§¹i häc ®µ n½ng Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa Hoµng Minh C«ng Gi¸o tr×nh KiÓm nhiÖt tù ®éng ho¸ §µ N½ng - 2006 Lời mở đầu Trong công nghiệp luyện kim, nhiều quá trình công nghệ tiến hành trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc rất cao và sử dụng nhiều thiết bị sử dụng chất lu (chất lỏng, khí và hơi) yêu cầu khống chế nhiệt độ chặt chẽ cũng nh thờng xuyên đo kiểm các thông số áp suất, thành phần môi trờng khí Do vậy đo và kiểm tra nhiệt độ cũng nh các thông số công nghệ khác có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đảm bảo điều khiển quá trình công nghệ theo theo yêu cầu, đảm bảo chất lợng sản phẩm và an toàn cho thiết bị. Đo và kiểm tra cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các thiết bị đo và kiểm tra tự động nói chung cũng nh đo và kiểm tra nhiệt độ nói riêng ngày càng có nhiều chủng loại với tính năng sử dụng và độ tin cậy khi làm việc cao, đáp ứng nhu cầu đa dạng của sản xuất. Thiết bị đo và kiểm tra có thể là một dụng cụ đo đơn giản gồm một đầu đo và bộ phận hiển thị hoặc là cả một hệ thống phức tạp gồm các cảm biến, các bộ chuyển đổi tín hiệu đo, truyền kết quả đi xa, xử lý số liệu Trang bị những kiến thức cơ bản về kiểm nhiệt cũng nh đo, kiểm tra các thông số và chỉ tiêu công nghệ là hết sức cần thiết, giúp cho sinh viên tiếp thu tốt các môn học chuyên ngành cũng nh vận dụng vào thực tế sản xuất sau này. Đối với sinh viên ngành cơ khí - luyện cán thép, môn học Kiểm nhiệt và tự động hoá là một môn học bắt buộc trong chơng trình đào tạo. Giáo trình đợc biên soạn theo nội dung môn học gồm 8 chơng, đề cập đến những vấn đề chủ yếu về kỹ thuật đo nói chung, thiết bị đo và kiểm tra nhiệt độ, thiết bị đo và kiểm tra các thông số và chỉ tiêu công nghệ quan trọng trong các quá trình luyện kim. Do nội dung giáo trình bao quát rộng, tài liệu tham khảo hạn chế và trình độ có hạn của ngời biên soạn nên chắc chắn giáo trình không tránh khỏi sai sót. Tác giả mong muốn nhận đợc sự góp ý của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình đợc hoàn thiện hơn. Các nhận xét, góp ý xin gửi về Khoa Cơ khí Trờng Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng. Tác giả Mục lục Chơng 1. Các khái niệm và đặc trng cơ bản trong đo lờng 1.1. Khái niệm và phân loại phơng pháp đo 5 1.1.1. Phép đo 5 1.1.2. Phân loại phơng pháp đo 5 1.2. Sai số của phép đo 6 1.2.1. Sai số 6 1.2.2. Các loại sai số 7 1.2.3. Phơng pháp đánh giá sai số 9 1.3. Thiết bị đo và phân loại 10 1.3.1. Thiết bị đo 10 1.3.2. Phân loại thiết bị đo 11 1.4. Đo và kiểm tra trong công nghệ luyện kim 12 Chơng 2. Đo nhiệt độ 2.1. Khái niệm chung 14 2.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 14 2.1.2. Phơng pháp đo nhiệt độ 17 2.2. Nhiệt kế giản nỡ 18 2.2.1. Nguyên lý đo 18 2.2.2. Các loại nhiệt kế giản nở 18 2.3. Nhiệt kế điện trở 19 2.3.1. Nguyên lý đo 19 2.3.2. Các loại nhiệt kế điện trở 21 2.4. Cặp nhiệt ngẫu 29 2.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện 29 2.4.2. Vật liệu chế tạo cực 31 2.4.3. Các cặp nhiệt ngẫu dùng trong công nghiệp 33 2.4.