CƠ SỞ VỀ ĐO LƯỜNG QUÁ TRÌNH

1. TẠI SAO CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG LÀ QUAN TRỌNG? 1.1. An toàn Các dụng cụ đo lường cần thiết cho các nhà máy công nghiệp hiện đại hoạt động an toàn và chính xác. Chúng được sử dụng để điều khiển quá trình nhằm đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm cũng như để ngừng hoạt động của nhà máy trước khi các sự cố xảy ra. Để duy trì hoạt động an toàn đòi hỏi các dụng cụ đo phải:  Giữ cho các biến quá trình nằm trong giới hạn vận hành an toàn.  Phát hiện các nguy cơ xảy ra nguy hiểm khi chúng xuất hiện.  Cung cấp các cảnh báo hoặc dừng hệ thống khi cần. Việc sử dụng các thiết bị đo lường là quan trọng đối với công ty và bản thân chúng ta cũng giống như các công nhân, bởi vì:  Chúng giúp chúng ta vận hành nhà máy an toàn.  Chúng giúp chúng ta bảo vệ môi trường và cộng đồng nơi chúng ta làm việc. Các dụng cụ đo lường cần thiết để giúp bảo vệ sức khỏe và hạnh phúc của con người làm việc tại hiện trường cũng như những người sống và làm việc trong cộng đồng quanh nhà máy. Việc theo dõi và điều khiển sự hoạt động của nhà máy cũng mang tính quyết định đến việc bảo vệ môi trường và đạt được các quy định của pháp luật. 1.2. Đặc tính kỹ thuật của sản phẩm Để đạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm, các dụng cụ đo lường phải:  Duy trì chất lượng  Đảm bảo độ tin cậy và tính lặp lại của quá trình  Đảm bảo rằng các nguyên vật liệu thô được sử dụng càng hiệu quả càng tốt.  Giữ cho giá thành sản phẩm nằm trong giới hạn cho phép. Để duy trì việc kinh doanh có lãi, hệ thống phải tạo ra các sản phẩm chất lượng ổn định theo thiết kế trong các điều kiện được kiểm soát. Một số hệ thống sản xuất hiện đại thì quá phức tạp và được cân nhắc kỹ lưỡng đến nỗi mà nhiều sản phẩm ngày nay không thể được sản xuất mà không có sự điều khiển chính xác của các hệ thống đo lường. 2. CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. 2.1. Hệ thống hở Hệ thống điều khiển đơn giản nhất là hệ thống hở. Ý tưởng cơ bản của điều khiển này là thiết lập một hệ thống hoạt động đạt đến mức chính xác cần thiết bằng cách điều chỉnh trực tiếp hoạt động của ngõ ra hệ thống (hình 1.1). Không có thông tin phản hồi đến bộ điều khiển để xác định hoặc hiệu chỉnh tín hiệu ra, vì vậy hệ thống điều khiển dạng này có thể cho tín hiệu ra với sai số lớn. Ví dụ trên máy tiện NC, người vận hành có thể xác định trước tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt sau đó thực hiện quá trình cắt. Nếu như không có những yếu tố nhiễu thì chất lượng và kích thước bề mặt gia công sẽ đạt yêu cầu dự kiến . Tuy nhiên, những yếu tố nhiễu như độ mòn của dụng cụ, độ cứng thay đổi trên bề mặt chi tiết gia côngv.v…sẽ làm kết quả gia công không đạt kết quả như mong muốn. Như vậy, hệ thống điều khiển vòng hở không có khả năng bù trừ các tác động do nhiễu gây ra Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống hở 2.2. Hệ thống kín Phương pháp điều khiển này làm mất tác hại của nhiễu bằng cách đo ảnh hưởng của nhiễu trên tín hiệu ra hay trên sản phẩm ngõ ra của hệ thống (thông tin phản hồi), từ đó tính toán các tác động hiệu chỉnh cần thiết nhằm làm mất tác dụng của nhiễu để duy trì tín hiệu ra hay sản phẩm ra ổn định như mong muốn. Tín hiệu sai lệch = Giá trị mong muốn – Giá trị thực tế. Phương pháp này được dùng chủ yếu trong điều khiển liên tục hay điều khiển quá trình Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống kín 2.3. Các bước điều khiển Một quá trình có thể phức tạp như việc tách một chất hóa học nào đấy từ các nguyên liệu cơ bản hoặc đơn giản như việc vận chuyển vật liệu từ một bồn này đến bồn khác. Các loại cảm biến và thiết bị có liên quan để điều khiển một quá trình sẽ thay đổi tùy theo độ phức tạp của mỗi quá trình. Cơ sở của điều khiển quá trình thì giống nhau, không màn đến quá trình đó phức tạp hay đơn giản như thế nào. Để điều khiển quá trình, chúng ta phải:  Thu thập thông tin về quá trình.  So sánh thông tin đó với kết quả mong muốn hay điểm thiết lập (set point).  Hiệu chỉnh quá trình một lượng cần thiết để đạt đến và duy trì ở set point. Hình sau đây mô tả một quá trình được điều khiển bởi các thiết bị đo lường. Hình 1.3 Trong quá trình (Process) này, thông tin được thu thập là: Việc vận chuyển vật liệu vào bồn D Biến được theo dõi hoặc đo lường là: Áp suất bên trong bồn D được tạo ra bởi việc chuyển vật liệu vào bồn D Kết quả mong muốn là: Duy trì một áp suất cụ thể (set point) trong bồn D trong khi vật liệu được lấy ra khỏi bồn D từ ngõ E. Các hiệu chỉnh cần thiết là: điều khiển dòng vật liệu (biến thao tác) từ bơm A vào bồn bằng cách thay đổi mức độ đóng mở của van C. 2.4. Các vòng điều khiển Các bước cơ bản cần thiết để điều khiển một biến – thu thập thông tin, so sánh với set point, và hiệu chỉnh – tạo thành một vòng điều khiển. Hình 1.4: Vòng điều khiển Trong một vòng điều khiển:  Phần tử cảm biến thu thập thông tin về biến cần theo dõi và gởi đến bộ điều khiển  Bộ điều khiển so sánh thông tin nhận được từ cảm biến với set point và gởi tín hiệu đến phần tử điều khiển.  Phần tử điều khiển thực hiện sự hiệu chỉnh cần thiết để điều chỉnh biến thao tác và đạt đến điểm set point. 2.5. Tín hiệu vào và tín hiệu ra Tín hiệu vào và ra được sử dụng để mô tả các tín hiệu được gởi từ một thiết bị đo này đến một thiết bị đo khác trong một vòng điều khiển. Tín hiệu ra của một thiết bị đo này có thể là tín hiệu vào của thiết bị đo khác. Ví dụ, bồn chứa trong hình 1.5, tín hiệu từ bộ điều khiển đến van là tín hiệu ra của bộ điều khiển. Tín hiệu đấy lại là tín hiệu vào của van có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng vào bồn. Chúng ta có thể sử dụng mô hình vòng điều khiển ở hình 1.2 để chỉ ra những gì xảy ra đối với áp suất trong bồn ở hình 1.1. Hình 1.5

GIÁO TRÌNH:

CƠ SỞ VỀ

ĐO LƯỜNG QUÁ TRÌNH

VŨNG TÀU 10/05(TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ)

MỤC LỤC

PHẦN I

CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1 TẠI SAO CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG LÀ QUAN TRỌNG?

1.1 An toàn

Các dụng cụ đo lường cần thiết cho các nhà máy công nghiệp hiện đại hoạt động antoàn và chính xác Chúng được sử dụng để điều khiển quá trình nhằm đạt được các chỉtiêu kỹ thuật của sản phẩm cũng như để ngừng hoạt động của nhà máy trước khi các sự

cố xảy ra

Để duy trì hoạt động an toàn đòi hỏi các dụng cụ đo phải:

 Giữ cho các biến quá trình nằm trong giới hạn vận hành an toàn

 Phát hiện các nguy cơ xảy ra nguy hiểm khi chúng xuất hiện

 Cung cấp các cảnh báo hoặc dừng hệ thống khi cần

Việc sử dụng các thiết bị đo lường là quan trọng đối với công ty và bản thân chúng tacũng giống như các công nhân, bởi vì:

 Chúng giúp chúng ta vận hành nhà máy an toàn

 Chúng giúp chúng ta bảo vệ môi trường và cộng đồng nơi chúng ta làm việc.Các dụng cụ đo lường cần thiết để giúp bảo vệ sức khỏe và hạnh phúc của con ngườilàm việc tại hiện trường cũng như những người sống và làm việc trong cộng đồngquanh nhà máy Việc theo dõi và điều khiển sự hoạt động của nhà máy cũng mang tínhquyết định đến việc bảo vệ môi trường và đạt được các quy định của pháp luật

1.2 Đặc tính kỹ thuật của sản phẩm

Để đạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm, các dụng cụ đo lường phải:

 Duy trì chất lượng

 Đảm bảo độ tin cậy và tính lặp lại của quá trình

 Đảm bảo rằng các nguyên vật liệu thô được sử dụng càng hiệu quả càng tốt

 Giữ cho giá thành sản phẩm nằm trong giới hạn cho phép

Để duy trì việc kinh doanh có lãi, hệ thống phải tạo ra các sản phẩm chất lượng ổnđịnh theo thiết kế trong các điều kiện được kiểm soát Một số hệ thống sản xuất hiệnđại thì quá phức tạp và được cân nhắc kỹ lưỡng đến nỗi mà nhiều sản phẩm ngày naykhông thể được sản xuất mà không có sự điều khiển chính xác của các hệ thống đolường

2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.

