Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm đề xuất phương pháp đo và kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác trên cơ sở nội suy gián tiếp. Sử dụng các thiết bị đo có chi phí rẻ, xác định được phổ nhiệt độ trong không gian lớn nhanh và chính xác, thu thập dữ liệu liên tục làm cơ sở cho yêu cầu của buồng dưỡng hộ ngói xi măng. Mời các bạn cùng tham khảo!
TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined
Đặt vấn đề
Ngói là vật liệu xây dựng truyền thống, được ưa chuộng nhờ khả năng cách nhiệt tự nhiên và phù hợp với nhiều kiểu kiến trúc Tuy nhiên, việc sản xuất ngói bằng công nghệ truyền thống gây ô nhiễm môi trường Hiện nay, do nhu cầu vật liệu xây dựng gia tăng và áp lực bảo vệ môi trường, ngành vật liệu xây dựng tại Việt Nam chuyển sang sử dụng công nghệ không nung Theo quy hoạch phát triển vật liệu xây dựng đến năm 2030, ngành này sẽ ưu tiên phát triển bền vững, sử dụng tài nguyên hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm Đặc biệt, vật liệu xi măng cát được chú trọng vì nguồn nguyên liệu phong phú và phù hợp với khí hậu Việt Nam Một trong những dự án quan trọng là nghiên cứu thiết kế dây chuyền sản xuất ngói không nung từ xi măng, cát và sợi polyme, do Viện Cơ điện tử CIE thực hiện.
Chủ nhiệm Đề tài: KS Hoàng Anh Sơn thực hiện
Đề tài này tập trung vào nghiên cứu và thiết kế dây chuyền sản xuất ngói không nung, bao gồm các bước từ trộn tự động nguyên liệu, cán ép tạo hình, đến quá trình dưỡng hộ và tách lấy ngói hoàn thiện.
Đề tài luận văn này tập trung nghiên cứu phương pháp xây dựng trường nhiệt độ trong buồng dưỡng hộ ngói, nhằm điều khiển nguồn nhiệt cấp vào buồng dưỡng một cách hợp lý Nghiên cứu sẽ đo sự phân bố nhiệt độ trong buồng dưỡng bằng kỹ thuật mô hình hóa hàm dạng, góp phần tăng năng suất và đồng đều của sản phẩm Đề tài có tính cấp thiết từ góc độ môi trường, năng suất và chất lượng vật liệu xây dựng, ảnh hưởng đến việc cấp phép sản xuất và lưu hành sản phẩm Nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở để đánh giá thiết kế và bố trí sản phẩm trong buồng dưỡng, đồng thời giúp điều chỉnh năng lượng tiêu hao cho quá trình sấy, đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu này giới thiệu một phương pháp đo và kiểm soát nhiệt độ chính xác thông qua nội suy gián tiếp, sử dụng thiết bị đo chi phí thấp Phương pháp này cho phép xác định nhanh chóng và chính xác phổ nhiệt độ trong không gian lớn, đồng thời thu thập dữ liệu liên tục, đáp ứng yêu cầu cho buồng dưỡng hộ ngói xi măng.
Luận văn nghiên cứu phương pháp mô hình hóa trường nhiệt độ bằng cách so sánh hàm dạng lý thuyết và hàm dạng thực nghiệm Mục tiêu là xác định phương pháp phù hợp nhất cho bài toán thực tế Dựa trên phương pháp đã chọn, học viên sẽ xây dựng mô hình trường nhiệt trong buồng dưỡng để kiểm tra sự phân vùng nhiệt độ và chênh lệch cho phép giữa các vùng Mô hình toán sẽ thiết lập ba bài toán: điểm có nhiệt độ cao nhất, điểm có nhiệt độ thấp nhất, và so sánh với chế độ cấp nhiệt theo thời gian trong quá trình dưỡng hộ ngói.
Tìm nhiệt độ của điểm cho trước
Các bài toán thực tiễn được liên kết với điều kiện sản xuất ngói tại Công ty Cổ phần Xây Dựng và Thiết bị Công Nghiệp CIE1, tọa lạc tại Lô 22+23, khu công nghiệp Quang Minh, Mê Linh, Hà Nội, từ đó đưa ra các kết luận liên quan đến mô hình sản xuất này.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê, so sánh
- Phương pháp hồi quy và nội suy
Sơ lược về ngói xi măng cát cốt sợi polyme
Bài viết này tập trung vào các bài toán liên quan đến điều kiện sản xuất ngói tại Công ty Cổ phần Xây Dựng và Thiết bị Công Nghiệp CIE1, tọa lạc tại Lô 22+23, khu công nghiệp Quang Minh, Mê Linh, Hà Nội, và đưa ra kết luận dựa trên mô hình thực tiễn của công ty.
