Thiết kế hệ thống đo và kiểm tra môi trường không khí nhà máy nhiệt điện

Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Lời mở đầu ............................................................................................................ 2
Chơng 1: Giới thiệu hệ thống đo và kiểm tra môi trờng không khí trong
nhà máy nhiệt điện ............................................................................................... 4
1.1. ảnh hởng của ô nhiễm môi trờng không khí trong nhà máy điện ... 4
1.1.1 ảnh hởng của khí CO2 ..................................................................... 4
1.1.2. ảnh hởng của khí CO ...................................................................... 5
1.1.3. ảnh hởng của bụi ............................................................................. 6
1.1.4. ảnh hởng của độ ồn ......................................................................... 7
1.1.5. ảnh hởng của nhiệt độ..................................................................... 7
1.1.6. ảnh hởng của độ ẩm ........................................................................ 8
1.2. Vài nét về hệ thống đo và giám sát môi trờng. ..................................... 8
1.2.1. Quy trình sản xuất điện năng ở nhà máy nhiệt điện....................... 8
1.2.2. Cấu trúc hệ thống............................................................................. 10
1.2.3. Các đại lợng đo ............................................................................... 10
1.3. Các phơng pháp đo và chọn sensor ..................................................... 10
1.3.1. Phơng pháp đo nhiệt độ................................................................. 10
1.3.2. Phơng pháp đo độ ẩm .................................................................... 19
1.3.3. Các phơng pháp đo khí cacbonnic CO2 ...................................... 23
1.3.4. Các phơng pháp đo khí CO ............................................................ 29
1.3.5. Đo các phần tử lơ lửng trong không khí (bụi ) .............................. 36
Chơng 2 : Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu................................................ 40
2.1. Sơ đồ khối hệ thống đo và giám sát môi trờng ................................... 40
2.2. Tổng quan về PLC Step 7- 300 thuộc họ Simatic của hãng Simens ... 41
2.2.1. Tổng quan về PLC ........................................................................... 41
2.2.2. Bộ điều khiển PLC - S7-300 ............................................................ 48
2.3. Truyền thông PLC với máy tính PC.................................................... 68
2.4. Thiết bị thu thập dữ liệu từ các cảm biến ET200M ............................. 69

2.5. Cáp truyền thông..................................................................................... 70
2.6. Phần mềm Win CC giao diện cho hệ thống đo lờng giám sát........... 70
2.6. 1. Tổng quan về WinCC (Windows Control Center) ...................... 70
2.6.2. Xây dựng phần mềm. ....................................................................... 71
Chơng 3: Thiết kế phần mềm.......................................................................... 72
3.1.Cấu hình phần cứng ................................................................................. 72
3.2.Lập trình PLC .......................................................................................... 74
3.2.1. Bài toán ............................................................................................. 74
3.2.2. Giải quyết bài toán ........................................................................... 74
Chơng 4: Mô Phỏng và kết luận ..................................................................... 79
* Mô phỏng bài toán đo lờng và giám sát bằng phần mềm WinCC ....... 79
Kết luận ............................................................................................................... 83
Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 85

Hv: Phạm Thị Hoan

1

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Lời mở đầu
Ngành công nghiệp nớc ta ngày càng phát triển mạnh, nó dần đáp ứng nhu
cầu ngày càng cao của con ngời song cùng với sự phát triển đó thì môi trờng
sống của chúng ta cũng ngày càng bị ô nhiễm nặng nề và gây ảnh hởng trực tiếp
tới sức khoẻ con ngời cũng nh sản xuất và môi trờng khí quyển chính vì thế

mà hiện nay vấn đề đo, kiểm tra và đa ra cảnh báo về môi trờng l vấn đề bức
xúc đợc nh nớc ta v thế giới quan tâm sâu sắc. Hiện nay các nhà máy điện
chạy than, nhà máy xi măng, các nh máy hoá chất, nh máy sản xuất phân hóa
họcgây ô nhiễm môi trờng lớn thì thật sự là cần thiết phải có hệ thống tự động
đo, kiểm tra và cảnh báo về mức độ ô nhiễm của môi trờng nớc, tiếng ồn v
môi trờng khí thải của nhà máy xí nghiệp mình sản xuất nhằm bảo vệ sức khoẻ
làm việc của chính mình cũng nh đồng loại và thiết bị sản xuất.
Hiện nay với phát triển của công nghệ thông tin các thiết bị đo lờng và
quan trắc môi trờng phục vụ cho xí nghiệp công nghiệp, cho sản xuất, cho đời
sống ngày càng thông minh hơn. Sự phát triển của các thế hệ đo đi lên từ thế hệ
đo cơ khí, đo điện, đo điện tử vi mạch rời, đo sử dụng các vi xử lý cấp thấp đến
thế hệ các thiết bị đo, đầu đo thông minh có các vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng
với các thuật đo xử lý hiện đại, có khả năng tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc
độ cao. Các thiết bị hệ thống đo kiểm tra thông minh này bảo đảm kết quả đo
chính xác, khử đợc nhiễu và khả năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong
phú, có nhiều chức năng mà các thế hệ thiết bị trớc không tự động xử lý đợc.
Dựa trên cơ sở những tiến bộ khoa học hiện nay cũng nh quá trình học
tập của bản thân và đặc biệt đợc sự hớng dẫn chỉ bảo tận tình của PGS-TS
Phạm Thợng Hàn cùng các thầy cô trong bộ môn Đo lờng và điều khiển trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội cùng đội ngũ kỹ s nhà máy điện Phả Lại em đã
giúp em thực hiện nghiên cứu và thiết kế hệ thống đo và kiểm tra môi trờng
không khí làm việc tại hiện trờng nhà máy nhiệt điện Phả Lại nói riêng và các
nhà máy nhiệt điện chạy than nói chung. Nơi mà lợng khí thải gây ô nhiễm môi
trờng không khí đáng kể trong công nghiệp hiện nay với các thông số kiểm tra:
nhiệt độ, độ ẩm, khí thải CO, CO2, nồng độ bụi.
Hv: Phạm Thị Hoan

2

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn

Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn của em không tránh
khỏi thiếu sót. Em rất mong đợc sự đóng góp quý báu của các thầy cô bộ môn
và các bạn đồng nghiệp để em có thể nâng cao trình độ bản thân cũng nh có thể
đáp ứng yêu cầu thi công, lắp đặt đo và giám sát thực tế sau này của luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hv: Phạm Thị Hoan

3

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Chơng 1: Giới thiệu hệ thống đo và kiểm tra môi
trờng không khí trong nhà máy nhiệt điện
1.1. ảnh hởng của ô nhiễm môi trờng không khí trong nhà máy điện
1.1.1 ảnh hởng của khí CO2
- Với sức khoẻ con ngời: Khí ny không độc nhng khi nồng độ của khí này
lớn thì sẽ lm gim nồng độ O2 trong không khí, gây nên cảm giác mệt mỏi. Khi
nồng độ quá lớn có thể dẫn đến ngạt thở. Trong bảng 1.1 trình bày mức độ ảnh
hởng của nồng độ CO2 trong không khí.

