Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hóa - Chương 1

Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công nghệ tiến hμấnh trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc rất cao vμấ sử dụng nhiều thiết bị sử dụng chất lưu (chất lỏng, khí vμấ hơi) yau cầu kh

Chương 1 Các khái niệm và đặc trưng cơ bản trong đo lường 1.1 Khái niệm và phương pháp đo

Trong công nghiệp, nhiều quá trình công nghệ đòi hỏi phải tiến hành trong những điều kiện công nghệ (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, thành phần môi trường…gọi chung là thông số công nghệ) cần khống chế trong một giới hạn nhất

định Đo và kiểm tra các thông số công nghệ cho phép người thực hiện biết được trạng thái của quá trình, từ đó tác động để đảm bảo sự hoạt động bình thường của hệ thống thiết bị cũng như đạt được hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu Đối với các hệ thống tự động, đo và kiểm tra thông số công nghệ là khâu không thể thiếu đảm nhận sự cung cấp tín hiệu cần thiết cho quá trình điều khiển hoạt động của thiết bị Do vậy đo và kiểm tra có tầm quan trọng rất lớn trong công nghiệp nói chung cũng như trong lĩnh vực luyện kim nói riêng

1.1.1 Phép đo

Thực chất của phép đo là đem so sánh đại lượng cần đo với một đại lượng khác

đã được chuẩn hóa Ví dụ để đo chiều dài của một vật, người ta so sánh chiều dài cần đo với chiều dài của một vật chuẩn theo quy ước bằng một mét, đo khối lượng một vật, người ta đem so sánh khối lượng cần đo với khối lượng của một vật chuẩn

có khối lượng theo quy ước bằng một lilôgam…

1.1.2 Phương pháp đo

Căn cứ vào nguyên tắc đo, người ta chia các phương pháp đo thành ba loại: phương pháp đo trực tiếp, phương pháp đo gián tiếp và phương pháp đo kết hợp

- Phương pháp đo trực tiếp: đem đại lượng cần đo so sánh trực tiếp với đại lượng chuẩn cùng bản chất, ví dụ như đo chiều dài, đo khối lượng, …

- Phương pháp đo gián tiếp: là phép đo mà kết quả nhận được dựa trên cơ sở

đo các số liệu có liên quan với đại lượng cần đo theo một quan hệ nhất định, ví dụ như đo nhiệt độ thông qua sự đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu

- Phương pháp kết hợp: kết hợp cả hai phương pháp trên

Khi đo gián tiếp, đối với mỗi dụng cụ đo phải xây dựng được quan hệ giữa đại lượng đo được s (còn gọi là đại lượng đầu ra hay đáp ứng) và đại lượng cần đo m (còn gọi là đại lượng đầu vào hay kích kích) Quan hệ trên được biểu diễn dưới dạng

hàm số đại số s = F(m) hoặc bằng đồ thị gọi chung là đường cong chuẩn của dụng

cụ đo Để thiết lập đường cong chuẩn người ta dùng các phương pháp chuẩn dụng cụ

đo được tiến hành bằng cách đo giá trị của đại lượng đầu ra (s) ứng với một loạt giá trị đã biết chính xác của đại lượng đầu vào (m)

Đường cong chuẩn cho phép xác định mọi giá trị của m từ s trong phạm vi đo

Để dễ sử dụng người ta thường chế tạo dụng cụ đo sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra ∆s và biến thiên đầu vào ∆m:

m2

s2

x

Hình 1.1 Đường cong chuẩn dụng cụ đo a) Xây dựng đường cong chuẩn b) Sử dụng đường cong chuẩn

m S

s= ∆

∆ Trong đó S là độ nhạy của dụng cụ đo

s

m Hình 1.2 Đường cong chuẩn tuyến tính của dụng cụ đo

1.2 Sai số của phép đo

1.2.1 Sai số

Trong thực tế, do nhiều nguyên nhân khác nhau, khi đo ta không thể xác định chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo (giá trị cần đo) mà chỉ nhận được giá trị gần đúng của nó (giá trị đo) Hiệu số giữa giá trị đo m và giá trị cần đo A được gọi

là sai số tuyệt đối của phép đo:

(1.1) A

m ư

= δ

Do không thể xác định được A nên không thể tính được sai số của phép đo theo công thức (1.1) Bởi vậy, sai số của phép đo chỉ có thể đánh giá một cách ước tính