- Phương pháp thống kê, so sánh
- Phương pháp hồi quy và nội suy
1.4 Dự kiến kết quả đạt được
Đề tài này có ý nghĩa khoa học quan trọng, góp phần phát triển phương pháp xác định nhiệt độ gián tiếp và nội suy phổ nhiệt độ trong không gian lò dưỡng hộ một cách chính xác.
Sự thành công trong nghiên cứu nhiệt độ là nền tảng quan trọng cho việc nghiên cứu và ứng dụng các đại lượng khác như độ ẩm, âm thanh và ánh sáng.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được sử dụng công nghiệp, luyện kim, và nông nghiệp
1.5 Tổng quan về ngói xi măng cát cốt sợi polyme và công nghệ làm ngói
1.5.1 Ngói và một số công nghệ làm ngói :
Trên thế giới và tại Việt Nam hiện nay tồn tại 2 công nghê làm ngói như sau:
Ép thủy lực định hình trong khuôn: đươc sử dụng hạn chế và sử dụng trong tạo hình phụ kiện kèm theo ngói
Sản phẩm có hình dạng bất kỳ
Vật liệu làm ngói: Bê tông độ sụt thấp, đất sét
Hình 1.1 Sản xuất ngói bằng máy ép thủy lực khuôn định hình
Kết cấu khuôn phức tạp, giá thành cao
Năng suất sản xuất hiện nay rất thấp, chỉ đạt tối đa 4 viên mỗi giờ, do mất nhiều thời gian trong việc cấp vật liệu vào khuôn và quá trình luân chuyển giữa các khâu sản xuất.
Môi trường bị ô nhiễm do nước xi măng thất thoát ra ngoài trong quá trình ép
Công nghệ cán ép liên tục được sử dụng phổ biến
Sản phẩm có một mặt là bề mặt trượt liên tục
Vật liệu làm ngói: bê tông ẩm, đất sét
Năng suất rất cao tới 120 viên/ph do áp dụng được tự động hoàn toàn quá trình sản xuất
Hình 1.2 Sản xuất ngói bằng dây chuyền cán ép liên tục
Không sử dụng được cho các sản phẩm có hình dạng bất kỳ
1.5.2 Yêu cầu kỹ thuật của ngói dùng làm vật liệu xây dựng :
Tại Việt Nam, các nhà sản xuất ngói lợp sử dụng hai tiêu chuẩn phổ biến để kiểm tra và đánh giá chất lượng sản phẩm Một trong số đó là Tiêu chuẩn TCVN 1453: 1986, quy định về ngói có rãnh.
Về Kiểu dáng và kích thước
Với các yêu cầu về kích thước được thể hiện trong hình 1.3 và bảng 1.1 Ngoài ra còn một số các yêu cầu sau đây:
- Chiều sâu rãnh ngói không nhỏ hơn 5(mm), chiều cao mấu không nhỏ hơn 15(mm)
- Ngói phải có lỗ xâu dây thép và đường kính lỗ không nhỏ hơn 2(mm), ở khoảng cách 100(mm) kể từ rìa phía dưới của viên ngói
Hình 1.3 Hình dạng và biên dạng ngói lợp xi măng theo TCVN 1453 : 1986
Yêu cầu về dung sai cho phép đối với ngói có rãnh
Bảng 1.1 Bảng kích thước ngói lợp xi măng cát theo TCVN 1453 : 1986 (đơn vị mm)
Kích thước đủ Kích thước có ích
Chiều dày h Chiều dài a Chiều dài b Chiều dài c Chiều rộng d
380 ± 5 240 ± 3 330 ± 3 220 ± 3 12 ± 2 b Tiêu chuẩn theo khuyết tật hạng ngói
Ngói xi măng cát được phân làm hai hạng: hạng 1 và hạng 2 tùy theo mức sai lệch cho phép về khuyết tật hình dạng bên ngoài (bảng 1.2)
Bảng 1.2 Các khuyết tật cho phép của ngói lợp xi măng theo TCVN 1453 : 1986
Tên khuyết tật Mức cho phép
Hạng 1 Hạng 2 Độ vuông bề mặt, tính bằng mm, không lớn hơn 2 3
Vết sứt hoặc chỗ vỡ ở một góc hay trên chiều dài của một gờ, tính bằng mm, không lớn hơn 8 12
Vết sứt hoặc chỗ vỡ ở mấu, có kích thước không quỏ ẳ chiều cao mấu, tớnh theo số vết, khụng quỏ 1 2
Ngói có thể được sản xuất với màu sắc phủ toàn bộ chiều dày hoặc chỉ ở bề mặt Chất liệu màu dùng để chế tạo ngói màu cần phải bền vững trước các tác động môi trường và không làm giảm độ bền của viên ngói.
Ngói trong một lô cần có màu sắc đồng nhất và mỗi viên ngói phải đảm bảo bề mặt nhẵn, mép phẳng, không có vết nứt Các khuyết điểm như vết xước, xi măng thừa trên bề mặt, và các hạt sạn trong khoang rãnh úp không được phép ảnh hưởng đến quá trình ghép hoặc tháo dỡ ngói.