2.1 Hệ thống hở

Hệ thống điều khiển đơn giản nhất là hệ thống hở Ý tưởng cơ bản của điều khiển này

là thiết lập một hệ thống hoạt động đạt đến mức chính xác cần thiết bằng cách điềuchỉnh trực tiếp hoạt động của ngõ ra hệ thống (hình 1.1) Không có thông tin phản hồiđến bộ điều khiển để xác định hoặc hiệu chỉnh tín hiệu ra, vì vậy hệ thống điều khiểndạng này có thể cho tín hiệu ra với sai số lớn

côngv.v…sẽ làm kết quả gia công không đạt kết quả như mong muốn Như vậy, hệthống điều khiển vòng hở không có khả năng bù trừ các tác động do nhiễu gây ra

Tín hiệu sai lệch = Giá trị mong muốn – Giá trị thực tế

Phương pháp này được dùng chủ yếu trong điều khiển liên tục hay điều khiển quátrình

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống kín

2.3 Các bước điều khiển

Một quá trình có thể phức tạp như việc tách một chất hóa học nào đấy từ các nguyênliệu cơ bản hoặc đơn giản như việc vận chuyển vật liệu từ một bồn này đến bồn khác.Các loại cảm biến và thiết bị có liên quan để điều khiển một quá trình sẽ thay đổi tùy

Thiết bị điều khiển điều khiển Đối tượng

Nhiễu

Thiết bị điều khiển điều khiển Đối tượng

theo độ phức tạp của mỗi quá trình Cơ sở của điều khiển quá trình thì giống nhau,không màn đến quá trình đó phức tạp hay đơn giản như thế nào.

Để điều khiển quá trình, chúng ta phải:

 Thu thập thông tin về quá trình

 So sánh thông tin đó với kết quả mong muốn hay điểm thiết lập (set point)

 Hiệu chỉnh quá trình một lượng cần thiết để đạt đến và duy trì ở set point

Hình sau đây mô tả một quá trình được điều khiển bởi các thiết bị đo lường

Hình 1.3

Trong quá trình (Process) này, thông tin được thu thập là: Việc vận chuyển vật liệu

vào bồn D

Biến được theo dõi hoặc đo lường là: Áp suất bên trong bồn D được tạo ra bởi việc

chuyển vật liệu vào bồn D

Kết quả mong muốn là: Duy trì một áp suất cụ thể (set point) trong bồn D trong khi

vật liệu được lấy ra khỏi bồn D từ ngõ E

Các hiệu chỉnh cần thiết là: điều khiển dòng vật liệu (biến thao tác) từ bơm A vào

bồn bằng cách thay đổi mức độ đóng mở của van C

2.4 Các vòng điều khiển

Các bước cơ bản cần thiết để điều khiển một

biến – thu thập thông tin, so sánh với set point,

và hiệu chỉnh – tạo thành một vòng điều khiển

 Phần tử cảm biến thu thập thông tin về biến cần theo dõi và gởi đến bộ điều

khiển

 Bộ điều khiển so sánh thông tin nhận được từ cảm biến với set point và gởi

tín hiệu đến phần tử điều khiển

 Phần tử điều khiển thực hiện sự hiệu chỉnh cần thiết để điều chỉnh biến thao tác và đạt đến điểm set point

2.5 Tín hiệu vào và tín hiệu ra

Tín hiệu vào và ra được sử dụng để mô tả các tín hiệu được gởi từ một thiết bị đo nàyđến một thiết bị đo khác trong một vòng điều khiển Tín hiệu ra của một thiết bị đo này

có thể là tín hiệu vào của thiết bị đo khác Ví dụ, bồn chứa trong hình 1.5, tín hiệu từ

bộ điều khiển đến van là tín hiệu ra của bộ điều khiển Tín hiệu đấy lại là tín hiệu vàocủa van có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng vào bồn

Chúng ta có thể sử dụng mô hình vòng điều khiển ở hình 1.2 để chỉ ra những gì xảy ra

đối với áp suất trong bồn ở hình 1.1.

vụ chuyển đổi tín hiệu và gởi chúng đến phần tử kế tiếp trong vòng điều khiển

2.7 Môi trường truyền

Các tín hiệu hầu hết thường được truyền giữa các phần tử trong vòng điều khiển bằngtín hiệu điện hay khí nén Trên sơ đồ P&ID, bạn cũng có thể thấy các phương thứchoặc môi trường khác được sử dụng để truyền thông tin như:

 Ống mao giữa các cảm biến và transmitter.

 Sóng điện từ định hướng giữa các cảm biến và transmitter

 Tín hiệu thủy lực

 Tín hiệu âm thanh

Trong tương lai, càng có nhiều thông tin có thể được truyền trong vòng điều khiểnbằng ánh sáng qua đường truyền cáp quang

Hình dưới đây cho thấy thông tin từ một cảm biến được truyền giữa các thiết bị đotheo hai dạng khác nhau, điện và khí nén

Hình 1.6

2.8 Các loại tín hiệu

Các tín hiệu có thể là một trong 3 dạng khác nhau sau đây:

1 Dạng nhị phân (Binary) - Chỉ có hai giá trị, on và off

2 Dạng tương tự (Analog) - Cho dải các giá trị liên tục không bị gián đoạn

3 Số (Digital) - Một chuỗi các xung

Nếu một dụng cụ đo không thể nhận tín hiệu vào được gởi từ transmitter, tín hiệu cóthể được chuyển đổi thành dạng phù hợp bằng một transducer Ví dụ, khi bộ điềukhiển trong một vòng điều khiển là một máy tính, dữ liệu vào đối với máy tính phải ởdạng số Tín hiệu ra từ bộ điều khiển máy tính cũng là dạng số, nhưng các kết quả đọc

từ cảm biến thường là dạng tương tự hoặc tín hiệu liên tục Nhiều thiết bị điều khiểncuối cũng đòi hỏi dạng tín hiệu vào là liên tục (thường là khí nén) Các transducer

1.7 sau đây phải được sử dụng:

P/I Transducer: Chuyển đổi tín hiệu khí nén (P) thành dòng

điện tương tự (I)

A/D Converter: Chuyển đổi dòng điện tương tự (I) thành tín

 Dải tín hiệu chung cho mỗi loại

 Các trình bày các dạng tín hiệu khác nhau trên một sơ đồ P&ID tiêu biểu

Với thiết bị đo trực tiếp, thông thường là chúng hoạt động độc lập và không phải làmột thành phần của vòng điều khiển Ví dụ:

 Đồng hồ áp suất sử dụng để đo áp suất

 Đồng hồ đo mức dạng chia vạch

 Rotameter dùng để đo lưu lượng

 Hệ thống đo nhiệt kiểu điền kín

 Đo khối lượng dạng chia vạch

Với thiết bị đo gián tiếp, chúng hoạt động giống như cảm biến trong vòng điều khiển

Ví dụ:

 Cặp nhiệt điện và RTD dùng để đo nhiệt độ

 Bộ chuyển đổi áp suất kiểu điện dung và kiểu lực căng

 Thiết bị đo kiểu Orifice, kiểu Vortex, kiểu từ trường, kiểu tuabin, …

 Đo mức kiểu chênh áp, kiểu bọt khí, kiểu phao, kiểu sóng siêu âm,…

Trong phần sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu các thiết bị đo đặc trưng dùng để đo các biếnquá trình: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, và khối lượng Loại dụng cụ đo cần thiết tùythuộc vào các yếu tố đặc trưng của quá trình như:

 Độ tin cậy của thông tin cung cấp từ cảm biến

 Biến quá trình thay đổi một lượng bao nhiêu thì cần phải được phát hiện vàđáp ứng của cảm biến đối với sự thay đổi này như thế nào

 Độ chính xác của quá trình cần phải có để thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật

 Thời gian đáp ứng của cảm biến

Hình 1.9

3.2 Thiết bị chỉ thị và thiết bị ghi (Indicator và Recorder)

Các thông tin cần được hiển thị và ghi lại cũng như được tới bộ điều khiển Các phần

hơi là một thiết bị chỉ thị dùng để hiển thị tốc độ Nó có thể hiển thị tốc độ dưới dạngtương tự hoặc dạng số Trong cả hai trường hợp, đồng hồ tốc độ chỉ thị tốc độ tức thờicủa xe.

