Tài liệu Thiết kế bộ điều khiển pid số sử dụng plc

NHAÄN XEÙT CUÛA GIAÙO VIEÂN HÖÔÙNG DAÃN ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________ 1 NHAÄN XEÙT CUÛA GIAÙO VIEÂN PHAÛN BIEÄN ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ _____________ 2 LÔØI CAÛM ÔN Em xin chaân thaønh caûm ôn Boä moân Ñieàu khieån töï ñoäng, thaày Hoaøng Minh Trí cuøng caùc thaày coâ khaùc ñaõ höôùng daãn taän tình , cung caáp cho em nhöõng kieán thöùc quyù baùu cho em trong thôøi gian thöïc hieän luaän vaên. Em cuõng chaân thaønh caûm ôn söï hoå trôï, ñoùng goùp yù kieán cuûa baïn beø. Ñaây laø laàn ñaàu em laøm Luaän Vaên , do ñoù söï thieáu soùt hay khieám khuyeát laø ñieàu khoâng traùnh khoûi. Em chaân thaønh caùm ôn söï ñoùng goùp caùc yù kieán chuyeân moân ñeå khaû naêng kyõ thuaät cuûa em ñöôïc môû roäng. Chaân thaønh caûm ôn. Sinh vieân thöïc hieän Nguyeãn Ngoïc Nhaân Thaùng 1 / 2002 3 MUÏC LUÏC Phaàn 1. LYÙ THUYEÁT..........................................7 Chöông 1. Caùc khoái cô baûn trong ñieàu khieån nhieät ñoä.......8 Chöông 2. Nhieät ñoä – Caùc loaïi caûm bieán nhieät ñoäø............11 1. Nhieät ñoävaø caùc thang ño nhieät ñoäø..............................................12 2. Caùc loaïi caûm bieát nhieät ñoä hieän taïi............................................13 2.1. Thermocouple.........................................................................13 2.2. RTD.........................................................................................13 2.3. Thermistor...............................................................................14 2.4. IC caûm bieán.............................................................................14 3. Thermocouple vaø hieäu öùng Seebeck.........................................15 3.1. Hieäu öùng Seebeck...................................................................15 3.2. Quaù trình daãn ñieän trong Thermocouple................................15 3.3. Caùch ño hieäu ñieän theáø.............................................................17 3.4. Buø nhieät cuûa moâi tröôøng ........................................................19 3.5. Caùc loaïi Thermocouple ..........................................................20 3.4. Moät soá nhieät ñoä chuaån ............................................................21 Chöông 3. Caùc phöông phaùp bieán ñoåi AD Card PCL-818 cuûa Advantech.........................22 1. Sô löôïc caùc phöông phaùp bieán ñoåi AD.......................................22 1.1. Bieán ñoåi AD duøng boä bieán ñoåi DA.........................................22 1.2. Boä bieán ñoåi Flash-AD.............................................................26 1.3. Boä bieán ñoåi AD theo haøm doác daïng leân xuoáng......................27 1.4. Boä bieán ñoåi AD duøng chuyeån ñoåi aùp sang taàn soá...................27 1.5. Boä bieán ñoåi AD theo tích phaân 2 ñoä doác.................................28 4 2. Card AD - PCL818 cuûa haõng Advantech.................................29 