Đối với ngói đóng rắn trong môi trường ẩm, tải trọng uốn gãy của viên ngói ở trạng thái khô sau 28 ngày không được nhỏ hơn 450 N.
- Khối lượng một mét vuông mái lợp ở trạng thái bão hòa nước, không lớn hơn 50(kg)
- Thời gian xuyên nước của ngói xi măng cát không sớm hơn 60 phút
Bảng 1.3 Yêu cầu về kích thước của ngói phẳng, ngói sóng
Sai số kích thước Các thông số
Chiều dài và rộng có ích (mm)
Khối lượng trên một viên (kg)
Hình 1.4 Mặt cắt ngang sản phẩm ngói
Yêu cầu về đặc tính chống chịu của ngói phẳng và ngói sóng
- Các vấn đề như biến dạng, nứt phải được loại bỏ
- Sản phẩm ngói phải vượt qua các đặc điểm kỹ thuật sau:
Bảng 1.4 Đặc tính chống chịu của ngói phẳng và ngói sóng
Tải trọng bẻ gãy (N) Độ hút nước (%)
Khả năng chống lại băng giá và tan băng
Khả năng chống chịu thời tiết
Khả năng chống va đập
Bề mặt ướt không đáng kể và ráo nước ở bề mặt phía trong
Bề mặt thay đổi không đáng kể và không bị tách lớp
Không có vết nứt, phân lớp và màu sắc không thay đổi đáng kể trên bề mặt lớp ngoài cùng
Không có sự tác lớp trên bề mặt ngoài cùng Không phồng lên và hở ở bề mặt phía trong Ngói sóng
1.5.3 Quy trình công nghệ sản xuất ngói xi măng cát cốt sợi polyme : a Vật liệu sản xuất ngói
Cát là vật liệu tự nhiên dạng hạt, bao gồm các hạt đá và khoáng vật nhỏ, mịn Trong địa chất học, kích thước hạt cát được xác định với đường kính trung bình từ 0,0625 mm đến 2 mm.
Nghiên cứu cấp phối cát vàng, loại cát song ít tạp chất với kích thước hạt trung bình dưới 2.5 mm, cho thấy đây là nguyên liệu lý tưởng để sản xuất ngói xi măng cát Hỗn hợp vật liệu sau khi trộn sẽ ở dạng ẩm, do đó cần bảo quản cát trong nhà xưởng để tránh tình trạng ngậm nước, đảm bảo đầu vào vật liệu đồng đều.
Xi măng là một chất kết dính thủy lực dạng bột mịn màu đen xám, được tạo ra từ việc nghiền mịn Clinker xi măng kết hợp với các phụ gia theo tỷ lệ thích hợp Khi trộn với nước, cát và đá, xi măng sẽ nhanh chóng thiết lập và cứng lại như đá, mang lại độ bền cao và khả năng chịu đựng tốt trước các tác động bên ngoài như mài mòn, thời tiết, nhiệt độ và chấn động Đặc biệt, xi măng vẫn giữ được độ cứng ngay cả khi tiếp xúc với không khí Khi tiếp xúc với nước hoặc môi trường ẩm, xi măng sẽ trải qua một phản ứng hóa học, tạo ra sự kết dính mạnh mẽ.
Tính chất đặc trưng của xi măng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, do đó việc bảo quản xi măng cần được thực hiện trong môi trường khô ráo, được che chắn kỹ lưỡng để tránh tình trạng hút ẩm và vón cục.
Sợi Polyme có khả năng chịu tải cao và độ co giãn thấp dưới tải, mang lại sức bền vượt trội cho vật liệu tổng hợp, giúp nâng cao khả năng chịu lực và chống va đập Với đặc tính bền hóa chất, sợi Polyme rất phù hợp để chế tạo sản phẩm composit, đặc biệt là khả năng kết dính với xi măng tốt hơn so với các polyme hữu cơ.
Trong công nghệ sản xuất ngói cán xi măng – cát – cốt sợi Polymer, Sợi PP được lựa chọn làm cốt sợi Polymer nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó Mặc dù có hàm lượng thành phần thấp, nhưng nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng việc sử dụng sợi PP cải thiện đáng kể cơ tính của sản phẩm so với các loại ngói không sử dụng sợi gia cường.
18 ra chúng còn có tác dụng làm giảm đáng kể khối lượng sản phẩm giúp tiết kiệm nguyên vật liệu sản xuất
Vật liệu này chủ yếu được sản xuất và đóng gói dưới dạng bao bì, do đó cần được bảo quản cẩn thận trong kho xưởng để đảm bảo chất lượng Quy trình sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính ổn định và hiệu quả của sản phẩm.
