GIÁO TRÌNH CƠ SỞ VỀ ĐO LƯỜNG QUÁ TRÌNH

TRƯỜNG ĐÀO TẠO NHÂN LỰC DẦU KHÍ
KHOA ĐO LƯỜNG - TỰ ĐỘNG HÓA

GIÁO TRÌNH:

CƠ SỞ VỀ
ĐO LƯỜNG QUÁ TRÌNH

VŨNG TÀU 10/05
(TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ)


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

MỤC LỤC
MỤC LỤC....................................................................................................................2
PHẦN I.........................................................................................................................5
CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...................................................5
1.

2.

3.

TẠI SAO CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG LÀ QUAN TRỌNG?........................6
1.1.

An toàn.......................................................................................................................6

1.2.

Đặc tính kỹ thuật của sản phẩm...............................................................................6

CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...........6
2.1.

Hệ thống hở...............................................................................................................6

2.2.

Hệ thống kín..............................................................................................................7

2.3.

Các bước điều khiển..................................................................................................7

2.4.

Các vòng điều khiển..................................................................................................8

2.5.

Tín hiệu vào và tín hiệu ra........................................................................................9

2.6.

Truyền tín hiệu...........................................................................................................9

2.7.

Môi trường truyền.....................................................................................................9

2.8.

Các loại tín hiệu.......................................................................................................10

CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN................11
3.1.

Cảm biến..................................................................................................................11

3.2.

Thiết bị chỉ thị và thiết bị ghi (Indicator và Recorder)..........................................12

3.3.

Transmitter...............................................................................................................13

3.4.

Các bộ điều khiển....................................................................................................13

3.5.

Phần tử điều khiển cuối..........................................................................................15

PHẦN II...................................................................................................................... 18
CẢM BIẾN................................................................................................................. 18
4.

5.

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ.....................................................................................19
4.1.

Cặp nhiệt điện (TC).................................................................................................19

4.2.

Thiết bị đo nhiệt độ kiểu điện trở (RTD)................................................................27

4.3.

Hệ thống đo nhiệt độ kiểu bầu chứa.......................................................................33

4.4.

Thermowells.............................................................................................................34

CẢM BIẾN ÁP SUẤT SUẤT.............................................................................35
5.1.

Transducer áp suất..................................................................................................35

5.2.

Cảm biến kiểu lực căng...........................................................................................36

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 2/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển
5.3.

6.

Cảm biến áp suất kiểu điện dung............................................................................37

CẢM BIẾN MỨC...............................................................................................42
6.1.

Các loại cảm biến mức............................................................................................42

6.2.

Sử dụng áp suất chênh lệch....................................................................................42

6.3.

Đo mức bằng bọt khí...............................................................................................45

6.4.

Đo mức bằng thiết bị kiểu phao..............................................................................46

6.5.

Cảm biến kiểu thế chỗ.............................................................................................53

6.6.

Cảm biến kiểu điện dung.........................................................................................56

6.7.

Đầu dò kiểu vật dẫn.................................................................................................57

6.8.

Các cảm biến kiểu sóng siêu âm và Rada...............................................................58

6.9.

Các loại cảm biến mức một điểm khác...................................................................61

7.

CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG................................................................................62
7.1.

Vận tốc dòng chảy và lưu lượng.............................................................................62

7.2.

Các yếu tố xem xét...................................................................................................63

7.3.

Áp suất sai lệch........................................................................................................65

7.4.

Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng (Cảm biến kiểu Vortex)..............69

7.5.

Cảm biến lưu lượng kiểu từ trường........................................................................70

7.6.

Cảm biến kiểu thế chỗ.............................................................................................71

7.7.

Cảm biến lưu lượng kiểu tuabin.............................................................................73

7.8.

Các cảm biến lưu lượng khối lượng.......................................................................74

8.

CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH..........................................................................79
8.1.

Giới thiệu.................................................................................................................79

8.2.

Cảm biến khoảng cách kiểu cảm ứng....................................................................80

8.3.

Cảm biến khoảng cách kiểu điện dung..................................................................81

8.4.

Cảm biến khoảng cách kiểu quang học.................................................................82

PHẦN III.................................................................................................................... 84
VÒNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC PHẦN TỬ CỦA NÓ.............................................84
9.

TRANSMITTER................................................................................................85
9.1.

Chức năng của transmitter.....................................................................................85

9.2.

Transmitter khí nén.................................................................................................87

9.3.

Transmitter điện tử..................................................................................................91

9.4.

Transmitter nhiệt độ................................................................................................94

9.5.

Transducers và Converters......................................................................................95

10.

RECORDERS.................................................................................................97

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 3/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển
10.1.

Chức năng của Recorders.......................................................................................97

10.2.

Các loại Recorder....................................................................................................99

10.3.

Màn hình điện tử...................................................................................................104

10.4.

Thiết bị ghi bằng máy tính....................................................................................105

11.

CONTROLLER............................................................................................106

11.1.

Chức năng của bộ điều khiển...............................................................................106

11.2.

Các chế độ điều khiển............................................................................................110

11.2.1.

Điều khiển On-Off.........................................................................................110

11.2.2.

Điều khiển tỷ lệ (Proportional control mode)...............................................111

11.2.3.

Chế độ tích phân (Integral or Reset control mode)......................................117

11.2.4.

Chế độ vi phân (derivative mode)..................................................................119

11.2.5.

Điều khiển PID và phương pháp tuning......................................................122

11.3.

12.

Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC – Programmable Logic Controllers)..125

PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN CUỐI..................................................................127

12.1.