2.1. Caùc thanh ghi cuûa Card...........................................................29 2.2. Chuyeån ñoåi A/D , D/A , D/I , D/O .........................................41 Chöông 4. Caùc phöông phaùp ñieàu khieån Phöông phaùp PID soá ........................................44 1. Caùc phöông phaùp ñieàu khieån.....................................................44 1.1 Ñieàu khieån On - Offø.................................................................44 1.2. Ñieàu khieån baèng khaâu tyû leä.....................................................45 1.3. Ñieàu khieån baèng khaâu vi phaân tyû leä PD..................................46 1.2. Ñieàu khieån baèng khaâu vi tích phaân tyû leä PID ........................47 2. Phöông phaùp ñieàu khieån PID soá................................................49 3. Thieát keá PID soá ..........................................................................51 4. Ñieàu khieån PID trong heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä ..............52 Chöông 5. Caùc Loaïi Maïch Kích Vaø Solid State Relay ( SSR ) ............................................................................................... 56 1. Ñoùng ngaét baèng OpTo - Triac ...................................................56 2. Contactor Quang – Solid State Relay.......................................58 Chöông 6 . Caùc loaïi IC khaùc.................................................60 1. IC Khaùc........................................................................................ 60 2. OP07............................................................................................. 61 Phaàn 2. Phaàn Cöùng............................................62 Khoái caûm bieán vaø maïch gia coâng.......................................63 Phaàn 3. Löu ñoà giaûi thuaät vaø chöông trình......67 1.Löu ñoà giaûi thuaät.............................................................68 2.Chöông trình ñieàu khieån baèng ngoân ngöõ Delphi..........71 Bieåu ñoà khaûo saùt heä thoáng nhieät...........................................99 Taøi lieäu tham khaûo...............................................................102 5 LÔØI NOÙI ÑAÀU Nhö chuùng ta bieát, nhieät ñoä laø moät trong nhöõng thaønh phaàn vaät lyù raát quan troïng. Vieäc thay ñoåi nhieät ñoä cuûa moät vaät chaát aûnh höôûng raát nhieàu ñeán caáu taïo, tính chaát, vaø caùc ñaïi löôïng vaät lyù khaùc cuûa vaät chaát. Ví duï, söï thay ñoåi nhieät ñoä cuûa 1 chaát khí seõ laøm thay ñoåi theå tích, aùp suaát cuûa chaát khí trong bình. Vì vaäy, trong nghieân cöùu khoa hoïc, trong coâng nghieäp vaø trong ñôøi soáng sinh hoaït, thu thaäp caùc thoâng soá vaø ñieàu khieån nhieät ñoä laø ñieàu raát caàn thieát. Trong caùc loø nhieät, maùy ñieàu hoaø, maùy laïnh hay caû trong loø viba, ñieàu khieån nhieät ñoä laø tính chaát quyeát ñònh cho saûn phaûm aáy. Trong ngaønh luyeän kim, caàn phaûi ñaït ñeán moät nhieät ñoä naøo ñoù ñeå kim loaïi noùng chaûy, vaø cuõng caàn ñaït moät nhieät ñoä