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp 34 2.5. Hỏa kế 40 2.5.1. Hỏa kế bức xạ toàn phần 40 2.5.2. Hỏa kế quang 41 -131- 2.6. Các phơng pháp đo nhiệt độ khác 43 Chơng 3. Đo áp suất 3.1. áp suất và phơng pháp đo áp suất 45 3.1.1. áp suất và đơn vị đo 45 3.1.2. Phơng pháp đo áp suất 46 3.2. áp kế sử dụng dịch thể 48 3.2.1. Vi áp kế kiểu phao 48 3.2.2. Vi áp kế kiểu chuông 49 3.2.3. Vi áp kế bù 50 3.2.4. áp kế vành khuyên 51 3.3. áp kế đàn hồi 52 3.3.1. áp kế lò xo 52 3.3.2. áp kế màng 54 3.3.3. áp kế ống trụ 55 3.3.4. áp kế kiểu đèn xếp 56 3.4. áp kế điện 57 3.4.1. áp kế áp trở 57 3.4.2. áp kế áp điện 58 3.4.3. áp kế điện dung 59 3.4.4. áp kế điện cảm 60 Chơng 4. Đo lu lợng 4.1. Khái niệm chung 64 4.1.1. Lu lợng và đơn vị đo 64 4.1.2. Ph ơng pháp đo lu lợng 64 4.2. Lu lợng kế đo lu lợng theo thể tích 64 4.2.1. Lu lợng kế kiểu bánh răng 64 4.2.2. Lu lợng kế kiểu cánh 66 4.3. Lu lợng kế đo lu lợng theo tốc độ 67 4.3.1. Nguyên lý đo 67 -132- 4.3.2. Lu lợng kế kiểu tuabin hớng trục 67 4.3.3. Lu lợng kế kiểu tuabin tiếp tuyến 68 4.4. Lu lợng kế đo lu lợng theo độ giảm áp biến đổi 69 4.4.1. Nguyên lý đo 69 4.4.2. Thiết bị thu hẹp 71 4.4.3. Sơ đồ thiết bị đo 72 4.5. Lu lợng kế đo lu lợng theo độ giảm áp không đổi 75 4.6. Lu lợng kế điện từ 76 Chơng 5. Phân tích khí 5.1. Khái niệm và phơng pháp phân tích 78 5.1.1. Khái niệm 78 5.1.2. Phơng pháp phân tích 78 5.2. Phơng pháp phân tích điện 78 5.2.1. Phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí 78 5.2.2. Phân tích khí theo sự cháy của các cấu tử cần phân tích 80 5.2.3. Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí 81 5.2.4. Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ 82 5.3. Phơng pháp quang phổ định l ợng 84 Chơng 6. Đo một số chỉ tiêu công nghệ 6.1. Đo nồng độ ion H + 85 6.1.1. Nguyên lý đo 85 6.1.2. Thiết bị đo 86 6.2. Đo nồng độ chất điện ly 88 6.2.1. Nguyên lý đo 88 6.2.2. Thiết bị đo 89 6.3. Đo tỉ trọng 90 6.3.1. Phơng pháp đo theo áp suất 90 6.3.2. Phơng pháp dùng đồng vị phóng xạ 91 6.4. Đo và phát hiện mức 92 6.4.1. Đo mức bằng phơng pháp thuỷ tĩnh 92 6.4.2. Đo mức bằng phơng pháp điện 94 6.4.3. Đo mức bằng phơng pháp bức xạ 95 -133- 6.5. Đo độ ẩm 96 6.5.1. Đo độ ẩm vật liệu rời 97 6.5.2. Đo độ ẩm của khí 97 Chơng 7. Truyền kết quả đi xa 7.1. Truyền xa kiểu điện trở 103 7.1.1. Phơng pháp biến đổi điện trở 103 7.1.2. Phơng pháp dùng logomet 104 7.2. Truyền xa kiểu từ cảm 104 7.2.1. Dùng cầu cân bằng cảm ứng 104 7.2.2. Dùng biến thế vi sai 105 7.3. Truyền xa kiểu đồng bộ 106 Chơng 8. Cảm biến thông minh 8.1. Cấu trúc của một cảm biến thông minh 109 8.2. Các khâu chức năng của cảm biến thông minh 110 8.2.1. Chuyển đổi chuẩn hoá 110 8.2.2. Bộ dồn kênh MUX 112 8.2.3. Bộ chuyển đổi tơng tự - số 114 8.3. Các thuật toán xử lý trong cảm biến thông minh 116 8.3.1. Tự động khắc độ 116 8.3.2. Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn 117 8.3.3. Gia công kết quả đo 119 Tài liệu tham khảo 129 Mục lục 131 -134- -135- Chơng 1 Các khái niệm và đặc trng cơ bản trong đo lờng 1.1. Khái niệm và phơng pháp đo Trong công nghiệp, nhiều quá trình công nghệ đòi hỏi phải tiến hành trong những điều kiện công nghệ (nh nhiệt độ, áp suất, lu lợng, thành phần môi trờnggọi 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 ngời thực hiện biết đợc trạng thái của quá trình, từ đó tác động để đảm bảo sự hoạt động bình thờng của hệ thống thiết bị cũng nh đạt đợc hiệu quả kinh tế và chất lợng 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 nh trong lĩnh vực luyện kim nói riêng. 