Chức năng của các phần tử điều khiển cuối........................................................127

12.2.

Actuators................................................................................................................128

12.3.

Đặc tính làm việc....................................................................................................134

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 4/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

PHẦN I

CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 5/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

1.

TẠI SAO CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG LÀ QUAN TRỌNG?

1.1. An toàn
Các dụng cụ đo lường cần thiết cho các nhà máy công nghiệp hiện đại hoạt động an
toàn và chính xác. Chúng được sử dụng để điều khiển quá trình nhằm đạt được các chỉ
tiêu kỹ thuật của sản phẩm cũng như để ngừng hoạt động của nhà máy trước khi các sự
cố xảy ra.
Để duy trì hoạt động an toàn đòi hỏi các dụng cụ đo phải:
 Giữ cho các biến quá trình nằm trong giới hạn vận hành an toàn.
 Phát hiện các nguy cơ xảy ra nguy hiểm khi chúng xuất hiện.
 Cung cấp các cảnh báo hoặc dừng hệ thống khi cần.
Việc sử dụng các thiết bị đo lường là quan trọng đối với công ty và bản thân chúng ta
cũng giống như các công nhân, bởi vì:
 Chúng giúp chúng ta vận hành nhà máy an toàn.
 Chúng giúp chúng ta bảo vệ môi trường và cộng đồng nơi chúng ta làm việc.

Các dụng cụ đo lường cần thiết để giúp bảo vệ sức khỏe và hạnh phúc của con người
làm việc tại hiện trường cũng như những người sống và làm việc trong cộng đồng
quanh nhà máy. Việc theo dõi và điều khiển sự hoạt động của nhà máy cũng mang tính
quyết định đến việc bảo vệ môi trường và đạt được các quy định của pháp luật.
1.2. Đặc tính kỹ thuật của sản phẩm
Để đạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm, các dụng cụ đo lường phải:
 Duy trì chất lượng
 Đảm bảo độ tin cậy và tính lặp lại của quá trình
 Đảm bảo rằng các nguyên vật liệu thô được sử dụng càng hiệu quả càng tốt.
 Giữ cho giá thành sản phẩm nằm trong giới hạn cho phép.
Để duy trì việc kinh doanh có lãi, hệ thống phải tạo ra các sản phẩm chất lượng ổn
định theo thiết kế trong các điều kiện được kiểm soát. Một số hệ thống sản xuất hiện
đại thì quá phức tạp và được cân nhắc kỹ lưỡng đến nỗi mà nhiều sản phẩm ngày nay
không thể được sản xuất mà không có sự điều khiển chính xác của các hệ thống đo
lường.
2.

CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.

2.1. Hệ thống hở
Hệ thống điều khiển đơn giản nhất là hệ thống hở. Ý tưởng cơ bản của điều khiển này
là thiết lập một hệ thống hoạt động đạt đến mức chính xác cần thiết bằng cách điều
chỉnh trực tiếp hoạt động của ngõ ra hệ thống (hình 1.1). Không có thông tin phản hồi
đến bộ điều khiển để xác định hoặc hiệu chỉnh tín hiệu ra, vì vậy hệ thống điều khiển
dạng này có thể cho tín hiệu ra với sai số lớn.
Ví dụ trên máy tiện NC, người vận hành có thể xác định trước tốc độ cắt, lượng chạy
dao và chiều sâu cắt sau đó thực hiện quá trình cắt. Nếu như không có những yếu tố
nhiễu thì chất lượng và kích thước bề mặt gia công sẽ đạt yêu cầu dự kiến . Tuy nhiên,
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 6/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

những yếu tố nhiễu như độ mòn của dụng cụ, độ cứng thay đổi trên bề mặt chi tiết gia
côngv.v…sẽ làm kết quả gia công không đạt kết quả như mong muốn. Như vậy, hệ
thống điều khiển vòng hở không có khả năng bù trừ các tác động do nhiễu gây ra
Yêu cầu

Thiết bị
điều khiển

Tác động

Đối tượng
điều khiển

Kết quả

Nhiễu

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống hở
2.2. Hệ thống kín
Phương pháp điều khiển này làm mất tác hại của nhiễu bằng cách đo ảnh hưởng của
nhiễu trên tín hiệu ra hay trên sản phẩm ngõ ra của hệ thống (thông tin phản hồi), từ
đó tính toán các tác động hiệu chỉnh cần thiết nhằm làm mất tác dụng của nhiễu để duy
trì tín hiệu ra hay sản phẩm ra ổn định như mong muốn.
Tín hiệu sai lệch = Giá trị mong muốn – Giá trị thực tế.
Phương pháp này được dùng chủ yếu trong điều khiển liên tục hay điều khiển quá

trình
Thông tin phản hồi

Yêu cầu

Thiết bị
điều khiển

Thiết bị
đo lường

Tác động

Đối tượng
điều khiển

Kết quả

So sánh

Nhiễu

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống kín
2.3. Các bước điều khiển
Một quá trình có thể phức tạp như việc tách một chất hóa học nào đấy từ các nguyên
liệu cơ bản hoặc đơn giản như việc vận chuyển vật liệu từ một bồn này đến bồn khác.
Các loại cảm biến và thiết bị có liên quan để điều khiển một quá trình sẽ thay đổi tùy
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 7/155

Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

theo độ phức tạp của mỗi quá trình. Cơ sở của điều khiển quá trình thì giống nhau,
không màn đến quá trình đó phức tạp hay đơn giản như thế nào.
Để điều khiển quá trình, chúng ta phải:
 Thu thập thông tin về quá trình.
 So sánh thông tin đó với kết quả mong muốn hay điểm thiết lập (set point).
 Hiệu chỉnh quá trình một lượng cần thiết để đạt đến và duy trì ở set point.
Hình sau đây mô tả một quá trình được điều khiển bởi các thiết bị đo lường.