Bảng 1.1: ảnh hởng của nồng độ khí CO2 trong không khí
Nồng độ CO2%

Mức độ ảnh hởng

thể tích
0,07

Chấp nhận đợc ngay cả khi có nhiều ngời trong phòng

0,10

Nồng độ cho phép trong trờng hợp thông thờng

0,15

Nồng độ cho phép khi dùng tính toán thông gió

0,20- 0,50

Tơng đối nguy hiểm

> 0,50

Nguy hiểm

4 ữ5

Hệ thần kinh bị kích thích gây thở sâu và nhịp thở gia tăng.
Nếu hít thở trong môi trờng ny kéo di thì có thể gây ra

nguy hiểm.

8

Nếu thở trong môi trờng này kéo dài 10 phút thì mặt đỏ
bừng và đau đầu

18

Hết sức nguy hiểm có thề dẫn tới tử vong.

Nh vậy theo bảng này khi nồng độ CO2 trong không khí chiếm 0,5% theo thể
tích là gây nguy hiểm cho con ngời. Nồng độ cho phép trong không khí là
0,15% theo thể tích.
- Với môi trờng khí quyển
Theo kt lun ca các nh nghiên cu thuc trng i hc Berne - Thy S
công b trên tp chí khoa hc Nature ngy 15.5 cho biết nồng độ khí CO2 trong
Hv: Phạm Thị Hoan

4

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

khí quyển hiện ở mức cao nhất trong 800.000 năm qua. Theo thống kê, nồng độ
CO2 đặc biệt tăng nhanh trong hơn hai thập kỷ qua. Từ năm 1970 đến năm 2000,

nồng độ CO2 tăng trung bình 1,5 ppm/năm và riêng trong năm 2007, nồng độ này
đã tăng 2,14 ppm.
Khi hàm lợng khí CO2 trong khí quyển tăng cao sẽ dẫn đến hiện tợng tăng
nhiệt độ của trái đất vì khí CO2 là một chất khí trong suốt với tia có bớc sóng
ngắn nhng nó lại hấp thụ rất mạnh những tia sáng có bớc sóng dài tia hồng
ngoại do đó nếu bầu không khí bị ô nhiễm thì năng lợng bức xạ mặt trời vẫn bức
xạ xuống bề mặt trái đất bình thờng không bị cản trở nhng ngợc lại năng
lợng bức xạ từ mặt đất lên bầu không khí dới dạng các tia hồng ngoại thì bị khí
CO2 ngăn cản hấp thụ rồi toả nhiệt vào bầu không khí do đó nhiệt độ khí quyển
tăng lên một cách nhanh chóng làm mất cân bằng giữa năng lợng thu và năng
lợng nhận và gọi là hiệu ứng nhà kính.
Chính vì vậy nếu nh chúng ta không ngăn chặn đợc hiện tợng hiệu ứng nhà
kính thì trong vòng 30 năm tới mặt nớc biển sẽ dâng lên từ 1,5 -3,5 m (Stepplan
Keckes). Có nhiều khả năng lợng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau.
Điều này sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng. Nhiệt
độ trung bình của Trái Đất sẽ tăng khoảng 3,60C (G.I.Plass), và mỗi thập kỷ sẽ
tăng 0,30C.
1.1.2. ảnh hởng của khí CO
Khí CO là khí không màu, không mùi vị sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu chứa
cacbon ở điều kiện thiếu không khí hoặc các điều kiện kỹ thuật không đợc
khống chế nh nhiệt độ cháy, thời gian lu của khí ở vùng nhiệt độ cao, chế độ
phân phối khí buồng đốt... Hiện nay theo cơ quan An toàn Sức khỏe trong công
nghiệp (OSHA) cũng nh các định mức độc tố của Bộ Y tế Hoa Kỳ, monoxid
carbon là một khí có ái lực (affinity) đối với hồng huyết cầu gấp 210 so với oxy.
Do đó, khi có sự hiện diện của CO trong máu, khả năng hấp thụ oxy của hồng
huyết cầu giảm nhanh và oxy không thể đợc dẫn truyền đi khắp nơi để nuôi cơ
thể. Nếu nồng độ của CO trong không khí đạt đến 400 phần triệu, ngời công
Hv: Phạm Thị Hoan

5

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

nhân hít phải không khí bị nhiễm độc nầy trong vòng một giờ đầu tiên thì cha bị
ảnh hởng, nhng trong giờ thứ hai trở đi, tình trạng ngất xỉu có thể xảy ra. Nghĩa
là trong giờ đầu tiên, con ngời cha bị ảnh hởng nhiều vì CO đang còn trong
giai đoạn kết hợp với hồng huyết cầu. Nhng sau đó, vì thiếu oxy cho cơ thể cho
nên ngời công nhân sẽ thở mạnh, ngắn, hơi thở đứt quãng khi lợng CO trong
máu lên đến 20 đến 30%. Từ 30 đến 50%, thần kinh sẽ bị giao động, chóng mặt,
thị giác không còn hoạt động đợc nữa và sẽ đa đến hôn mê. Nếu bị tiếp nhiễm
trên 50% CO, có thể bị tử vong sau đó.
Vậy trong không khí thì với nồng độ khoảng 0,01% (100 ppm) CO có thể
làm nhức đầu, với 0,1% (1000 ppm) có thể làm chết ngời trong vòng 3 phút.
1.1.3. ảnh hởng của bụi
Bụi là những hạt chất rắn nhỏ, thông thờng là những hạt có đờng
kính nhỏ hơn 75 àm, tự lắng xuống do trọng lợng của chúng nhng vẫn có thể lơ
lửng một thời gian. Kích thớc càng nhỏ thì càng có hại vì nó tồn tại trong không
khí lâu và khả năng thâm nhập vào cơ thể sâu hơn và rất khó khử bụi. Hạt bụi lớn
thì khả năng khử dễ dàng hơn nên ít ảnh hởng đến con ngời .
- Bụi gây ra những tác hại về mặt kỹ thuật nh:


Bám vào máy móc thiết bị làm cho máy móc thiết bị chóng mòn.

