CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ 1.1 Giới thiệu chung về lò điện trở Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v. Lò điện trở được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất lượng cao + Sản xuất các hợp kim phe-rô + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện + Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi + Sản xuất đúc và kim loại bột Trong các lĩnh vực công nghiệp khác : + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện trở được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm + Trong các lĩnh vực khác, lò điện trở được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v. Lò điện trở không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.
Ưu điểm + Có khả năng tạo được nhiệt độ cao + Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao + Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh nhiệt độ 9 + Kín + Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm. Nhược điểm + Năng lượng điện đắt + Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng. Cấu tạo của lò Hình 1.1: Hình ảnh minh họa các thiết bị lò nhiệt 10 Thông số của lò nhiệt Model OXY-500 Kích thước trong (cm) 40 x 45 x 40 Kích thước ngoài (cm) 50 x 100 x 63 Trọng lượng (Kg) 60 Công suất (kW) 2.0 Tăng nhiệt 100oC /15 phút Bảng 1.1 Thông số cấu tạo của lò OXY-500 Lò điện trở thường gồm 3 phần chính là: vỏ lò, lớp lót và dây nung. Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu chịu trọng tải trong quá trình làm việc của lò.
Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín của lò giúp giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò. Khung vỏ lò cần làm cứng, vững đủ để chịu trọng tải của lớp lót, phụ tải lò và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. Lớp lót Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng kích thước của buồng lò.
Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ngoài nhờ các khuôn. 11 Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt.
Riêng đối với đáy phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt hoặc các lớp cách nhiệt. Dây nung Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nhiệt do đó phải đảm bảo được các yêu cầu cần thiết. Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung người ta chia dây nung làm 2 loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại được chế tạo bằng hợp kim Crôm – Nhôm và Crôm – Niken là hợp kim có điện trở suất lớn. Bộ đo và hiển thị nhiệt độ • Thiết bị đo nhiệt độ và khếch đại, dùng để hiển thị và cài đặt nhiệt độ, lối ra tiếp điểm rơ le sẽ phản hồi về PLC để điều khiển • Đèn hiển thị trạng thái, có chức năng hiển thị các trạng thái như ON, OFF, chế độ tự động, chế độ bằng tay, báo động. Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ: Q = I2.1) Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J) I - Dòng điện tính bằng Ampe (A) R - Điện trở tính bằng (Ω ) t - Thời gian tính bằng giây (s) 12 Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò : + Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp + Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp.
Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn ). Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò.2 Hệ thống điều khiển lò nhiệt Nhiệt độ là một đại lượng vật lý, nó hiện diện khắp nơi cả trong sản xuất lẫn sinh hoạt hàng ngày. Quá trình đo và kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất công nghiệp đóng vai trò to lớn trong hệ thống điều khiển tự động, góp phần quyết định chất lượng sản phẩm.
Khi thu thập dữ liệu cho quá trình điều khiển và giám sát trong nhà máy thì nhiệt độ là một thông số không thể bỏ qua. Tùy theo yêu cầu và tính chất của quá trình điều khiển mà ta sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp. Tính chính xác và ổn định nhiệt độ cũng đặt ra vấn đề cần giải quyết. Hệ thống điều khiển nhiệt độ thường được chia làm hai loại: + Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system): thường xác định và giám sát kết quả điều khiển, so sánh với tín hiệu đặt và tự động điều chỉnh lại cho đúng.
+ Hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system): thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định tuần tự. 13 Một hệ thống muốn đạt được độ chính xác cần thiết cần thiết phải thực hiện hồi tiếp, tín hiệu phản hồi về so sánh với tín hiệu vào và sai lệch sẽ được đưa tới bộ điều chỉnh đầu ra. Hệ thống điều khiển này có nhiều ưu điểm được sử dụng nhiều trên thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động. Dạng tổng quát của hệ thống điều khiển được mô tả trên nguyên tắc như hình sau: Hình 1.2: Hệ thống điều khiển vòng kín 1.3 Các phương pháp đo nhiệt độ Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường phân loại các phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo.
Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao. Ở nhiệt độ trung bình và thấp: phương pháp thường đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo. Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường được sử dụng là các nhiệt kế tiếp xúc.
Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc, gồm: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu. Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ -5500C ÷ 20000C hiện nay người ta thường ứng dụng các IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các điốt, tranzito để đo nhiệt độ. Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo: 14 + Đối với môi trường khí và nước: chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy. + Với vật rắn khí: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.
Do vậy điện tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt. + Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất.): cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài. Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600 0C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệt. Quá trình quá độ khi đốt nóng cặp nhiệt có phương trình: t θ=f(t)= ∆T.2) Trong đó: θ: Lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t.
∆T: Hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt. τ: Hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu. Dựa trên quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà không cần nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy. Bằng cách nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo trong khoảng 0,4 ÷ 0,6s ta sẽ được phần đầu của đặc tính quá trình quá độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được nhiệt độ của môi trường.
Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng một nửa nhiệt độ môi trường thì nhiệt độ tính được có sai số không quá hai lần sai số của nhiệt kế nhiệt ngẫu đo trực tiếp. Phương pháp này thường dùng để đo nhiệt độ của thép nấu chảy. Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng bằng mật độ phổ E nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một dơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng.
Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức: -1 E0λ = C1 λ-5 (eC2/(λT) -1) (1.3) Trong đó: λ – Độ dài sóng T – Nhiệt độ tuyệt đối.