1.2.2 Các loại sai số

Khi đánh giá người ta phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

a) Sai số hệ thống

Sai số hệ thống là sai số mà giá trị và quy luật đã biết trước và có thể phát hiện bằng cánh kiểm tra dụng cụ đo bằng dụng cụ mẫu Với một giá trị cho trước của đại lượng cần đo, sai số hệ thống có thể không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian Sai số hệ thống thường có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch hoặc không

đầy đủ về dụng cụ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt, dưới đây là những nguyên nhân thường gặp của sai số hệ thống:

- Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng: thí dụ điểm 0 của dụng

cụ đo bị lệch khỏi vị trí, sai lệch của nhiệt độ chuẩn cặp nhiệt …Sai số dạng này có thể giảm được bằng cách kiểm tra kỹ càng các thiết bị phụ trợ trong mạch đo

- Sai số do đặc tính của dụng cụ đo: sai số độ nhạy hoặc sai số đường cong chuẩn là nguyên nhân thường gặp của sai số hệ thống do đặc tính của dụng cụ đo Thí dụ đường cong chuẩn của cặp nhiệt ngẫu do nhà sản xuất cung cấp được xác

định trên cơ sở chuẩn một số cặp nhiệt cùng được chế tạo một lần Tuy nhiên, một cặp nhiệt ngẫu nào đó có đường cong chuẩn khác đôi chút so với đường cong chuẩn của các cặp nhiệt đã được kiểm định Trường hợp hóa già của bộ phận cảm nhận trong dụng cụ đo cũng thường kéo theo sự sai lệch khỏi đường cong chuẩn ban đầu,

đặc biệt là đối với cặp nhiệt và nhiệt điện trở Để tránh sai số hệ thống trong các trường hợp này cần phải thường xuyên chuẩn lại dụng cụ đo

- Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng: tốc độ hồi đáp của dụng cụ đo và các dụng cụ thứ cấp trong mạch đo thường có hạn, bởi vậy tất cả các phép đo tiến hành trước khi chế độ hoạt động bình thường của thiết bị đo được thiết lập đều gây

ra sai số Thí dụ một đầu đo nhiệt độ có tốc độ hồi đáp rất khác nhau phụ thuộc vào việc nó được đặt trong chất lỏng đứng yên hay có dòng chảy Trường hợp đầu đo

nhiệt độ có nhiệt dung và quán tính nhiệt lớn được đặt vào môi trường đo có thể tích nhỏ làm thay đổi nhiệt độ môi trường đo cũng gây ra sai số

- Sai số do xử lý kết quả sai: sai số dạng này hượng gặp phải do sự nhận xét,

đánh giá không đúng khi tiến hành hiệu chỉnh kết quả đo chứa những điểm có độ lệch lớn để nhận được giá trị chính xác hơn Sau đây là một số trường hợp thường gặp:

+ Trường hợp do giả thiết sai dẫn đến xử lý sai kết quả đo, chẳng hạn khi kết quả đo lệch khỏi độ tuyến tính trong phép đo do sử dụng dụng cụ đo giả thiết là tuyến tính

+ Trường hợp khi đo nhiệt độ, do nhiệt độ đo được của dụng cụ đo và nhiệt độ môi trường cần đo khác nhau do có sự dẫn nhiệt của vỏ dụng cụ hoặc dây dẫn, từ đó không đánh giá đúng sự tiêu hao nhiệt lượng nên xử lý sai kết quả đo

b) Sai số ngẫu nhiên

Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà giá trị và quy luật của nó chưa biết trước Sự xuất hiện của sai số ngẫu nhiên cũng như dấu và biên độ của nó mang tính không xác định

- Sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị: nguyên nhân đầu tiên

là do độ linh động của thiết bị, sai số độ linh động bằng độ biến thiên lớn nhất của

đại lượng đo để gây nên sự thay đổi có thể nhận biết được của đại lượng đầu ra của dụng cụ đo Nguyên nhân thứ hai là do đọc sai số liệu, sai lệch này ít nhiều do thói quen của người đo, nhưng mặt khác cũng do chất lượng của thiết bị, thí dụ độ mảnh của kim chỉ thị đồng hồ đo

- Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên: do sự rung động, sự thăng giáng của nhiệt độ môi trường, sự không ổn định của nguồn điện áp nuôi thiết bị …tác động một cách ngẫu nhiên làm cho kết đo bị sai lệch