Hình 1.3
Trong quá trình (Process) này, thông tin được thu thập là: Việc vận chuyển vật liệu
vào bồn D
Biến được theo dõi hoặc đo lường là: Áp suất bên trong bồn D được tạo ra bởi việc
chuyển vật liệu vào bồn D
Kết quả mong muốn là: Duy trì một áp suất cụ thể (set point) trong bồn D trong khi
vật liệu được lấy ra khỏi bồn D từ ngõ E.
Các hiệu chỉnh cần thiết là: điều khiển dòng vật liệu (biến thao tác) từ bơm A vào
bồn bằng cách thay đổi mức độ đóng mở của van C.
2.4. Các vòng điều khiển
Các bước cơ bản cần thiết để điều khiển một
biến – thu thập thông tin, so sánh với set point,
và hiệu chỉnh – tạo thành một vòng điều khiển.

Hình 1.4: Vòng điều khiển
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 8/155

Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

Trong một vòng điều khiển:
 Phần tử cảm biến thu thập thông tin về biến cần theo dõi và gởi đến bộ điều
khiển
 Bộ điều khiển so sánh thông tin nhận được từ cảm biến với set point và gởi
tín hiệu đến phần tử điều khiển.
 Phần tử điều khiển thực hiện sự hiệu chỉnh cần thiết để điều chỉnh biến thao
tác và đạt đến điểm set point.
2.5. Tín hiệu vào và tín hiệu ra
Tín hiệu vào và ra được sử dụng để mô tả các tín hiệu được gởi từ một thiết bị đo này
đến một thiết bị đo khác trong một vòng điều khiển. Tín hiệu ra của một thiết bị đo này
có thể là tín hiệu vào của thiết bị đo khác. Ví dụ, bồn chứa trong hình 1.5, tín hiệu từ
bộ điều khiển đến van là tín hiệu ra của bộ điều khiển. Tín hiệu đấy lại là tín hiệu vào
của van có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng vào bồn.
Chúng ta có thể sử dụng mô hình vòng điều khiển ở hình 1.2 để chỉ ra những gì xảy ra
đối với áp suất trong bồn ở hình 1.1.

Hình 1.5
2.6. Truyền tín hiệu
Các tín hiệu vào và ra được truyền như thế nào? Các tín hiệu trong vòng điều khiển thể
hiện thông tin về độ lớn và chất lượng của một biến. Để chuyển thông tin này từ một
phần tử này đến phần tử khác đòi hỏi thông tin đó phải được chuyển đổi thành dạng
phù hợp để các phần tử có thể đọc được. Các transducer và/hoặc transmitter làm nhiệm
vụ chuyển đổi tín hiệu và gởi chúng đến phần tử kế tiếp trong vòng điều khiển.
2.7. Môi trường truyền
Các tín hiệu hầu hết thường được truyền giữa các phần tử trong vòng điều khiển bằng
tín hiệu điện hay khí nén. Trên sơ đồ P&ID, bạn cũng có thể thấy các phương thức

hoặc môi trường khác được sử dụng để truyền thông tin như:
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 9/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

 Ống mao giữa các cảm biến và transmitter.
 Sóng điện từ định hướng giữa các cảm biến và transmitter.
 Tín hiệu thủy lực.
 Tín hiệu âm thanh.
Trong tương lai, càng có nhiều thông tin có thể được truyền trong vòng điều khiển
bằng ánh sáng qua đường truyền cáp quang.
Hình dưới đây cho thấy thông tin từ một cảm biến được truyền giữa các thiết bị đo
theo hai dạng khác nhau, điện và khí nén.

Hình 1.6
2.8. Các loại tín hiệu
Các tín hiệu có thể là một trong 3 dạng khác nhau sau đây:
1. Dạng nhị phân (Binary) - Chỉ có hai giá trị, on và off.
2. Dạng tương tự (Analog) - Cho dải các giá trị liên tục không bị gián đoạn.
3. Số (Digital) - Một chuỗi các xung.
Nếu một dụng cụ đo không thể nhận tín hiệu vào được gởi từ transmitter, tín hiệu có
thể được chuyển đổi thành dạng phù hợp bằng một transducer. Ví dụ, khi bộ điều
khiển trong một vòng điều khiển là một máy tính, dữ liệu vào đối với máy tính phải ở
dạng số. Tín hiệu ra từ bộ điều khiển máy tính cũng là dạng số, nhưng các kết quả đọc
từ cảm biến thường là dạng tương tự hoặc tín hiệu liên tục. Nhiều thiết bị điều khiển
cuối cũng đòi hỏi dạng tín hiệu vào là liên tục (thường là khí nén). Các transducer
chuyển đổi hoặc “dịch” các tín hiệu từ một dạng này sang dạng khác để mà các dụng

cụ đo có thể truyền nhận thông tin với nhau được.
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 10/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

Nếu bộ điều khiển trong hình 1.6 là máy tính, các transducer hoặc converter trong hình
1.7 sau đây phải được sử dụng:
P/I Transducer: Chuyển đổi tín hiệu khí nén (P) thành dòng
điện tương tự (I)
A/D Converter: Chuyển đổi dòng điện tương tự (I) thành tín
hiệu số (D).
D/A Converter: Chuyển đổi tín hiệu số (D) thành dòng điện
tương tự (I).
I/P Transducer: Chuyển đổi dòng điện tương tự (I) thành tín
hiệu khí nén (P).
Hình 1.7
Hình 1.8 cho thấy:
 Các kiểu đường tín hiệu được sử dụng để kết nối các phần của một vòng điều
khiển.
 Dải tín hiệu chung cho mỗi loại.
 Các trình bày các dạng tín hiệu khác nhau trên một sơ đồ P&ID tiêu biểu

Hình 1.8
3.

CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1. Cảm biến
Các cảm biến thu thập thông tin của một biến. Chúng theo dõi hoặc đo một thông số
nào đó của một hệ thống quá trình. Sự hoạt động thành công của hệ thống phụ thuộc
vào các phép đo chính xác và tin cậy. Với mục đích của khóa học này, chúng ta đã chia
các các biến thành hai loại – đo trực tiếp và đo gián tiếp.
Với thiết bị đo trực tiếp, thông thường là chúng hoạt động độc lập và không phải là
một thành phần của vòng điều khiển. Ví dụ:
 Đồng hồ áp suất sử dụng để đo áp suất.
 Đồng hồ đo mức dạng chia vạch
 Rotameter dùng để đo lưu lượng
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 11/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

 Hệ thống đo nhiệt kiểu điền kín
 Đo khối lượng dạng chia vạch
Với thiết bị đo gián tiếp, chúng hoạt động giống như cảm biến trong vòng điều khiển.
Ví dụ:
 Cặp nhiệt điện và RTD dùng để đo nhiệt độ.
 Bộ chuyển đổi áp suất kiểu điện dung và kiểu lực căng.
 Thiết bị đo kiểu Orifice, kiểu Vortex, kiểu từ trường, kiểu tuabin, ….
 Đo mức kiểu chênh áp, kiểu bọt khí, kiểu phao, kiểu sóng siêu âm,…
Trong phần sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu các thiết bị đo đặc trưng dùng để đo các biến
quá trình: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, và khối lượng. Loại dụng cụ đo cần thiết tùy
thuộc vào các yếu tố đặc trưng của quá trình như:
 Độ tin cậy của thông tin cung cấp từ cảm biến.
 Biến quá trình thay đổi một lượng bao nhiêu thì cần phải được phát hiện và

đáp ứng của cảm biến đối với sự thay đổi này như thế nào.
 Độ chính xác của quá trình cần phải có để thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật.
 Thời gian đáp ứng của cảm biến.

Hình 1.9
3.2. Thiết bị chỉ thị và thiết bị ghi (Indicator và Recorder)
Các thông tin cần được hiển thị và ghi lại cũng như được tới bộ điều khiển. Các phần
tử cảm biến có thể được kết nối tới các thiết bị chỉ thị và thiết bị ghi. Các thiết bị chỉ
thị và thiết bị ghi trong thực tế không có chức năng điều khiển biến quá trình.

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 12/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

Thiết bị chỉ thị dùng để hiển thị thông tin dưới dạng tức thời. Máy đo tốc độ trong xe
hơi là một thiết bị chỉ thị dùng để hiển thị tốc độ. Nó có thể hiển thị tốc độ dưới dạng
tương tự hoặc dạng số. Trong cả hai trường hợp, đồng hồ tốc độ chỉ thị tốc độ tức thời
của xe.
Thiết bị ghi (Recorder) là một thiết bị dùng để ghi lại giá trị của biến quá trình theo
thời gian. Chúng cho phép chúng ta giữ lại các thông tin trên giấy để có thể xem lại
trong tương lai.

Hình 1.10
3.3. Transmitter
Transmitter chuyển các thông tin thu thập được từ cảm biến tới bộ điều khiển trong
vòng điều khiển. Trong hoạt động của các nhà máy thực tế, các phần tử cảm biến và
các bộ điều khiển thường nằm cách xa nhau. Đôi khi, phần tử cảm biến được tích hợp

chung trong transmitter.
Hai loại transmitter phổ biến là điện tử và khí nén. Các tín hiệu trong vòng điều khiển
thường được truyền đi dưới dạng tín hiệu điện tương tự hay tín hiệu khí nén tương tự.
Các transmitter khí nén chuyển đổi thông tin từ cảm biến thành tín hiệu áp suất được
truyền đi trong đường ống đến bộ điều khiển. Các tín hiệu khí nén về bản chất tự nhiên
sẽ mất nhiều thời gian truyền hơn các tín hiệu điện.
Các transmitter có thể gởi thông tin tới các phần tử khác trong hệ thống như hệ thống
cảnh báo và an toàn, các thiết bị ghi và thiết bị chỉ thị được gắn trên bảng, và máy tính
cũng như các thiết bị điều khiển.
3.4. Các bộ điều khiển
Chức năng đầu tiên của bộ điều khiển là so sánh giá trị của biến đo được với set point
mong
muốn.
Bất kỳ sự khác biệt nào đều được coi là độ lệch. Set point có thể là giá trị đơn hoặc
một dải giá trị chấp nhận được. Nếu độ lệch là zero, biến đang ở giá trị set point (giá
trị mong muốn), và không cần có sự hiệu chỉnh nào đối với quá trình tại thời điểm đó.
Nếu độ lệch khác zero, chức năng thứ hai của bộ điều khiển là gởi tín hiệu đến phần tử
điều khiển cuối để ra lệnh cho nó hiệu chỉnh biến thao tác theo hướng sao cho giảm độ
lệch giữa set point và giá trị hiện tại của biến quá trình cần điều khiển.