1.1.1. Phép đo Thực chất của phép đo là đem so sánh đại lợng cần đo với một đại lợng khác đã đợc chuẩn hóa. Ví dụ để đo chiều dài của một vật, ngời ta so sánh chiều dài cần đo với chiều dài của một vật chuẩn theo quy ớc bằng một mét, đo khối lợng một vật, ngời ta đem so sánh khối lợng cần đo với khối lợng của một vật chuẩn có khối lợng theo quy ớc bằng một lilôgam 1.1.2. Ph ơng pháp đo Căn cứ vào nguyên tắc đo, ngời ta chia các phơng pháp đo thành ba loại: phơng pháp đo trực tiếp, phơng pháp đo gián tiếp và phơng pháp đo kết hợp. - Phơng pháp đo trực tiếp: đem đại lợng cần đo so sánh trực tiếp với đại lợng chuẩn cùng bản chất, ví dụ nh đo chiều dài, đo khối lợng, - Phơng pháp đo gián tiếp: là phép đo mà kết quả nhận đợc dựa trên cơ sở đo các số liệu có liên quan với đại lợng cần đo theo một quan hệ nhất định, ví dụ nh đo nhiệt độ thông qua sự đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu. - Phơng pháp kết hợp: kết hợp cả hai phơng pháp trên. Khi đo gián tiếp, đối với mỗi dụng cụ đo phải xây dựng đợc quan hệ giữa đại lợng đo đợc s (còn gọi là đại lợng đầu ra hay đáp ứng) và đại lợng cần đo m (còn gọi là đại lợng đầu vào hay kích kích). Quan hệ trên đợc biểu diễn dới dạng -5- hàm số đại số s = F(m) hoặc bằng đồ thị gọi chung là đờng cong chuẩn của dụng cụ đo. Để thiết lập đờng cong chuẩn ngời ta dùng các phơng pháp chuẩn dụng cụ đo đợc tiến hành bằng cách đo giá trị của đại lợng đầu ra (s) ứng với một loạt giá trị đã biết chính xác của đại lợng đầu vào (m). Đờng cong chuẩn cho phép xác định mọi giá trị của m từ s trong phạm vi đo. Để dễ sử dụng ngời ta thờng 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: s s m 2 m 1 m m x m s 2 s 1 s x a) b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn dụng cụ đo a) Xâ y d ự n g đờn g con g chuẩn b) Sử d ụ n g đờn g con g chuẩn m.Ss = Trong đó S là độ nhạy của dụng cụ đo. s m Hình 1.2 Đờn g con g chuẩn tu y ến tính của dụn g 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 lợng cần đo (giá trị cần đo) mà chỉ nhận đợc giá trị gần đúng của nó (giá trị đo). Hiệu số giữa giá trị đo m và giá trị cần đo A đợc gọi là sai số tuyệt đối của phép đo: -6- (1.1) Am = Do không thể xác định đợc A nên không thể tính đợc sai số của phép đo theo công thức (1.1) . Bởi vậy, sai số của phép đo chỉ có thể đánh giá một cách ớc tính. 1.2.2. Các loại sai số Khi đánh giá ngời 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 trớc và có thể phát hiện bằng cánh kiểm tra dụng cụ đo bằng dụng cụ mẫu. Với một giá trị cho trớc của đại lợng cần đo, sai số hệ thống có thể không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian. Sai số hệ thống thờng 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, dới đây là những nguyên nhân thờng gặp của sai số hệ thống: - Sai số do giá trị của đại lợng 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 đợc 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 đờng cong chuẩn là nguyên nhân thờng gặp của sai số hệ thống do đặc tính của dụng cụ đo. Thí dụ đờng cong chuẩn của cặp nhiệt ngẫu do nhà sản xuất cung cấp đợc xác định trên cơ sở chuẩn một số cặp nhiệt cùng đợc chế tạo một lần. Tuy nhiên, một cặp nhiệt ngẫu nào đó có đờng cong chuẩn khác đôi chút so với đờng cong chuẩn của các cặp nhiệt đã đợc kiểm định. Trờng hợp hóa già của bộ phận cảm nhận trong dụng cụ đo cũng thờng kéo theo sự sai lệch khỏi đờng cong chuẩn ban đầu, đặc biệt là đối với cặp nhiệt và nhiệt điện trở. Để tránh sai số hệ thống trong các trờng hợp này cần phải thờng 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 thờng có hạn, bởi vậy tất cả các phép đo tiến hành trớc khi chế độ hoạt động bình thờng của thiết bị đo đợc 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 đợc đặt trong chất lỏng đứng yên hay có dòng chảy. Trờng hợp đầu đo -7- [...]... giản, còn hình 1. 6 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ nhiều thành phần àV 1 2 Hình 1. 