Thiết bị ghi (Recorder) là một thiết bị dùng để ghi lại giá trị của biến quá trình theothời gian Chúng cho phép chúng ta giữ lại các thông tin trên giấy để có thể xem lạitrong tương lai

Hai loại transmitter phổ biến là điện tử và khí nén Các tín hiệu trong vòng điều khiểnthường được truyền đi dưới dạng tín hiệu điện tương tự hay tín hiệu khí nén tương tự.Các transmitter khí nén chuyển đổi thông tin từ cảm biến thành tín hiệu áp suất đượctruyền đi trong đường ống đến bộ điều khiển Các tín hiệu khí nén về bản chất tự nhiên

sẽ mất nhiều thời gian truyền hơn các tín hiệu điện

Các transmitter có thể gởi thông tin tới các phần tử khác trong hệ thống như hệ thốngcảnh báo và an toàn, các thiết bị ghi và thiết bị chỉ thị được gắn trên bảng, và máy tínhcũng như các thiết bị điều khiển

Hình sau đây trình bày một bộ trao đổi nhiệt Vòng điều khiển đo và điều khiển nhiệt

độ của dòng hơi quá trình bằng cách điều chỉnh lưu lượng dòng nước muối lạnh qua

bộ trao đổi nhiệt

Hình 1.11

Hình 1.12 trình bày một ví dụ về một bồn chứa có lắp đặt một cảm biến mức Trong ví

dụ này, các thông tin về mức chất lỏng trong bồn được gởi tới một thiết bị ghi và bộđiều khiển cùng được lắp đặt trên bảng điều khiển Giá trị set point được đưa vào bộđiều khiển từ nút chỉnh set point trên bộ điều khiển

Hình 1.12

Hình 1.13

Trong các nhà máy hiện

đại, chức năng của bộ

dạng số Một máy tin đơn có thể phục vụ như bộ điều khiển cho nhiều vòng điều khiển(hình 1.13).

3.5 Phần tử điều khiển cuối

Phần tử cuối trong vòng điều khiển là phần tử điều khiển mà thực tế nó tạo ra một sựthay đổi trên quá trình và kéo biến quá trình về gần hơn với set point nhằm giảm độlệch về zero Mỗi quá trình bao gồm một số loại dịch chuyển hoặc dòng chảy - hoặc sựdịch chuyển vật liệu hoặc dòng chảy năng lượng

Các phần tử điều khiển điều hòa lưu lượng theo một số phương pháp bằng cáchchuyển tín hiệu của bộ điều khiển thành một hành động Phần tử điều khiển đặc trưngcần hai phần:

 Một cơ cấu chấp hành sẽ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và chuyển đổi thànhchuyển động

 Một thiết bị để thao tác biến quá trình

Hầu hết các phần tử cuối phổ biến trong vòng điều khiển là một số loại van được gắntrên đường ống quá trình Các ví dụ về các phần tử điều khiển khác là bơm và các thiết

bị điều khiển động cơ khác

Thông thường, việc thao tác một biến bao gồm việc thay đổi:

 Vị trí của van để điều tiết dòng chất lỏng

 Tốc độ của một thiết bị như thiết vận chuyển hoặc bơm để điều chỉnh lưulượng

 Lượng năng lượng cung cấp cho thiết bị điện như phần tử tạo nhiệt

 Vị trí của màng ngăn để điều chỉnh dòng khí

Hình 1.14: Phần tử điều khiển cuối (van)

Hình 1.15 sau đây trình bày một hệ thống cung cấp nước đặc trưng cho một căn hộ.Hoạt động của hệ thống như sau:

1 Vòi nước nhà bếp hoạt động

2 Mức nước trong bồn giảm

3 Vùng không khí trên bồn tăng lên làm giảm áp suất trong bồn

4 Công tắc áp suất đóng ở áp suất 20 psi

5 Công tắc áp suất đóng nối kín mạch cung cấp điện cho bơm hoạt động

Hình 1.15

6 Nước được bơm từ giếng vào bồn

7 Áp suất tăng lên khi mức nước trong bồn tăng;

vùng không khí trên đỉnh bồn bị nén lại

8 Khi áp suất đạt giá trị 40 psi, công tắc áp suất

mở, ngắt bơm

PHẦN II

CẢM BIẾN

Một cặp nhiệt điện bình thường gồm hai dây kim loại khác nhau, mỗi dây được chế tạo

từ một kim loại đơn chất hay hợp kim Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầutạo thành điểm đo, thông thường được gọi là điểm nóng, bởi vì phần lớn nhiệt độ được

đo cao hơn nhiệt độ môi trường Hai đầu còn lại của hai dây được nối tới dụng cụ đo đểtạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua, dụng cụ đo này sẽ đo mức điện áp được tạo

ra tại điểm nối và chuyển đổi nó thành giá trị nhiệt độ tương ứng

Không may, các điểm nối giữa cặp nhiệt điện với thiết bị chỉ thị hoặc vòng điều khiểnlại tạo ra các mối nối khác giữa hai kim loại khác nhau mà chúng cũng tạo ra nhữngđiện áp phụ thuộc vào nhiệt độ Để loại bỏ vấn đề này, các mạch cặp nhiệt điện sử dụngmột điểm nối chuẩn kết hợp với mạch điện tử để đo và hiệu chỉnh ảnh hưởng này Điểmnối chuẩn thông thường về mặt điện giống như một cặp nhiệt điện ở 0oC Điểm chuẩnthường được đặt gần hoặc thậm chí bên trong thiết bị chỉ thị

Điện áp do cặp nhiệt điện tạo ra rất thấp và được đo bằng mV Điện áp này tăng khinhiệt độ tăng Giá trị điện áp này cũng tùy thuộc vào tổ hợp hai kim loại được sử dụng

để chế tạo cặp nhiệt điện

Hình 2.1: Công nghệ cặp nhiệt điện

Chuyển đổi điện áp sinh ra

Những gì cặp nhiệt điện cho biết là sự khác nhau về nhiệt độ giữa điểm đo và điểmchuẩn (Thực tế, chúng ta không thể đo được giá trị tuyệt đối; việc chúng ta có thể làm

là so sánh một đại lượng đã biết với một đại lượng chưa biết) Nếu chúng ta biết nhiệt

độ chuẩn, chúng ta có thể tính ra được nhiệt độ quá trình bằng cách đo điện áp được rabởi cặp nhiệt điện:

nhiệt độ chưa biết = (điện áp/hệ số Seebeck) + nhiệt độ chuẩn

Nhiệt độ quá trình có thể được suy ra từ giá trị điện áp đo được bằng cách dựa vào đồthị (hình 2.2) hoặc chính xác hơn, bằng cách dựa vào bảng tham chiếu cặp nhiệt điện

mà trong đó liệt kê các điện áp tương ứng với nhiệt độ của mỗi loại cặp nhiệt điện

Không may, quan hệ điện áp theo nhiệt độ không phải là đường thẳng, và hệ sốSeeebeck không phải là một hằng số (hình 2.3) Với một số cặp nhiệt điện trên toàn dải

đo của nó, ví dụ như loại K trên toàn dải đo từ 0 đến 1000oC (32 đến 1832oF), hệ sốSeebeck tương đối là hằng số (khoảng 40µV/oC), nhưng thông thường nó thay đổi theonhiệt độ Điều này trong quá khứ đã dẫn đến mỗi loại cặp nhiệt điện có một thang đoduy nhất hoặc cần thiết phải sử dụng bảng và đặc tuyến để chuyển đổi điện áp thànhnhiệt độ Ngày nay, khả năng bộ nhớ của vi xử lý đã giải quyết tất cả các vấn đề này, vànhững công việc nhạt nhẻo tốn thời gian trước đây bây giờ được giải quyết rất nhanhchóng và dễ dàng Nói tóm lại, tính chất không tuyến tính tự nhiên của cặp nhiệt điệnkhông còn là vấn đề

