- Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 i MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU. - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN XUẤT CHUẨN NHIỆT ĐỘ. - 2 1.1 Thang nhiệt độ quốc tế ITS – 90. - 2 1.2 Hệ thống dẫn xuất nhiệt độ với cặp nhiệt điện. - LÒ TÁI TẠO ĐIỂM CHUẨN NHIỆT ĐỘ ĐỒNG. - 20 2.1 Cấu tạo lò tái tạo điểm chuẩn đồng. - 20 2.2 Các phương trình cân bằng nhiệt trong lò tái tạo. - HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ TÁI TẠO. - 34 ĐIỂM CHUẨN NHIỆT ĐỘ ĐỒNG. - 34 3.1 Bộ điều khiển nhiệt độ lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng. - 36 3.2 Tính toán thông số bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng. - 67 4.3 Kết quả đưa lò tái tạo vào hiệu chuẩn cặp nhiệt điện. - 75 Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các điểm chuẩn nhiệt độ của ITS-90. - 71 Bảng 4.5 Kết quả hiệu chuẩn cặp nhiệt điện tại điểm chuẩn nhiệt độ đồng. - 72 Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Điểm trạng thái ba pha của nước tinh khiết. - 4 Hình 1.3 Mạch cặp nhiệt điện. - 9 Hình 1.4 Trường nhiệt độ trên mạch cặp nhiệt điện. - 10 Hình 1.5: Hệ số Seebeck của một số loại cặp nhiệt điện. - 11 Hình 1.6 Cấu trúc của cặp nhiệt điện. - 12 Hình 1.8 Đặc tính quan hệ mV - oC của một số cặp nhiệt điện hay dùng. - 13 Hình 1.9 Hệ thống các điểm chuẩn nhiệt độ tại VMI. - 17 Hình 2.1 Búp lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng. - 20 Hình 2.2 vỏ bảo vệ bên ngoài lò tái tạo điểm chuẩn đồng. - 21 Hình 2.3 Mặt cắt ngang lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng. - 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động 1 vòng. - 34 Hình 3.2 Sơ đồ mạch kín bộ điều khiển lò tái tạo. - 36 Hình 3.3 Đặc tính quá độ của lò tái tạo với bộ điều khiển PID của Hãng sản xuất. - 39 Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống lò tái tạo xác định thông số theo phương pháp Ziegler-Nicholes 2. - 40 Hình 3.7: Đặc tính ra của hệ thống với bộ điều khiển mới theo Ziegler - Nicholes. - 41 Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 iv Hình 3.8- Đánh giá dự trữ ổn định theo các điểm cắt giữa đặc tính mềm và parabol. - 45 Hình 3.9- Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển. - 46 Hình 3.10. - 58 Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển. - 60 Hình 3.16 Đặc tính thời gian của lò tái tạo điểm chuẩn đồng. - 61 Hình 4.1 Sai lệch nhiệt độ theo chiều sâu nhúng bình điểm đồng VMI. - 65 Hình 4.2 Sai lệch nhiệt độ theo chiều sâu nhúng bình điểm đồng Fluke. - 66 Hình 4.3 Độ ổn định của lò tái tạo tại nhiệt độ t = 1080 oC. - 67 Hình 4.4: Tái tạo quá trình nóng chảy bình Cu lần 1. - 68 Hình 4.5: Tái tạo quá trình nóng chảy bình Cu lần 2. - 69 Hình 4.6: Tái tạo quá trình nóng chảy bình Cu lần 3. - 69 Hình 4.7: Tái tạo quá trình đông đặc bình Cu VMI lần 1. - 70 Hình 4.8: Tái tạo quá trình đông đặc bình Cu VMI lần 2. - 70 Hình 4.9: Tái tạo quá trình đông đặc bình Cu VMI lần 3. - 70 Hình 4.10 Tái tạo trạng thái đông đặc của điểm chuẩn nhiệt độ đồng. - 71 Hình 4.11 Hiệu chuẩn cặp nhiệt điện tại điểm chuẩn nhiệt độ đồng. - 72 Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 1 LỜI NÓI ĐẦU Dẫn xuất chuẩn nhiệt độ là một việc làm vô cùng quan trọng trong công tác đảm bảo đo lường. - Ở Việt Nam hiện nay, các cặp nhiệt điện chuẩn chỉ được dẫn xuất cao nhất đến điểm chuẩn nhiệt độ bạc (961,78 oC) mà chưa được dẫn xuất