Bám vào các ổ trục làm tăng ma sát.

Bám vào các mạch động cơ điện gây hiện tợng đoãn mạch và có thể làm
cháy động cơ điện.
- Bụi chủ yếu gây tác hại lớn đối với sức khoẻ của ngời lao động.
Đối với da và niêm mạc: bụi bám vào da làm sng lỗ chân lông dẫn đến
bệnh viêm da, còn bám vào niêm mạc gây ra viêm niêm mạc.
Đối với mắt: bụi bám vào mắt gây ra các bệnh về mắt nh viêm màng tiếp
hợp, viêm giác mạc. Nếu bụi nhiễm siêu vi trùng mắt hột sẽ gây bệnh mắt
hột. Bụi kim loại có cạnh sắc nhọn khi bám vào mắt làm xây xát hoặc
thủng giác mạc, làm giảm thị lực của mắt. Nếu là bụi vôi khi bắn vào mắt
gây bỏng mắt.
Hv: Phạm Thị Hoan

6

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Đối với tai: bụi bám vào các ống tai gây viêm, nếu vào ống tai nhiều quá
làm tắc ống tai.
Đối với bộ máy tiêu hoá: bụi vào miệng gây viêm lợi và sâu răng. Các loại
bụi hạt to nếu sắc nhọn gây ra xây xát niêm mạc dạ dày, viêm loét hoặc
gây rối loạn tiêu hoá.
Đối với bộ máy hô hấp: vì bụi chứa trong không khí nên tác hại lên

đờng hô hấp là chủ yếu. Bụi trong không khí càng nhiều thì bụi vào trong
phổi càng nhiều. Bụi có thể gây ra viêm mũi, viêm khí phế quản, loại bụi
hạt rất bé từ 0.1-5mk vào đến tận phế nang gây ra bệnh bụi phổi.
Bảng 1.2: Nồng độ tối đa cho phép của bụi trong khí thải của nhà máy nhiệt điện
có đơn vị: Miligam trên mét khối khí thải chuẩn (mg/Nm3)
Thông số

Loại nhiên liệu sử dụng
Than

Dầu

Khí

200

150

500

Bụi

Phơng pháp xác định
TCVN 5977:1995

1.1.4. ảnh hởng của độ ồn
Ngời ta phát hiện ra rằng khi con ngời làm việc lâu dài trong khu vực có
độ ồn cao thì lâu ngày cơ thể sẽ suy sụp, có thể gây một số bệnh nh : Stress,
bồn chồn và gây các rối loạn gián tiếp khác. Độ ồn tác động nhiều đến hệ thần
kinh. Mặt khác khi độ ồn lớn có thể làm ảnh hởng đến mức độ tập trung vào

công việc hoặc đơn giản hơn là gây sự khó chịu cho con ngời.
1.1.5. ảnh hởng của nhiệt độ.
Nhiệt độ là yếu tố gây cảm giác nóng lạnh đối với con ngời. Cơ thể con
ngời duy trì nhiệt độ trung bình 37 độ C bằng cách thoát lợng nhiệt d thừa
qua da. Khi nhiệt độ môi trờng nhỏ hơn thân nhiệt, cơ thể truyền nhiệt cho
môi trờng cơ thể mất nhiều nhiệt nên có cảm giác lạnh, khi nhiệt độ môi
trờng lớn hơn thân nhiệt thì cơ thể nhận nhiệt từ môi trờng khả năng thải
nhiệt ra môi trờng giảm nên có cảm giác nóng và dẫn tới hiện tợng căng

Hv: Phạm Thị Hoan

7

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

thẳng do nhiệt độ (heat stress). Nhiệt độ thích hợp nhất đối với con ngời nằm
o

trong khoảng 22-27 C
1.1.6. ảnh hởng của độ ẩm
Độ ẩm là một thông số quan trọng tác động trực tiếp đến con ngời đến
thiết bị máy móc và các quá trình lý hoá.
Độ ẩm tơng đối thay đổi trong một dải rộng 30%ữ 70% và có ảnh hởng quyết
định tới khả năng thoát mồ hôi vào trong môi trờng không khí xung quanh. Quá
trình này chỉ có thể tiến hành khi < 100%. Độ ẩm càng thấp thì khả năng thoát

mồ hôi càng cao, cơ thể cảm thấy dễ chịu. Độ ẩm quá cao, hay quá thấp đều
không tốt đối với con ngời.
- Độ ẩm cao : Khi độ ẩm tăng lên khả năng thoát mồ hôi kém, cơ thể cảm thấy rất
nặng nề, mệt mỏi và dễ gây cảm cúm. Ngời ta nhận thấy ở một nhiệt độ và tốc
độ gió không đổi khi độ ẩm lớn khả năng bốc mồ hôi chậm hoặc không thể bay
hơi đợc, điều đó làm cho bề mặt da có lớp mồ hôi nhớp nháp.
- Độ ẩm thấp : Khi độ ẩm thấp mồi hôi sẽ bay hơi nhanh làm da khô, gây nứt nẻ
chân tay, môi ...vv.
Nh vậy độ ẩm quá thấp hay quá cao đều không tốt cho cơ thể do đó độ ẩm
thích hợp đối với cơ thể con ngời nằm trong khoảng tơng đối rộng = 50 ữ
70%.
1.2. Vài nét về hệ thống đo và giám sát môi trờng.
1.2.1. Quy trình sản xuất điện năng ở nhà máy nhiệt điện.
Nh chúng ta đã biết với các nhà máy nhiệt điện nguyên liệu chủ yếu để sản
xuất điện năng là than với quy trình công nghệ sản xuất điện đợc khái quát nh
sau:
- Than có thể đợc đa về từ đờng sông và đờng sắt, đợc cho vào kho
than nguyên hoặc chuyển thẳng lên hệ thống nghiền than bằng hệ thống băng tải.
- Than bột đợc phun vào lò hơi bằng các ống phun. Trong lò hơi, than
đợc đốt cháy làm nớc bốc hơi và nóng nhiệt độ hơi nớc lên nhiệt độ quy định
Hv: Phạm Thị Hoan

8

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

(hơi quá nhiệt), từ đó hơi quá nhiệt đợc đa sang làm quay tuabin và tuabin kéo
máy phát điện quay và phát ra điện.
Điện năng
Nớc