Xi măng Cát Sợi Nước Định lượng
Máy tạo hình liên tục sản phẩm
Hình 1.5 Quy trình sản xuất ngói xi măng cát cốt sợi polyme
Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ thiết bị ngói xi măng cát cốt sợi polyme
HÀM DẠNG VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA TRƯỜNG VÔ HƯỚNG
Mở đầu
Nội suy và hồi quy là hai phương pháp phổ biến trong kỹ thuật, giúp giảm chi phí so với các phương pháp truyền thống Trong luận văn này, tác giả tập trung vào phương pháp nội suy sử dụng hàm định dạng, phù hợp để nội suy các tham số như nhiệt độ, sai số và độ ẩm, đặc biệt là các tham số dạng trường Kỹ thuật này mô tả hệ số ảnh hưởng từ nguồn đến giá trị tham số tại điểm khảo sát, được gọi là hàm dạng Để xác định chính xác hàm dạng, tác giả áp dụng cả phương pháp hồi quy thực nghiệm và lý thuyết Kết quả cho thấy sự chênh lệch giữa kết quả nội suy và thực tế nằm trong giới hạn chấp nhận, cho thấy phương pháp này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều mô hình nội suy khác khi chưa có nghiên cứu trước đó.
2.2 Khái niệm về hàm dạng
Một số đại lượng vật lý và hóa học như âm thanh, ánh sáng, trọng lực, nồng độ, độ ẩm và nhiệt độ tồn tại dưới dạng trường và lan truyền trong không gian theo các quy luật xác định Những đại lượng này bắt nguồn từ nguồn có giá trị lớn nhất và suy giảm cường độ khi di chuyển đến các điểm khác Khi có nhiều nguồn, chúng tạo thành một mạng lưới, trong đó một điểm bất kỳ có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn khác nhau theo thời gian.
Giả sử xét một mạng gồm n nguồn trong không gian, với Ni là hệ số ảnh hưởng của nguồn thứ i tới điểm khảo sát Pi thuộc không gian đó
Hình 2.1 Trọng số ảnh hưởng cường độ của các nguồn riêng biệt tới điểm khảo sát
Cường độ của tham số khảo sát tại nguồn i, ký hiệu là i, được đo bằng các phép đo đơn giản Tích số (N i i ) thể hiện giá trị định lượng ảnh hưởng của nguồn Ni tới điểm pi theo một kênh riêng, không phụ thuộc vào các nguồn khác Khi xem xét ảnh hưởng của tất cả n nguồn tới điểm pi, cường độ tham số xếp chồng tại pi được giả thiết như sau:
(2-1) Trong đó Ni là giá trị dừng của hàm dạng nguồn thứ i, với i=1÷n
Tức là có quan hệ sau tại điểm pi:
Các hàm fi(x,y,z) ở vế trái của (2) được gọi là hàm dạng, trong đó Ni là giá trị dừng của hàm này tại các điểm khảo sát pi khác nhau Hàm này thể hiện hệ số ảnh hưởng của nguồn đến cường độ tham số tại điểm khảo sát pi cụ thể, và Ni chỉ là giá trị dừng của hàm tại điểm pi.
Một số phương pháp nội suy
2.3.1 Phương pháp nội suy sử dụng hàm dạng lý thuyết
Phương pháp nội suy r,s,t là một kỹ thuật nội suy sử dụng hàm dạng dựa trên các phần tử ba chiều Mỗi phần tử với n đỉnh sẽ tương ứng với n hàm định dạng khác nhau.
Với cấu trúc 8 đỉnh, chúng ta có thể tạo ra 8 hàm định dạng riêng biệt Điều này cho phép chúng ta tổng quát hóa và xây dựng các hàm định dạng bậc nhất, bậc hai, bậc ba, và nhiều bậc khác.
Khi sử dụng hàm định dạng bậc cao, số lượng điểm chuẩn cần thiết cho mỗi phần tử sẽ tăng lên Việc xác định bậc của hàm này phụ thuộc vào mức độ biến thiên sai số trong từng phần tử Đối với những biến thiên phức tạp, cần sử dụng hàm định dạng bậc cao để đạt được giá trị nội suy sai số chính xác hơn Tuy nhiên, điều này yêu cầu phải biết trước nhiều hơn về sai số tại các điểm chuẩn, dẫn đến yêu cầu về thời gian xử lý và bộ nhớ máy tính lớn hơn.
Hình 2.2 Hệ tọa độ ( r,s,t) cho các hàm định dạng
Hàm định dạng cho 8 phần tử trên hình 2.2 xác định như sau:
(2-3) Ở đây r,s,t là hệ tọa độ để xác định các giá trị nội suy có gốc tại trọng tâm của phần tử và được tính theo công thức sau:
(2-4) Trong công thức này a, b, c là giá trị các bán trục của phần tử theo phương x, y, z tương ứng
Tọa độ trọng tâm (x * ,y * ,z * ) của phần tử đang xét tính theo biểu thức sau:
(2-5) Như vậy giá trị các tọa độ r, s, t sẽ biến thiên từ -1 tới +1
Các hàm định dạng với sơ đồ chia phần tử bất kỳ đều phải thỏa mãn ba điều kiện sau:
Giá trị của các hàm định dạng tại mỗi điểm là 1, trong khi giá trị của tất cả các hàm định dạng khác tại điểm đó là 0.
