TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Mã lớp học lý thuyết 133699 Môn học Kỹ thuật đo lường và lý thuyết ĐKTĐ trong CNTP Mã học phần BF3534.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Mã lớp học lý thuyết: 133699 Môn học: Kỹ thuật đo lường lý thuyết ĐKTĐ CNTP Mã học phần: BF3534 Học kỳ: 20212 Sinh viên thực hiện: Phạm Minh Hạnh – 20190450 Lớp: Thực phẩm 02 – K64 Nhóm thí nghiệm: N07 Hà Nội, 7/2022 BÀI 1: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Ngày thực hiện: 6/6/2022 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Tuấn Linh I Mục đích thí nghiệm - Nắm vững quy trình xây dựng hàm truyền đối tượng từ số liệu thu thập thực tế - Nắm vững bước xác định hàm truyền đối tượng từ đặc tính thời gian II Cơ sở lý thuyết Mơ hình đối tượng điều khiển Trong trình nghiên cứu thiết kế hệ thống, tùy theo tốn cụ thể người ta sử dụng mơ hình đối tượng dạng phương trình vi phân, hệ phương trình trạng thái, dạng hàm truyền, hàm trọng lượng hàm độ đối tượng Do vậy, toán nhận dạng thường nhằm vào mục đích mơ hình hóa đối tượng bốn dạng Các dạng mơ hình dễ dàng chuyển đổi lẫn nên cần tìm dạng Đề giải tốn nhận dạng cách đơn giản hiểu quả, đồng thời thuận tiện cho việc sử dụng sau này, cần chọn dạng mơ hình thích hợp Đặc điểm mơ hình đối tượng cơng nghiệp thực phẩm Tính chất tính động học đối tượng thể đặc tính tần số đặc tính thời gian, đó, đặc tính q độ ( đáp ứng bước) phản ánh đầy đủ trực quan đặc điểm động học đối tượng Điểm đặc trưng đối tượng cơng nghiệp có trễ vận tải có qn tính lớn Trễ vận tải cịn gọi trễ tuyệt đối, trễ thời gian chết (dead time),…, thời gian kể từ thời điểm xuất xung đầu vào đến đại lượng bắt đầu thay đổi so với giá trị xác lập ban đầu Độ quán tính đối tượng phản ánh tốc độ phản ứng nó, kể từ đại lượng bắt đầu thay đổi Do có qn tính lớn trễ vận tải nên hầu hết đối tượng điều khiển công nghiệp hệ thống điều khiển tương ứng lọc tần số thấp Trong thực tế, đối tượng tĩnh có khả thiết lập trạng thái cân tương ứng với độ lớn xung đầu vào, nên có tên gọi đối tượng “có tự cân bằng” Các đối tượng điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,… nói chung đối tượng có tự cân Sự phân tích đặc tính q độ đối tượng có tự cân thực tế cho thấy chúng có bốn dạng phổ biến Trên hình 1-a, đường cong độ thể đặc điểm động học khâu quán tính bậc Tốc độ biến thiên đại lượng đạt giá trị lớn thời điểm xuất xung đầu vào Trên hình 1-b, đường cong độ có điểm uốn tu (điểm dốc nhất) có hình dạng chữ S Đó dáng điệu khâu quán tình bậc cao, bao gồm số khâu quán tính bậc mắc nối tiếp Độ quán tính đối tượng loại tương đương với tổng độ qn tình khâu qn tính bậc hợp thành Trên hình 1-c, đường cong độ thể đặc điểm đối tượng quán tính bậc có trễ, tạo khâu qn tính bậc mắc nối tiếp với khâu trễ Trên hình 1-d, đường cong q độ có hình chữ S với điểm uốn, nằm dịch bên phải khoảng , kể từ gốc tọa độ Đó đặc tính q độ đối tượng qn tính bậc cao có trễ, hình thành mạch mắc nối tiếp số khâu quán tính bậc khâu trễ Tóm lại, đối tượng có tự cân với đặc tính q độ hình 1, biểu diễn khâu quán tính bậc n mắc nối tiếp với khâu trễ Hàm truyền chúng có dạng: Trong đó: – trễ vận tải đối tượng – hệ số truyền – số quán tính, tương ứng với khâu quán tính bậc – bậc quán