được xác định theo tỷ số điện trở R(T90) ở nhiệt độ T90 và điện trở R(273,16 K) ở điểm ba của nước:

90

5,1

5,116,273/lnln

i

i i

r

K T

A A

T W B B

90

35,0

65,016

,273

Trang 11

Giá trị các hằng số A0, Ai và B0, Bi đã được quy định Nhiệt kế có thể được hiệu chuẩn để sử dụng trong toàn dải này, hoặc trong các dải nhỏ hơn (dải phụ) có giới hạn nhiệt độ dưới là 24,5561 K; 54,3584 K; 83,8058 K và giới hạn nhiệt độ trên đều là 273,16 K

Trong khoảng từ 0C đến 961,78 C hàm chuẩn được định nghĩa như sau:

90

481

15,754/

i

i i

r

K T C C

90

64,1

46,215

,273/

i

i r

i

T W D D

K

Giá trị các hằng số C0, Ci và D0, Di đã được quy định Nhiệt kế có thể được hiệu chuẩn để sử dụng trong toàn dải này, hoặc trong các dải nhỏ hơn (dải phụ) có giới hạn nhiệt độ trên là 961,78 C; 660,323 C; 419,527 C; 231,928 C; 156,5985 C; 29,7646 C và giới hạn nhiệt độ dưới đều là 0 C

d Khoảng nhiệt độ trên 961,78 C (điểm đông đặc của bạc, đồng hoặc vàng)

nhiệt độ T90 được xác định theo định luật bức xạ Planck với một điểm chuẩn nhiệt độ (bạc, đồng hoặc vàng) và bằng phương trình sau:

1exp

1 90 2

1 90 2 90

X T c X

T L

Trang 12

1.2 Hệ thống dẫn xuất nhiệt độ với cặp nhiệt điện

1.2.1 Cặp nhiệt điện – các định luật cơ bản

Cặp nhiệt điện là một trong những dụng cụ đo thông dụng trong lĩnh vực nhiệt

độ, do có kết cấu đơn giản, dễ sử dụng, tin cậy và có nhiều chủng loại đáp ứng dải đo

rộng từ -200 oC đến khoảng 2500 oC Có hơn 300 loại cặp nhiệt điện được nghiên cứu

kỹ, hàng chục trong số đó đã đưa vào sử dụng rộng rãi trong công nghiệp; một số dùng

làm phương tiện đo chuẩn nhiệt độ trong sao truyền dẫn xuất chuẩn thang nhiệt độ ITS

– 90, như các loại TC S, TC R, TC Au/Pt

Hiệu ứng nhiệt điện: Hai dây dẫn kim loại làm từ các vật liệu khác nhau A và

B đem hàn với nhau, hai đầu nối được đặt ở nhiệt độ khác nhau thì trong mạch kín

này xuất hiện một dòng điện Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhiệt điện, một trong hai

đầu nối được gọi là đầu đo (measurement junction), còn đầu kia được gọi là đầu tự do

(reference junction) Hình 1.3 mô tả mạch nhiệt điện cơ bản gồm hai dây khác nhau A

và B, hàn hai đầu và một điện kế

Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng Seebeck là do nhà bác học T.J Seebeck tìm ra vào năm 1820, và được

ứng dụng cho nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện Nguyên lý hiệu ứng Seebeck

như sau:

Khi đầu tự do đặt trong môi trường đẳng nhiệt và đầu đo đặt ở môi trường nhiệt

độ khác, thì điện áp đo được trên đầu tự do khi hở mạch được gọi là điện áp Seebeck

hay hệ số Seebeck, ký hiệu là S Điện áp Seebeck chỉ xảy ra trong mạch gồm hai dây

dẫn khác nhau và nó xuất hiện tại mọi điểm dọc theo dây dẫn đặt trong trường nhiệt

độ Độ lớn của hệ số Seebeck S phụ thuộc vào cấu tạo của kim loại và hợp kim làm

cặp nhiệt điện và trường nhiệt độ dọc theo dây dẫn

Xét một chiều dài nhỏ của dây dẫn, kí hiệu là dx, điện áp Seebeck dE tăng tỉ lệ

với hệ số Seebeck S(t) của dây dẫn và sự tăng nhiệt độ dt dọc theo chiều dài dây và có

quan hệ :

dE = S(t).dt (1.10)

Trang 13

Hình 1.3 Mạch cặp nhiệt điện

Khi dt là một trường nhiệt độ, thì (1.10) sẽ được viết như sau:

dE = S(t,x) (dt/dx) dx (1.11) Trong đó: dt/dx là trường nhiệt độ dọc theo đoạn dây dx, dx là chiều dài nhỏ

dọc theo dây dẫn Hệ số Seebeck S(t,x) tuỳ thuộc vào vị trí dọc trên dây dẫn, thường

không đồng đều tại mọi điểm trên dây dẫn (do tính không đồng nhất dọc theo dây

dẫn)

Một dây dẫn được coi là đồng nhất nếu tại mọi điểm dọc theo dây dẫn có các

đặc tính vật lý và hoá học giống nhau Hai nguyên lý nhiệt điện cơ bản dưới đây của

cặp nhiệt điện giải thích về sự phụ thuộc của điện áp và hệ số Seebeck vào độ đồng

nhất và trường nhiệt độ:

Nguyên lý 1: - Nếu không có trường nhiệt độ, tức là dt/dx = 0, trong điều kiện

đẳng nhiệt thì không có điện áp Seebeck

Nguyên lý 2:- Nếu dây dẫn đồng nhất, tức là S(t,x) = S(t) thì điện áp Seebeck

chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ điểm cuối của dây dẫn

*Ghi chú: Khái niệm đẳng nhiệt và đồng nhất chỉ là lý tưởng, trong thực tế, ở điều

kiện tốt nhất chỉ có thể tiếp cận đến các trạng thái trên

Trang 14

Hình 1.4 Trường nhiệt độ trên mạch cặp nhiệt điện

Xét một mạch cặp nhiệt điện có dây bù như hình 1.4 Trong mạch này gồm có 3 thành phần dây dẫn: Cặp dây dẫn A, B và dây dẫn C nối dài đến thiết bị đo Điện áp sinh ra trong mạch bằng tổng ba phần, theo tính chất về nhiệt độ trung gian ta có:

E = EA (tM) - EA (tR) + EC (tR) - EC (tR) + EB (tM) - EB (tR) (1.12) Trong đó EA, EB, EC là các điện áp của dây A, B, C tương ứng với nhiệt độ đầu

đo tM và đầu tự do tR, hoặc viết theo cách khác :

E = EAB (tM) - EAB (tR) (1.13) Điện áp ra của cặp dây (A, B) liên quan hệ số Seebeck SAB và nếu giữ tR = 0 oC thì công thức (1.13) có thể viết:

E = EAB (tM) (1.14) Công thức (1.14) chính là phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện, thể hiện mối tương quan giữa điện áp phát sinh và môi trường nhiệt độ cần đo Nhưng phương trình trên chỉ thoả mãn với các điều kiện sau:

+ Đầu tự do của cặp nhiệt điện phải giữ ở 0 oC,

+ Hệ số Seebeck S phải được xác định (độ nhạy của cặp nhiệt điện),

Trang 15

Trong sử dụng thực tế, các điều kiện trên chỉ có thể tính được gần đúng, chính

vì vậy, các công thức (1.10), (1.11) được sử dụng để đánh giá các sai số phát sinh trên chiều dài cặp nhiệt điện

Hệ số Seebeck biểu thị độ nhạy của mỗi loại cặp nhiệt điện với thay đổi nhiệt

độ, từ đồ thị có thể thấy, độ nhạy của các cặp nhiệt điện kim loại quý S, B, R thay đổi xung quanh 10 μV/oC; cặp nhiệt điện loại K xấp xỉ 40 μV/oC; và lớn nhất là cặp nhiệt điện loại E: khoảng 80 μV/o

C

Hình 1.5: Hệ số Seebeck của một số loại cặp nhiệt điện

Trên hình 1.5 chỉ ra mối quan hệ giữa nhiệt độ và hệ số Seebeck của một số cặp

nhiệt điện hay dùng

b) Cấu tạo và phân loại cặp nhiệt điện

- Cấu tạo cặp nhiệt điện

Một cặp nhiệt điện thông thường gồm hai dây dẫn nối với nhau bởi đầu hàn, hộp đầu nối, dây nối, sứ cách nhiệt và vỏ bảo vệ

Trang 16

Hình 1.6 Cấu trúc của cặp nhiệt điện Đầu hàn nối giữa hai dây của cặp nhiệt điện là nơi quan trọng nhất bởi nó là phần tử nhạy, được đặt trong môi trường cần đo Đầu mối hàn phải có kích thước nhỏ

để nó nằm gọn trong môi trường đẳng nhiệt (thoả mãn nguyên lý 1, 2)

Hình 1.7 mô tả một cặp nhiệt điện dùng dây bù trong thực tế, trong mạch này ta cần phải chú ý đến các điều kiện của dây bù, cách đấu nối dây bù trong mạch để tránh được sai sót khi sử dụng Dây dẫn C; D được chạy từ hộp cầu đấu cặp nhiệt điện đến bình điểm 0 oC, từ đó được nối đến mV đo sức nhiệt điện động được gọi là dây bù, (với cặp nhiệt điện làm bằng kim loại quí, do dây bù làm bằng vật liệu này tốn kém nên thường hay chế tạo bằng kim loại không quý hoặc kim loại khác).Ví dụ: Với cặp nhiệt điện loại S dây bù dùng loại hợp kim Cu/ Cu-Ni Bảng 1.2 đưa ra một số loại dây

bù thường dùng và sai số mắc phải trong các loại cặp nhiệt điện

Hình1.7: Sơ đồ nối cặp nhiệt điện dung dây bù trong thực tế

Trang 17

( o C)

Sai số ( 0 C)

Hình 1.8 Đặc tính quan hệ mV - oC của một số cặp nhiệt điện hay dùng

Bảng 1.2 một số loại dây bù thường dùng

Trang 18

- Phân loại cặp nhiệt điện

Để đáp ứng phạm vi đo rộng từ -200 oC đến khoảng 2500 oC đã có rất nhiều loại cặp nhiệt điện được sản xuất Dựa vào đặc tính của vật liệu làm cặp nhiệt điện người ta

phân chúng ra làm ba loại:

Loại cặp nhiệt điện kim loại quí: Loại S, R, B

Loại cặp nhiệt điện kim loại không quí: Loại K, E, J, N, T…

Phân loại theo vật liệu làm cặp: Pt/Au, Pt/Pd, Pd/Au

+ Cặp nhiệt điện chuẩn kim loại quí

Cặp nhiệt điện loại này gồm vật liệu Platin và hợp kim Pt–Rh, tiêu biêủ là ba

cặp nhiệt điện chuẩn R, S và B, chúng có ưu điểm là: Độ chính xác và ổn định cao,

chịu được môi trường ôxy hóa Trong bảng cũng đưa ra thành phần cấu tạo của cực tính , giới hạn nhiệt độ sử dụng cho từng loại cặp nhiệt điện, giới hạn nhiệt độ này còn phụ thuộc vào đường kính của dây cặp nhiệt, đường kính nhỏ sẽ sử dụng ở nhiệt độ thấp hơn

Cặp loại S và R tương tự như nhau nhưng cặp R có điện áp ra lớn hơn khoảng 10%, nhưng cặp loại S có độ ổn định hơn và được dùng làm phương tiện trong sao truyền dẫn xuất chuẩn của thang nhiệt độ ITS – 90

Cặp loại B được thiết kế đo nhiệt độ cao hơn hai loại R,S Nói chung cặp nhiệt điện bằng kim loại quí thường đắt hơn cặp nhiệt điện kim loại không quí cỡ 200 lần Với cặp nhiệt điện loại này vỏ bảo vệ thường dùng bằng sứ hay thạch anh Mấy năm gần đây các loại cặp nhiệt điện chuẩn kim loại quý như Pt/Au, Pt/Pd, Pd/Au được sử dụng ngày càng rộng rãi, có độ chính xác cao, thường sử dụng làm phương tiện đo chuẩn

+ Cặp nhiệt điện kim loại không quí

Cặp nhiệt điện kim loại không quí gồm các loại T, J, K, E, N,…đây là các loại cặp chỉ dung trong công nghiệp và những thiết bị đo yêu cầu độ chính xác không cao

Trang 20

1.2.2 Thang nhiệt độ ITS – 90 đối với cặp nhiệt điện chuẩn

Cặp nhiệt điện chuẩn hay cặp nhiệt điện làm bằng kim loại quý được hiệu

chuẩn tại các điểm chuẩn nhiệt độ, từ đó sao truyền xuống các loại cặp nhiệt điện, các

phương tiện đo nhiệt độ khác có độ chính xác thấp hơn

Các điểm chuẩn dùng cho dẫn xuất cặp nhiệt điện gồm 5 điểm chuẩn: Sn, Zn,

Al, Ag và Cu Mỗi điểm chuẩn đều có quy trình tái tạo và đánh giá độ không đảm bảo

đo khi tái tạo được thực hiện tại VMI; 4 điểm chuẩn từ điểm đông đặc của Bạc (Ag)

trở xuống, sử dụng nhiệt kế điện trở Platin chuẩn (SPRTs, HT SPRTs) để đánh giá,

nên độ không đảm bảo đo khi tái tạo rất nhỏ (U95 = 0,01 oC); hiệu chuẩn cặp nhiệt điện

trong dải đo này, độ không đảm bảo đo không vượt quá U95 = 0,3 oC; riêng điểm chuẩn

đồng phải sử dụng cặp nhiệt điện chuẩn loại S nên độ không đảm bảo đo khi đánh giá

tái tạo và hiệu chuẩn cặp nhiệt điện lớn hơn (U95 = 0,04 oC và 0,4 oC)

Hàm sai lệch s.n đ đ ΔE so với s.n đ đ Chuẩn của Thang ITS – 90 quy định:

i

E t E t

5

1 90 90

Trong đó:

E(t90): là sức điện động của cặp nhiệt điện cần hiệu chuẩn, μV

t90: là nhiệt độ tính theo Thang nhiệt độ ITS – 90, o

C

90

i

t : giá trị nhiệt độ nhiệt độ tại 5 điểm chuẩn Sn, Zn, Al, Ag và Cu, oC

bi: tính theo giá trị nhiệt độ tại các điểm chuẩn và độ lệch s.n.đ.đ ΔE,

Er(t90) là hàm chuẩn theo Thang ITS – 90 tính tại các điểm chuẩn nhiệt

độ, phụ thuộc vào loại cặp nhiệt điện:

Trong đó: ai theo Thang ITS – 90

Từ đó thiết lập hàm quan hệ sức nhiệt điện động – nhiệt độ của cặp nhiệt điện

cần hiệu chuẩn:

Trang 21

E(t90) = Er(t90) + E(t90) (1.17) Phương trình hàm ngược tính toán nhiệt độ theo s.n.đ.đ E(mV) tính theo công thức:

T90 = c0 + c1.E + c2.E2 + c3.E3 +…+ ci.Ei (1.18) Trong đó : Các hệ số ci tra theo Thang ITS – 90 đối với mỗi loại cặp nhiệt điện Việc thiết lập hàm quan hệ sức nhiệt điện động – nhiệt độ được giải bằng chương trình thực hiện trên máy tính