- Thứ hai: Giá trị các hàm định dạng giảm dần từ 1 tại điểm đó tới 0 tại các điểm chuẩn khác
- Thứ ba: Tổng giá trị các hàm định dạng tại một điểm bất kỳ đều bằng 1
Tới đây chúng ta hoàn toàn có thể xác định được giá trị các hàm định dạng tại một điểm bất kỳ theo công thức sau:
Để tính toán nhiệt độ tại một điểm trong lòng hộp, ta sử dụng công thức với các thông số sau: t là nhiệt độ tại điểm cần tính, t i là nhiệt độ đã biết từ các cảm biến nhiệt, và n là số lượng cảm biến nhiệt được sử dụng.
Khi quét toàn bộ không gian trong hộp theo ba chiều x, y, z, ta có thể xác định được trường nhiệt độ trong toàn khối hộp Việc xử lý dữ liệu này là cần thiết để đưa ra quyết định phù hợp với mục đích của từng nhiệm vụ cụ thể.
2.3.2 Phương pháp nội suy sử dụng hàm dạng thực nghiệm
Trong kỹ thuật, việc nội suy tham số vật lý trong các môi trường khác nhau yêu cầu sử dụng các hàm dạng phù hợp Nếu chọn hàm dạng không chính xác, sẽ dẫn đến sai số tính toán lớn, được gọi là sai số phương pháp hoặc sai số thuật toán Để đảm bảo hàm dạng khớp với kiểu thay thế cụ thể, việc xác định kiểu hàm dạng là rất quan trọng Kỹ thuật hồi quy có thể hỗ trợ trong việc xác định hàm dạng thích hợp cho từng mô hình.
Theo hình 2.1, khi pi thay đổi các hàm dạng (N 1,N 2, ,N n ) i cũng biến đổi theo Giả sử khảo sát một tập hợp n điểm nằm phía bên trong của trường n nguồn (1, 2, ,
Với toàn bộ (n+1) giá trị cường độ tham số (1, 2, , n, pi) đã được xác định thông qua đo đạc, chúng ta giữ nguyên cường độ tham số tại các nguồn và chỉ thay đổi vị trí khảo sát.
(1) hệ phương trình sau đây hoàn toàn xác định được:
Hệ phương trình (3) không đủ điều kiện giải vì có n 2 ẩn số nhưng chỉ có n phương trình Để khắc phục, ta thực hiện thí nghiệm ngược lại tại một điểm khảo sát pi duy nhất, giữ nguyên các hàm dạng (N 1,N 2, ,N n ) i, chỉ thay đổi cường độ n nguồn phát.
Từ đây xác định được giá trị dừng của hàm dạng tại tất cả các nguồn:
Để xác định hàm dạng tổng quát, một bộ giá trị dừng duy nhất theo (5) là không đủ; cần phải khảo sát một loạt điểm khác, chẳng hạn như từ p1 đến pm.
Như vậy luật hồi quy cho phép xác định được hàm dạng tổng quát ở nguồn thứ i như sau:
Hàm dạng có giá trị cường độ lớn nhất tại nguồn của nó và giảm dần theo các hướng khác, đồng thời bằng không tại các nguồn khác Do đó, việc đưa các nguồn vào khảo sát là cần thiết trước khi tiến hành hồi quy để tìm hàm dạng tổng quát.
So sánh và lựa chọn hàm dạng phù hợp
Giá trị nội suy theo hàm lý thuyết và hàm thực nghiệm với cùng cường độ các điểm chốt thường không đồng nhất, ngoại trừ tại điểm chốt Việc so sánh hai phương pháp tính này với dữ liệu đo từ kiểm chứng độc lập sẽ giúp xác định độ chính xác của từng phương pháp nội suy.
2.4.1 Mô tả thiết bị đo :
Đồng hồ đo nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý giãn nở của hai kim loại khác nhau được ép chặt vào nhau Khi nhiệt độ thay đổi, thanh kim loại sẽ cong lại, dẫn đến sự thay đổi vị trí của kim chỉ thị Người dùng có thể dễ dàng đọc được nhiệt độ thông qua mặt đồng hồ.
Hình 2.3 Cấu tạo nhiệt kế lưỡng kim
Đồng hồ đo nhiệt độ dạng "lưỡng kim" hoạt động dựa trên nguyên lý hai kim loại có độ giãn nở khác nhau Khi nhiệt độ thay đổi, sự khác biệt này khiến một trong hai kim loại uốn cong về một phía, với kim loại có độ giãn nở thấp hơn sẽ bị uốn cong nhiều hơn.