Hơi

Cơ năng

Máy phát

Hơi
ngng tụ

Hình 1.1 : Sơ đồ quá trình sản xuất điện năng

- Nớc bơm từ trạm bơm tuần hoàn, một phần cung cấp cho hệ thống xử lý
nớc và hệ thống điện phân, nớc còn lại sau khi làm mát bình ngng đợc đa
ra sông bằng kênh thải.
Do đó từ thực tế sản xuất nhà máy cho thấy một số khu vực sản xuất luôn gặp
phải sự ô nhiễm môi trờng khí nh độ ẩm, nhiệt độ, khí CO, khí CO2, nồng độ
bụi gây ảnh hởng trực tiếp đến sức khoẻ làm việc của ngời công nhân cũng nh
thiết bị máy móc nh đã nêu ở mục 1.1. Trong đó các khu vực: Khu vực nhiên
liệu, khu vực lò máy, khu vực máy phát là những khu vực có nồng độ ô nhiễm
cao. Đứng trớc thực trạng đó cần phải có hệ thống đo và kiểm tra và đa ra cảnh
báo cho từng khu vực làm việc và phải đáp ứng đợc các yêu cầu:
Các cảm biến có thể đo và kiểm tra đợc các thông số nh : nhiệt độ độ
ẩm, khí CO, khí CO2, nồng độ bụi của môi trờng và phải có khả năng lấy mẫu
liên tục để đảm bảo sao cho thông tin nhận đợc phản ánh đầy đủ các biến

động của môi trờng.
Có khả năng phát ra các tín hiệu cảnh báo khi có thông số môi trờng đo
đợc vợt quá tiêu chuẩn cho phép.
Hệ thống có khả năng truyền số liệu về trung tâm để theo dõi, quản lý.
Giao diện đợc thiết kế trên máy tính giúp cho ngời quan sát có thể theo
dõi đợc sự thay đổi của môi trờng thông qua số liệu hiển thị .

Hv: Phạm Thị Hoan

9

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

1.2.2. Cấu trúc hệ thống
Hệ thống xây dựng trên cơ sở của một hệ thống đo lờng từ xa bao gồm:
Cảm biến đo lờng đã đợc chuyển đổi chuẩn hoá
Thiết bị thu thập số liệu cho từng trạm ứng với từng khu vực đợc mã hoá
xử lý và truyền đi xa
Phần mềm giao diện nhận tín hiệu truyền về qua xử lý tính toán để hiển
thị
1.2.3. Các đại lợng đo

Nhiệt độ, độ ẩm môi trờng không khí tại khu vực lò máy và khu vực
máy phát

Khí CO tại khu vực máy phát
Khí CO2 tại khu vực lò máy
Nồng độ bụi tại khu vực nhiên liệu
1.3. Các phơng pháp đo và chọn sensor
1.3.1. Phơng pháp đo nhiệt độ
Thông thờng nhiệt độ đo đợc chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ
trung bình và cao.
ở nhiệt độ trung bình và thấp: Phơng pháp thờng đo là phơng pháp tiếp xúc
nghĩa là các chuyển đổi đợc đặt trực tiếp ở ngay môi trờng cần đo.
Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phơng pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài
môi trờng đo.
Do nhiệt độ cần đo của đề tài là nhiệt

t0

t0

độ môi trờng không khí trong các nhà
máy điện nên phơng pháp đo nhiệt độ
đợc sử dụng sẽ l các phơng pháp tip
xúc. Có hai loi nhit kế tiếp xúc gồm:

t1
Hình 1.2: Sơ đồ nhiệt kế nhiệt ngẫu

- Nhiệt kế nhiệt ngẫu
Hv: Phạm Thị Hoan

10

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

- Nhiệt kế điện trở
1. Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu
a. Nguyên lý làm việc
Đây là phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi và có cấu tạo nh hình vẽ gồm
hai thanh kim loại a và b đợc hàn với nhau tại một đầu gọi là đầu làm việc t1
hai đầu còn lại t0 là đầu tự do .
Nguyên lý của cặp nhiệt ngẫu dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng
Seebek đó là khi nhiệt độ ở đầu t1 khác với đầu t0 chúng tạo nên một sức điện
động :
Eab(t1 , t0) = Eab(t1) - Eab( t0)

(1.1)

Nếu giữ cho nhiệt độ t0 không thay đổi và t1 phụ thuộc vào môi trờng đo nhiệt
độ thì ta có :
Eab(t1 , t0) = Eab(t1) - C = f(t1)

(1.2)

Với C là hằng số.
Nh vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm đợc nhiệt độ t của đối tợng đo với t0
= const
b. Sai số phép đo

* Sai số do vật liệu chế tạo thanh kim loại
Sức điện động Eab phụ thuộc vào vật liệu chế tạo các thanh kim loại a và b
do đó các vật liệu này cần có sức điện động nhiệt điện lớn giữ đợc độ bền khi bị
đốt nóng ở nhiệt độ cao, điện dẫn lớn, hệ số nhiệt độ nhỏ, có tính chất nhiệt độ ổn
định .
* Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi
Bình thờng cặp nhiệt đợc khắc độ ở nhiệt độ chuẩn 00C. Khi sử dụng thì
đầu tự do đặt ở môi trờng tự do bên ngoài khác với nhiệt độ chuẩn do vậy gây
nên sai số trong quá trình đo. Để khắc phục sai số trên có thể thực hiện bằng một
số phơng pháp sau: Hiệu chỉnh hệ số K, dùng thiết bị hiệu chỉnh tự động (mạch
bù)
* Sai số do điện trở dây nối thay đổi
Đờng dây nối cặp nhịêt từ vị trí đo đến thiết bị đo lờng ở khoảng cách 5
ữ 10m. Các dây nối có điện trở Rd dòng điện I đi qua mạch điện
Hv: Phạm Thị Hoan

11

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

I=

Trong đó :

Et

2 Rd + RV + R AB + Rdc

(1.3)

E là sức điện động
RV là điện trở của thiết bị đo (mV)
RAB Điện trở cặp nhiệt
Rd điện trở dây nối

Điện áp rơi trên thiết bị đo
Uv =

Et
.Rv
2 Rd + Rv + R AB + Rdc

(1.4)

Mà RAB+2Rd không đợc thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Thông thờng RAB+2Rd
đợc quy chuẩn (5ữ10)
Để đạt độ chính xác cao trong quá trình đo Rv cần lớn hơn 40ữ 50 lần điện
trở RAB+2Rd
Ngoài các sai số còn có sai số do đặt vị trí không đúng, diện tích tiếp xúc
quá nhỏ ...
c. Một số cặp nhiệt ngẫu thờng gặp.
Bảng 1.3: Một số cặp nhiệt ngẫu thờng gặp để đo nhiệt độ
Cặp nhiệt
Đồng/Constantan