Hình 2.2: Quan hệ điện áp - nhiệt độ của TCMột vấn đề nữa là tín hiệu của cặp nhiệt điện rất nhỏ Như trình bày trong hình 2.3, mộtcặp nhiệt điện platinum sẽ tạo ra điện áp khoảng 10µV/oC Hay nói cách khác, thậm chívới một transmitter công nghiệp tốt nhất có dải đo nhỏ nhất là 1mV và sai số tuyệt đốinhỏ nhất khoảng 0.01mV, nghĩa là 10µV Vì thế rất khó khăn để thực hiện một phép đo

sử dụng transmitter công nghiệp và cặp nhiệt điện platinum mà sự thay đổi điện áp racủa nó trên mỗi độ C nhỏ hơn sai số của transmitter Điều này có thể chấp nhận được ởdải nhiệt độ cao, nhưng không thể chấp nhận khi dải nhiệt độ đo hẹp Vì vậy, cặp nhiệtđiện không được khuyến cáo sử dụng trong trường hợp dải đo hẹp hoặc những phép đosai lệch nhiệt độ nhỏ

Các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện

Tất cả các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện trong tài liệu này được dựa vào nhiệt độ mốinối chuẩn ở 0oC (32oF); vì vậy, việc chuyển đổi trực tiếp từ các bảng này có thể thựchiện được khi mối nối chuẩn được đặt vào chậu nước đá

Nếu không thể duy trì nhiệt độ mối nối chuẩn ở 0oC, phải sử dụng một hệ số hiệu chỉnhđối với các điện áp cho trong bảng Chú ý rằng, điện áp được tạo ra bởi một cặp nhiệtđiện cho trước sẽ giảm xuống khi sự sai lệch nhiệt độ giữa mối nối đo và mối nối chuẩngiảm Việc hiệu chỉnh khi nhiệt độ mối nối chuẩn lớn hơn 0oC được mô tả sau đây

Chuyển đổi mV ra nhiệt độ

Để áp dụng hệ số hiệu chỉnh mối nối chuẩn đối với mV đo được từ đồng hồ đo điện áp,

ta thực hiện như sau:

1 Từ bảng tham chiếu cặp nhiệt thích hợp, lấy giá trị mV (mối nối chuẩn ở 0oC)tương tứng với nhiệt độ thực của mối nối chuẩn

2 Cộng đại số giá trị vừa lấy được ở bước 1 với giá trị mV đọc được trên vôn kế

3 Điện áp đã được hiệu chỉnh có thể được chuyển đổi trực tiếp sang nhiệt độ từbảng tham chiếu đã cho

Ví dụ 1

Một vôn kế chỉ thị điện áp là 13,033mV khi được nối với một cặp nhiệt điện loại T, vàngười ta mong muốn chuyển đổi điện áp này thành nhiệt độ tương ứng Nhiệt độ thực tếcủa mối nối chuẩn lúc này được xác định bằng nhiệt kế thủy ngân chính xác là 20oC(68oF) Nội suy từ bảng của cặp nhiệt điện loại T, 68oF = 0.790mV (dựa vào nhiệt độmối chuẩn ở 32oF) Cộng giá trị này với giá trị chỉ thị trên vôn kế, 13.033 + 0.790 =13.823 mV, đây là giá trị điện áp đã được hiệu chỉnh dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở

32oF Nội suy từ bảng tham chiếu đối với loại T, 13.823 mV = 539oF (282oC)

Ví dụ 2

Một cặp nhiệt điện loại T trong điều kiện hoạt động ổn định cho ra một điện áp trên vôn

kế là –3.369 mV Nhiệt độ thực của mối nối chuẩn là 70oF (21oC) Từ bảng tra loại T,

70oF = 0.830 mV dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32oF Cộng đại số hai giá trị này,-3.369 + 0.830 = -2.539 mV Nội suy từ bảng, -2.539 mV = -98oF (-72oC)

Chuyển đổi nhiệt độ ra mV

Để xác định chính xác điện áp ngõ vào cần thiết cho việc hiệu chuẩn dụng cụ đo,

Ví dụ 1

Người ta muốn kiểm tra hiệu chuẩn một dụng cụ đo lường ở nhiệt độ 300oF (149oC).Dụng cụ có thang đo được chia theo oF và sử dụng cặp nhiệt điện loại T Nhiệt độ thựctại ngõ vào của dụng cụ đo này được xác định bằng nhiệt kế thủy ngân chính xác là

70oF (21oC) Từ bảng tra loại T, 70oF = 0.830 mV và 300oF (1490C) = 6.654 mV dựavào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32oF Bằng cách trừ đi, điện áp ngõ vào mong muốn đãđược hiệu chỉnh dựa trên cơ sở nhiệt độ mối nối chuẩn ở 70oF là 6.654 – 0.830 = 5.824mV

Ví dụ 2

Người ta cần xác định điện áp chính xác ở ngõ vào để kiểm tra việc hiệu chuẩn mộtdụng cụ đo lường ở -200oF (-129oC) Thang đo của dụng cụ đo được chia theo oF và sửdụng cặp nhiệt điện loại T Nhiệt độ thực tại ngõ vào của dụng cụ đo là 68oF (20oC) Từbảng tra loại T, 68oF= 0.790 mV và –200oF = -4.152 mV dựa vào nhiệt độ mối nốichuẩn ở 32oF Trừ đại số, điện áp ngõ vào đã được hiệu chỉnh trên cơ sở nhiệt độ mốinối chuẩn ở 68oF là –4.152 – 0.790 = -4.942 mV

Khi sử dụng thiết bị đo, nó chuyển đổi điện áp được tạo ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nóng và điểm lạnh để ghi nhận hoặc hiển thị nhiệt độ của điểm nóng Để ngăn ngừa sai số do điện áp được tạo ra bởi sự thay đổi nhiệt độ của điểm lạnh và bên trong thiết bị đo, những điện áp này phải được bù Một phương pháp là giữ nhiệt độ điểm lạnh ở một nhiệt độ cố định, ví dụ có thể thực hiện được trong phòng thí nghiệm với chậu nước đá (hình 2.4) Có thể sử dụng một cái lò, mặc dù việc giữ nhiệt độ của lò

ở một giá trị hằng số là cả một vấn đề

Hình 2.4Trong môi trường công nghiệp thì không sử dụng chậu nước đá cũng không dùng lò Trong các transmitter nhiệt độ sử dụng trong công nghiệp quá trình, chậu nước đá chuẩn phải được thay thế bằng một mối nối chuẩn theo sự thay đổi của môi trường

Điều này có thể đạt được bằng cách thực hiện hai thay đổi từ hình 2.4 Thay đổi đầu

tiên là chèn thêm vào một đoạn dây đồng ngắn giữa các đầu nối của vôn kế và cặp nhiệtđiện và đặt các mối nối mới này trên một khối cách nhiệt (hình 2.5) Sự thay đổi này loại bỏ các mối nối J3 và J4 được trình bày trong hình 2.4 bởi vì trong hình 2.5, tại hai vị

trí này là các mối nối giữa đồng với đồng Bằng việc thay thế các mối nối J3 và J4 mới

trên khối cách nhiệt, như được trình bày trong hình 2.5, các ảnh hưởng của chúng bị

loại bỏ bởi vì chúng ngược chiều nhau và ở cùng nhiệt độ Sự thay đổi thứ hai là không đặt điểm chuẩn trong chậu nước đá mà đặt trên khối cách nhiệt Lúc này vôn kế đo điện

áp của cặp nhiệt điện khi mối nối chuẩn ở nhiệt độ TREF , và sử dụng một thiết bị đo nhiệt khác để đo nhiệt độ điểm chuẩn Khi nhiệt độ TREF được đo chính xác, phần mềm liên quan sẽ xác định được lượng mV mà một cặp nhiệt điện sẽ tạo ra nếu điểm nóng tạinhiệt độ TREF và điểm lạnh được đặt trong chậu nước đá Cộng hai giá trị điện áp này và nội suy từ bảng tra thích hợp ta sẽ được giá trị nhiệt độ tương ứng Nhiệt độ này chính

là nhiệt độ quá trình cần đo

Hình 2.5

Hình 2.6: Sơ đồ kết nối TC công nghiệp

Các loại cặp nhiệt điện

Có nhiều loại cặp nhiệt điện, và mỗi loại được chế tạo từ những kim loại khác nhau.Việc lựa chọn một loại cặp nhiệt điện thông thường dựa vào:

 Các điều kiện của quá trình điều khiển

 Dải nhiệt độ cần đo

 Cấp chính xác yêu cầu

Mỗi loại cặp nhiệt điện được ký hiệu bằng một chữ cái và có thể nhận diện được chúngbằng màu dây Bảng sau đây trình bày một số loại cặp nhiệt điện thông dụng, dải nhiệt