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 13/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

Hình sau đây trình bày một bộ trao đổi nhiệt. Vòng điều khiển đo và điều khiển nhiệt
độ của dòng hơi quá trình bằng cách điều chỉnh lưu lượng dòng nước muối lạnh qua
bộ trao đổi nhiệt.

Hình 1.11
Hình 1.12 trình bày một ví dụ về một bồn chứa có lắp đặt một cảm biến mức. Trong ví
dụ này, các thông tin về mức chất lỏng trong bồn được gởi tới một thiết bị ghi và bộ
điều khiển cùng được lắp đặt trên bảng điều khiển. Giá trị set point được đưa vào bộ
điều khiển từ nút chỉnh set point trên bộ điều khiển.

Hình 1.12
Hình 1.13
Trong các nhà máy hiện
đại, chức năng của bộ
điều khiển thường được
thực hiện bởi máy tính
mà nó được kết nối tới
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 14/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

cảm biến và phần tử điều khiển trong vòng điều khiển. Các tín hiệu được xử lý dưới
dạng số. Một máy tin đơn có thể phục vụ như bộ điều khiển cho nhiều vòng điều khiển
(hình 1.13).
3.5. Phần tử điều khiển cuối
Phần tử cuối trong vòng điều khiển là phần tử điều khiển mà thực tế nó tạo ra một sự
thay đổi trên quá trình và kéo biến quá trình về gần hơn với set point nhằm giảm độ
lệch về zero. Mỗi quá trình bao gồm một số loại dịch chuyển hoặc dòng chảy - hoặc sự
dịch chuyển vật liệu hoặc dòng chảy năng lượng.
Các phần tử điều khiển điều hòa lưu lượng theo một số phương pháp bằng cách

chuyển tín hiệu của bộ điều khiển thành một hành động. Phần tử điều khiển đặc trưng
cần hai phần:
 Một cơ cấu chấp hành sẽ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và chuyển đổi thành
chuyển động.
 Một thiết bị để thao tác biến quá trình.
Hầu hết các phần tử cuối phổ biến trong vòng điều khiển là một số loại van được gắn
trên đường ống quá trình. Các ví dụ về các phần tử điều khiển khác là bơm và các thiết
bị điều khiển động cơ khác.
Thông thường, việc thao tác một biến bao gồm việc thay đổi:
 Vị trí của van để điều tiết dòng chất lỏng.
 Tốc độ của một thiết bị như thiết vận chuyển hoặc bơm để điều chỉnh lưu
lượng.
 Lượng năng lượng cung cấp cho thiết bị điện như phần tử tạo nhiệt.
 Vị trí của màng ngăn để điều chỉnh dòng khí.

Hình 1.14: Phần tử điều khiển cuối (van)
Hình 1.15 sau đây trình bày một hệ thống cung cấp nước đặc trưng cho một căn hộ.
Hoạt động của hệ thống như sau:
1. Vòi nước nhà bếp hoạt động
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 15/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

2. Mức nước trong bồn giảm
3. Vùng không khí trên bồn tăng lên làm giảm áp suất trong bồn.
4. Công tắc áp suất đóng ở áp suất 20 psi.
5. Công tắc áp suất đóng nối kín mạch cung cấp điện cho bơm hoạt động.

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 16/155


Phần I: Các phần tử của hệ thống điều khiển

6. Nước được bơm từ giếng vào bồn
7. Áp suất tăng lên khi mức nước trong bồn tăng;
vùng không khí trên đỉnh bồn bị nén lại.
8. Khi áp suất đạt giá trị 40 psi, công tắc áp suất
mở, ngắt bơm.

Hình 1.15

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 17/155


Phần II: Cảm biến

PHẦN II
CẢM BIẾN

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 18/155

Phần II: Cảm biến

Trang trắng
4.

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

4.1. Cặp nhiệt điện (TC)
Nguyên lý hoạt động
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mối nối giữa hai kim loại khác nhau tạo ra một điện áp
nhỏ. Một trong những loại cảm biến nhiệt đơn giản nhất là cặp nhiệt điện, chúng hoạt
động dựa vào một nguyên lý được gọi là hiệu ứng Seebeck. Seebeck đã khám phá ra
hiện tượng này vào năm 1821, và trong những năm sau đó cặp nhiệt điện đã trở thành
loại cảm biến nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất. Từ cặp nhiệt điện (thermocouple) được
ghép từ hai từ: “thermo” có nghĩa là nhiệt và “couple” biểu thị hai mối nối.
Một cặp nhiệt điện bình thường gồm hai dây kim loại khác nhau, mỗi dây được chế tạo
từ một kim loại đơn chất hay hợp kim. Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầu
tạo thành điểm đo, thông thường được gọi là điểm nóng, bởi vì phần lớn nhiệt độ được
đo cao hơn nhiệt độ môi trường. Hai đầu còn lại của hai dây được nối tới dụng cụ đo để
tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua, dụng cụ đo này sẽ đo mức điện áp được tạo
ra tại điểm nối và chuyển đổi nó thành giá trị nhiệt độ tương ứng.
Không may, các điểm nối giữa cặp nhiệt điện với thiết bị chỉ thị hoặc vòng điều khiển
lại tạo ra các mối nối khác giữa hai kim loại khác nhau mà chúng cũng tạo ra những
điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ. Để loại bỏ vấn đề này, các mạch cặp nhiệt điện sử dụng
một điểm nối chuẩn kết hợp với mạch điện tử để đo và hiệu chỉnh ảnh hưởng này. Điểm
nối chuẩn thông thường về mặt điện giống như một cặp nhiệt điện ở 0 oC. Điểm chuẩn
thường được đặt gần hoặc thậm chí bên trong thiết bị chỉ thị.
Điện áp do cặp nhiệt điện tạo ra rất thấp và được đo bằng mV. Điện áp này tăng khi
nhiệt độ tăng. Giá trị điện áp này cũng tùy thuộc vào tổ hợp hai kim loại được sử dụng

để chế tạo cặp nhiệt điện.