1.2.3 Hệ thống điểm chuẩn dẫn xuất nhiệt độ

Như đã nêu trên, đối với các điểm chuẩn trong dải đo của cặp nhiệt điện chuẩn (0 ÷1100) oC, thường sử dụng 05 điểm chuẩn: điểm đông đặc của thiếc (FPSn: 231,928 oC), điểm đông đặc của kẽm (FPZn: 419,527 oC), điểm đông đặc của nhôm (FPAl: 660,323 oC), điểm đông đặc của bạc (FPAg: 961,78 oC) và điểm đông đặc của đồng (FPCu: 1084,62 oC, đa số các Viện Đo lường sử dụng) hoặc điểm đông đặc của vàng (FPAu: 1064,18 oC, chỉ một số nước như Mỹ, Anh dùng)

Hình 1.9 Hệ thống các điểm chuẩn nhiệt độ tại VMI

Trang 22

+ 05 điểm chuẩn như đã nói ở trên,

+ Các lò tái tạo các điểm chuẩn có độ chính xác cao, nhằm duy trì ổn định lâu trạng thái đông đặc của các điểm chuẩn Hầu hết các Viện Đo lường trên thế giới sử dụng các điểm chuẩn và lò tái tạo của 02 Hãng lớn là FLUKE (Hart Scientific) của Mỹ

và ISOTECH của Anh; một số nước như Úc, Ấn Độ, Hàn quốc sử dụng các lò tái tạo chế tạo trong nước nhưng vẫn mua các điểm chuẩn của 02 Hãng trên để thiết lập hệ thống

+ Hệ thống thiết bị đo mV, Ω chính xác cao dùng với nhiệt kế điện trở chuẩn và cặp nhiệt điện chuẩn theo dõi quá trình nóng chảy – đông đặc của các điểm chuẩn (gồm chỉ thị chuẩn hiện số, các nhiệt kế chuẩn theo dõi quá trình nóng chảy/đông đặc, điện trở chuẩn, thiết bị chuyển kênh ), các nước mua từ các Hãng sản xuất như FLUKE (Mỹ), ISOTECH, ASL (Anh), CHINO (Nhật)

+ Bình điểm 0 oC đảm bảo giữ nhiệt độ đầu tự do 0 oC của cặp nhiệt điện chuẩn, các nước chủ yếu tự chế tạo, đánh giá

+ Lò ủ nhiệt cặp nhiệt điện đến nhiệt độ 1000 - 1050 oC để đảm bảo ổn định các tính chất cơ - lý của dây cặp, các nước chủ yếu tự chế tạo, đánh giá

+ Lò ủ điện dây trần cặp nhiệt điện tại nhiệt độ 1450 oC (nhiệt độ quy đổi theo dòng điện đốt nóng dây cặp), đảm bảo loại bỏ lớp oxy hoá trên bề mặt ngoài dây cặp,

ổn định độ đồng nhất trên dây cặp, tránh sai số, cả hai lò ủ này rất quan trọng đối với các cặp nhiệt điện chuẩn trước khi hiệu chuẩn, hầu hết các nước tự chế tạo, đánh giá

+ Các quy trình tái tạo, các quy trình hiệu chuẩn, quy trình ủ, quy trình hàn đầu cặp nhiệt điện, phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo

Trang 23

1.3 Nhận xét và kết luận

Việc thực hiện dẫn xuất chuẩn đảm bảo quá trình sao truyền liên tục, không đứt đoạn của đơn vị đo là một việc làm vô cùng quan trọng Đối với quốc tế nó thể hiện khả năng thiết lập và duy trì thang nhiệt độ quốc tế năm 1990 của mỗi một quốc gia Đối với quốc gia nó là công cụ để quản lý, sao truyền cho các chuẩn đo lường Đối với các quá trình công nghệ trong cuộc sống nó sẽ đánh giá được tính chính xác của quá trình công nghệ và đảm bảo chất lượng của quá trình

Viện Đo lường Việt Nam hiện nay chỉ đảm bảo được dẫn xuất cặp nhiệt điện chuẩn đến điểm đông đặc của bạc tinh khiết, điểm dưới 1000 oC Vì vậy mục tiêu đặt

ra là phải xây dựng được hệ thống điểm đông đặc của đồng hoặc vàng tinh khiết, nhằm đảm bảo khả năng dẫn xuất đến điểm làm việc chính của cặp nhiệt điện

Trang 24

CHƯƠNG 2 LÒ TÁI TẠO ĐIỂM CHUẨN NHIỆT ĐỘ ĐỒNG

2.1 Cấu tạo lò tái tạo điểm chuẩn đồng

Lò tái tạo là thiết bị gia nhiệt kiểu đứng, kiểu lò điện trở đốt gián tiếp, hình chữ nhật, kiểu dáng tương tự như lò tái tạo điểm chuẩn đồng 9116A, Fluke, Mỹ; có nhiệm

vụ gia nhiệt khối đồng tinh khiết đến trạng thái nóng chảy hoặc đông đặc tại nhiệt độ 1084,62 oC, duy trì được trạng thái nóng chảy hoặc đông đặc này kéo dài đủ để hiệu chuẩn từ 1 đến 2 cặp nhiệt điện trở lên; hoặc đo và đánh giá các loại cặp nhiệt điện chuẩn Gồm các phần chính như sau:

Búp lò chứa bình điểm đồng: Sử dụng hệ thống đốt là dây điện trở cuốn quanh theo khoang chứa bình điểm đồng là ống sứ chịu nhiệt; bọc xung quanh là bột silic chịu nhiệt, bao quanh là ống sứ trụ tròn, lót bông thuỷ tinh fused silic wool xung quanh, hình thành một trường nhiệt độ đồng đều theo chiều dài búp lò Bọc bên ngoài ống sứ là lớp dày bông thủy tinh; búp lò được cố định chặt chẽ bởi các nắp chắn bằng gốm chịu nhiệt có bọc lớp bông thuỷ tinh ở đáy và đỉnh búp lò Giữ búp lò chắc chắn trong lò tái tạo bởi 3 chân được bắt chặt vào đế lò và vỏ bảo vệ búp lò bằng hợp kim nhôm

Hình 2.1 Búp lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng

Trang 25

- Hệ thống ống nước làm mát: Được cuốn xung quanh búp lò, dẫn nước đi từ đáy lò lên đỉnh lò để tăng cường trao đổi nhiệt, tạo nên môi trường ổn định nhiệt độ xung quanh búp lò, tăng cường độ ổn định nhiệt độ tại trạng thái nóng chảy/đông đặc của điểm đồng, bên ngoài đường ống được cách nhiệt bởi lớp bông thủy tinh chịu nhiệt

- Vỏ bảo vệ lò: Cấu tạo bằng tôn hợp kim dày, sơn chịu nhiệt màu ghi xám, bao bọc bên ngoài, cách lớp vỏ bảo vệ búp lò khoảng 10 cm, hình dáng và kích thước theo kiểu lò 9116A; phía sau có quạt hút để dẫn không khí nóng ra ngoài tạo môi trường ổn định nhiệt độ xung quanh búp lò; đỉnh và đáy lò cách nhiệt bằng bông thuỷ tinh và amiăng chịu nhiệt (xem trên hình 2.2)

Hình 2.2 vỏ bảo vệ bên ngoài lò tái tạo điểm chuẩn đồng

Trang 26

Hình 2.3 Mặt cắt ngang lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng Các ghi chú chi tiết trong hình 2.3:

1 Ống cắm nhiệt kế; 2 Kim loại đồng tinh khiết,

3 Nồi graphít; 4 Vỏ thủy tinh thạch anh,

5 Ống sứ thạch anh; 6 Bộ đốt,

7 Bông gốm thạch anh; 8 Vỏ thủy tinh thạch anh,

9 Bông thủy tinh; 10 Vỏ hợp kim bảo vệ,

11 Bông thuỷ tinh; 12 Vỏ tôn hợp kim,

13 Lớp Amiăng; 14 Bông thuỷ tinh

Hệ thống đo – điều khiển nhiệt độ: Được mua từ Hãng sản xuất FLUKE, Mỹ, kiểu EUROTHERM 32h8 Controller; Đây là bộ điều khiển chính xác cao đa năng, sử

Trang 27

dụng chuyên dụng cho các lò điện trở chính xác cao, có thể dung với các loại đầu đo khác nhau, được lắp ráp vào thành bên của lò tái tạo, sử dụng bộ điều khiển kiểu PID với các tham số được tối ưu hóa theo đặc tính thực của lò, đảm bảo giữ độ không ổn định và độ không đồng đều của trường lò không vượt quá ± 1 oC

a) Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của lò tái tạo:

- Khoang chứa bình điểm đồng: Sứ chịu nhiệt;

+ Chiều cao: 340 mm, + Đường kính trong: 65 mm, + Chiều dày: 10 mm

- Vỏ bảo vệ lò:

+ Chiều cao: 850 mm, + Chiều dài: 450 mmm, + Chiều rộng: 610 mm

Trang 28

2.2 Các phương trình cân bằng nhiệt trong lò tái tạo

2.2.1 Phương trình cân bằng nhiệt của vật nung nóng

Quá trình nung nóng là quá trình động, liên quan tới sự thay đổi lượng nhiệt

trong vật cần nung Trong lò tái tạo điểm chuẩn đồng được nung nóng liên tục đến

nhiệt độ đặt, ta gọi chung là vật nung Xét một số quan hệ trong nung nóng thông qua

các phương trình nhiệt sau

dQ1 = dQ2 + dQ3 (2.1)

Trong đó: dQ1 - lượng nhiệt đưa tới vật nung sau thời gian nung dτ,

dQ2 - lượng nhiệt dùng để thay đổi lượng nhiệt chứa trong vật nung,

dQ3 - lượng nhiệt bị mất ra môi trường xung quanh

Các thành phần trên được xác định như sau:

với P – công suất đưa tới vật nung,

dQ2 = m.c.dt (2.3) Trong đó: m - khối lượng của vật nung nóng,

c - nhiệt dung riêng của vật nung nóng,

dt - sự thay đổi nhiệt độ của vật nung so với môi trường xung quanh

dQ3 = K.F.(t – t0).dτ (2.4) Trong đó: K - hệ số truyền nhiệt,

F - diện tích của bề mặt truyền nhiệt ra xung quanh,

t - nhiệt độ nung nóng,

t0 - nhiệt độ môi trường xung quanh

Thay các phương trình trên vào (2.1), ta có:

P d   m c dt  K F t  t d  (2.5)

Trang 29

Phương trình (2.7) chính là phương trình cân bằng nhiệt của vật nung nóng

Giải phương trình này với điều kiện khi ζ = 0 có t = tđ : nhiệt độ đầu, sau thời gian ζ

đủ lớn có nhiệt độ ổn định : t = ty nhiệt độ ổn định cuối, ta có phương trình nhiệt độ nung nóng :