độ và ký hiệu màu dây của chúng

E Chromel (+)Constantan (-) (+) Đỏ tía(-) Đỏ -200oC đến 900oC

T Copper (+)Constantan (-) (+) Xanh da trời(-) Đỏ -200oC đến 350oC

Với mỗi loại cặp nhiệt điện, điện áp do điểm đo sinh ra ứng với mỗi nhiệt độ được ghilại thành bảng chuyển đổi Bảng chuyển đổi cho biết sự chênh lệch điện áp giữa mối nối

đo và mối nối chuẩn khi mà mối nối chuẩn được duy trì hoặc được bù về mặt điện ở

độ của mối nối chuẩn, điện áp đo được sẽ bằng 0 Hình 2.7 sau đây cho thấy điện áp racủa một cặp nhiệt điện trong hai trường hợp: khi nhiệt độ điểm đo cao hơn nhiệt độđiểm chuẩn và ngược lại

Hình 2.7

Kết nối nhiều cặp nhiệt điện

Thỉnh thoảng nhiều cặp nhiệt điện được nối với nhau để lấy giá trị nhiệt độ trung bìnhcủa vài điểm đo Hình 2.8 sau đây là một ví dụ về 3 cặp nhiệt điện loại J được nối songsong với nhau để lấy nhiệt độ trung bình của một chiếc giường sưởi khi hơi khí nóng điqua nó Đồng hồ đo điện áp trong hình vẽ chỉ giá trị 11.889mV, đây là giá trị trung bìnhcủa 3 điện áp ra trên 3 cặp nhiệt điện Điện áp cụ thể của các điểm đo như sau:

Cấu trúc cặp nhiệt điện

Thường các dây của cặp nhiệt điện được đặt trong một ống thép không rỉ mỏng hoặctrong một lớp vỏ để bảo vệ chúng khỏi bị ăn mòn hóa học hoặc bị phá hủy vật lý Chiềudài của ống hoặc vỏ có thể thay đổi từ vài in đến 30 feet hoặc hơn Đường kính thôngthường là ¼ in, tuy nhiên, nếu ống chứa nhiều cặp nhiệt điện, kích thước của nó có thểlên tới 1 in Ống bảo vệ thường được lót một lớp gốm sứ để giữ cho dây cặp nhiệt điệnkhỏi chạm với các phần tử khác Điều quan trọng phải nhớ là cặp nhiệt điện chỉ đo nhiệt

độ tại điểm nối của hai dây kim loại Với cặp nhiệt điện đơn, điểm đo nằm ở đầu mút.Khi sử dụng nhiều cặp nhiệt điện, chúng có thể được lắp đặt tại đầu mút của ống bảo vệ

để thực hiện nhiều phép đo cùng một giá trị; hoặc chúng có thể được đặt dọc trong ốngbảo vệ Hình 2.9 sau trình bày cấu trúc của một cặp nhiệt điện và vỏ bọc bảo vệ của nó

Hình 2.9

Những ưu điểm và giới hạn của cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện rẻ tiền, kích thước nhỏ, chắc chắn, tiện lợi và linh hoạt, dải đo rộng, khảnăng ổn định có thể chấp nhận, có thể tái sản xuất, chính xác và nhanh Điện áp dochúng tạo ra độc lập với chiều dài và đường kính dây Trong khi RTD thì chính xác và

ổn định hơn, nhiệt trở thì nhạy hơn, cặp nhiệt điện là cảm biến kinh tế nhất và chúng cóthể đo được nhiệt độ cao nhất

Nhược điểm chính của cặp nhiệt điện là tín hiệu ra nhỏ Điều này làm cho nó nhạy vớinhiễu điện và bị giới hạn đối với những ứng dụng dải đo tương đối rộng Nó khôngtuyến tính, và việc chuyển đổi điện áp ngõ thành giá trị nhiệt độ không đơn giản nhưnhững thiết bị đo trực tiếp Các cặp nhiệt điện luôn luôn cần đến bộ khuếch đại, và việchiệu chuẩn chúng có thể thay đổi bởi vì sự nhiễm bẩn, sự thay đổi thành phần do quátrình ôxi hóa bên trong Cặp nhiệt điện không thể sử dụng ở trạng thái dây trần trongchất lỏng dẫn điện, và nếu dây của nó không đồng nhất, điều này có thể tạo ra nhữngđiện áp mà rất khó phát hiện

Nhìn chung, nên sử dụng cặp nhiệt điện có kích thước dây lớn nhất có thể, tránh sứccăng và sự rung động, sử dụng các transmitter tích hợp nếu có thể (và mặt khác sử dụng

Giới thiệu

RTD (Resistance Temperature Detectors) là một loại thiết bị được sử dụng để đo nhiệt

độ RTD thông thường bao gồm một miếng kim loại rất nhỏ mà điện trở của nó thay đổitheo một quy luật được biết trước khi nhiệt độ thay đổi RTD đắt hơn nhiều và hơichính xác hơn cặp nhiệt điện Chúng có thể được sử dụng ở hầu hết các vị trí mà cặpnhiệt điện được sử dụng

Platinum là kim loại phổ biến nhất được dùng để chế tạo RTD bởi vì điện trở của nóthay đổi theo nhiệt độ rất tuyến tính Điện trở là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫnđiện của vật liệu Với điện áp biết trước, nếu điện trở cao thì dòng điện qua vật dẫn sẽnhỏ Điện trở được tính bằng ôm và được ký hiệu bằng một biểu tượng hình móng ngựa(Ω)

Với một dây kim loại, điện trở của nó thay đổi tỷ lệ thuận với chiều dài Chiều dài dâytăng gấp đôi thì điện trở của nó cũng tăng gấp đôi Tuy nhiên, điện trở sẽ giảm nếu tăngdiện tích tiết diện ngang của dây dẫn Nếu diện tích tiết diện ngang của dây tăng gấp đôithì điện trở giảm một nửa Hình 2.10 sau đây đưa ra một số ví dụ về ảnh hưởng củachiều dài và diện tích tiết diện ngang lên điện trở của ba dây kim loại Platinum khácnhau

Hình 2.10

Đo điện trở RTD

Bằng cách đo điện trở của phần tử RTD, ta có thể xác định được nhiệt độ quá trình nếu

sự thay đổi điện trở chỉ do ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình Trong thực tế lắp đặt, phần

tử RTD được nối đến máy đo hoặc thiết bị chuyển đổi tín hiệu qua các dây đo Mạch có

thể sử dụng một cầu đo cân bằng như trong hình 2.11 Ở đây hệ số nhiệt độ của các điện

trở R1, R2 và R3 là gần bằng 0 và giá trị của R3 được điều chỉnh cho đến khi dòng điệnqua G hoặc điện áp chỉ thị trên vôn kế số (DVM) bằng 0 Trong điều kiện này, giá trịcủa R3 bằng với giá trị điện trở chưa biết giữa hai điểm đo bao gồm (A + B + RTD).Giả sử rằng điện trở của RTD (tại 0oC) là 100Ω và RTD được chế tạo bằng platinum,khi đó điện trở của phần tử RTD 100Ω này sẽ thay đổi một lượng 0.385Ω/oC Nếu mộtdây dẫn bằng đồng dài 500ft (152m), đường kính 20 gauge được dùng để nối RTD đếncầu đo, thì điện trở giữa hai điểm đo lúc này được cộng thêm vào 10Ω (5Ω cho mỗi

100 feet Dây A

Dây B

Dây C

100 feet

Dây Platinum dài 50 feet, diện tích tiết diện ngang 0.1”x0.1” có điện trở = 0.235Ω

Tiết diện ngang 0.01 in 2

Tiết diện ngang 0.01 in 2

Dây Platinum dài 100 feet, diện tích tiết diện ngang 0.1”x0.1” có điện trở = 0.47Ω

Tiết diện ngang 0.0000031416 in 2

Dây Platinum dài 100 feet, đường kính 0.002” có điện trở = 1500Ω

dây) Lúc cầu cân bằng R3 = A + B + RTD = 10Ω + RTD Với hệ số nhiệt độ0.385Ω/oC, điện trở thêm vào này sẽ góp phần gây nên sai số phép đo một lượng bằng10/0.385 = 26oC.

Ví dụ trên đây cho thấy sai số do dây nối tương đối lớn trong cấu hình RTD 2 dây, vìthế cấu hình này không được sử dụng trong những phép đo cần độ chính xác và chiềudài dây nối lớn hơn vài in Khi transmitter được lắp đặt trực tiếp trên ống bao (hình

2.12) chiều dài dây nối sẽ rất nhỏ dẫn đến sai số không đáng kể Để khắc phục trình

trạng này, các nhà cung cấp đưa ra cấu hình RTD 3 dây mà ở đó sai số do dây nối đượcgiảm đến mức nhỏ nhất

để bởi vì điện trở dây chỉ được bảo đảm trong giới hạn sai số 10% ; vì vậy, nếu A và B

là hai dây giống hệt nhau và bằng nhau về chiều dài thì điện trở của chúng vẫn có thể

3 dây không đáp ứng được, lúc này người ta xem xét đến RTD 4 dây Với RTD 4 dây,ảnh hưởng của dây nối hoàn toàn được loại bỏ.