naøo ñoù ñeå uû kim loaïi nhaèm ñaït ñöôïc toát caùc ñaëc tính cô hoïc nhö ñoä beàn, ñoä deûo, ñoä choáng gæ seùt, … . Trong ngaønh thöïc phaåm, caàn duy trì moät nhieät ñoä naøo ñoù ñeå nöôùng baùnh, ñeå naáu, ñeå baûo quaûn, … . Vieäc thay ñoåi thaát thöôøng nhieät ñoä, khoâng chæ gaây hö haïi ñeán chính thieát bò ñang hoaït ñoäng, coøn aûnh höôûng ñeán quaù trình saûn xuaát, ngay caû treân chính saûn phaåm aáy. Coù nhieàu phöông phaùp ñeå ñieàu khieån loø nhieät ñoä. Moãi phöông phaùp ñeàu mang ñeán 1 keát quaû khaùc nhau thoâng qua nhöõng phöông phaùp ñieàu khieån khaùc nhau ñoù. Trong noäi dung luaän vaên naøy, seõ cho ta phöông phaùp ñieàu khieån On-Off , PI vaø ñieàu khieån PID thoâng qua Card AD giao tieáp vôùi maùy tính PCL818. Moïi döõ lieäu trong quaù trình ñieàu khieån seõ ñöôïc hieån thò leân maùy tính döïa treân ngoân ngöõ laäp trình Delphi. 6 7 1 CAÙC KHOÁI CÔ BAÛN TRONG HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN NHIEÄT ÑOÄ goàm : Heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä thoâng duïng trong coâng nghieäp bao Caûm bieán vaø maïch gia coâng Maïch kích vaø loø nhieät Card AD/DA PCL-818L Maøn hình hieån thò Maùy tính vaø Chöông trình ñieàu khieån Nhö vaäy maïch cuûa chuùng ta coù nhöõng khoái cô baûn nhö sau : • Khoái caûm bieát vaø gia coâng : söû duïng caûm bieán nhieät ñoä laø Thermocouple, laáy tín hieäu thoâng qua Op-Amp OP-07, ñöa nhieät ñoä caàn xöû lyù veà ngoõ vaøo Analog cuûa boä bieán ñoåi AD. 8 • Boä bieán ñoåi AD : ñaây laø maïch laáy tín hieäu AD ñeå xöû lyù thoâng qua Card AD PCL-818 cuûa haõng Advantech. Thoâng qua ñoù, Card AD naøy seõ ñöa giaù trò nhieät ñoä vaø caùc thoâng soá khaùc cho maùy tính xöû lyù. Ngoaøi ra PCL-818 coøn laø Card DA vôùi nhieäm vuï ñieàu khieån maïch kích cho maïch nhieät ñoä. • Maïch coâng suaát : maïch naøy seõ bò taùc ñoäng tröïc tieáp bôùi PCL818, vôùi nhieäm vuï kích ngaét loø trong quaù trình ñieàu khieån. Linh kieän söû duïng trong maïch naøy laø Solid State Relay(SSR). • Khoái xöû lyù chính :coù theå xem maùy tính laø khoái xöû lyù chính. Vôùi ngoân ngöõ laäp trình Delphi, maùy tính seõ ñieàu khieån quaù trình ñoùng, ngaét loø. • Maøn hình hieån thò : laø maøn hình giao dieän cuûa Delphi. Caùc giaù trò, cuõng nhu caùc thoâng soá, nhöõng taùc ñoäng kyõ thuaät seõ taùc ñoäng tröïc tieáp treân maøn hình naøy. Caùc haõng kyõ thuaät ngaøy nay ñaõ tích hôïp caùc thaønh phaàn treân thaønh saûn phaåm chuyeân duøng vaø baùn treân thò tröôøng. Coù nhöõng chöông trình giao dieän ( nhö Visual Basic ) vaø coù nhöõng nuùt ñieàu khieån, thuaän lôïi cho ngöôøi söû duïng. Coù theå choï n khaâu khueách ñaïi P, PI, PD hay PID cuûa caùc haõng. 