chuẩn đến điểm chuẩn nhiệt độ đồng (1084,62 oC), trong dải đo chính đến 1100 oC và phải sử dụng phương trình ngoại suy để tính toán quan hệ nhiệt độ - sức nhiệt điện động (t oC – mV), gây ra sai số lớn hoặc phải gửi đi nước ngoài gây tốn kém cả về mặt kinh tế và thời gian. - Trong đề tài khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị tái tạo, dẫn xuất điểm chuẩn nhiệt độ đồng” do Viện Đo lường Việt Nam chủ trì, cùng với việc thiết kế cấu trúc lò, bảo ôn lò thì bộ điều khiển cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng. - Bên cạnh đó, những thiết bị chuẩn đo lường nhiệt độ (thiết bị dùng để dẫn xuất đo lường) sau một khoảng thời gian dài sử dụng thường bị trôi, đặc tính thay đổi không còn đảm bảo độ chính xác và ổn định của thiết bị. - Với mục tiêu là tối ưu hoá cho bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng, tác giả chọn đề tài “Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ”. - Đề tài sẽ xác định lại các thông số của bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ theo 3 phương pháp: phương pháp tự tính toán của bộ điều khiển của nhà sản xuât (chế độ Auto-tune của bộ điều khiển). - Đảm bảo cho công tác tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ đồng và dẫn xuất chuẩn. - Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 2 CHƯƠNG 1. - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN XUẤT CHUẨN NHIỆT ĐỘ 1.1 Thang nhiệt độ quốc tế ITS Giới thiệu chung Thang nhiệt độ ITS - 90 Nhiệt độ là một đại lượng vật lý quan trọng, là một trong 7 đơn vị cơ bản của hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI), gồm m, kg, A, s, cd, mol và K. - Đơn vị nhiệt độ là Kelvin, ký hiệu là K hoặc Celsius, ký hiệu là oC, được định nghĩa như sau: Kelvin là đơn vị đo nhiệt độ (ký hiệu là K) và bằng 1/273,16 nhiệt độ nhiệt động lực tại điểm ba pha của nước tinh khiết (hình 1.1). - Hình 1.1 Điểm trạng thái ba pha của nước tinh khiết Thang Nhiệt độ quốc tế 1990 (ITS – 90) sử dụng cả hai đơn vị nhiệt độ Kelvin và Celsius, quan hệ giữa đơn vị K và oC được biểu thị bởi công thức: t90 (oC. - Chuẩn quốc tế của đơn vị nhiệt độ chính là Thang nhiệt độ quốc tế (ITS - 90) hiện nay đang được quốc tế sử dụng rộng rãi, Thang nhiệt độ bao gồm 17 điểm chuẩn Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 3 nhiệt độ (bảng 1.1) (là các điểm nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ đông đặc hoặc các điểm nhiệt độ ở trạng thái ba pha (rắn - lỏng - khí) của một số chất tinh khiết khác nhau được quốc tế thống nhất), từ điểm áp suất hơi của heli, gần độ 0 tuyệt đối (độ 0 tuyệt đối: 0 K hoặc bằng -273,15 oC) cho đến điểm đông đặc của đồng tinh khiết (có giá trị là 1357,77 K , hoặc là 1084,62 oC) và ngoại suy ra dải nhiệt độ cao hơn trong vùng bức xạ của ánh sáng đơn sắc. - TT Nhiệt độ Chất Trạng thái Wr (T90) T90/K t90/oC đến . - He e-H2 e-H2/He e-H2/He Ne O2 Ar Hg TPW Ga In Sn Zn Al Ag V T V / G V / G T T T T T M F F F F F Bảng 1.1: Các điểm chuẩn nhiệt độ của ITS-90 Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB Au Cu F F Ghi chú: Các ký hiệu có ý nghĩa như sau: V: điểm áp suất hoá hơi T: điểm ba (nhiệt độ tại các pha rắn, lỏng, hơi cân bằng) M, F: điểm nóng chảy và điểm đông đặc (nhiệt độ các pha rắn, lỏng cân bằng ở áp suất 101 525 Pa). - Hình 1.2 Trạng thái nóng chảy và đông đặc của Thiếc tinh khiết 1.1.2 Nguyên tắc xây dựng thang ITS-90 Thang ITS-90 mở rộng từ 