Hình 2.13

RTD 4 dây

RTD 4 dây có thể được nối với một cầu đo cân bằng hoặc một nguồn dòng hằng Cả haitrường hợp được mô tả sau đây Hình 2.14 minh họa một cầu đo cân bằng 4 dây Nóhoạt động bằng cách chuyển mạch thông qua một chuyển mạch 3 cực kép và thực hiện

đo cân bằng luân phiên giữa hai cấu hình Một cấu hình thì đầu A được đo cùng vớiđiện trở RTD trong khi cấu hình còn lại thì đầu B, vì thế chúng loại bỏ hoàn toàn và giátrị thực tế của điện trở RTD được tính bằng (R3a + R3b)/2 Vi xử lý và các mạch điện tửcao cấp sẽ thực hiện được giải pháp tinh vi này, nhưng giá cả vẫn cao, vì thế các thiết kếloại này tương đối đắt tiền Thêm vào đó, chúng vẫn bị giới hạn bởi điện trở tiếp xúc.Thậm chí với tiếp điểm chuyển mạch tốt nhất (bề mặt mạ vàng) vẫn tạo nên điện trởtiếp xúc, và sự khác nhau giữa các điện trở này gây ra vài sai lệch nhỏ mỗi khi sử dụngcấu hình này để đo điện trở

Hình 2.14Một cách khác để loại bỏ sai số dây nối là sử dụng một nguồn dòng hằng (CCS) trongcấu hình RTD 4 dây Những nguồn dòng hằng được sản xuất nhỏ gọn với giá thànhtương đối thấp và cung cấp dòng hằng khá chính xác khoảng 2mA hoặc nhỏ hơn đểtránh sai số do nhiệt tự phát Như trình bày trong hình 2.15, trong cấu hình này cầu đođược thay thế bằng một vôn kế số dùng để đo điện trở của riêng RTD và nó không nhạyvới ảnh hưởng của dây đo bởi vì không có dòng điện chạy qua các dây nối Điện trở củadây nối (A và B) không góp phần tạo nên sai số bởi vì điện áp rơi trên chúng khôngđược bao hàm trong mạch đo

Để đạt được độ chính xác cao nhất, phải chắc chắn rằng dòng điện (Ic) qua RTD phải làhằng số và DVM không tiêu thụ bất kỳ dòng điện nào (i=0), và cũng loại bỏ luôn điện

áp tạo ra do mối nối cặp nhiệt điện tại điểm #1 và #2 Điều này là cần thiết bởi vì khi

hai dây (RTD platinum và dây đồng) tại điểm #1 và điểm #2 tạo nên những mối nối cặpnhiệt điện, điện áp do chúng tạo ra sẽ được ghi nhận bởi DVM Ảnh hưởng này bị loại

bỏ bằng cách bù Điện áp lệch được tạo ra do các mối nối cặp nhiệt điện không mongmuốn được đo bằng DVM khi mạch CCS hở và vì thế Ic = 0 Máy đo RTD thông minh

sẽ ghi nhận điện áp đo được khi không có dòng điện chạy qua và hiệu chỉnh kết quảcuối cùng bằng một lượng khi CCS được kết nối vào mạch và Ic khoảng 2mA

Thông thường, RTD hai dây được sử dụng trong các ứng dụng thứ cấp kiểu HVAC,RTD 3 dây được dùng trong công nghiệp xử lý, và RTD 4 dây được dùng trong các ứngdụng có độ chính xác cao và trong các phòng thí nghiệm

Hình 2.15

Hình 2.16: RTD công nghiệp

RTD kiểu dây quấn

RTD phổ biến được chế tạo từ một sợi dây Platinum có đường kính rất nhỏ quấn quanhmột lõi bằng gốm Lõi gốm sau khi được quấn dây sẽ được phủ bên ngoài một lớp thủytinh nóng chảy nhằm bảo vệ nó khỏi bị ảnh hưởng bởi môi trường RTD này cũng cóthể được đặt thêm vào một lớp vỏ bảo vệ để cho phép lắp đặt nó vào các đường ốnghoặc thiết bị đo quá trình Hình dưới đây trình bày một RTD tiêu biểu kiểu dây quấn.Đường kính dây 0.001 in, đường kính lõi gốm khoảng 0.1 đến 0.2 in Điện trở của hầuhết các RTD thông dụng tại 0oC là 100Ω

Một giới hạn của RTD (so với cặp nhiệt điện) vấn đề kích thước RTD tương đối lớn,

Hình 2.17: RTD kiểu dây quấn

RTD kiểu phim mỏng

Các đầu đo nhiệt kiểu dây quấn là phổ biến, nhưng các RTD kiểu phim mỏng cũngthường được sử dụng bởi vì với cấu trúc phẳng và mỏng, chúng đáp ứng nhanh theo sựthay đổi của nhiệt độ và đặc biệt chúng rất phù hợp để đo nhiệt độ bề mặt và nhiệt độcủa khí Cấu trúc này cũng dùng ít kim loại hơn (platinum đắt hơn vàng) và ít nhâncông hơn trong quá trình chế tạo Hình sau so sánh kích thước của một RTD tiêu biểuvới một cây bút chì

RTD kiểu phim mỏng được chế tạo bằng cách cho hơi platinum ngưng tụ thành một lớprất mỏng trên một tấm gốm (ceramic) mỏng và phẳng Diện tích tiết diện ngang của tấmphim mỏng này cực kỳ nhỏ có nghĩa là chỉ cần một đoạn platinum ngắn cũng tạo rađiện trở đủ lớn có thể đo được khi nhiệt độ thay đổi Cũng như các RTD kiểu dây quấn,RTD kiểu phim mỏng cũng cần được bảo vệ bằng lớp thủy tinh hay gốm và được đặtvào một lớp vỏ bảo vệ để có thể lắp đặt chúng vào một hệ thống đo lường quá trình.Điện trở của các RTD làm bằng platinum thay đổi theo nhiệt độ tiêu biểu như sau:

0.00385Ω/ΩoC

Ví dụ: Nếu một RTD làm bằng platinum có điện trở ở 0oC là 100Ω được dùng để đonhiệt độ của nước sôi (100oC), điện trở của nó sẽ tăng 38.5Ω và sẽ thành 138.5Ω Giá trịnày được tính như sau:

Lượng điện trở thay đổi = 100oC x 100Ω x 0.00385Ω/ΩoC = 38.5Ω

Nếu RTD bằng platinum có điện trở bằng 200Ω ở 0oC được đặt vào nước sôi 100oC thìđiện trở của nó sẽ thay đổi một lượng bằng:

Lượng điện trở thay đổi = 100oC x 200Ω x 0.00385Ω/ΩoC = 77Ω

RTD được sản xuất để đo các dải nhiệt độ khác nhau Chúng có thể được dùng để đonhiệt độ từ -200oC đến 750oC

Hình 2.18: RTD kiểu phim mỏng

Ưu điểm và khuyết điểm của RTD

RTD là một trong những phần tử cảm biến nhiệt chính xác nhất, có thể tái sản xuất, ổnđịnh và nhạy Một số RTD platinum chính xác có thể đo được vài phần ngàn oC, và đây

là lý do mà trong các dụng cụ đo đã định nghĩa một phần thang đo nhiệt độ quốc tế(ITS-90) Những ưu điểm khác là độ nhạy tương đối tốt (0.1 đến 10Ω/oF) và sử dụngdây nối với mạch đo bằng đồng truyền thống (thay vì dùng dây cặp nhiệt điện đắt tiền).Một ưu điểm khác nữa của RTD bằng đồng là cả RTD và dây mối với mạch đo đềubằng đồng, vì thế ảnh hưởng của mối nối cặp nhiệt điện là nhỏ nhất Một ưu điểm kháccủa RTD là sử dụng cầu đo đơn truyền thống để đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa haiRTD

Khuyết điểm của RTD là giá thành cao, cấu trúc dễ vỡ, kích thước lớn so với cặp nhiệtđiện Bởi vì kích thước lớn nên thời gian đáp ứng theo sự thay đổi của nhiệt độ tươngđối chậm (hình 2.19) RTD cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt tự phát sinh Sai số tăng theokích thước và điện trở và được giảm đi bằng cách giải nhiệt và bằng cách giảm đến đếnmức tối thiểu (dòng hằng khoảng 2mA) hoặc loại bỏ hoàn toàn (cầu không cân bằng)dòng điện qua RTD Sai số có thể sinh ra nếu điện trở cách ly của RTD bị ảnh hưởngbởi ẩm bám vào vỏ bọc hoặc do tiếp xúc giữa phần tử RTD với vỏ bọc Một số RTD có