tính, số khâu quán tính bậc hợp thành Sơ đồ điều khiển tự động Tsp T pv Bộ điều khiển hiển thị Thiết bị gia nhiệt Nước Cảm biến - Cảm biến: Cảm biến PT100 cấu tạo từ kim loại Platinum, quấn tùy theo hình dáng đầu dị nhiệt, có giá trị điện trở 00C 100 Ω Đây loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp nguồn ổn định Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với thay đổi nhiệt độ - Thiết bị gia nhiệt: Thanh gia nhiệt - Bộ điều khiển hiển thị: Thiết bị điều khiển theo chế độ ON/OFF ⁕ Nguyên lý hoạt động Sau cấp nước ổn định thể tích tiến hành thí nghiệm Chọn nhiệt độ muốn cấp cho nước (Tsp=60ᵒC) bật máy chế độ AUTO Thông tin nhiệt độ nước thông qua cảm biến truyền đến điều khiển hiển thị + Nếu nhiệt độ nước chưa đạt ( T py < Tsp ) cảm biến báo cấp nhiệt →bộ điều khiển bật nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → gia nhiệt cấp nhiệt cho nước + Nếu nhiệt độ nước vượt ( T py > Tsp ) cảm biến báo ngừng cấp nhiệt → điều khiển tắt nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → gia nhiệt ngừng cấp nhiệt cho nước ⁕ Kết luận Yêu cầu điều khiển: Cảm biến phải có dải đo >= dải đo thí nghiệm Cảm biến có khả truyền xa để đưa thông tin điều khiển Bộ điều khiển tự động nhận tín hiệu từ cảm biến thực bật/tắt nguồn Bộ điều khiển có rơ-le thường mở (Khi cần cấp nhiệt rơ-le đóng, thiết bị gia nhiệt nối với nguồn, gia nhiệt cấp nhiệt Khi đủ nhiệt rơ-le trở trạng thái mở, mạch thiết bị gia nhiệt với nguồn hở, gia nhiệt ngừng cấp nhiệt III Nội dung thực số liệu Bảng kết thí nghiệm STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Thời gian (s) 67 85 184 209 199 242 289 379 413 467 531 613 663 695 767 806 866 959 999 1069 1099 1149 1208 1256 1329 1370 1406 1437 1452 Nhiệt độ (oC) 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 IV Thảo luận, xử lý số liệu nhận xét Vẽ đồ thị Biểu đồ biến đổi nhiệt độ theo thời gian 70 Nhiệt độ (độ C) 60 50 40 NHIỆT ĐỘ(ᵒC) 30 20 10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Thời gian (s) Tính tốn hàm truyền O(s) = t = 67s y0 = 64 T = Ta = AC = 410 – 67 = 344 (s) K = 64/1 = 64 Vậy hàm truyền O (s) = * Nhận xét - Đồ thị miêu tả biến thiên nhiệt độ theo thời gian - Đồ thị có dạng gần tuyến tính - Qua đồ thị ta thấy nhiệt độ đạt đo qua thời điểm quan hệ tiệm cận với nhiệt độ đặt " Như vậy, ta thực mục đích ban đầu đặt thí nghiệm kiểm tra khả bám nhiệt độ đặt đặt cách thay đổi nhiệt độ đặt thơng qua bàn phím thiết bị điều khiển khả kháng nhiễu công nghệ cách bổ sung thêm nước mát sau nhiệt độ ổn định điểm đặt (khi nhiệt độ bình có xu hướng bị giảm nên điều khiển tiến hành cấp thêm nhiệt cho bình để đạt lai nhiệt độ ban đầu điểm đặt công nghệ) BÀI 2: ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHƠNG KHÍ Ngày thí nghiệm: 13/6/2022 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Tuấn Linh I.Mục đích thí nghiệm Nắm sở lý thuyết khái niệm liên quan đến độ ẩm khơng khí nguyên lý hoạt động, cấu tạo đầu dò đo độ ẩm theo phương pháp điện học Tìm hiểu tương quan nhiệt độ, độ ẩm tương đối lượng ẩm II Cơ sở lý thuyết Các khái niệm liên quan tới độ ẩm khơng khí Q trình bay : Ở nhiệt độ bề mặt chất lỏng luôn xảy tượng số phần tử có động lớn thắng lực hút phân tử thoát khỏi khối chất lỏng “bay