9 Contronautics, Incorporated Simpson Electric Company… Trôû laïi moâ hình ñieàu khieån nhieät, sô ñoà caùc khoái cô baûn treân ñaõ moâ hình hoaù quaù trình ñieàu khieån loø nhieät. Ñeå tìm hieåu roõ hôn veà caùc chi tieát khaùc cuõng nhö phöông phaùp vaø caùc thieát bò kyõ thuaät ñöôïc söû duïng, chuùng ta seõ xem xeùt thoâng caùc chöông tieáp theo. 10 2 NHIEÄT ÑOÄ CAÙC LOAÏI CAÛM BIEÁN NHIEÄT ÑOÄ THOÂNG DUÏNG Nhieät ñoä laø thaønh phaàn chuû yeáu trong heä thoáng thu thaäp döõ lieäu. Do vaäy, neáu choïn löïa thieát bò ño löôøng nhieät ñoä chính xaùc ta coù theå tieät kieäm chi phí naêng löôïng, taêng ñoä an toaøn vaø giaûm thôøi gian kieåm tra… thieát bò ño löôøng nhieät ñoä thöôøng duøng laø caûm bieán nhieät ñoä. Caëp nhieät ñieän, ñieän trôû nhieät, thermistors and infrared thermometers laø nhöõng loaïi caûm bieán nhieät ñoä thoâng thöôøng. Vieäc choïn löïa thieát bò ñeå hoaït ñoäng chính xaùc tuyø thuoäc vaøo nhieät ñoä toái ña, toái thieåu caàn ño, ñoä chính xaùc vaø nhöõng ñieàu kieän veà moâi tröôøng. Tröôùc heát, chuùng ta tìm hieåu caùc khaùi nieäm veà nhieät ñoä. 1. NHIEÄT ÑOÄ VAØ CAÙC THANG ÑO NHIEÄT ÑOÄ Galileo ñöôïc cho laø ngöôøi ñaàu tieân phaùt minh ra thieát bò ño nhieät ñoä, vaøo khoaûng naêm 1592. OÂng ta laøm thí nghieäm nhö sau : treân moät boàn hôû chöùa ñaày coàn, oâng cho treo moät oáng thuûy tinh daøi coù coå heïp, ñaàu treân cuûa noù coù baàu hình caàu chöùa ñaày khoâng khí. Khi gia taêng nhieät, khoâng khí trong baàu nôû ra vaø soâi suøng suïc trong coàn. Coøn khi laïnh thì khoâng khí co laïi vaø coàn daâng leân trong loøng oáng thuûy tinh. Do ñoù, söï thay ñoåi cuûa nhieät trong baàu coù theå bieát ñöôïc baèng caùch quan saùt vò trí cuûa coàn trong loøng oáng thuûy tinh. Tuy nhieân, ngöôøi ta chæ bieát söï thay 11 ñoåi cuûa nhieät ñoä chöù khoâng bieát noù laø bao nhieâu vì chöa coù moät taàm ño cho nhieät ñoä. Ñaàu nhöõng naêm 1700, Gabriel Fahrenheit, nhaø cheá taïo thieát bò ño ngöôøi Haø Lan, ñaõ taïo ra moät thieát bò ño chính xaùc vaø cho pheùp laëp laïi nhieàu laàn. Ñaàu döôùi cuûa thieát bò ñöôïc gaùn laø 0 ñoä, ñaùnh daáu vò trí nhieät cuûa nöôùc ñaù troän vôùi muoái (hay ammonium chloride) vì ñaây laø nhieät ñoä thaáp nhaát thôøi ñoù. Ñaàu treân cuûa thieát bò ñöôïc gaùn laø 96 ñoä, ñaùnh daáu nhieät ñoä cuûa maùu ngöôøi. Taïi sao laø 96 ñoä maø khoâng phaûi laø 100 ñoä?. Caâu traû lôøi laø bôûi vì ngöôøi ta chia tyû leä theo 12 phaàn nhö caùc tyû leä khaùc thôøi ñoù. Khoaûng naêm 1742, Anders Celsius ñeà xuaát yù kieán laáy ñieåm tan cuûa nöôùc ñaù gaùn 0 ñoä vaø ñieåm soâi cuûa nöôùc gaùn 100 ñoä, chia laøm 100 phaàn. Ñaàu nhöõng naêm 1800, William Thomson (Lord Kelvin) phaùt trieån moät taàm ño phoå quaùt döïa treân heä soá giaõn nôû cuûa khí lyù töôûng. Kelvin thieát laäp khaùi nieäm veà ñoä 0 tuyeät ñoái vaø taàm ño naøy ñöôïc choïn laø tieâu chuaån cho ño nhieät hieän ñaïi. Thang Kelvin : ñôn vò laø K. Trong thang Kelvin naøy, ngöôøi ta gaùn cho nhieät ñoä cho ñieåm caân baèng cuûa ba traïng thaùi: nöôùc – nöôùc ñaù – hôi mp65t giaù trò soá baèng 273.15K Töø thang nhieät ñoä nhieät ñoäng hoïc tuyeät ñoái( Thang Kelvin), ngöôøi ta ñaõ xaùc ñònh thang môùi laø thang Celsius vaø thang Fahrenheit( baèng caùch dòch chuyeån caùc giaù trò nhieät ñoä) Thang Celsius : Trong thang ño naøy, ñôn vò nhieät ñoä laø (°C ), moät ñoä Celsius