Hình 2.1: Công nghệ cặp nhiệt điện
Chuyển đổi điện áp sinh ra
Những gì cặp nhiệt điện cho biết là sự khác nhau về nhiệt độ giữa điểm đo và điểm
chuẩn. (Thực tế, chúng ta không thể đo được giá trị tuyệt đối; việc chúng ta có thể làm
là so sánh một đại lượng đã biết với một đại lượng chưa biết). Nếu chúng ta biết nhiệt
độ chuẩn, chúng ta có thể tính ra được nhiệt độ quá trình bằng cách đo điện áp được ra
bởi cặp nhiệt điện:
nhiệt độ chưa biết = (điện áp/hệ số Seebeck) + nhiệt độ chuẩn
Nhiệt độ quá trình có thể được suy ra từ giá trị điện áp đo được bằng cách dựa vào đồ
thị (hình 2.2) hoặc chính xác hơn, bằng cách dựa vào bảng tham chiếu cặp nhiệt điện
mà trong đó liệt kê các điện áp tương ứng với nhiệt độ của mỗi loại cặp nhiệt điện.
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 19/155


Phần II: Cảm biến

Không may, quan hệ điện áp theo nhiệt độ không phải là đường thẳng, và hệ số
Seeebeck không phải là một hằng số (hình 2.3). Với một số cặp nhiệt điện trên toàn dải
đo của nó, ví dụ như loại K trên toàn dải đo từ 0 đến 1000 oC (32 đến 1832oF), hệ số
Seebeck tương đối là hằng số (khoảng 40V/oC), nhưng thông thường nó thay đổi theo
nhiệt độ. Điều này trong quá khứ đã dẫn đến mỗi loại cặp nhiệt điện có một thang đo
duy nhất hoặc cần thiết phải sử dụng bảng và đặc tuyến để chuyển đổi điện áp thành
nhiệt độ. Ngày nay, khả năng bộ nhớ của vi xử lý đã giải quyết tất cả các vấn đề này, và
những công việc nhạt nhẻo tốn thời gian trước đây bây giờ được giải quyết rất nhanh
chóng và dễ dàng. Nói tóm lại, tính chất không tuyến tính tự nhiên của cặp nhiệt điện
không còn là vấn đề.

Hình 2.2: Quan hệ điện áp - nhiệt độ của TC
Một vấn đề nữa là tín hiệu của cặp nhiệt điện rất nhỏ. Như trình bày trong hình 2.3, một
cặp nhiệt điện platinum sẽ tạo ra điện áp khoảng 10V/oC. Hay nói cách khác, thậm chí
với một transmitter công nghiệp tốt nhất có dải đo nhỏ nhất là 1mV và sai số tuyệt đối
nhỏ nhất khoảng 0.01mV, nghĩa là 10V. Vì thế rất khó khăn để thực hiện một phép đo
sử dụng transmitter công nghiệp và cặp nhiệt điện platinum mà sự thay đổi điện áp ra
của nó trên mỗi độ C nhỏ hơn sai số của transmitter. Điều này có thể chấp nhận được ở
dải nhiệt độ cao, nhưng không thể chấp nhận khi dải nhiệt độ đo hẹp. Vì vậy, cặp nhiệt
điện không được khuyến cáo sử dụng trong trường hợp dải đo hẹp hoặc những phép đo
sai lệch nhiệt độ nhỏ.

Hình 2.3: Hệ số Seebeck
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 20/155


Phần II: Cảm biến

Các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện
Tất cả các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện trong tài liệu này được dựa vào nhiệt độ mối
nối chuẩn ở 0oC (32oF); vì vậy, việc chuyển đổi trực tiếp từ các bảng này có thể thực
hiện được khi mối nối chuẩn được đặt vào chậu nước đá.
Nếu không thể duy trì nhiệt độ mối nối chuẩn ở 0 oC, phải sử dụng một hệ số hiệu chỉnh
đối với các điện áp cho trong bảng. Chú ý rằng, điện áp được tạo ra bởi một cặp nhiệt
điện cho trước sẽ giảm xuống khi sự sai lệch nhiệt độ giữa mối nối đo và mối nối chuẩn
giảm. Việc hiệu chỉnh khi nhiệt độ mối nối chuẩn lớn hơn 0oC được mô tả sau đây.
Chuyển đổi mV ra nhiệt độ
Để áp dụng hệ số hiệu chỉnh mối nối chuẩn đối với mV đo được từ đồng hồ đo điện áp,