5 Mạch đo nhiệt độ đơn giản 1) Cặp nhiệt 2) Dây dẫn 3) Milivôn kế Máy in 7 CB 1 Bộ 3 KĐ Bộ CĐ 4 Bộ CH 2 Bộ VXL 5 Màn hình 8 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 tơng tự - số 5) Bộ vi xử lý 7) Máy in 8) Màn hình 1. 3.2 Phân loại... 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 c) ) a b) ) a y a d) ) a Giá trị thực y Giá trị thực a) ) y a a a a Hình 1. 4 Các dạng kết quả đo ứng với các dụng cụ đo chất lợng 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... hình 1. 3.2 Phân loại thiết bị đo - Theo cách đọc kết quả, thiết bị đo đợc 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 lợng cần đo phân ra: + Thiết bị đo nhiệt + Thiết bị đo điện + Thiết bị đo áp suất - Theo phạm vi ứng dụng: - 11 - + Thiết bị đo trong nghiên cứu + Thiết bị đo trong công nghiệp - Theo cấp chính xác: Giả sử trị số... 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 thờng gồm rất nhiều thành phần nh cảm biến, các bộ chuyển đổi nhiều kênh, - 10 - bộ tuyến tính hóa tín hiệu, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi tơng tự - số , bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ Trên hình 1. 5 là sơ đồ một mạch đo nhiệt độ đơn... số quy dẫn của thiết bị đo là: = mi m 10 0 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, lu lợng chất lu hoặc một số chỉ tiêu công nghệ nh độ ẩm, độ pH, độ điện ly,... phải tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc rất cao nh thiêu kết quặng, nấu chảy và luyện hợp kim, nung thép để cán hoặc nhiệt luyện Các quá trình này thờng 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 hởng đến năng suất, hiệu quả kinh tế và chất lợng sản phẩm Chẳng hạn khi nung thép để cán hoặc nhiệt luyện, nhiệt độ lò và nhiệt độ vật nung... bình, xác định theo công thức: 2 1 + 2 + + 2 2 n = n y 1 2 3 Hình 1. 3 Quy luật phân bố chuẩn của sai số ngẫu nhiên Căn cứ vào đặc trng của sai số ngời ta đánh giá chất lợng của dụng cụ đo nh 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 thờng gặp của đại lợng đo gần với giá trị thực (hình 1. 4a) -9 - Dụng cụ đo có tính... với giá trị thực của đại lợng 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, ngời ta đa ra khái niệm sai số tơng đối xác định bằng công thức sau: = mm 10 0 m [%] 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... hởng đến hiệu suất quá trình, mà còn ảnh hởng lớn tới sự hoạt động của thiết bị cũng nh chất lợng sản phẩm và hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất Do vậy việc đo và kiểm tra thờng 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 đợc kết quả mong muốn là hết sức cần thiết Trong luyện kim, rất nhiều quy trình công nghệ trong luyện... lần đo sẽ là: m= Khi n rất lớn thì a 1 + a 2 + + a n n m A, khi đó sai số tuyệt đối đợc xác định bởi công thức: =mm 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 xác định bởi công thức: 2 1 y= exp 2 2 2 Trong đó là sai . từng đoạn 11 7 8.3.3. Gia công kết quả đo 11 9 Tài liệu tham khảo 12 9 Mục lục 13 1 -1 3 4- -1 3 5- Chơng 1 Các khái niệm và đặc trng cơ bản trong đo lờng 1. 1. Khái niệm. Chuyển đổi chuẩn hoá 11 0 8.2.2. Bộ dồn kênh MUX 11 2 8.2.3. Bộ chuyển đổi tơng tự - số 11 4 8.3. Các thuật toán xử lý trong cảm biến thông minh 11 6 8.3 .1. Tự động khắc độ 11 6 8.3.2. Xử lý tuyến. luyện kim 12 Chơng 2. Đo nhiệt độ 2 .1. Khái niệm chung 14 2 .1. 1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 14 2 .1. 2. Phơng pháp đo nhiệt độ 17 2.2. Nhiệt kế giản nỡ 18 2.2 .1. Nguyên lý đo 18 2.2.2.