Lá kim loại trong đồng hồ đo nhiệt độ có một đầu cố định vào ống bảo vệ và đầu còn lại gắn với trục truyền động của kim chỉ thị Khi nhiệt độ thay đổi, hai lá kim loại với độ giãn nở khác nhau sẽ làm xoay trục, giúp kim chỉ thị chỉ đến vạch nhiệt độ chính xác Để giảm thiểu ảnh hưởng hóa học và rung động từ môi trường, hai lá kim loại được thiết kế xoắn theo dạng lò xo và đặt bên trong ống bảo vệ bằng kim loại, thường là thép không gỉ.
Hình 2.4 Nguyên lý thanh lưỡng kim
* Can nhiệt hay có tên gọi khác là Cảm biến nhiệt độ, cặp nhiệt, nhiệt điện trở, dùng để đo nhiệt độ trong quá trình sản xuất công nghiệp
Hình 2.5 Ảnh can nhiệt điển hình
+ Nhiệt điện trở kim loại ( RTD-resitance temperature detector )- nhiệt điện trở dương: được làm từ các kim loại như Đồng, Niken, Platinum…Nguyên lý hoạt động
Cảm biến nhiệt điện trở (RTD) hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến điện trở, với ưu điểm nổi bật như đơn giản, độ nhạy cao và ổn định lâu dài RTD thường có các loại 2 dây, 3 dây và 4 dây, trong đó phổ biến nhất là cảm biến Pt100 làm từ Platinum, có hệ số @ = 0.00391 và điện trở Ro = 100 Ohm tại 0 độ C Dải đo nhiệt độ của RTD là từ -40 đến 600 độ C, và do là loại cảm biến thụ động, nó cần được cấp nguồn ổn định từ bên ngoài để hoạt động hiệu quả.
Nhiệt điện trở bán dẫn, bao gồm diode và IC, là loại cảm biến nhiệt độ âm được chế tạo từ chất bán dẫn Chúng thường được sử dụng để đo nhiệt độ không khí và bảo vệ các mạch điện tử trong các thiết bị đo lường.
Cặp nhiệt điện, hay còn gọi là cặp nhiệt ngẫu, được cấu tạo từ hai kim loại khác nhau hàn dính tại một đầu Nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ tạo ra sức điện động biến đổi (mV) Cặp nhiệt điện có ưu điểm là bền bỉ và có khả năng đo nhiệt độ cao, nhưng cũng có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, dẫn đến sai số và độ nhạy không cao Chúng thường được sử dụng trong lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt và để đo nhiệt độ trong máy nén Có hai loại chính là cặp nhiệt loại K và R, cùng với các loại S và B, mỗi loại có dải đo nhiệt khác nhau.
Can nhiệt K (0- 1200 độ C), can nhiệt R (0- 1800 độ C), can nhiệt S (0- 1600 độ C), can nhiệt B (0- 1800 độ C)
Thermistor là một loại cảm biến nhiệt được làm từ hỗn hợp các oxit kim loại như mangan, nickel và cobalt Thiết bị này chỉ hoạt động tuyến tính trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 150 độ C Nguyên lý hoạt động của thermistor dựa trên việc thay đổi điện trở khi nhiệt độ biến đổi Mặc dù không phổ biến trong việc đo nhiệt độ, thermistor thường được sử dụng trong các ứng dụng bảo vệ và ngắt nhiệt.
Hình 2 6 Nhiệt điện trở NTC
NTC viết tắt từ Negative Temperature Coefficient Theo tiêu chuẩn DIN
Điện trở bán dẫn 44070 và IEC Publ 539 có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là trị số điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt độ của hai loại điện trở này dao động từ 3 đến 6%/K, lớn gấp 10 lần so với điện trở kim loại như nickel hay platin.
NTC dẫn điện hiệu quả hơn khi được đun nóng so với khi để nguội, với điện trở giảm mạnh khi nhiệt độ tăng Trong khoảng nhiệt độ từ 0 oC đến 150 oC, điện trở của NTC giảm hơn 100 lần NTC là hỗn hợp đa tinh thể của nhiều oxit gốm, được nung chảy ở nhiệt độ cao từ 1000 đến 1400 oC, bao gồm các oxit như Fe2O3, Zn2TiO4, MgCr2O4, NiO và CO với LiO2 Để đảm bảo các NTC có đặc trưng kỹ thuật ổn định trong thời gian dài, chúng còn được xử lý lão hóa bằng các phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo.