Dải nhiệt độ

Sức điện động

làm việc

(mV)
-6.25 ữ19

-270ữ370

=1.63 mm
Cromel/Alumel

-5.35 ữ 50.63

-270ữ1250

(00Cữ4000C)30C
(4000Cữ8000C)0.75%

-9.8 ữ66.4

-276ữ870

=3.25 mm
Platin-Rodi(10%)

(-400Cữ1000C)0.8%
(1000Cữ3500C)0.75%

=3.25 mm
Cromel/Constantan

Độ chính xác

(00Cữ4000C)30C
(4000Cữ8700C)0.75%

-0.23 ữ15.5

-50ữ1500

/Platin

(00Cữ6000C)2.5%
(6000Cữ15000C)0.4%

= 0.51 mm
Platin-Rodi/Platin

0 ữ12.42

0ữ1700

(8700Cữ17000C)0.5%

Rodi (30/6)

Hv: Phạm Thị Hoan

12

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Cặp nhiệt

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Dải nhiệt độ

Sức điện động

làm việc

(mV)

Độ chính xác

= 0.51 mm

2. Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer):
a. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý hoạt động của nhiệt điện trở dựa vào sự phụ thuộc điện trở
của vật dẫn hay bán dẫn vào nhiêt độ của nó theo công thức:
Rt= f ( R0 , t )

(1.5)

Trong đó :
R0 là điện trở ở 00C
Rt là điện trở ở t0C
Với yêu cầu vật liệu sử dụng làm nhiệt kế nhiệt điện trở phải có hệ số nhiệt điện
trở lớn ổn định và điện trở suất lớn.
Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể tạo thành từ dây platin, đồng, niken, bán
dẫn...quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu đợc nối ra
ngoài.
b. Đặc điểm
+ Nhiệt điện trở dây
Thông thờng đợc chế tạo từ đồng, platin và niken có đờng kính dây từ
(0.02ữ0.06) mm với chiều dài từ (5ữ20 )mm
*Nhiệt điện trở đồng
- Đờng kính dây 0,02 ữ 0,05 mm
- Dải nhiệt độ làm việc trong khoảng từ - 50ữ1800C
- Mối quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ của nhiệt kế
Rt= R0 (1 + .t )= R0 (1 + 4,3.10- 3 t )

(1.6)

Với : = 4,3.10-3- là hệ số nhiệt độ của nhiệt điện trở trong khoảng nhiệt độ từ
0ữ1000C
- Dải sai số của nhiệt điện trở đồng trong bảng 1.4 :
Bảng 1.4 : Dải sai số của nhiệt điện trở đồng trong bảng

Hv: Phạm Thị Hoan

13

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Vật

Điện

Sai số tơng

liệu

trở

đối R0/ R0

dây

R0()

Cấp I

Sai số tuyệt đối t, 0C

Cấp II

Cấp I

Cấp II

Cấp III

(0,33,5.10-2t)

(0,36.10-3t)

và III
Đồng

53ữ100

0,05

0,1

-

*Nhiệt điện trở bạch kim
- Đờng kính dây 0,05 ữ 0,1 mm thì nhiệt độ cực đại t = 7500C
- Đờng kính dây 0,5 mm thì nhiệt độ cực đại t = 11000C
- Mối quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ của nhiệt kế khi nhiệt độ thay đổi t
= ( 0 ữ 660 0C ) là
Rt= R0 (1 + 3,9.10-3 t -5,8.10-7 t2 )

(1.7)

- Mối quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ của nhiệt kế khi nhiệt độ thay đổi t

= (-190 ữ 0 0C ) là
Rt= R0 (1 + 3,9.10-3 t -5,8.10-7 t2-4.10-12 t3)

(1.8)

Nh vậy nhiệt điện trở này có :
Nhợc điểm : đặc tính phi tuyến không dùng đợc trong môi trờng ôxi hoá
khử
Ưu điểm : độ bền hoá học cao, tính dẻo lớn nên có thể chế tạo thành sợi rất
mỏng cỡ 1,25àm
-Dải nhiệt độ và sai số của nhiệt điện trở đồng trong bảng1.5
Bảng 1.5: Dải nhiệt độ và sai số của nhiệt điện trở bạch kim
Vật

Khoảng

Điện

Sai số tơng

liệu

nhiệt độ

trở

đối R0/ R0

dây

đo 0C

R0()

Cấp I

Cấp II

Sai số tuyệt đối t, 0C

Cấp I

Cấp II

(0,153.10-3t)

(0,34,5.10-3t)

(0,154,5.10-3t)

(0,33,5.10-3t)

và III
Platin

0 ữ 650
-190ữ0

10ữ46

0,05

0,1

100

+ Nhiệt kế điện trở bán dẫn
Hv: Phạm Thị Hoan

14

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

- Mối quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ của nhiệt kế là phi tuyến nên
khó khắc độ
Rt= A.eB/T

(1.9)

Trong đó:
A - hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán dẫn , kích thớc
B - hằng số phụ thuộc vào tính chất của bán dẫn ;
T - nhiệt độ của nhiệt tính theo đơn vị Kenvin.
Có 2 dạng nhiệt kế bán dẫn thờng chế tạo.
Nhiệt kế điện trở dạng thanh:

Dải nhiệt độ thay đổi

t = (-100 ữ 120 0C )

Nhiệt kế điện trở dạng hạt nhỏ:
Dải nhiệt độ thay đổi

t = (-60 ữ 120 0C )

-Ưu điểm : Độ nhạy cao, hệ số nhiệt điện trở âm có giá tri gấp 6 ữ10 lần hệ số
nhiệt điện trở của kim loại đợc chế tạo để đo nhiệt độ các đối tợng có kích
thớc nhỏ dải nhiệt độ thấp
- Nhợc điểm : Đặc tuyến là phi tuyến tính nên khó khắc độ, điện trở định mức và
đặc tuyến của các nhiệt kế bán dẫn là khác nhau nên không có khả năng thay thế
với các nhiệt kế điện trở sản xuất hàng loạt cùng chủng loại
c. Một số loại sensor
Bảng 1.6: Một số nhiệt điện trở dây
Loại

Khoảng nhiệt

Điện trở

Sai số tơng đối R0/ R0

độ đo 0C

R0()