Trang 30

2.2.2 Phương trình cân bằng công suất thiết bị điện - nhiệt

Từ phương trình (2.5), chia hai vế cho dτ, ta có :

KF ( t t0)

d

dt mc

Nếu coi phần tổn hao ra môi trường bên ngoài bằng 0, thì công suất đưa vào để

nung nóng vật nung đều biến thành công suất hữu ích, tức là :

d 

dt mc P

Trang 31

Thành phần dt/dτ ở thời điểm đầu τ = 0 là tốc độ nung cực đại và có giá trị:

(dt/dτ)τ=0 = (ty – td)/T (2.11)

Trong đó: ty = t - nhiệt độ nung nóng, [oC]

td = t0 - nhiệt độ môi trường, [oC]

T = τ - thời gian nung nóng ; [s]

Do đó (2.10) có thể viết :



) ( t t0mc

P



Công thức (2.12) biểu thị công suất hữu ích trong quá trình nung nóng có thời

gian τ, nếu nung nóng liên tục, thì Ph = mc(t – t0),

Và nếu nung nóng chảy liên tục, đến nhiệt độ nào đó cao hơn nhiệt độ nóng chảy của vật nung nóng, công suất hữu ích có công thức như sau:

Ph = [m.cđ(tnc – t0) + Qnc + m.cđ(tđ - tnc )] , [J] (2.13) Với: Qnc = r.m (2.14) Trong đó: m: là khối lượng điểm chuẩn đồng [kg],

Qnc: Nhiệt trị nóng chảy của khối đồng [J], r: nhiệt nóng chảy riêng của đồng [J/kg],

cđ: nhiệt dung riêng của đồng [J/(kg.oC)],

tnc : nhiệt độ nóng chảy của đồng [oC],

t0 : nhiệt độ ban đầu của đồng [oC],

tđ: nhiệt độ đồng nóng chảy hoàn toàn [oC]

2.2.3 Công suất thực của lò P r

Công suất thực bao gồm công suất hữu ích Ph để nâng nhiệt độ của thiết bị và công suất tổn hao ra môi trường xung quanh Pth, ta có thể viết :

Trang 32

Pr = Ph + Pth (2.15) Trong đó:

Ph tính theo công thức (2.13), công suất tổn hao Pth tính theo công thức truyền thống:

Trong đó: K - hệ số truyền nhiệt hay nhiệt trở truyền nhiệt, [W/m2.K]

α1 - Hệ số toả nhiệt truyền từ vùng nóng ra xung quanh, [W/m2.K]

α2 - Hệ số toả nhiệt truyền từ vùng lạnh, [W/m2.K]

Σ - chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt thứ i,

F - tổng diện tích của các lớp cách nhiệt, bao xung quanh thân lò, nóc lò

và đáy lò tái tạo [m2]

2.2.4 Công suất thiết kế của lò P tb

Công suất thiết bị Ptb dùng để tính toán thiết kế là công suất Pr và có thêm hệ số

dự phòng Kz (thường chọn Kz =1,2):

Ptb = Kz.Pr = 1,2 Pr (2.17)

2.2.5 Công suất điện P đ

Về lý thuyết công suất điện cấp cho thiết bị nung phải bằng công suất nhiệt của thiết bị :

Công suất điện được tính toán theo định luật Joule – Lence, có dạng :

Pđ = R.I2.t (2.19) Trong đó :

R: điện trở dây đốt, [Ω]

Trang 33

I: cường độ dòng điện chạy trong dây đốt, [A]

t: thời gian nung [s]

Từ phương trình cân bằng, ta tính toán được điện trở của dây đốt và chọn kích thước, loại dây điện trở theo bảng vật liệu làm dây điện trở hay dùng, tính được chiều dài dây điện trở cho phù hợp với búp lò và vận hành an toàn lò

Để tiến hành tái tạo lại trạng thái nóng chảy, đông đặc của điểm chuẩn đồng, khối kim loại đồng cần phải được gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó, sau đó mới có thể sử lý tái tạo lại trạng thái đông đặc

Tổng lượng nhiệt cần cung cho khối kim loại đồng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt

độ nóng chảy, có tính đến lượng nhiệt tổn hao qua các vách lò, bao gồm:

- Lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của đồng từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ nóng chảy (1084,62 oC),

- Lượng nhiệt cần thiết để chuyển khối kim loại đồng từ pha rắn sang pha lỏng (lượng nhiệt này cũng bằng lượng nhiệt khi đồng chuyển từ pha lỏng sang pha rắn),

- Lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của khối kim loại đồng lên nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy, để đồng nóng chảy hoàn toàn,

- Lượng nhiệt tổn hao qua các vách lò ra môi trường xung quanh, đối với đề tài,

do chiều dày các vách trụ không lớn (d2/d1 < 2), nên coi truyền nhiệt là dẫn nhiệt ổn định qua các vách phẳng

2.3 Bình điểm đồng tinh khiết

Các Viện Đo lường trên thế giới đa số mua điểm chuẩn đồng từ các Hãng sản xuất Hart Scientific (Fluke) hoặc ISOTECH với độ tinh khiết đạt được 6N (99,9999%); tại Viện đo lường Việt Nam có hai bình, 01 bình điểm đồng chế tạo trong nước với độ tinh khiết 5N và 01 bình mua từ Hãng Fluke, Mỹ, độ tinh khiết 6N