- Sai số do sự thay đổi của các đại lượng ảnh hưởng: khi đo, dụng cụ đo thường không chỉ chịu tác động của đại lượng đo mà ít nhiều còn chịu tác động của các đại lượng ảnh hưởng mà mức độ ảnh hưởng của chúng không được tính đến khi chuẩn dụng cụ đo Thí dụ một dụng cụ đo được chuẩn trong điều kiện nhiệt độ 20oC thì mọi sự thay đổi nhiệt độ trên dưới 20oC đều kéo theo sự thay đổi kết quả đo

1.2.3 Phương pháp đánh giá sai số

Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo bị tản mạn khi đo lặp lại Tuy nhiên bằng phương pháp xử lý thống kê có thể xác định được giá trị xác suất của đại lượng đo

và giới hạn của sai số

Khi đo lặp lại n lần cùng một giá trị của đại lượng cần đo ta nhận được kết quả

là a1, a2, …, an Giá trị trung bình cộng sau n lần đo sẽ là:

n

a

a a

= Khi n rất lớn thì m → A, khi đó sai số tuyệt đối được xác định bởi công thức:

m

m ư

= δ Các sai số ngẫu nhiên tác động lên các lần đo một cách hoàn toàn không phụ thuộc nhau Bởi vậy xác suất xuất hiện các kết quả đo sẽ tuân theo định luật phân bố Gaus (hình 1.3)

Khi đó mật độ xác suất y của sai số có giá trị δ xác định bởi công thức:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡ σ

δ

ư π

σ

2 exp 2

1 y Trong đó là sai số bình phương trung bình, xác định theo công thức: σ

n

2n

2 2

2

1 +δ + +δ δ

= σ

y

δ

Hình 1.3 Quy luật phân bố chuẩn của sai số ngẫu nhiên

Căn cứ vào đặc trưng của sai số người ta đánh giá chất lượng của dụng cụ đo như tính trung thực, tính đúng đắn và độ chính xác

Dụng cụ đo có tính đúng đắn là dụng cụ đo có sai số hệ thống nhỏ, giá trị xác suất thường gặp của đại lượng đo gần với giá trị thực (hình 1.4a)

Dụng cụ đo có tính trung thực là dụng cụ đo có sai số ngẫu nhiên nhỏ, thể hiện kết quả các lần đo tập trung xung quanh giá trị trung bình a (hình 1.4b)

Hình 1.4c là dạng phân bố kết quả đo của dụng cụ đo có tính trung thực và

đúng đắn thấp

y

a

a

a

y

a y

a

a

b) )

d) )

a

a) ) y

c)

Hình 1.4 Các dạng kết quả đo ứng với các dụng cụ đo chất lượng khác nhau a) Loại có tính đúng đắn cao b) Loại có tính trung thực cao c) Loại có tính trung thực và tính đúng đắn thấp

d) Loại có độ chính xác cao

Dụng cụ đo có độ chính xác cao là dụng cụ đo cho kết quả đo đơn lẽ gần với giá trị thực của đại lượng đo Dụng cụ đo chính xác đồng thời cũng là dụng cụ đo trung thực và đúng đắn (hình 1.4d)

Ngoài ra, để so sánh độ chính xác của các phép đo khác nhau, người ta đưa ra khái niệm sai số tương đối xác định bằng công thức sau:

100 m

m

m ư

=

1.3 Thiết bị đo và phân loại

1.3.1 Thiết bị đo

Thiết bị đo là hệ thống bao gồm các dụng cụ đo và các dụng cụ thứ cấp cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong điều kiện tốt nhất có thể Đối với các thiết bị đo đơn giản, thường gồm bộ phận đo và bộ phận hiển thị, thí dụ thiết bị

đo chỉ gồm một cặp nhiệt nối trực tiếp với một milivôn kế Tuy nhiên, trong thực tế

do nhu cầu khai thác tín hiệu, đặc biệt là trong việc đo và kiểm tra tự động, thiết bị

đo thường gồm rất nhiều thành phần như cảm biến, các bộ chuyển đổi nhiều kênh,

bộ tuyến tính hóa tín hiệu, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi tương tự - số , bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ …

Trên hình 1.5 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ đơn giản, còn hình 1.6 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần

2

àV

1

Hình 1.5 Mạch đo nhiệt độ đơn giản 1) Cặp nhiệt 2) Dây dẫn 3) Milivôn kế

Bộ VXL

5

Bộ CĐ

4

Bộ

CH 2

Máy in

7

3

Bộ KĐ

Màn hình

8

CB

1

Hình 1.6 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần 1) Cảm biến đo nhiệt độ 2) Bộ khuếch đại 3) Bộ chuẩn hóa tín hiệu 4) Bộ chuyển đổi tương tự - số 5) Bộ vi xử lý 7) Máy in 8) Màn hình