Cấp I

Cấp II

Cấp III

TC-50

-190 ữ 650

50

0,05

0,1

-

PT-100

-190 ữ 650

100

0,05

0,1

-

TCM-50

-50ữ1800C

50

-

0,1

0,1

TCM-100

-50ữ1000C

100

-

0,1

0,1

Hv: Phạm Thị Hoan

15

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn

Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Bảng 1.7: Một số nhiệt điện trở bán dẫn
Loại

Hệ số nhiệt

Điện trở ban

Nhiệt độ làm

Hằng số thời

điện trở %

đầu

việc lớn nhất

gian (s)

0

0

trên 1 C
MMT-1;4

C

- 2,4ữ3,4

1ữ 200

200

85ữ 115

- 4,5ữ -60

0,5ữ 3

120

-

KHT-1;4
KMT-10

3. o nhit dùng các phn t bán dn (it v tranzito):
a) Nguyên lý hot ng: các linh kin in t bán dn rt nhy cm
vi nhit , đó có th s dng mt s linh kin bán dn nh it hoc
tranzito ni theo kiu it (ni baz vi colect), khi ó in áp gia hai
cc U l hm ca nhit . tng tuyn tính, n nh v kh nng
thay th ngi ta mc theo s

Hình 1.3: Sơ đồ mạch nguyên lý của IC bán dẫn đo
Khi nhiệt độ thay đổi ta có:

Ud=U1-U2=
Với

I c1
I c2

KT I c1
ln
q
I c2

(1.10)

= const thì Ud tỉ lệ với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định

Độ nhạy S =

d (U 11 U 2 )

(1.11)

dT

K là hệ số
T nhiệt độ K
Hv: Phạm Thị Hoan

16

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn

Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

q điện tích
IC1, IC2 Dòng Colectơ
b) c im:
- nhy: Các loi IC bán dn o nhit thng có giá tr c
-2,5mV/ 0C v không c nh m thng thay i theo nhit .
- u im: tuyn tính cao, s dng n gin v có nhy cao hơn so với cặp
nhiệt. nhng nhỏ hơn so với nhiệt điện trở.
- Nhc im: gii hn phm vi s dng ch trong khong -500Cữ 1500C, do
gii hn chu nhit ca các phn t bán dn.
c. Một số cảm biến thờng gặp.
Bảng 1.8 : Một số cảm biến nhiệt dựa trên bán dẫn Tranzitor đo nhiệt độ
Loại

Độ nhạy

Dải đo

Sai số

AD592CN

1àA/0K

-250C ữ 1050C

0,30C

LM35

10mV/0K

-550C ữ 1500C

0,250C

MMB-TS102

-2,25mV/0K

-400C ữ 1500C

20C

REF-02A

2,1mV/0K

-550C ữ 1250C

0,50C

LM 135 và 235

-0,02mV/0C

-550Cữ 1500C

0,50C

LM 335, 335A

-0,02mV/0C

-550Cữ1200C

0,50C

4. Lựa chọn sensor
Do nhiệt độ cần đo là nhiệt độ trong môi trờng làm việc tại các phân xởng
của nhà máy điện lên nhiệt độ cần đo không quá lớn do vậy ta có thể chọn nhiệt
điện trở đồng hoặc nhiệt điện trở bán dẫn hoặc đo nhit độ dùng các phn t bán
dn (it v tranzito) để đo song các phần tử bán dẫn rất nhạy với nhiệt độ môi
trờng mà đờng đặc tính lại tuyến tính do đó trong đề tài này ta chọn sensor
LM335 làm cảm biến đo nhiệt độ

Hv: Phạm Thị Hoan

17

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Hình 1.4: Hình dạng thực tế và sơ đồ nguyên lý LM335
LM335 có 3 chân chính : 2 chân cấp nguồn và 1 chân out tín hiệu Analog
Khi ta cấp điện áp 5V cho LM335 thì nhiệt độ đo đợc từ cảm biến sẽ chuyển
thành điện áp tơng ứng tại chân số 2 (Vout). Điện áp này đợc tỉ lệ với dải nhiệt
độ mà nó đo đợc. Với độ dải của nhiệt độ đầu ra là 10mV/ K.
Dạng đặc tuyến của cảm biến đợc mô tả theo công thức
U=10.T (mV) = 2730 +10.t

(1.12)

Với: T- là giá trị nhiệt độ tính theo Kenvin
t - là giá trị nhiệt độ tính theo 0C
Thông số của LM 335
+ Hoạt động chính xác ở dòng điện đầu vào từ 0.4 mA đến 5 mA. Dòng
đầu vào ngoài khoảng này kết quả đo sẽ sai và nếu dòng điện cao hơn sẽ
phá vỡ vi mạch
+ Điện áp cấp vào ổn định là 5V
+ Trở kháng đầu ra thấp 1
+ Giải nhiệt độ môi trờng là từ 0 đến 100 0C
Nh vậy LM335 cho chúng ta tín hiệu tơng tự (Analog) trong giải điện áp
từ 0 cho đến 5V và chúng phải xử lý tín hiệu này thành nhiệt độ từ 0oC
đến 100oC
Tính giá trị điện trở đệm cho LM 355
Nh ta đã biết độ phân dải nhiệt độ của LM 335 là 10mV/ K nên dựa
vào phơng trình đặc tuyến của cảm biến ta có:
+ Tại 0 0C thì điện áp đầu ra tại LM 335 là 2.73V
+ Tại 100 C thì điện áp đầu ra LM 335 là 3.73V
Hv: Phạm Thị Hoan

18

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Do đó muốn áp ra ứng với 10mV/ K thì phải cấp dòng cho nó từ 0.4mA đến
5mA, vậy phải có điện trở đệm.
Nếu dùng nguồn áp 5V, dải đo từ 0ữ100 C => điện áp trên LM 335 sẽ từ 2.73V
đến 3.73V => áp rơi trên điện trở sẽ là từ 1.27 V đến 2.27 V => chọn điện trở 1K
nối 5V - 1K - LM335 nh sơ đồ nguyên lý.
1.3.2. Phơng pháp đo độ ẩm
1. Phơng pháp điểm sơng
Phơng pháp này dựa vào tính chất chuyển trạng thái của không khí từ
không bão hoà hơi nớc sang bão hoà hơi nớc khi giảm nhiệt độ. Trớc hết đo
nhiệt độ của không khí và dựa vào giá trị nhiệt độ này xác dịnh áp xuất hơi nớc
bão hoà trong khí Pmax (tra theo bảng chuẩn). Giảm nhiệt độ của không khí cho
đến khi nó chuyển từ trạng thái không bão hoà sang bão hoà hơi nớc và đo nhiệt
độ ở trạng thái này. Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ điểm sơng bởi vì đây là nhiệt
độ mà hơi nớc trong không khí bắt đầu ngng đọng thành sơng. Để phát hiện
thời khắc này thì đặt một cái gơng để quan sát. Khi trên mặt gơng bắt đầu phủ
mờ bụi nớc thì đấy chính là điểm sơng. Dựa vào nhiệt độ điểm sơng xác định
áp suất hơi nớc bão hoà Pđs . Đây cũng chính là áp suất hơi nớc trong không
khí. Độ ẩm tơng đối đợc xác định theo công thức
=