baèng moät ñoä Kelvin. Quan heä giöõa nhieät ñoä Celsius vaø nhieät ñoä Kelvin ñöôïc xaùc ñònh baèng bieåu thöùc : T(°C) = T(°K) - 273,15 Thang Fahrenheit : T(°C) =5/9 {T(°F) – 32} T(°F) =9/5 T(°C) + 32 2. CAÙC LOAÏI CAÛM BIEÁN HIEÄN TAÏI Tuøy theo lónh vöïc ño vaø ñieàu kieän thöïc teá maø coù theå choïn moät trong boán loaïi caûm bieán : thermocouple, RTD, thermistor, vaø IC baùn daãn. Moãi loaïi coù öu ñieåm vaø khuyeát ñieåm rieâng cuûa noù. 12 2.1. Thermocouple Öu ñieåm • Laø thaønh phaàn tích cöïc, töï cung caáp coâng suaát. • Ñôn giaûn. • Reû tieàn. • Taàm thay ñoåi roäng. • Taàm ño nhieät roäng. Khuyeát ñieåm • Phi tuyeán. • Ñieän aùp cung caáp thaáp. • Ñoøi hoûi ñieän aùp tham chieáu. • Keùm oån ñònh nhaát. • Keùm nhaïy nhaát. 2.2. RTD (resistance temperature detector) Öu ñieåm • OÅn ñònh nhaát. • Chính xaùc nhaát. • Tuyeán tính hôn thermocouple. Khuyeát ñieåm • Maéc tieàn. • Caàn phaûi cung caáp nguoàn doøng. • Löôïng thay ñoåi ∆R nhoû. • Ñieän trôû tuyeät ñoái thaáp. • Töï gia taêng nhieät. 2.3. Thermistor Öu ñieåm • Ngoõ ra coù giaù trò lôùn. • Nhanh. • Ño hai daây. 13 Khuyeát ñieåm • Phi tuyeán. • Giôùi haïn taàm ño nhieät. • Deã vôõ. • Caàn phaûi cung caáp nguoàn doøng. • Töï gia taêng nhieät. 2.4. IC caûm bieán Öu ñieåm • Tuyeán tính nhaát. • Ngoõ ra coù giaù trò cao nhaát. • Reû tieàn. Khuyeát ñieåm • Nhieät ñoä ño döôùi 200°C. • Caàn cung caáp nguoàn cho caûm bieán. Trong noäi dung cuûa luaän vaên naøy, chuùng ta söû duïng Thermocouple ñeå ño nhieät ñoä. 3. THERMOCOUPLE VAØ HIEÄU ÖÙNG SEEBECK 3.1. Hieäu öùng Seebeck Naêm 1821, Thomas Seebeck ñaõ khaùm phaù ra raèng neáu noái hai daây kim loaïi khaùc nhau ôû hai ñaàu vaø gia nhieät moät ñaàu noái thì seõ coù doøng ñieän chaïy trong maïch ñoù. Kim loaïi A Kim loaïi A Kim loaïi B Neáu maïch bò hôû moät ñaàu thì thì hieäu ñieän theá maïch hôû (hieäu ñieän theá Seebeck) laø moät haøm cuûa nhieät ñoä moái noái vaø thaønh phaàn caáu thaønh neân hai kim loaïi. Khi nhieät ñoä thay ñoåi moät löôïng nhoû thì hieäu ñieän theá Seebeck cuõng thay ñoåi tuyeán tính theo : ∆eAB = α∆T vôùi α laø heä soá Seebeck 14 3.2 Quaù trình daãn ñieän trong Thermocouple + eAB Kim loaïi A - Kim loaïi B Caëp nhieät ñieän laø thieát bò chuû yeáu ñeå ño nhieät ñoä. Noù döïa treân cô sôû keát quaû tìm kieám cuûa Seebeck(1821), cho raèng moät doøng ñieän nhoû seõ chaïy trong maïch bao goàm hai daây daån khaùc nhau khi moái noái cuûa chuùng ñöôïc giöõ ôû nhieät ñoä khaùc nhau khi moái noái cuûa chuùng ñöôïc giöõ ôû nhieät ñoä khaùc nhau. Suaát ñieän ñoäng Emf sinh ra trong ñieàu kieän naøy ñöôïc goïi laø suaát ñieän ñoäng Seebeck. Caëp nhieät ñieän sinh ra trong maïch nhieät ñieän naøy ñöôïc goïi laø Thermocouple. Hình 1 : Moái noái nhieät ñieän. Ñeå hieåu hieäu quaû daån ñieän cuûa caëp nhieät ñieän Seebeck, tröôùc heát ta nghieân cöùu caáu truùc vi moâ cuûa kim loaïi vaø nhöõng nguyeân töû trong thaønh phaàn maïng tinh theå. Theo caáu truùc nguyeân töû cuûa Bohn vaø hieäu chænh cuûa Schrodinger vaø Heisenberg, ñieän töû xoay quanh haït nhaân. Nguyeân töû naøy caân baèng bôûi löïc ly taâm cuûa caùc nguyeân töû treân quyõ ñaïo cuûa chuùng vôùi söï haáp daån ñieän tónh töø haït nhaân. Söï phaân boá naêng löôïng ñieän tích aâm theo möùc ñoä taêng daàn khi caøng tieán gaàn ñeán haït nhaân. 15 Trong hình treân laø bieåu thò naêm möùc naêng löôïng ñaàu tieân cho moät nguyeân töû Natri vôùi 11 ñieän töû vôùi caáu truùc quyõ ñaïo. Nhöõng ñieän töû trong 3 möùc daàu tieân, ôû gaàn haït nhaân, coù naêng löôïng tónh lôùn, laø keát quaû cuûa söï haáp daån ñieän tónh lôùn cuûa haït nhaân. §iÖn tö ®¬n trong møc thø t , ë c¸ch xa haït nhaân vaø vì theá coù ít naêng löôïng ñeå giöû chaët, coù naêng löôïng cao nhaát vaø deå daøng taùch ra khoûi nguyeân töû. Ñieän töû ñôn naøy trong möùc naêng löôïng cao ñöôïc xem nhö ñieän töû hoaù trò. Mét ®iÖn tö hãa trÞ cã thÓ dÔ dµng ®Ó l¹i nguyªn tö vµ trë thaønh ñieän tích töï do trong maïng tinh theå. Caùc nguyeân töû coù caùc ñieän tích aâm thoaùt ra khoûi nguyeân töû aáy ñöôïc goïi laø loå troáng döông. Coù theå cho raèng moät ñieän töû ôû möùc naêng löôïng thaáp chuyeån leân möùc naêng löôïng cao hôn nhöng quaù trình naøy yeâu caàu söï haáp thu naêng löôïng baèng ñieän töû töông ñöông ñeå coù söï khaùc nhau giöõa 2 möùc naêng löôïng. Söï haáp thuï naêng löông naøy ñöôïc laáy töø söï kích thích nhieät. ÖÙng duïng naêng löôïng nhieät coù theå kích thích nhöõng ñieän töû trong baêng hoaù trò nhaûy tôùi baêng ngoaøi keá tieáp, loã troáng döông seõ trôû thaønh ñieän töû daãûn ñieän trong quaù trình truyeàn ñieän. 16 3.3. Caùch ño hieäu ñieän theá Khoâng theå ño tröïc tieáp hieäu ñieän theá Seebeck bôûi vì khi noái volt keá vôùi thermocouple thì voâ tình chuùng ta laïi taïo theâm moät maïch môùi. Ví duï nhö ta noái thermocouple loaïi T (ñoàngconstantan). Cu Cu + v3 J3 Cu J3 Cu Cu + v J2 Volt keá J1 Cu +v 2 Constantan J1 Constantan- - Cu Cu + v1 + v1 + v1 J1 +v 2 Constantan J2 J2 Khi ñoù , ta coù maïch töông ñöông nhö sau : Caùi maø chuùng ta muoán ño laø hieäu ñieän theá v 1 nhöng khi noái volt keá vaøo thermocouple thì chuùng ta laïi taïo ra hai moái noái kim loaïi nöõa : J 2 vaø J3. Do J3 laø moái noái cuûa ñoàng vôùi ñoàng neân khoâng phaùt sinh ra hieäu ñieän theá, coøn J2 laø moái noái giöõa ñoàng vôùi constantan neân taïo ra hieäu ñieän theá v2. Vì vaäy keát quaû ño ñöôïc laø hieäu cuûa v 1 vaø v2. Ñieàu naøy noùi leân raèng chuùng ta khoâng theå bieát nhieät ñoä taïi J 1 neáu chuùng ta khoâng bieát nhieät ñoä taïi J2, töùc laø ñeå bieát ñöôïc nhieät ñoä taïi ñaàu ño thì chuùng ta cuõng caàn phaûi bieát nhieät ñoä moâi tröôøng nöõa. Moät trong nhöõng caùch ñeå xaùc ñònh nhieät ñoä taïi J 2 laø ta taïo ra moät moái noái vaät lyù roài nhuùng noù vaøo nöôùc ñaù, töùc laø eùp nhieät ñoä cuûa noù veà + v Cu - Cu Volt keá Cu + v1 +v 2 Constantan Cu J2 J1 + v - Cu + v1 +v 2 Constantan T J1 J2 T = 0°C 0°C vaø thieát laäp taïi J2 nhö laø moät moái noái tham chieáu. 