Nhiệt điện trở NTC trong trường hợp dòng điện bé Đường biểu diễn của NTC được viết bởi công thức:
𝑇 𝑁) (2-12) Với RT điện trở ở nhiệt độ T [K]
RN điện trở ở nhiệt độ đặc trưng TN[K]
B : hằng số vật liệu NTC [K ]
Hệ số nhiệt độ của NTC :αR = - 1
Để đảm bảo đo nhiệt độ chính xác trong dải đo rộng, cần áp dụng các công thức hiệu chỉnh sai số khác nhau nhằm đạt được kết quả gần đúng Cần lưu ý rằng hằng số vật liệu B có giá trị thay đổi theo nhiệt độ.
𝜗 là nhiệt độ với o C như thế T= 𝜗 +273.15/K
Nhiệt điện trở (NTC) có khả năng hoạt động với dòng điện lớn, dẫn đến hiện tượng tự nóng lên Trong tình huống này, mức độ nóng lên của NTC với công suất điện P có thể được tính toán một cách chính xác.
Gth : Trị số nhiệt dẫn của NTC
Tu : Nhiệt độ môi trường
Cth: Nhiệt dung riêng của NTC
𝑑 𝑡 : Sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian
Một số ứng dụng của nhiệt điện trở NTC:
Nhiệt độ trở NTC được dùng để đo, hiệu chỉnh và bù trừ nhiệt độ Các loại
NTC hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ 55°C đến 125°C, với công suất định mức cao nhất từ 150mW đến 450mW Ngoài ra, NTC còn được sử dụng để hạn chế đỉnh cường độ dòng điện khi đóng điện, với các loại NTC có công suất định mức khoảng 2W và khả năng chịu đựng dòng điện lên đến 5A.
NTC còn được ứng dụng cho việc đóng rơ – le chậm lại
Nhiệt điện trở NTC được chế tạo với nhiều hình dáng khác nhau, đa số kích thước nhỏ để thời gian hồi đáp nhanh khi nhiệt độ thay đổi
Khi làm việc với dòng điện xoay chiều, cần chú ý đến bản chất của vật liệu NTC, vì nó không chỉ là một điện trở thuần mà còn có tính chất điện dung Tổng trở R của NTC sẽ giảm khi tần số dòng điện xoay chiều tăng.
2.4.2 So sánh và lựa chọn phương pháp nội suy với bài toán trường nhiệt độ Để kiểm chứng kết quả tính toán nói trên, chúng tôi bố trí một mô hình thí nghiệm như trên hình 2.7 Trên mô hình này, bố trí 8 cảm biến nhiệt [4], theo sơ đồ tvới các kích thước:
Hai quạt thông gió làm mát bố trí ở hai đầu của nhà kính có công suất
2.5W/chiếc;bóng đèn sưởi ấm bố trí rải rác trong không gian của nhà có công suất 40W/bóng;
Các vị trí cần làm lạnh nhiều so với nhiệt độ phòng sử dụng một khối đá viên chậm tan đặt cố định trong quá trình thí nghiệm
Bài toán thuận nghịch dựa trên mô hình trường
Sau khi xác định biểu thức tổng quát của các hàm dạng, có hai bài toán chính: bài toán thuận và bài toán ngược Bài toán thuận yêu cầu xác định cường độ tham số tại một điểm có tọa độ xác định, dựa trên tọa độ và cường độ tham số của từng nguồn đã cho.
Bài toán ngược yêu cầu xác định tọa độ của các điểm dựa trên cường độ nguồn đã cho, đồng thời tìm cường độ tham số max/min của trường Bài viết này sẽ trình bày chi tiết các bài toán và phương pháp thực hiện Trong bài toán thuận, khi biết tọa độ (x,y,z) của một điểm trong không gian và cường độ tham số tại các nguồn, cần xác định hệ số dạng của mỗi nguồn để tính toán cường độ tham số tại điểm yêu cầu.
Sau khi hoàn tất mô hình hóa trường đa cực, bước tiếp theo là xác định một điểm hoặc tập điểm có cường độ k nằm trong trường Đây là một bài toán phổ biến trong kỹ thuật, đặc biệt trong các lĩnh vực như truyền nhiệt và sấy.
Điểm p k (x k , y k , z k ) có cường độ k là điểm cần tìm, với các biến tọa độ (x k , y k , z k ) nằm trong hàm dạng và có mối quan hệ được thể hiện qua công thức (2-1) cho điểm p k.
(2-14) Dạng khai triển của biểu thức này là (8):
(2-15) Bài toán được chuyển sang dạng tương đương để sử dụng phương pháp GRG
𝑧 𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑧 ≤ 𝑧 𝑚𝑎𝑥 Nghiệm của bài toán (2-16) là tập hợp điểm p k (x k , y k , z k ) có cùng giá trị cường độ
Bằng cách quét giá trị k trong biểu thức (2-16) và giữ các giá trị x, y, z trong vùng khảo sát, ta có thể xác định giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của trường liên tục trong kết quả khảo sát.