Pds
.100%
Pmax

(1.13)

Nh vậy phơng pháp điểm sơng dùng để đo độ ẩm tơng đối và tuyệt đối của
môi trờng.
2. Phơng pháp bốc hơi ẩm
Tốc độ bốc hơi nớc từ một vật ẩm phụ thuộc vào độ ẩm của không khí .
khi độ ẩm càng lớn thì tốc độ bốc hơi ẩm càng giảm và nếu độ ẩm đạt 100% thì
quá trình bốc hơi ẩm hoàn toàn không xảy ra. Nh vậy nếu đo đợc tốc độ bốc
hơi ẩm thì qua đó xác định đợc độ ẩm của không khí. Quá trình bốc hơi nớc là
quá trình thu nhiệt nên thân nhiệt của vật ẩm sẽ giảm xuống thấp hơn thân nhiệt
bình thờng. Tốc độ bốc hơi nớc càng tăng, cờng độ nhiệt tổn hao càng lớn ,
nhiệt độ của vật ẩm càng hạ thấp. Nh vậy mức độ hạ nhiệt của vật ẩm là đại
Hv: Phạm Thị Hoan

19

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

lợng đặc trng cho tốc độ bốc hơi ẩm và cũng chính là đại lợng qua đó xác
định độ ẩm của không khí . Với phơng pháp này ta sử dụng hai nhiệt kế dịch thể
một nhiệt kế bình thờng để đo độ ẩm không khí, đợc gọi là nhiệt kế khô có

nhiệt độ tk. Nhiệt lế thứ hai có bầu dịch thể đợc bọc một lớp bông luôn luôn ẩm.
Bông ẩm bốc hơi lấy nhiệt của thân nhiệt kế nên nhiệt độ của nó giảm xuống có
giá trị là ta và đợc gọi là nhiệt độ của nhiệt kế ẩm . Độ ẩm của không khí đợc
xác định theo công thức :
=

Pa A.P(t K t a )
.100
PK

(1.14)

Trong đó :
Pa áp suất hơi nớc bão hoà trong không khí có nhiệt độ ta
Pk áp suất hơi nớc bão oà trong không khí có nhiệt độ tK
P áp suất môi trờng đo
A hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của ẩm kế , tốc độ của không khí bao
quanh nhiệt kế ẩm và áp suất môi trờng đo .
Phơng pháp này đo độ ẩm tơng đối và đo không liên tục.
3. Phơng pháp điện dẫn
Các vật liệu cách điện khi thay đổi độ ẩm sẽ thay đổi khả năng cách điện
của nó (Thay đổi hệ số điện dẫn). Đo điện trở của vật liệu cách điện sẽ xác định
đợc độ ẩm của nó, mà độ ẩm của vật liệu lại trực tiếp phụ thuộc vào độ ẩm của
môi trờng không khí bao quanh nó .
Cũng có thể sử dụng các chất hút ẩm để làm cảm biến đo nhiệt độ theo nguyên lý
điện dẫn. Bởi vì khi độ ẩm môi trờng khí quyển thay đổi thì độ ẩm mà nó hút
đợc cũng thay đổi để đảm bảo sự cân bằng áp suất hơi nớc trong không khí và
trên bề mặt chất hút ẩm , dẫn đến hệ số điện dẫn của chất hút ẩm cũng thay đổi
theo.
4. Các ẩm kế đo độ ẩm trong môi trờng công nghiệp

Dựa trên các phơng pháp đo độ ẩm trên ngời ta chế tạo các loại ẩm kế đo độ
ẩm nh:
a. ẩm kế quang
* Ưu điểm
Hv: Phạm Thị Hoan

20

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Phạm vi đo rộng -70 ữ 1000C
Độ chính xac cao 0,20C
Có thể làm việc trong môi truờng ăn mòn
* Nhợc điểm
Cấu tạo phức tạp
Giá thành đắt và phải hiệu chỉnh thờng xuyên
*ứng dụng đo độ ẩm trong các phòng thí nghiệm
b. ẩm kế hấp thụ Licl
Độ chính xác 0,20C
Thời gian hồi đáp cỡ hàng chục phút
Phạm vi đo nhiệt độ hóa sơng của các chất -10 ữ600C
c. ẩm kế điện ly P2O5
Đo độ ẩm của chất khí
Thời gian hồi đáp phụ thuộc vào nhiệt độ, chất biến đổi độ ẩm
d. ẩm kế áp điện

Độ chính xác cao
Đo độ ẩm mức thấp ppm và ppb
Giá thành cao
e. ẩm kế biến thiên trở kháng
* ẩm kế biến thiên điện trở
Dải đo từ 5ữ95%
Dải nhiệt độ từ -10 ữ 600C
Thời gian hồi đáp cỡ 10s
Sai số 2 ữ5%
Kích thớc nhỏ, giá thành thấp
ít chịu ảnh hởng của môi trờng ô nhiễm
* ẩm kế tụ điện
+ ẩm kế tụ điện polyme
Dải đo từ 0ữ100%
Hv: Phạm Thị Hoan

21

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Dải thời gian -40 ữ 1000C
Sai số 2ữ3%
Thời gian hồi đáp cỡ vài giây
ít chịu ảnh hởng của nhiệt độ
Phần tử nhạy có thể nhúng nớc mà không hỏng

+ ẩm kế tụ điện Al2O3
Dùng đo nhiệt độ hóa sơng Ts trong dải - 80 ữ 700C
Dải áp suất 0 ữ 100pa
Thời gian hồi đáp cỡ vài giây
Không sử dụng đợc trong môi trờng ăn mòn
Có kích thớc nhỏ
Phải định kỳ định chuẩn
Cảm biến không đồng nhất,phi tuyến nên phải định chuẩn riêng cho từng
cảm biến
Sử dụng trong môi trờng tránh bị ăn mòn
5. Lựa chọn sensor