độ nhạy dao động so với những cái khác RTD cũng có độ chính xác phụ thuộc vào độ

ổn định của chúng (không nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ), điện trở hằng và nguồncung cấp trong các cầu đo cụ thể

Hình 2.19: Đáp ứng thời gian của

cảm biến nhiệt độ RTD tiêu biểu

Trong khi lắp đặt, RTD đòi hỏi cũng cẩn thận như cặp nhiệt điện Thực tế lắp đặt tốtnhất là đặt trực tiếp tất cả các mạch điện tử trên đỉnh của ống bao (hình 2.12) và vì thếloại bỏ được ảnh hưởng của dây nối và nhiễu Nếu không thực hiện được các điều này,các dây nối nên được xoắn lại và bọc vỏ; cũng như thế, các dây không nên bị kéo căng

và đi qua vùng có sườn dốc Dây nối kéo dài phải có điện trở thấp (đường kính lớn) vàdụng cụ đo phải đảm bảo

4.3 Hệ thống đo nhiệt độ kiểu bầu chứa

Tính chất giản nở vì nhiệt của chất lỏng được ứng dụng để chế tạo ra các cảm biến haycác hệ thống đo nhiệt độ Dưới tác động của nhiệt độ, thể tích của chất lỏng thay đổibiểu thị sự thay đổi của nhiệt độ Trong một vòng điều khiển, các hệ thống hoặc cảmbiến đo nhiệt kiểu này bao gồm 3 thành phần chính sau:

1 Một bầu nhiệt – là một bình cứng bên trong chứa chất lỏng, khí hoặc kết hợpchất lỏng và hơi

2 Một ống mao – là một ống kim loại có đường kính nhỏ (thông thường khoảng0,02 in hoặc nhỏ hơn) kết nối bầu cảm biến đến bộ chuyển đổi

3 Một bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu – có chức năng chuyển đổi sự thay đổi ápsuất hay thể tích thành tín hiệu cơ, điện hoặc khí nén để đưa đến bộ phận kháctrong vòng điều khiển

Các hệ thống đo nhiệt kiểu bầu chứa được chia thành 4 loại:

 Loại 1: Các thiết bị có bầu nhiệt chứa chất lỏng dựa vào sự thay đổi thể tích

 Loại 2: Các thiết bị có bầu nhiệt chứa chất lỏng/khí dựa vào sự thay đổi áp suất

 Loại 3: Các thiết bị có bầu nhiệt chứa khí dựa vào sự thay đổi áp suất

 Loại 4: Các thiết bị có bầu nhiệt chứa thủy ngân dựa vào sự thay đổi thể tích.Bầu nhiệt chứa chất lỏng đôi khi được gọi là thiết bị thể tích bởi vì ngõ ra của nó là sựthay đổi thể tích Bầu nhiệt chứa chất khí hoặc hơi được gọi là thiết bị áp suất bởi vìngõ ra của nó là sự thay đổi áp suất

Hình 2.20Bầu nhiệt luôn được gắn tại vị trí đo Tuy nhiên, ống mao và bộ chuyển đổi nằm bênngoài hệ thống (có thể cách đó một khoảng đáng kể) và để tiếp xúc trực tiếp với nhiệt

độ môi trường Nhiệt độ môi trường có thể thay đổi đáng kể - từ điểm rất lạnh đếnnóng Sự thay đổi nhiệt độ này ảnh hưởng đến thể tích của chất lỏng hoặc áp suất củachất khí trong hệ thống đo nhiệt kiểu bầu chứa

Việc bù ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lên ống mao thường được thiết kế sẵn bêntrong bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu

Hình 2.20 trình bày một hệ thống đo nhiệt kiểu bầu chứa được treo bên trong một bồn

xử lý cần đo nhiệt

4.4 Thermowells

Để đo nhiệt độ quá trình, cảm biến nhiệt (cặp nhiệt điện, RTD, cảm biến nhiệt kiểu bầuchứa) phải được tiếp xúc với quá trình Nhiều quá trình có thể làm hỏng cảm biến dohóa chất hoặc các hư hỏng về mặt vật lý do tốc độ hoặc áp suất cao Để tránh vấn đềnày và cho phép có thể thay thế cảm biến mà không phải gián đoạn quá trình, các cảmbiến nhiệt thường được đặt trong một thermowell Thermowell là một ống bảo vệ đượcthiết kế để chịu đựng được các điều kiện của quá trình Thermowell vừa bảo vệ các cảmbiến nhiệt vừa có chức năng truyền nhiệt từ quá trình tới cảm biến Nhiệt được truyềnhoàn toàn là quan trọng đối với độ chính xác của phép đo Cảm biến phải được lắp đặtsao cho nó tiếp xúc tốt với thermowell tại điểm đo mong muốn Hình 2.21 sau đây trìnhbày một thermowell

Hình 2.21: Cấu trúc một thermowell

5 CẢM BIẾN ÁP SUẤT

5.1 Transducer áp suất

Các dụng cụ đo áp suất là các bộ chuyển đổi – đó là các thiết bị có khả năng chuyển đổi

từ một dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác Để đo áp suất, một dụng cụ đophải bao gồm một bộ phận cảm nhận sự thay đổi của lực tác dụng lên nó và một bộphận khác làm nhiệm vụ chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu ngõ ra có thể sử dụngđược dưới dạng tín hiệu cơ , hoặc điện, hoặc khí nén

Khi đo áp suất, nhớ rằng tất cả các phép đo áp suất là phép đo tương đối so với giá trị

đã biết trước:

 Áp suất đồng hồ (psig hoặc psi) là áp suất tương đối so với áp suất khí quyểntại mực nước biển

 Áp suất tuyệt đối (psia) là áp suất tương đối so với áp suất chân không tuyệt đối

và phải bao gồm áp suất khí quyển

 Áp suất chênh lệch là áp suất khác biệt giữa hai điểm đo khác nhau

Các thiết bị đo áp suất cho kết quả trực tiếp hoạt động theo nguyên lý là cảm nhận sựthay đổi áp suất và chuyển đổi sự thay đổi này thành sự dịch chuyển cơ học trên mộtthang đo đã được hiệu chuẩn Các thiết bị kiểu hộp xếp và màng chắn đơn giản có thểđược sử dụng để cảm biến áp suất Sự dịch chuyển của cánh tay đòn gắn trên hộp xếphoặc màng chắn sẽ chỉ thị giá trị áp suất đo được theo thang đo đã được hiệu chuẩn

Hình 2.22

5.2 Cảm biến kiểu lực căng

Đồng hồ đo sức căng là một trong những dụng cụ đo áp suất phổ biến nhất Chúng làmột ví dụ về thiết bị cảm biến áp suất, nó hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi các sựthay đổi của lực thành tín hiệu điện Vòng điều khiển sẽ sử dụng các tín hiệu điện này

để điều khiển, quản lý các biến trong hệ thống Các cảm biến áp suất lực căng tiêu biểubao gồm:

 Một màng ngăn sẽ bị biến dạng khi có lực tác dụng và nó sẽ phình ra theohướng tác dụng

 Một điện trở mẫu làm theo dạng cuộn dây, lá mỏng hoặc một lớp tinh thể dẫnđiện mà điện trở của nó sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với lực tác dụng lên màng ngăn.Ngõ ra của cảm biến áp suất lực căng là tín hiệu điện đo được và nó thay đổi theo ápsuất tác dụng vào màng ngăn theo quy luật đã biết trước

Một số ưu điểm của việc sử dụng cảm biến áp suất kiểu lực căng so với các kiểu cảmbiến áp suất khác là:

 Giá thành hạ

 Kích thước nhỏ

 Thời gian đáp ứng nhanh

Hình 2.23 cho thấy một màng kim loại được lắp đặt sao cho phía trống của màng ngănđược để tiếp xúc với áp suất quá trình còn phía gắn cảm biến lực căng thì được để tiếpxúc với áp suất khí quyển Khi áp suất quá trình lớn hơn áp suất khí quyển, màng ngăn

sẽ phình ra theo hướng tác dụng của áp suất quá trình, làm căng mẫu dây điện trở Dâynày được làm dài ra, giảm tiết diện ngang Sự thay đổi nhỏ này về mặt kích thước sẽlàm tăng điện trở của dây một lượng nhỏ đủ để có thể đo được