ta thực hiện như sau:
1. Từ bảng tham chiếu cặp nhiệt thích hợp, lấy giá trị mV (mối nối chuẩn ở 0 oC)
tương tứng với nhiệt độ thực của mối nối chuẩn.
2. Cộng đại số giá trị vừa lấy được ở bước 1. với giá trị mV đọc được trên vôn kế.
3. Điện áp đã được hiệu chỉnh có thể được chuyển đổi trực tiếp sang nhiệt độ từ
bảng tham chiếu đã cho.
Ví dụ 1
Một vôn kế chỉ thị điện áp là 13,033mV khi được nối với một cặp nhiệt điện loại T, và
người ta mong muốn chuyển đổi điện áp này thành nhiệt độ tương ứng. Nhiệt độ thực tế
của mối nối chuẩn lúc này được xác định bằng nhiệt kế thủy ngân chính xác là 20 oC
(68oF). Nội suy từ bảng của cặp nhiệt điện loại T, 68 oF = 0.790mV (dựa vào nhiệt độ
mối chuẩn ở 32oF). Cộng giá trị này với giá trị chỉ thị trên vôn kế, 13.033 + 0.790 =
13.823 mV, đây là giá trị điện áp đã được hiệu chỉnh dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở
32oF. Nội suy từ bảng tham chiếu đối với loại T, 13.823 mV = 539oF (282oC).
Ví dụ 2
Một cặp nhiệt điện loại T trong điều kiện hoạt động ổn định cho ra một điện áp trên vôn
kế là –3.369 mV. Nhiệt độ thực của mối nối chuẩn là 70 oF (21oC). Từ bảng tra loại T,
70oF = 0.830 mV dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32 oF. Cộng đại số hai giá trị này,
-3.369 + 0.830 = -2.539 mV. Nội suy từ bảng, -2.539 mV = -98oF (-72oC).
Chuyển đổi nhiệt độ ra mV
Để xác định chính xác điện áp ngõ vào cần thiết cho việc hiệu chuẩn dụng cụ đo,
xử lý như sau:
1. Từ bảng tra thích hợp, lấy giá trị mV (dựa vào mối nối chuẩn ở 32oF) tương
ứng với nhiệt độ thực tại ngõ vào của dụng cụ đo cần kiểm tra.
2. Cũng từ bảng tra vừa rồi, lấy giá trị mV (dựa vào mối nối chuẩn ở 32oF) tương
ứng với nhiệt độ cần kiểm tra
3. Giá trị điện áp ở bước 2 được trừ đại số đi điện áp ở bước 1.

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 21/155


Phần II: Cảm biến

Ví dụ 1
Người ta muốn kiểm tra hiệu chuẩn một dụng cụ đo lường ở nhiệt độ 300 oF (149oC).
Dụng cụ có thang đo được chia theo oF và sử dụng cặp nhiệt điện loại T. Nhiệt độ thực
tại ngõ vào của dụng cụ đo này được xác định bằng nhiệt kế thủy ngân chính xác là
70oF (21oC). Từ bảng tra loại T, 70oF = 0.830 mV và 300oF (1490C) = 6.654 mV dựa
vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32oF. Bằng cách trừ đi, điện áp ngõ vào mong muốn đã
được hiệu chỉnh dựa trên cơ sở nhiệt độ mối nối chuẩn ở 70 oF là 6.654 – 0.830 = 5.824
mV.
Ví dụ 2
Người ta cần xác định điện áp chính xác ở ngõ vào để kiểm tra việc hiệu chuẩn một
dụng cụ đo lường ở -200oF (-129oC). Thang đo của dụng cụ đo được chia theo oF và sử
dụng cặp nhiệt điện loại T. Nhiệt độ thực tại ngõ vào của dụng cụ đo là 68 oF (20oC). Từ
bảng tra loại T, 68oF = 0.790 mV và –200oF = -4.152 mV dựa vào nhiệt độ mối nối
chuẩn ở 32oF. Trừ đại số, điện áp ngõ vào đã được hiệu chỉnh trên cơ sở nhiệt độ mối
nối chuẩn ở 68oF là –4.152 – 0.790 = -4.942 mV.

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 22/155


Phần II: Cảm biến

Bù điểm lạnh
Khi sử dụng thiết bị đo, nó chuyển đổi điện áp được tạo ra do sự chênh lệch nhiệt độ

giữa điểm nóng và điểm lạnh để ghi nhận hoặc hiển thị nhiệt độ của điểm nóng. Để
ngăn ngừa sai số do điện áp được tạo ra bởi sự thay đổi nhiệt độ của điểm lạnh và bên
trong thiết bị đo, những điện áp này phải được bù. Một phương pháp là giữ nhiệt độ
điểm lạnh ở một nhiệt độ cố định, ví dụ có thể thực hiện được trong phòng thí nghiệm
với chậu nước đá (hình 2.4). Có thể sử dụng một cái lò, mặc dù việc giữ nhiệt độ của lò
ở một giá trị hằng số là cả một vấn đề.