để nghiên cứu đánh giá, so sánh

Bình điểm đồng cấu tạo gồm nhiều phần: ống sứ bảo vệ bên ngoài, các tấm amiăng chịu nhiệt bọc xung quanh để tránh va đập với vỏ bảo vệ; vỏ bảo vệ thuỷ tinh

Trang 34

thạch anh; nồi graphít chứa kim loại đồng tinh khiết, giữa có lỗ cắm nhiệt kế, các vòng đệm amiăng chắn trên, nặp đậy…sử dụng kẹp chuyên dụng để đưa cẩn thận vào lò tái tạo Trong điều kiện bình thường, bình điểm đồng thường xuyên nằm cố định trong lò tái tạo; khi tái tạo, lò sẽ cung cấp nhiệt để đưa bình điểm đồng đến trạng thái nhiệt độ nóng chảy/đông đặc của kim loại đồng tinh khiết để hiệu chuẩn cặp nhiệt điện

Điểm đồng được tái tạo và đánh giá ở trạng thái đông đặc theo quy trình tái tạo riêng, phụ thuộc vào đặc trưng kỹ thuật của lò tái tạo Sau khi kim loại đồng nóng chảy hoàn toàn sẽ được tái tạo và duy trì ở trạng thái đông đặc bởi phương pháp sử lý quá lạnh từ phía ống cắm nhiệt kế; thông qua việc khảo sát, đánh giá sẽ đưa ra phương pháp tái tạo ổn định, duy trì trạng thái đông đặc kéo dài

Điểm đông đặc của đồng tinh khiết là điểm hiệu chuẩn cuối cùng theo phương pháp điểm chuẩn đối với các loại cặp nhiệt điện chuẩn, sau khi đã hiệu chuẩn tại các điểm chuẩn thiếc, kẽm, nhôm và bạc

a) Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của bình điểm đồng chế tạo trong nước:

- Nhiệt độ nóng chảy/đông đặc: 1084,62 oC

- Độ tinh khiết: 99,999 % (có chứng nhận của các bên thứ ba kiểm nghiệm, xem trong phần phụ lục),

- Khối lượng thỏi đồng tinh khiết: 400 g,

- Độ không đảm bảo tái tạo: 0,05 0C (tính riêng cho điểm đồng)

Trang 35

+ Đường kính ngoài: 48 mm, + Chiều dày: 10 mm

- Nắp đậy graphít:

+ Đường kính: 48 mm, + Chiều dày: 25 mm

- Nắp đậy ống sứ bảo vệ:

+ Đường kính: 48 mm + Chiều dày: 10mm,

- Khối lượng thỏi đồng tinh khiết: 650 g,

- Độ không đảm bảo tái tạo: 0,015 oC (tính riêng cho điểm đồng)

Kích thước chính:

- Ống sứ bảo vệ:

+ Chiều dài: 340 mm, + Đường kính trong: 50 mm, + Chiều dày: 10mm

- Bình graphít chứa kim loại đồng tinh khiết:

+ Chiều dài: 214 mm,

Trang 36

+ Đường kính ngoài: 48 mm, + Chiều dày: 10 mm

- Nắp đậy ống sứ bảo vệ:

+ Đường kính: 48 mm, + Chiều dày: 10 mm

- Ống cắm nhiệt kế:

+ Đường kính trong: 8 mm, + Chiều sâu nhúng: 214 mm

Hình 2.5: Bình điểm đồng chế tạo trong nước

Hình 2.6: Bình điểm đồng 5919A, Fluke

Trang 37

2.4 Kết luận

Khối kim loại đồng tinh khiết là cái tâm của điểm chuẩn, nó chỉ là điểm chuẩn khi thiết lập được trạng thái cân bằng pha Độ tinh khiết của nó ảnh

hưởng lớn tính chính xác của giá trị đo

Các lò tái tạo nhiệt độ chuẩn là thiết bị vô cùng quan trọng trong quá trình thiết lập, tái tạo các điểm chuẩn nhiệt độ Đặc tính của lò gồm có độ ổn định, độ đồng đều là một trong những thông số quyết định khả năng tái tạo các điểm chuẩn này Thông số này phụ thuộc vào cấu tạo lò cũng như độ chính xác của bộ điều khiển, vì vậy mục tiêu tiếp theo của đề tài là xác định các thông số của bộ điều khiển, nhằm đảm bảo những yêu cầu của hệ thống

Trang 38

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ TÁI TẠO

ĐIỂM CHUẨN NHIỆT ĐỘ ĐỒNG

Hệ thống đo lường và điều khiển nói chung và đối với nhiệt độ nói riêng, cơ bản có sơ đồ khối với mạch phản hồi âm (feed back loop) hệ kín, như trên Hình 3.1 Hiện nay hầu hết các hệ thống điều khiển tự động hiện đại sử dụng các bộ điều khiển

nhiệt độ như bộ điều chỉnh tỉ lệ (P) với 1 tham số điều chỉnh; bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân (PI) với 2 tham số điều chỉnh hoặc dùng phổ biến nhất là bộ điều chỉnh Tỉ lệ –

Tích phân – Vi phân (tiếng Anh là Proportional – Integral – Derivative Controller, viết

tắt là PID) với 3 tham số điều chỉnh đối với hệ thống có độ chính xác và ổn định cao