Hình 1.5: Đặc điểm cấu tạo ẩm kế tụ điện Polyme
Dựa trên đặc điểm của các loại sensor trên và đặc điểm môi trờng không khí tại
các phân xởng trong nhà máy điện nên trong đề tài này ta chọn ẩm kế tụ điện
Polyme để đo độ ẩm tơng đối của môi trờng và chọn cảm biến ES2-HB của
hãng OMRON là thiết bị đo.
+ Đặc điểm cấu tạo của cảm biến

Hv: Phạm Thị Hoan

22

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Cảm biến là một màng Polyme có độ dày 6ữ 12àm có khả năng hấp thụ hơi
nớc. Lớp Polyme đợc phủ trên điện cực thứ nhất là Tantan sau đó phủ tiếp lên
o

o

Polyme một lớp Crôm dày 100 A ữ 10000 A làm điện cực thứ hai. Lớp Crôm gây
nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí. Thời gian
hồi đáp của tụ phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi.
+ Thông số kỹ thuật
Nguồn cấp 24V
Cấp chính xác 3%
Sử dụng cảm biến high-polymer-resistive có tuổi thọ cao
Khoảng đo độ ẩm : 20 ữ 95%
Ngõ ra: 1ữ5 VDC (tơng ứng độ ẩm 0 ữ 100%), tổng trở ngõ ra
100K

Hình 1.6: Sơ đồ đấu dây của cảm biến với nguồn cung cấp và PLC

1.3.3. Các phơng pháp đo khí cacbonnic CO2
Để đo và kiểm tra nồng độ Dioxit cacbon CO2 trong môi trờng không khí
nhà máy nhiệt điện nhằm giảm hiện tợng trái đất nóng lên ta có một số phơng
pháp đo mà trong thực tế hay sử dụng đó là phơng pháp điện dẫn dung dịch,
phơng pháp hoá điện, phơng pháp quang phổ và phơng pháp phân tích nhiệt.
1. Phơng pháp điện dẫn
Hv: Phạm Thị Hoan

23

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn

Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Nguyên lý của phơng pháp này là khi cho luồng khí có chứa CO2 đi qua một
dung dịch thờng là KOH sẽ sẽ xảy ra phản ứng sau
CO2+ 2KOH = K2CO3+ H20

(1.15)

Phản ứng xảy ra này sẽ tạo thành muối và làm thay đổi điện dẫn của dung
dịch. Để đo điện dẫn của dung dịch này ta có 2 phơng pháp đo là phơng pháp
đo tiếp xúc sử dụng cảm biến (sensor) để đo điện dẫn dung dịch hoặc phơng
pháp không tiếp xúc khi cho dung dịch đi qua mạch từ.
a. Phơng pháp điện dẫn tiếp xúc
Ta biết rằng khi một chất hoà tan trong dung dịch chất đó sẽ bị phân ly
thành các ion dơng và ion âm , các ion này sẽ chuyển động hỗn loạn. Khi đặt
một điện trờng vào dung dịch các ion dơng sẽ chuyển động về cực âm của điện
trờng còn các ion âm chuyển động về cực dơng. Kết quả là sẽ có dòng điện
chạy trong dung dịch .
ở nồng độ thấp quan hệ giữa nồng độ dung dịch C và điện dẫn của nó nh sau:
= .f.C
Trong đó :

(1.16)

- Một điện dẫn suất tơng đơng.
f- Hệ số hoạt động của chất điện phân.

Để đo đợc điện trở ta dùng một cảm biến điện dẫn . Điện trở sẽ đợc tính :
1

R =



.K

Trong đó : K là hằng số chuyển đổi (ngời ta chế tạo sao cho K xác định và
không đổi). Để đo điện trở ngời ta dùng một mạch cầu điện trở. Đo điện áp đầu
ra của cầu ta xác định đợc điện trở từ đó suy ra và suy ra C.
b. Phơng pháp điện dẫn không tiếp xúc
Để loại trừ hiện tợng phân cực khi dung dịch có nồng độ lớn ta sử dụng
phơng pháp không tiếp xúc nh hình 1.7. Dung dịch đợc chứa trong ống thủy
tinh quấn quanh một lõi biến áp nh là một cuộn thứ cấp. Cuộn dây thứ cấp họat
động ở chế độ ngắn mạch và điện trở của cuộn dây thứ cấp phụ thuộc vào nồng
độ dung dịch chứa trong ống thủy tinh. Dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp sẽ tỷ lệ
với điện dẫn và do đó tỷ lệ với nồng độ không khí CO2 tham gia phản ứng làm
thay đổi điện dẫn của dung dịch .
Hv: Phạm Thị Hoan

24

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn


Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

Phơng pháp này đơn giản rẻ tiền nhng độ nhạy và độ chính xác không cao.
Khí có
chứa CO2

I
W

W
CO ra

Hình 1.7: Đo điện dẫn bằng phơng pháp không tiếp xúc
2. Phơng pháp hoá điện
Nguyên lý phơng pháp nh sau:
Khi cho chất khí có chứa CO2 đi qua bình nớc có đặt điện cực đo pH
( ví dụ điện cực thủy tinh là một lớp thủy tinh mỏng bao gồm 22% Na2O, 0.6%
CaO, 7%SiO2 bên trong chứa AgCl và KCl bão hòa ) sẽ xẩy ra phản ứng :
CO2 + H2O = H2CO3

(1.17)

H+ + HCO-3 = CO2-3 + 2H+
Và sẽ tồn tại một tỷ lệ giữa nồng độ khí CO2 va hoạt động a của các ion nh sau:
a

H

+

=

K

a
a

C O

2

H C O

(1.18)

3

Trong đó K là hệ số tỷ lệ.
Và thế điện động hóa điện sinh ra trong điện cực sẽ là:

E c e l l = K 1 + 0 .0 5 9 lo g a H +

(1.19)

Khi đó CO2 sẽ xâm nhập qua màng điện cực và phản ứng để tạo ra các ion H+
và HCO3- lúc đó:
a

H

+

=

K

a

C O

a

2

.a

H C O

H

2

O

(1.20)


3

Hoạt động của H2O và HCO3- là hằng số trong chất điện phân. Do đó:

E c e l l = K 1 + 0 .0 5 9 lo g K 2 C C O 2
Hv: Phạm Thị Hoan

25

(1.21)

Gvhd: PGS.TS Phạm Thợng Hàn