0,65 K đến nhiệt độ cao nhất có thể đo được trong thực tế bằng định luật bức xạ Planck dùng cho bức xạ đơn sắc. - Thang ITS-90 bao gồm một số dải chính và các dải phụ, thông qua các dải đó nhiệt độ T90 sẽ được xác định. - Các dải chính hoặc dải phụ sẽ phủ nhau và ở những miền phủ nhau đó tồn tại những cách xác định khác nhau cho T90, những cách xác định khác nhau này là hoàn Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 5 toàn tương đương. - Tuy nhiên với các phép đo độ chính xác rất cao, có thể xuất hiện những sai khác về số giữa các phép đo tiến hành tại cùng một điểm nhiệt độ nhưng theo những cách xác định khác nhau. - Cũng tương tự như ngay cả khi chỉ sử dụng một cách xác định thì hai dụng cụ nội suy thích hợp cũng có thể cho các trị số khác nhau của nhiệt độ nằm giữa các điểm chuẩn nhiệt độ. - Trên thực tế các sai khác này là không đáng kể và được chấp nhận phù hợp với thang nhiệt độ. - Thang ITS-90 được xây dựng theo cách để mỗi dải của nó, với bất kỳ nhiệt độ đã cho nào, trị số của T90 đều rất gần với trị số của nhiệt độ nhiệt động T theo các ước lượng tốt nhất ở thời điểm thang ITS-90 được công nhận. - Một trong những nguyên tắc chủ đạo khi xây dựng thang ITS-90 là có nhiều cách lựa chọn khi thể hiện thang tùy theo dải nhiệt độ sử dụng, độ chính xác và khả năng tái tạo. - Mở rộng tới nhiệt độ thấp hơn (0,65 K thay vì 13,8 K của IPTS-68. - Gần với nhiệt độ nhiệt động hơn. - Dải nhiệt độ xây dựng dựa trên định luật bức xạ Planck được mở rộng xuống điểm bạc (961,78 C) thay vì điểm vàng (+1084,18C), đồng thời cũng quy định có thể chọn một trong ba điểm bạc, đồng hoặc vàng làm điểm chuẩn nhiệt độ cho dải nhiệt độ này của thang. - Trong khoảng từ 0,65 K đến 5,0 K nhiệt độ T90 được xác định bằng mối tương quan nhiệt độ và áp suất hơi của khí 3He và 4He theo phương trình có dạng sau: Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 6. - Trong khoảng từ 3,0 K đến 24,5561 K (điểm ba của Neon) nhiệt độ T90 được xác định bằng nhiệt kế khí 3He và 4He đã được hiệu chuẩn tại ba điểm chuẩn nhiệt độ. - Đó là điểm ba của Neon (24,5561 K), điểm ba của hydro (13,8033 K) và một điểm nhiệt độ nằm trong khoảng từ 3,0 K đến 5 K được xác định bằng nhiệt kế áp suất hơi 3He và 4He. - Dải nhiệt độ này được phân thành các dải nhỏ, trong đó mỗi dải có hàm chuẩn và hàm sai lệch riêng cũng như có PRT với cấu trúc riêng phù hợp. - Nhiệt độ được xác định theo tỷ số điện trở R(T90) ở nhiệt độ T90 và điện trở R(273,16 K) ở điểm ba của nước: W(T90. - iiriTWBBKT Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 7 Giá trị các hằng số A0, Ai và B0, Bi đã được quy định. - Nhiệt kế có thể được hiệu chuẩn để sử dụng trong toàn dải này, hoặc trong các dải nhỏ hơn (dải phụ) có giới hạn nhiệt độ dưới là 24,5561 K. - 83,8058 K và giới hạn nhiệt độ trên đều là 273,16 K. - Nhiệt kế có thể được hiệu chuẩn để sử dụng trong toàn dải này, hoặc trong các dải nhỏ hơn (dải phụ) có giới hạn nhiệt độ trên là 961,78 C. - 29,7646 C và giới hạn nhiệt độ dưới đều là 0 C. - Khoảng nhiệt độ trên 961,78 C (điểm đông đặc của bạc, đồng hoặc vàng) nhiệt độ T90 được xác định theo định luật bức xạ Planck với một điểm chuẩn nhiệt độ (bạc, đồng hoặc vàng) và bằng phương trình sau. - T90(X) là một trong ba điểm chuẩn nhiệt độ là điểm đông đặc của bạc, vàng hoặc đồng. - Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB Hệ thống dẫn xuất nhiệt độ với cặp nhiệt điện 1.2.1 Cặp