Một mạch điện được chế tạo sẵn bên trong các cảm biến áp suất lực căng để phát hiệnmột sự thay đổi điện trở rất nhỏ có thể xảy ra khi màng ngăn bị cong do tác dụng của ápsuất quá trình Cảm biến áp suất thường có 4 dây, 2 dây dùng để cấp điện áp cho mạchđiện, 2 dây còn lại cấp tín hiệu điện áp ra tỷ lệ thuận với áp suất Điện áp ra thườngđược đưa vào bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu (transmitter) để biến đổi thành dạng tínhiệu mà các thành phần khác trong vòng điều khiển nhận ra được

Trong phần RTD trước đây, ta thấy điện trở thay đổi theo nhiệt độ Mạch điện được chếtạo sẵn bên trong cảm biến áp suất lực căng được thiết kế sao cho loại bỏ được sự thayđổi của điện trở gây ra do nhiệt độ Vì thế, các thay đổi ở ngõ ra chỉ do sự thay đổi ápsuất gây ra

Hình 2.24 trình bày một cảm biến áp suất lực căng tiêu biểu Trong hình này, áp suất

quá trình đặt vào bề mặt màng ngăn sẽ làm cho cảm biến lực căng được gắn mặt bên kiacủa màng ngăn bị biến dạng Điện trở của cảm biến lực căng thay đổi tỷ lệ thuận với độbiến dạng Các thành phần điện bên trong lớp vỏ bảo vệ được cấp nguồn từ điện áp vào

và tạo ra điện áp ở ngõ ra Điện áp này thay đổi khi điện trở của cảm biến thay đổi

Hình 2.24

5.3 Cảm biến áp suất kiểu điện dung

Hoạt động

Một loại cảm biến áp suất phổ biến khác mà nó cũng cảm nhận và biến đổi áp suấtthành tín hiệu điện đó là bộ chuyển đổi áp suất kiểu điện dung Một tụ điện được chếtạo gồm:

 Hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi

 Một lớp điện môi ở giữa, trong trường hợp này là không khí, với hằng số điệnmôi được biết trước

Hình 2.25

Điện dung là lượng điện tích mà các bản cực của tụ điện có thể tích được

Điện dung của tụ điện tăng khi

 Diện tích bản cực tăng

 Khoảng cách giữa hai bản cực giảm

 Hằng số điện môi tăng

Hình 2.26Hình 2.26 cho thấy các thành phần của một cảm biến áp suất kiểu điện dung đơn giản.

Áp suất đo tác động lên màng kim loại dẫn điện làm cho nó gần hơn với bề mặt dẫnđiện còn lại dẫn đến tăng điện dung giữa dây A và dây B Áp suất càng lớn, điện dungcàng lớn khi mà khe hởn giữa hai bề mặt vật dẫn giảm xuống Loại cảm biến thường córen hoặc mặt bích để nối với đường ống hoặc bồn chứa cần đo áp suất Các mạch điệnđược tích hợp với cảm biến áp suất kiểu điện dung để tạo điện áp hay dòng điện ngõ ra

tỷ lệ với áp suất hay áp suất sai lệch ngõ vào Các cảm biến áp suất loại này cũng đòihỏi được cấp điện để cho các mạch điện bên trong hoạt động

Đo áp suất sai lệch

Một loại cảm biến áp suất kiểu điện dung khác sử dụng một màng ngăn (mặt dẫn điện)

ở giữa hai vật dẫn kim loại để tạo ra hai tụ điện Thiết kế này phổ biến đối với các cảm

biến áp suất sai lệch Ở ví dụ hình 2.27, một phía của cảm biến được nối với áp suất quá

trình #1 và phía kia được nối với áp suất quá trình #2

Hình 2.27

Bởi vì chất lượng của một cảm biến áp suất kiểu điện dung tùy thuộc vào vật liệu điệnmôi với hằng số điện môi biết trước nằm giữa hai bản cực của tụ điện, cần thiết phảicách ly vùng điện môi để trách nó bị trộn lẫn với chất lỏng quá trình Ở Hình 2.27, cácmàng cách ly cùng với khoang rỗng phía sau được nối tới màng ngăn của tụ điện thôngqua một ống mao Các khoang rỗng này và các ống mao được đổ đầy điện môi cùngloại với điện môi sử dụng giữa các bản cực của tụ điện.

Khi áp suất quá trình #1 và #2 không bằng nhau, màng ngăn kim loại CD di chuyển vềphía áp suất thấp Nếu áp suất #1 lớn hơn áp suất #2, màng ngăn kim loại sẽ cong lại vềhướng màng cách ly #2; khoảng cách giữa màng ngăn kim loại CD và bề mặt dẫn điện

C2 trở nên nhỏ hơn và khoảng cách giữa CD và C1 tăng lên

Bởi vì khoảng cách giữa mặt dẫn điện CD và C2 giảm, giá trị điện dung của tụ điện nàytăng lên Trong khi đó, khoảng cách giữa mặt dẫn điện CD và C1 tăng làm cho giá trịđiện dung của tụ điện này giảm xuống

Nếu áp suất đặt vào cả hai phía của cảm biến bằng nhau, áp suất sai lệch là zero bởi vìkhoảng cách giữa các bề mặt dẫn điện và màng ngăn kim loại vẫn bằng nhau

Các mạch điện tử được gắn với tụ điện được thiết kế sao cho khi giá trị các tụ điện nàybằng nhau thì nó sẽ chỉ thị áp suất sai lệch là zero Chỉ khi nào giá trị của hai tụ điệnnày khác nhau thì mới có áp suất sai lệch

Một số cảm biến áp suất kiểu sai lệch điện dung sử dụng chất lỏng như dầu làm điệnmôi Điện môi được đổ vào thông qua một ngõ và ngõ này được bọc kín

Nếu điện môi là chất lỏng, áp suất P1 và P2 tăng lên bằng nhau, các màng sẽ không dichuyển bên trong bởi vì chất lỏng không chịu nén Màng chỉ di chuyển khi P1 và P2

không bằng nhau

Nếu điện môi là khí (khí thì chịu nén) ví dụ như không khí đồng thời P1 và P2 tăng lênmột lượng bằng nhau, các màng ngăn sẽ:

 Mỗi màng sẽ di chuyển bên trong một lượng bằng nhau

 Mỗi tụ điện sẽ tăng giá trị điện dung một lượng bằng nhau

bị nghẽn cục bộ và khóa dòng chảy Nếu trường hợp này xảy ra, ngõ ra từ cảm biến ápsuất sai lệch có thể được sử dụng để kích hoạt cảnh báo rằng bình lọc cần được làmsạch hoặc chuyển dòng chảy qua đường dẫn khác.

Hình 2.30

6 CẢM BIẾN MỨC

6.1 Các loại cảm biến mức

Các cảm biến mức có thể được sử dụng để đo mức chất lỏng hoặc chất rắn dạng bộthoặc để xác định khi nào vật liệu đạt đến mức giới hạn hoặc dải đo đã được thiết lậptrước Ví dụ, mục đích của một cảm biến mức trong vòng điều khiển có thể là:

 Đảm bảo mức được duy trì trong giới hạn hoạt động lý tưởng để đạt hiệu suấtcao nhất

 Kích hoạt báo động để cảnh báo mức vận hành không an toàn và đóng van

 Khởi động bơm và mở van khi mức trong bồn giảm đến mức thấp đã được thiếtlập trước

Người ta áp dụng các kỹ thuật khác nhau trong vòng điều khiển để đo và điều khiểnmức vật liệu trong bồn Kiểu cảm biến được sử dụng tùy thuộc vào các yếu tố như kíchthước và hình dáng của bồn, nhiệt độ và áp suất hoạt động, và các đặc tính của vật liệu.Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét cách người ta sử dụng các phương pháp và kỹ thuậtsau đây trong các cảm biến mức:

Hình 2.31 trình bày một phép đo áp suất để xác định mức vật liệu trong bồn.

Chúng ta biết rằng, có thể xác định được áp suất gây ra bởi cột chất lỏng nếu chúng tabiết được trọng lượng riêng của vật liệu và chiều cao của cột Tương tự, nếu chúng tabiết áp suất gây ra bởi cột chất lỏng và trọng lượng riêng của vật liệu, chúng ta có thểtính được chiều cao của cột chất lỏng

Áp suất = trọng lượng riêng x chiều cao (p = γ.h)

Hãy nhớ rằng, áp suất đo được trong bồn ở hình 2.31 bao gồm cả áp suất gây ra bởi bầu

khí quyển lên bề mặt chất lỏng bởi vì bồn để hở với khí quyển Tuy nhiên, đồng hồ đochỉ đo áp suất tương đối chứ không phải áp suất tuyệt đối, nó chỉ hiển thị áp suất gây rabởi cột chất lỏng