Hình 2.4
Trong môi trường công nghiệp thì không sử dụng chậu nước đá cũng không dùng lò.
Trong các transmitter nhiệt độ sử dụng trong công nghiệp quá trình, chậu nước đá
chuẩn phải được thay thế bằng một mối nối chuẩn theo sự thay đổi của môi trường.
Điều này có thể đạt được bằng cách thực hiện hai thay đổi từ hình 2.4. Thay đổi đầu
tiên là chèn thêm vào một đoạn dây đồng ngắn giữa các đầu nối của vôn kế và cặp nhiệt
điện và đặt các mối nối mới này trên một khối cách nhiệt (hình 2.5). Sự thay đổi này
loại bỏ các mối nối J3 và J4 được trình bày trong hình 2.4 bởi vì trong hình 2.5, tại hai vị
trí này là các mối nối giữa đồng với đồng. Bằng việc thay thế các mối nối J 3 và J4 mới
trên khối cách nhiệt, như được trình bày trong hình 2.5, các ảnh hưởng của chúng bị
loại bỏ bởi vì chúng ngược chiều nhau và ở cùng nhiệt độ. Sự thay đổi thứ hai là không
đặt điểm chuẩn trong chậu nước đá mà đặt trên khối cách nhiệt. Lúc này vôn kế đo điện
áp của cặp nhiệt điện khi mối nối chuẩn ở nhiệt độ TREF , và sử dụng một thiết bị đo
nhiệt khác để đo nhiệt độ điểm chuẩn. Khi nhiệt độ TREF được đo chính xác, phần mềm
liên quan sẽ xác định được lượng mV mà một cặp nhiệt điện sẽ tạo ra nếu điểm nóng tại
nhiệt độ TREF và điểm lạnh được đặt trong chậu nước đá. Cộng hai giá trị điện áp này và
nội suy từ bảng tra thích hợp ta sẽ được giá trị nhiệt độ tương ứng. Nhiệt độ này chính
là nhiệt độ quá trình cần đo.

Hình 2.5

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 23/155


Phần II: Cảm biến

Hình 2.6: Sơ đồ kết nối TC công nghiệp
Các loại cặp nhiệt điện
Có nhiều loại cặp nhiệt điện, và mỗi loại được chế tạo từ những kim loại khác nhau.
Việc lựa chọn một loại cặp nhiệt điện thông thường dựa vào:
 Các điều kiện của quá trình điều khiển
 Dải nhiệt độ cần đo
 Cấp chính xác yêu cầu
Mỗi loại cặp nhiệt điện được ký hiệu bằng một chữ cái và có thể nhận diện được chúng
bằng màu dây. Bảng sau đây trình bày một số loại cặp nhiệt điện thông dụng, dải nhiệt
độ và ký hiệu màu dây của chúng.
Kiểu
E
J
K
R
S
T

Kim loại sử dụng
Chromel (+)
Constantan (-)
Iron (+)
Constantan (-)
Chromel (+)
Alumel (-)

Platinum-13%Rhodium(+)
Platinum (-)
Platinum-10%Rhodium (+)
Platinum (-)
Copper (+)
Constantan (-)

Mã màu
(+) Đỏ tía
(-) Đỏ
(+) Trắng
(-) Đỏ
(+) Vàng
(-) Đỏ

Dải nhiệt độ đo
-200oC đến 900oC
0oC đến 760oC
-200oC đến 1250oC

Không có

0oC đến 1450oC

Không có

0oC đến 1450oC

(+) Xanh da trời
(-) Đỏ

-200oC đến 350oC

Với mỗi loại cặp nhiệt điện, điện áp do điểm đo sinh ra ứng với mỗi nhiệt độ được ghi
lại thành bảng chuyển đổi. Bảng chuyển đổi cho biết sự chênh lệch điện áp giữa mối nối
đo và mối nối chuẩn khi mà mối nối chuẩn được duy trì hoặc được bù về mặt điện ở
0oC.
Tất cả các mối nối giữa hai kim loại khác nhau trong mạch sử dụng cặp nhiệt điện phải
được tính tới để biết chính xác điện áp đo mối nối đo lường tạo ra.
Xem xét kỹ các bảng chuyển đổi của các loại cặp nhiệt điện ta thấy mối quan hệ giữa
điện áp theo sự thay đổi của nhiệt độ là không tuyến tính. Ở bảng chuyển đổi của cặp
nhiệt điện loại K, điện áp ra là 0.397mV khi nhiệt độ tại mối nối đo lường là 10 oC. Nếu
quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp này thật sự tuyến tính thì ở 40 oC, điện áp ra phải là
4x0.397=1.588mV. Tuy nhiên giá trị thực tra được ở bảng là 1.612mV. Trong vòng điều
khiển, mạch điện tử sẽ tự động bù lại tính chất không tuyến tính này.
Khi nhiệt độ tại mối nối đo lường trên 0 oC, điện áp tại dây dương sẽ cao điện áp tại dây
âm. Khi nhiệt độ mối nối đo lường thấp hơn 0 oC, dây dương sẽ trở thành âm và điện áp
Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 24/155


Phần II: Cảm biến

hiển thị trên máy đo sẽ âm. Khi nhiệt độ của mối nối đo lường bằng 0 oC, bằng với nhiệt
độ của mối nối chuẩn, điện áp đo được sẽ bằng 0. Hình 2.7 sau đây cho thấy điện áp ra
của một cặp nhiệt điện trong hai trường hợp: khi nhiệt độ điểm đo cao hơn nhiệt độ
điểm chuẩn và ngược lại

Hình 2.7

Kết nối nhiều cặp nhiệt điện
Thỉnh thoảng nhiều cặp nhiệt điện được nối với nhau để lấy giá trị nhiệt độ trung bình
của vài điểm đo. Hình 2.8 sau đây là một ví dụ về 3 cặp nhiệt điện loại J được nối song
song với nhau để lấy nhiệt độ trung bình của một chiếc giường sưởi khi hơi khí nóng đi
qua nó. Đồng hồ đo điện áp trong hình vẽ chỉ giá trị 11.889mV, đây là giá trị trung bình
của 3 điện áp ra trên 3 cặp nhiệt điện. Điện áp cụ thể của các điểm đo như sau:

MJ1 = 200oC = 10.779mV
MJ2 = 220oC = 11.889mV
MJ3 = 240oC = 13.000mV

Hình 2.8: Đo nhiệt độ bằng nhiều TC

Cơ sở về đo lường quá trình

Trang 25/155