1.3.2 Phân loại thiết bị đo

- Theo cách đọc kết quả, thiết bị đo được chia ra:

+ Thiết bị đo tự chỉ

+ Thiết bị đo tự ghi

+ Thiết bị đo tự ghi và tự chỉ

+ Thiết bị đo tổng ghi

- Theo đại lượng cần đo phân ra:

+ Thiết bị đo nhiệt

+ Thiết bị đo điện

+ Thiết bị đo áp suất…

- Theo phạm vi ứng dụng:

+ Thiết bị đo trong nghiên cứu

+ Thiết bị đo trong công nghiệp

- Theo cấp chính xác: Giả sử trị số thực của đại lượng cần đo là m, kết quả đo lần thứ i là mi, thang đo của thiết bị đo có giới hạn là M thì sai số quy dẫn của thiết bị

đo là:

100 M

m

=

Cấp chính xác của thiết bị đo là sai số quy dẫn cực đại cho phép Trong công nghiệp phổ biến là các dụng cụ đo có cấp chính xác 0,5; 1; 1,5

1.4 Đo và kiểm tra trong công nghệ luyện kim

Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công nghệ liên quan đến việc đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng chất lưu hoặc một số chỉ tiêu công nghệ như độ ẩm, độ

pH, độ điện ly, thành phần khí các yếu tố trên không những ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình, mà còn ảnh hưởng lớn tới sự hoạt động của thiết bị cũng như chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất Do vậy việc đo và kiểm tra thường xuyên các thông số công nghệ nhằm xác lập điều kiện công nghệ tốt nhất

để đảm bảo sự vận hành an toàn cho thiết bị và đạt được kết quả mong muốn là hết sức cần thiết

Trong luyện kim, rất nhiều quy trình công nghệ trong luyện kim đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc rất cao như thiêu kết quặng, nấu chảy và luyện hợp kim, nung thép để cán hoặc nhiệt luyện Các quá trình này thường yêu cầu khống chế nhiệt độ lò và nhiệt độ vật liệu phù hợp với từng giai đoạn gia công, nhiệt độ cao hay thấp đều ảnh hưởng đến năng suất, hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm Chẳng hạn khi nung thép để cán hoặc nhiệt luyện, nhiệt độ lò và nhiệt độ vật nung phải khống chế theo một chế độ nung định trước đảm bảo không xẩy ra hiện tượng nứt, cong vênh khi ở nhiệt độ thấp, không bị quá nhiệt hoặc cháy khi ở nhiệt độ cao Trong luyện kim, sử dụng nhiều các thiết bị làm việc với chất lưu (chất lỏng, chất khí, hơi) như thiết bị cấp gió, cấp khí nén, cấp nhiên liệu, thiết bị làm mát, thiết

bị bôi trơn…do đó việc đo và kiểm tra thường xuyên nhiệt độ, áp suất hoặc lưu lượng chất lưu cũng rất quan trọng Nếu nhiệt độ, áp suất và lưu lượng chất lưu không đủ theo yêu cầu có thể làm cho thiết bị hoạt động không bình thường, ngược

lại nếu quá cao có thể làm hỏng thiết bị, thậm chí gây nổ sinh mất an toàn đối với thiết bị và người

Đặc biệt, trong luyện kim nhiều quá trình công nghệ thường được tiến hành trong môi trường khí mà thành phần của chúng nhiều khi có ảnh hưởng rất quyết

định đến hiệu quả quá trình cũng như chất lượng sản phẩm và khí thải Việc phân tích khí không những cho phép điều chỉnh thành phần khí phù hợp với yêu cầu công nghệ mà còn giúp cho việc xử lý khí thải một cách có hiệu quả

Do những yêu cầu trên, giáo trình đi sâu trình bày các vấn đề cơ bản về kỹ thuật đo và thiết bị đo cần thiết được dùng trong luyện kim như đo nhiệt độ, đo áp suất, đo lưu lượng, phân tích khí và sơ lược một số vấn đề về đo một số chỉ tiêu công nghệ Bên cạnh đó, giáo trình cũng đề cập đến những vấn đề cần thiết trong kỹ thuật đo là truyền kết quả đi xa, một số thiết bị đo tiên tiến ứng dụng trong kỹ thuật

đo lường và kiểm tra tự động