hơi” khỏi khối chất lỏng Cường độ bay phụ thuộc vào chất chất lỏng thông số trạng thái chất lỏng: áp suất nhiệt độ Quá trình xảy nhiệt độ bề mặt thoáng khối chất lỏng Q trình sơi: Q trình sơi q trình hóa xảy tồn khối chất lỏng ( khơng bề mặt) Nó xảy nhiệt độ định phụ thuộc váo áp suất chất chất lỏng ( nhiệt độ sôi tăng với áp suất lớn: có đạo hàm dương) Nhiệt độ ứng với trạng thái lúc chất lỏng sôi áp suất định gọi nhiệt độ sôi Quá trình ngưng tụ: Quá trình ngưng tụ trình ngược lại với q trình bay hơi, nước nhả nhiệt ngưng tụ lại thành lỏng Trong trình ngưng tụ trì áp suất khơng đổi nhiệt độ mơi chất khơng thay đổi Trạng thái bão hòa: Khi chất lỏng khơng gian có nhiệt độ áp suất chúng đạt đến giá trị định đồng thời với q trình bay có q trình ngưng tụ Nếu tốc độ bay tốc độ ngưng tụ, hỗn hợp hai pha (lỏng hơi) trạng thái cân động Trạng thái gọi trạng thái bão hịa Trong trạng thái bão hòa phần nước gọi nước bão hòa phần gọi bão hòa: Hơi bão hòa có loại là: bão hịa khơ bão hịa ẩm Hơi bão hịa khơ nước bão hịa mà khơng cịn hạt nước li ti Hơi bão hòa ẩm bão hòa mà cịn có chứa hạt nước li ti, hỗn hợp bão hịa khô nước sôi Tại trạng thái không cân xảy trên, nước không bị ngưng tụ trở lại Trạng thái nước gọi nhiệt Hơi nhiệt có áp suất với bão hịa có nhiệt độ có nhiệt độ bão hịa áp suất Hiệu số nhiệt độ nhiệt bão hòa áp suất gọi độ nhiệt, ký hiệu Độ nhiệt cao thể tích riêng lớn, trạng thái gần với trạng thái lý tưởng Trạng thái nhiệt đặc trưng hai thông số trạng thái vật lý : P,V,T Độ ẩm: Độ ẩm đại lượng đặc trưng cho lượng nước tồn khơng khí, có hai loại độ ẩm độ ẩm tuyệt đối độ ẩm tương đối Độ ẩm biểu diễn dạng độ ẩm tuyệt đối độ ẩm tương đối Độ ẩm tuyệt đối khối lượng nước có khơng khí tích , với cơng thức ước lượng đây: Trong : khối lượng nước hịa tan khơng khí, Trong : lượng nước cực đại hịa tan khơng khí có nhiệt độ T xác định Khi ấy, ta có cơng thức sau : Với trạng thái độ ẩm tương đối đạt 100% khơng khí bão hịa nước : nước khơng thể bốc tiếp vào khối khơng khí Nếu nhiệt độ khơng khí tăng nhiệt độ lên, khả hịa tan nước vào khơng khí tăng lên ( tăng lên) Như tăng nhiệt độ chuyển trạng thái khơng khí bão hịa nước sang khơng bão hịa Ngược lại giảm nhiệt độ chuyển trạng thái khơng khí khơng bão hịa nước sang trạng thái bão hòa nước Chi tiết khái niệm cơng thức có tìm đọc tài liệu kỹ thuật nhiệt kỹ thuật sấy kỹ thuật điều hịa khơng khí Ngun lý hoạt động cấu tạo đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học Đây phương pháp đại dùng phổ biến Dụng cụ đo loại dễ dàng tự động hóa ứng dụng rộng rãi hệ thống điều khiển trình thuận tiện việc biến đổi thành tín hiệu điện truyền xa nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt, chỉnh,… Nguyên tắc phép đo điện học dựa biến đổi thông số điện học đầu đo độ ẩm thay đổi, thông tin đo biến đổi theo phản ánh biến đổi Tuy nhiên, hầu hết thông số điện học cảm biến phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ khơng khí cần đo độ ẩm Chính vậy, dụng cụ đo hoạt động theo phương pháp ln tích hợp thêm dụng cụ đo nhiệt độ Hình 1.1 Các tín hiệu gửi hiển thị điều khiển thường gửi kèm tín hiệu nhiệt độ để xác định thông số khác độ chứa ẩm khối khơng khí, độ ẩm tuyệt đối,… Hình 1.1 Đầu đo nhiệt độ độ ẩm tích hợp