Về công cụ thuật toán GRG hiệu quả rõ nét trên mô hình này, dưới đây là giới thiệu về thuật toán GRG
Xét bài toán tối ưu: f ( x)
Trong đó hàm f(x) và hi(x) phải liên tục và khả vi tại x và lân cận của x thỏa mãn:
Trước hết khai triển gần đúng hàm f(x) và hi(x) tại x1 như sau:
Các biến số được phân thành hai nhóm: 𝑥̂ là các biến cơ sở và 𝑥̅ là các biến không cơ sở Tương tự, các hệ số ∇ℎ1(x) cũng được chia thành hai tập hợp: ∇ℎ̂1 và ∇ℎ̅1(x), trong đó chứa các biến cơ sở và không cơ sở theo thứ tự Dạng khai triển của hai đại lượng này được thể hiện như sau:
Vì x1 là phương án xấp xỉ đầu chấp nhận được, thỏa các ràng buộc của bài toán nên nghiệm kế tiếp có thể viết là:
ℎ̃(x,x1)=h1(x1) + ∇ℎ1(x1)(x-x1)=0 , i=1, ,m và ∇ℎ1(x1)(x-x1) i=1, ,m (2-20) Biểu diễn các điều kiện ràng buộc dưới dạng như sau:
𝑥̅ − 𝑥̅ 1 ] = 0 (2-21) Tập hợp các biến cơ sở có thể biểu diễn bởi phương trình:
𝑥̂=𝑥̂ 1 -B -1 𝐴̅(𝑥̅ − 𝑥̅ 1 ) (2-22) Nếu x1là lời giải tối ưu, gradient của hàm mục tiêu phải bằng không, có nghĩa là:
Phương trình (2-23) thể hiện sự giảm véc tơ gradient, với điều kiện rằng nếu véc tơ gradient bằng 0 tại giá trị x1, nó sẽ thỏa mãn điều kiện cân bằng Lagrange Ngược lại, nếu di chuyển theo hướng 𝑑̅ = −∇𝑓̃, giá trị của hàm mục tiêu sẽ giảm xuống Giá trị mới này sẽ được giữ lại, và theo phương trình (1), các biến cơ sở sẽ thay đổi theo hướng 𝑑̂ = - B -1 𝐴̅𝑑̅ Do đó, hướng tìm kiếm nghiệm mới của bài toán sẽ là d = [𝑑̂.
Các hướng tìm kiếm đã được xác định, nhưng độ dài bước đi trên mỗi hướng vẫn chưa được tính toán Giá trị của bước đi sẽ thay đổi qua từng vòng lặp Theo Powell, để xác định độ dài bước tìm kiếm, có thể áp dụng quy trình gồm hai pha.
Giả sử hướng tìm kiếm d tại điểm x đã được xác định, bước tìm kiếm lớn nhất D trên hướng d sẽ được chia thành mười phần Pha 1 bao gồm các bước như sau:
Step 1 y = x+Dd and FY=F(y) let FC DC
Step 2 If FAFB and k=1 then let DB=0.5(DA+DC) and calculates y=x+DB*d and FY
Let FB=FY back to main program
If FA>FB and k>1 then back to main program
Trong pha 1 của quá trình tìm kiếm, điểm tối ưu có thể nằm trong khoảng (xa, xc) Tại giai đoạn này, Powell đã giới thiệu một phương pháp ước lượng sử dụng hàm bậc hai để xác định vị trí của điểm tối ưu.
Bước 1: sử dụng kết quả của pha 1, vị trí gần đúng của điểm tối ưu được cho bởi công thức sau:
Nếu xảy ra điều kiện:
(2-27) thì dừng tìm kiếm và quay lại chương trình chính
Trái lại, các giá trị không chấp nhận được xa, xb, xc sẽ bị hủy bỏ, trong khi điểm x * sẽ được chấp nhận Ba điểm xa, xb, xc sẽ được sắp xếp theo thứ tự xa > xb > xc, và sau đó quay lại bước 1.
Nếu tọa độ của điểm tìm kiếm vượt ra ngoài vùng chấp nhận được, cần điều chỉnh lại bằng phương pháp Newton như sau:
(2-28) Quy trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi:
Nếu tất cả các điều kiện dừng được thỏa mãn, giá trị mới của lời giải sẽ nằm trong vùng chấp nhận được
Về cơ bản thuật toán GRG gồm các bước chính sau đây:
Bước đầu tiên là xác định một phương án xuất phát chấp nhận được, sau đó phân chia nó thành hai tập hợp: biến cơ sở được ký hiệu là 𝑥̂ 𝑘 và biến không cơ sở ký hiệu là 𝑥̈ 𝑘.
Bước 2: Xác định hướng tìm kiếm bằng cách sử dụng phương trình (2.8) để tính gradient của các biến không cơ sở Cần xem xét các điều kiện biên cho từng biến và thực hiện các biến đổi cần thiết.
(2-29) Tiếp tục kiểm tra điều kiện tối ưu, nếu |𝑑̅|