17 Luùc naøy caû hai moái noái taïi volt keá ñeàu laø ñoàng – ñoàng neân khoâng xuaát hieän hieäu ñieän theá Seebeck. Soá ñoïc v treân volt keá laø hieäu cuûa v 1 vaø v2 : v = (v1 – v2) ≈ α (tJ1 – tJ2) neáu ta duøng kyù hieäu TJ1 ñeå chæ nhieät ñoä theo ñoä Celsius thì : TJ1 (°C) + 273,15 = tJ1 do ñoù v trôû thaønh : v = v1 – v2 = α [(TJ1 + 273,15) – (TJ2 + 273,15)] = α (TJ1 – TJ2) = α (TJ1 – 0) ⇒ v = αTJ1 Baèng caùch theâm hieäu ñieän theá cuûa moái noái taïi 0°C, giaù trò hieäu ñieän theá ñoïc ñöôïc luùc naøy laø so vôùi moác 0°C. Phöông phaùp naøy raát chính xaùc neân ñieåm 0°C ñöôïc xem nhö ñieåm tham chieáu chuaån trong raát nhieàu baûng tra giaù trò ñieän aùp ra cuûa thermocouple. Ví duï xeùt treân laø moät tröôøng hôïp ñaëc bieät, khi maø moät daây kim loaïi cuûa thermocouple truøng vôùi kim loaïi laøm neân volt keá (ñoàng). Nhöng neáu ta duøng loaïi thermocouple khaùc khoâng coù ñoàng (nhö loaïi J : saét – constantan) thì sao? Ñôn giaûn laø chuùng ta theâm moät daây kim loaïi baèng saét nöõa thì khi ñoù caû hai ñaàu volt keá ñeàu laø ñoàng – saét neân hieäu J3 + v Cu Fe - Cu Volt keá Fe J4 + v1 J1 +v 2 Constantan J2 ñieän theá sinh ra trieät tieâu laãn nhau. Neáu hai ñaàu noái cuûa volt keá khoâng cuøng nhieät ñoä thì hai hieäu ñieän theá sinh ra khoâng trieät tieâu laãn nhau, vaø do ñoù xuaát hieän sai leäch. Trong caùc pheùp ño löôøng caàn chính xaùc, ngöôøi ta gaén chuùng treân moät khoái ñaúng nhieät. Khoái naøy caùch ñieän nhöng daãn nhieät raát toát neân xem nhö J3 vaø J4 coù cuøng nhieät ñoä (baèng bao nhieâu thì khoâng quan troïng bôûi 18 vì hai hieäu ñieän theá sinh ra luoân ñoái nhau neân luoân trieät tieâu nhau khoâng phuï thuoäc giaù trò cuûa nhieät ñoä). 3.4 Buø nhieät cuûa moâi tröôøng Nhö treân ñaõ phaân tích, khi duøng thermocouple thì giaù trò hieäu ñieän theá thu ñöôïc bò aûnh höôûng bôûi hai loaïi nhieät ñoä : nhieät ñoä caàn ño vaø nhieät ñoä tham chieáu. Caùch gaùn 0°C cho nhieät ñoä tham chieáu thöôøng chæ laøm trong thí nghieäm ñeå ruùt ra caùc giaù trò cuûa thermocouple vaø ñöa vaøo baûng tra. Thöïc teá söû duïng thì nhieät ñoä tham chieáu thöôøng laø nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng taïi nôi maïch hoaït ñoäng neân khoâng theå bieát nhieät ñoä naøy laø bao nhieâu vaø do ñoù vaán ñeà buø tröø nhieät ñoä ñöôïc ñaët ra ñeå sao cho ta thu ñöôïc hieäu ñieän theá chæ phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä caàn ño maø thoâi. Buø tröø nhieät ñoä khoâng coù nghóa laø ta öôùc löôïng tröôùc nhieät ñoä moâi tröôøng roài khi ñoïc giaù trò hieäu ñieän theá thì tröø ñi giaù trò maø ta ñaõ öôùc löôïng. Caùch laøm naøy hoaøn toaøn khoâng thu ñöôïc keát quaû gì bôûi hai lyù do : • Nhieät ñoä moâi tröôøng khoâng phaûi laø ñaïi löôïng coá ñònh maø thay ñoåi theo thôøi gian theo moät qui luaät khoâng bieát tröôùc. • Nhieät ñoä moâi tröôøng taïi nhöõng nôi khaùc nhau coù giaù trò khaùc nhau. Buø nhieät moâi tröôøng laø moät vaán ñeà thöïc teá vaø phaûi xeùt ñeán moät caùch nghieâm tuùc. Coù nhieàu caùch khaùc nhau, veà phaàn cöùng laãn phaàn meàm, nhöng nhìn chung ñeàu phaûi coù moät thaønh phaàn cho pheùp xaùc ñònh nhieät ñoä moâi tröôøng roài töø ñoù taïo ra moät giaù trò ñeå buø laïi giaù trò taïo ra bôûi thermocouple. 3.5 Caùc loaïi thermocouple Veà nguyeân taéc thì ngöôøi ta hoaøn toaøn coù theå taïo ra moät thermocouple cho giaù trò ra baát kyø bôûi vì coù raát nhieàu toå hôïp cuûa hai trong soá caùc kim loaïi vaø hôïp kim hieän coù. Tuy nhieân ñeå coù moät thermocouple duøng ñöôïc cho ño löôøng thì ngöôøi ta phaûi xeùt ñeán caùc vaán ñeà nhö : ñoä tuyeán tính, taàm ño, ñoä nhaïy, … vaø do ñoù chæ coù moät soá loaïi duøng trong thöïc teá nhö sau : Loaïi J : keát hôïp giöõa saét vôùi constantan, trong ñoù saét laø cöïc döông vaø constantan laø cöïc aâm. Heä soá Seebeck laø 51µV/°C ôû 20°C. 19 Loaïi T : keát hôïp giöõa ñoàng vôùi constantan, trong ñoù ñoàng laø cöïc döông vaø constantan laø cöïc aâm. Heä soá Seebeck laø 40µV/°C ôû 20°C. Loaïi K : keát hôïp giöõa chromel vôùi alumel, trong ñoù chromel laø cöïc döông vaø alumel laø cöïc aâm. Heä soá Seebeck laø 40µV/°C ôû 20°C. Loaïi E : keát hôïp giöõa chromel vôùi constantan, trong ñoù chromel laø cöïc döông vaø constantan laø cöïc aâm. Heä soá Seebeck laø 62µV/°C ôû 20°C. Loaïi S, R, B : duøng hôïp kim giöõa platinum vaø rhodium, coù 3 loaïi : S) cöïc döông duøng daây 90% platinum vaø 10% rhodium, cöïc aâm laø daây thuaàn platinum. R) cöïc döông duøng daây 87% platinum vaø 13% rhodium, cöïc aâm duøng daây thuaàn platinum. B) cöïc döông duøng daây 70% platinum vaø 30% rhodium, cöïc aâm duøng daây 94% platinum vaø 6% rhodium. Heä soá Seebeck laø 7µV/°C ôû 20°C. 3.6 Moät soá nhieät ñoä chuaån Sau khi ñaõ thieát keá maïch xong thì ngöôøi ta caàn moät soá nhieät ñoä chuaån duøng cho caân chænh. Baûng sau ñaây ñöa ra moät soá loaïi nhieät ñoä chuaån : Loaïi Ñieåm soâi cuûa oxygen Ñieåm thaêng hoa cuûa CO2 Ñieåm ñoâng ñaù Ñieåm tan cuûa nöôùc Ñieåm soâi cuûa nöôùc Ñieåm tan cuûa axit benzoic Ñieåm soâi cuûa naphthalene Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa thieác Ñieåm soâi cuûa benzophenone Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa cadmium Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa chì Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa keõm Ñieåm soâi cuûa sulfur Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa antimony Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa nhoâm Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa baïc Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa vaøng Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa ñoàng Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa palladium Ñieåm ñoâng ñaëc cuûa platinum Nhieät ñoä -183,0 °C - 78,5 °C 0 °C 0,01°C 100,0 °C 122,4 °C 218 °C 231,9 °C 305,9 °C 321,1 °C 327,5 °C 419,6 °C 444,7 °C 630,7 °C 660,4 °C 961,9 °C 1064,4 °C 1084,5 °C 1554 °C 1772 °C -297,3°F -109,2°F 32 °F 32 °F 212 °F 252,3°F 424,4°F 449,4°F 582,6°F 610 °F 621,5°F 787,2°F 832,4°F 1167,3°F 1220,7°F 1763,5°F 1948 °F 1984,1°F 2829 °F 3222 °F 20