Chất lượng làm việc, thời gian tác động, độ quá điều chỉnh…của hệ thống phụ thuộc vào các tham số này

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động 1 vòng Trong đó: BĐK – bộ điều khiển PID (PID Controller); ĐTĐK - đối tượng điều khiển (ở đây là lò tái tạo, lò ủ); TBĐ - thiết bị đo, chỉ thị; Xđ(t) - giá trị đặt ban đầu cho hệ thống làm việc bình thường; β - tín hiệu phản hồi âm từ đối tượng đo (ngược dấu với giá trị đặt); ε(t) – tín hiệu vào bộ điều khiển từ bộ cộng so sánh giữa giá trị đặt

và tín hiệu phản hồi; μ(t) – tác động của bộ điều khiển lên đối tượng; y(t) – tín hiệu ra

Hệ thống làm việc như sau: khi ε(t) = 0, hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt (trạng thái xác lập), giá trị đặt và tín hiệu phản hồi từ đối tượng bằng nhau, bộ điều khiển không tác động lên đối tượng, hệ thống ổn định ở trạng thái xác lập Khi đối tượng có nhiệt độ thay đổi (giảm hoặc tăng nhiệt độ) tín hiệu phản hồi đi vào bộ cộng,

Trang 39

giá trị ε(t) ≠ 0 sẽ tác động lên bộ điều khiển; bộ điều khiển sẽ tác động lên đối tượng

theo xu hướng để hệ thống nhanh chóng về trạng thái xác lập cho đến khi ổn định ở

điểm đặt nhiệt độ mới Trong điều kiện tối ưu (các tham số bộ điều khiển là tối ưu đối

với đặc tính của đối tượng), hệ thống sau tác động của bộ điều chỉnh sẽ nhanh chóng

ổn định ở trạng thái xác lập; nếu ngược lại, khi đặc tính đối tượng đã thay đổi hoặc

không phù hợp với bộ điều khiển; bộ điều sẽ tác động liên tục do các tham số bộ điều

chỉnh không còn phù hợp với đối tượng, khi đó thời gian để hệ thống ổn định kéo dài,

độ quá điều chỉnh lớn… trong trường hợp này, phải tính lại các tham số mới của bộ

điều khiển PID từ đặc tính đã thay đổi của đối tượng

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO

(một vào- một ra) hoặc MIMO (nhiều vào – nhiều ra) theo mạch phản hồi âm (hình

1.10) Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn

nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh PID có nhiệm vụ đưa sai lệch (t) của hệ thống về 0

sao cho quá trình quá độ của hệ thống đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh

Bộ điều khiển PID, theo mô hình vào–ra như trên hình 3.1, được mô tả theo:

(t) = Kp[(t) +

t

t T t t

- Kp, Ttp, Tvp là các tham số của bộ điều khiển

Từ mô hình vào – ra, biến đổi (3.1) theo toán tử Laplace, ta có hàm truyền của bộ điều

khiển PID:

WB (s) = Kp (1 + 1 T s)

s

Hàm truyền (3.2) chính là 3 khâu mắc song song: khâu tỉ lệ, khâu tích phân và

khâu vi phân Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào 3 tham số này

Trang 40

3.1 Bộ điều khiển nhiệt độ lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng

Hệ thống lò tái tạo điểm chuẩn đồng sử dụng bộ điều khiển chính xác cao, loại

3200 PID Temperature Controller, kiểu 32h8 EUROTHERM, chế tạo bởi Hãng Hart Scientific (Fluke), Mỹ với 3 thông số chính của bộ điều khiển PB (1/Kp ); Ti và Td ; đầu vào của bộ điều khiển sử dụng tất cả các loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau (PRDs, TCs, TT…) Ở đây lò tái tạo, đã sử dụng cặp nhiệt điện kim loại quý kiểu R (TC type R) cho phù hợp với dải nhiệt độ làm việc, do đó đặt tín hiệu cảm biến đầu vào của bộ điều khiển cũng là cặp nhiệt điện loại R Hình 3.2 đưa ra sơ đồ mạch điều khiển nhiệt độ (mạch kín) lò điện trở nói chung áp dụng cho lò tái tạo, lò ủ nhiệt cặp nhiệt điện, nguyên lý làm việc như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ mạch kín bộ điều khiển lò tái tạo Nhiệt độ thực đo được PV (processing value) của cảm biến nhiệt độ được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển nhiệt độ, giá trị này được so sánh với giá trị đặt nhiệt độ

SP (set point) của bộ điều khiển Nếu có sự sai lệch giữa SP và PV, bộ điều khiển sẽ tính toán giá trị ra phù hợp để cung cấp hoặc ngắt dòng đốt cho bộ đốt điện trở của lò, quá trình này được thực hiện theo thuật toán PID

Tín hiệu mở (output on) của bộ điều khiển lò sẽ sử dụng kiểu tín hiệu logic SSR (solid state relay) là các tính hiệu xung với điện áp Umax ≤ DC 12V, Imax ≤ 40 A ; tín hiệu đóng (output off) có trị số Umax ≤ 0,3 V, Imax ≤ 0,1 A Đường tín hiệu này sẽ điều khiển qua một SSR (có trị số: Umax ≤ 400 V ; Imax = 40 A) để đóng - ngắt mạch động lực cung cấp dòng đốt cho dây điện trở của lò tái tạo và lò ủ

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	2,13 MB