phiến Các cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp có hai loại phổ biến : Cảm biến đo có điện trở biến thiên theo độ ẩm hay gọi ẩm kế điện trở có nguyên lý sau: điện trở vật liệu cách điện xác định độ ẩm nó, mà độ ẩm vật liệu lại trực tiếp phụ thuộc vào độ ẩm mơi trường khơng khí bao quanh Mối quan hệ điện trở với độ ẩm tương đối thường có dạng hàm mũ với hệ số mũ âm hình (Hình 1.2) Hình 1.2 Quan hệ điện trở với độ ẩm tương đối Đặc trưng mối quan hệ suy giảm nhanh chóng điện trở độ ẩm vật liệu tăng lên độ ẩm không khí mơi trường tăng lên Một vật liệu cách điện sử dụng làm cảm biến đo độ ẩm phải tuân thủ yêu cầu nêu độ nhạy, tính quán tính nhạy cảm với thay đổi độ ẩm mơi trường xung quanh Cũng sử dụng chất hút ẩm để làm cảm biến đo nhiệt độ theo nguyên lý điện dẫn Bởi độ ẩm mơi trường khí thay đổi độ ẩm mà hút thay đổi để đảm bảo cân áp suất nước khơng khí bề mặt chất hút ẩm, dẫn đến hệ số điện dẫn chất hút ẩm thay đổi theo Có thể sử dụng nguyên lý tạo cân áp suất nước khí áp suất nước bão hòa bề mặt chất hút ẩm cách thay đổi nhiệt độ chất hút ẩm Cảm biến có điện dung biến thiên theo độ ẩm hay gọi ẩm kế tụ điện polyme Ẩm kế tụ điện sử dụng điện môi mảng mỏng polyme có khả hấp thụ phân tử nước Hằng số điện môi trường tương đối lớp polyme thay đổi theo độ ẩm, điện dung tụ điện polyme phụ thuộc vào giá trị độ ẩm Điều hoàn toàn dễ hiểu giải thích thơng qua cơng thức tính điện dung C tụ điện sau: Trong đó: số điện môi màng polyme số điện mơi chân khơng A diện tích cực L chiều dày màng poyme 10 Quan hệ điện dung độ ẩm tương đối biểu thị Hình 1.3 Quan hệ xấp xỉ hồi qui thành dạng quan hệ tuyến tính với hệ số biến thiên điện dung theo độ ẩm tương đối phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 1.3 Quan hệ điện dung với độ ẩm tương đối Vì phân tử nước có cực tính cao, số điện mơi tương đối nước 80 vật liệu polyme có số điện mơi từ đến ẩm kế tụ điện polyme phủ điện cực thứ Tantan, sau lớp Cr phủ tiếp lên polyme phương pháp bốc bay chân không (một kỹ thuật bao phủ cơng nghệ sản xuất bán dẫn) Hình 1.4 So sánh cấu tạo phân lớp hai loại cảm biến Hình 1.4 thể khác biệt mặt cấu tạo (lỗ trống hình chữ U nối tiếp: cài lược) hai loại cảm biến đo độ ẩm 11 III Nội dung thực số liệu Tương tự cảm nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm cơng nghiệp có kết cấu chống ẩm thoát nước thường kết nối tới điều khiển cơng nghiệp có hệ số bảo vệ cơng nghiệp (IP) định (ví dụ IP65, IP67,…) Thiết bị thí nghiệm có hình dáng cấu tạo đầu đo tương tự hình 1.6 hệ thống hiển thị điều khiển chỗ tương tự hình 1.7 Hình 1.8 Hình ảnh mơ tả đầu đo hiển thị - điều khiển độ ẩm BTN ⁕ Bảng liệu kết thí nghiệm Thời gian (p) 32.3 79.3 24.30 32.4 76.5 23.51 -0.79 32.6 77.4 24.10 32.7 74.9 23.44 -0.66 10 33.1 74.8 23.95 33.1 72.4 23.16 -0.79 15 33.5 72.2 23.62 33.5 70.0 22.87 -0.75 20 33.9 68.8 23.00 33.8 66.6 22.11 -0.89 25 34.2 67.5 22.91 34.0 65.5 21.95 -0.96 30 34.4 66.3 22.75 34.3 64.3 21.91 -0.84 35 34.6 64.8 22.45 34.4 63.0 21.58 -0.87 40 34.8 63.2 22.15 34.6 61.4 21.25 -0.90 45 35.0 61.9 21.92 34.7 60.2 20.94 -0.98 50 35.1 61.4 21.90 34.9 59.8 21.04 -0.86 55 35.3 60.8 21.92 35.0 59.2 20.93 -0.99 60 35.5 60.5 22.04 35.2 58.9 21.09 -0.95 Tháo thiết bị đo để ngồi mơi trường phút thơng số: T = 33.3°C, φ = 75.5% Áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ tính theo cơng thức: pbh = exp( ) (bar) 12 Lượng chứa ẩm d (g ẩm/kg kk): d = 621* với: p = 1.013 bar IV Thảo luận, xử lý số liệu nhận xét * Đồ thị lượng ẩm theo thời gian * Đồ thị lượng ẩm theo độ ẩm nhiệt độ * Nhận xét - Đồ thị miêu tả biến thiên độ ẩm tương đối theo thời gian Từ kết thí nghiệm đồ thị ta thấy: + Khi nhiệt độ tăng độ ẩm lượng chứa ẩm tăng + Đồ thị có hình dạng gần giống khâu qn tính bậc 2, nhiên sai số trình đo nên đồ thị giai đoạn q độ khơng có hình dạng giống chuẩn khơng đạt ổn định 13 - Các giá trị đo biến thiên khơng có quy luật, q trình đo cịn nhiều ảnh hưởng thao tác, sai số thiết bị, cách đo, yếu tố khách quan khác môi trường BÀI 3: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM Ngày thí nghiệm: 20/6/2022 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Ngọc Viễn I Sơ đồ chức thiết bị trùng băng tải Hình Thiết bị trùng băng tải II Thuyết minh sơ đồ Thiết bị trùng băng tải thường dùng để trùng đồ hộp, chai lọ Nên trùng cách phun nước trực tiếp Đồ hộp, chai lọ để băng tải, băng tải chuyển động motor, cách điều khiển tốc độ quay motor ta điều khiển vận tốc từ chọn thời gian trùng - Nước qua van vào thiết bị - Nước qua van vào khoang hạ nhiệt (20 – 30°C) 14 - Nước qua van vào buồng chứa I, qua van vào buồng chứa II - Hơi nóng qua van vào thiết bị - Hơi nóng qua van vào buồng chứa I, gia nhiệt nước trực tiếp (50 – 60°C) - Hơi nóng qua van vào buồng chứa II, gia nhiệt trực tiếp (80 – 95°C) Van van tự động - Nước ấm buồng I, thông với buồng III bơm ly tâm 14 hút qua lọc bơm qua van vào khoang ấm + Nước qua thiết bị hiển thị áp với thiết bị hiển thị nhiệt để nhân viên kiểm tra + Nước qua van 11 để vào buồng IV để tiết kiệm thời gian gia nhiệt cho khoang trùng - Nước nóng buồng II, thông với buồng IV bơm ly tâm 15 hút qua lọc bơm qua van 10 vào khoang trùng Nước qua thiết bị thị áp với thiết bị hiển thị nhiệt để nhân viên kiểm tra - Sau vận hành xong, nước buồng III, IV chảy qua van 12 13 ⁕ Một số lưu ý: Quá trình trùng trình nâng nhiệt hạ nhiệt đột ngột trình thí nghiệm sau nâng nhiệt nguyên liệu cần thông qua giai đoạn nước ấm trước phun nước lạnh để tránh trình xảy đột ngột làm bình chứa thủy tinh bị nứt, vỡ làm hỏng sản phẩm Van V10 mở để nước ấm từ khoang cấp vào khoang Vì trình vận hành nước khoang bị ( nước bay bị bám lại nguyên liệu ) nên phải bổ sung thêm nước để bù lại lượng Nhưng cấp nước lạnh cần tăng lượng nhiệt phải cung cấp cần tốn thêm thời gian cấp nước từ nước ấm khoang lượng nhiệt cần cấp thời gian tiêu tốn hơn, đảm bảo hiệu suất làm việc cao 15 16 ... Viễn I Sơ đồ chức thiết bị trùng băng tải Hình Thiết bị trùng băng tải II Thuyết minh sơ đồ Thiết bị trùng băng tải thường dùng để trùng đồ hộp, chai lọ Nên trùng cách phun nước trực tiếp Đồ hộp,... trình đo cịn nhiều ảnh hưởng thao tác, sai số thiết bị, cách đo, yếu tố khách quan khác môi trường BÀI 3: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM Ngày thí nghiệm:... tiếp Đồ hộp, chai lọ để băng tải, băng tải chuyển động motor, cách điều khiển tốc độ quay motor ta điều khiển vận tốc từ chọn thời gian trùng - Nước qua van vào thiết bị - Nước qua van vào khoang