nhiệt điện – các định luật cơ bản Cặp nhiệt điện là một trong những dụng cụ đo thông dụng trong lĩnh vực nhiệt độ, do có kết cấu đơn giản, dễ sử dụng, tin cậy và có nhiều chủng loại đáp ứng dải đo rộng từ -200 oC đến khoảng 2500 oC. - một số dùng làm phương tiện đo chuẩn nhiệt độ trong sao truyền dẫn xuất chuẩn thang nhiệt độ ITS – 90, như các loại TC S, TC R, TC Au/Pt. - Hiệu ứng nhiệt điện: Hai dây dẫn kim loại làm từ các vật liệu khác nhau A và B đem hàn với nhau, hai đầu nối được đặt ở nhiệt độ khác nhau thì trong mạch kín này xuất hiện một dòng điện. - Nguyên lý hiệu ứng Seebeck như sau: Khi đầu tự do đặt trong môi trường đẳng nhiệt và đầu đo đặt ở môi trường nhiệt độ khác, thì điện áp đo được trên đầu tự do khi hở mạch được gọi là điện áp Seebeck hay hệ số Seebeck, ký hiệu là S. - Điện áp Seebeck chỉ xảy ra trong mạch gồm hai dây dẫn khác nhau và nó xuất hiện tại mọi điểm dọc theo dây dẫn đặt trong trường nhiệt độ. - Độ lớn của hệ số Seebeck S phụ thuộc vào cấu tạo của kim loại và hợp kim làm cặp nhiệt điện và trường nhiệt độ dọc theo dây dẫn. - Xét một chiều dài nhỏ của dây dẫn, kí hiệu là dx, điện áp Seebeck dE tăng tỉ lệ với hệ số Seebeck S(t) của dây dẫn và sự tăng nhiệt độ dt dọc theo chiều dài dây và có quan hệ : dE = S(t).dt (1.10) Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 9 Hình 1.3 Mạch cặp nhiệt điện Khi dt là một trường nhiệt độ, thì (1.10) sẽ được viết như sau: dE = S(t,x) (dt/dx) dx (1.11) Trong đó: dt/dx là trường nhiệt độ dọc theo đoạn dây dx, dx là chiều dài nhỏ dọc theo dây dẫn. - Hai nguyên lý nhiệt điện cơ bản dưới đây của cặp nhiệt điện giải thích về sự phụ thuộc của điện áp và hệ số Seebeck vào độ đồng nhất và trường nhiệt độ: Nguyên lý 1. - S(t) thì điện áp Seebeck chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ điểm cuối của dây dẫn . - Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 10 Hình 1.4 Trường nhiệt độ trên mạch cặp nhiệt điện Xét một mạch cặp nhiệt điện có dây bù như hình 1.4 Trong mạch này gồm có 3 thành phần dây dẫn: Cặp dây dẫn A, B và dây dẫn C nối dài đến thiết bị đo. - Điện áp sinh ra trong mạch bằng tổng ba phần, theo tính chất về nhiệt độ trung gian ta có: E = EA (tM. - EB (tR) (1.12) Trong đó EA, EB, EC là các điện áp của dây A, B, C tương ứng với nhiệt độ đầu đo tM và đầu tự do tR, hoặc viết theo cách khác : E = EAB (tM. - EAB (tR) (1.13) Điện áp ra của cặp dây (A, B) liên quan hệ số Seebeck SAB và nếu giữ tR = 0 oC thì công thức (1.13) có thể viết: E = EAB (tM) (1.14) Công thức (1.14) chính là phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện, thể hiện mối tương quan giữa điện áp phát sinh và môi trường nhiệt độ cần đo. - Hệ số Seebeck S phải được xác định (độ nhạy của cặp nhiệt điện), Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB Dụng cụ đo và dây dẫn nối dài phải được giữ trong điều kiện ở nhiệt độ không đổi (đẳng nhiệt. - cặp nhiệt điện loại K xấp xỉ 40 μV/oC. - Hình 1.5: Hệ số Seebeck của một số loại cặp nhiệt điện. - Trên hình 1.5 chỉ ra mối quan hệ giữa nhiệt độ và hệ số Seebeck của một số cặp nhiệt điện hay dùng. - Đề tài: Tối ưu hóa bộ điều khiển lò tái tạo điểm chuẩn nhiệt độ Học viên: Đỗ Văn Hồng MSHV: CB120472 12 Hình 1.6 Cấu trúc của cặp nhiệt điện Đầu hàn nối giữa hai dây của cặp nhiệt điện là nơi quan trọng nhất bởi nó là phần tử nhạy, được đặt trong môi trường cần đo
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt