Môn học kỹ thuật đo lường và lý thuyết đktđ trong cn thực phẩm bài 1 đo lường và điều khiển nhiệt độ môi chất lỏng

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: 133698 Môn học: Kỹ thuật đo lường lý thuyết ĐKTĐ CN Thực phẩm Mã học phần: BF3534 Học kỳ: 20212 Sinh viên thực hiện: Trần Thị Tuyết - 20190604 Lớp: Kỹ thuật thực phẩm 01 – K64 Nhóm thí nghiệm: N05 Hà Nội, 7/2022 MỤC LỤC BÀI 1: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT LỎNG I Mục đích thí nghiệm II Cơ sở lý thuyết III Kết tính tốn Vẽ đặc tính độ đối tượng Tính toán hàm truyền đối tượng VI Tổng kết BÀI 2: ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ I Mục đích thí nghiệm II Cơ sở lý thuyết Khái niệm Nguyên lý hoạt động cấu tạo đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học Đặc điểm hình dạng bên ngồi lưu ý lắp đặt cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp điện học III Kết thí nghiệm 11 Tính tốn xử lý số liệu: 12 Đồ thị lượng ẩm theo thời gian 12 Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ lượng ẩm 13 IV Tổng kết 14 BÀI 3: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG VÀ ĐO ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM 15 I Mục đích thí nghiệm 15 II Cở sở lý thuyết 15 III Kết thí nghiệm 16 IV Tổng kết 17 BÀI 1: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT LỎNG Ngày thực hiện: 02/05/2022 Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Tuấn Linh I Mục đích thí nghiệm - Nắm sở lý thuyết nguyên lý thay đổi điện trở suất kim loại thay đổi nhiệt độ mạch đo thiết bị đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở - Kiểm tra khả bám nhiệt độ đặt - Quan sát thiết bị đo, biết cách làm thí nghiệm, tính tốn xử lý số liệu II Cơ sở lý thuyết Thiết bị nguyên lý hoạt động TSP -y C A ĐTĐK Bộ điều khiển hiển thị Thiết bị gia nhiệt Nước S Cảm biến - Cảm biến: PT 100 cấu tạo từ kim loại Platinum, quấn tùy theo hình dạng đầu dị nhiệt, có giá trị điện trở 0oC 100  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 kiển 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 = 63oC bật máy chế độ AUTO - Thông tin nhiệt độ nước thông qua cảm biến truyền đến điều khiển hiển thị + Nếu nhiệt độ nước không đạt: Tpy < Tsp cảm biến báo cấp nhiệt → điều khiển bật nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → gia nhiệt truyền nhiệt cho nước + Nếu nhiệt độ nước vượt xa Tpy > Tsp cảm biến báo ngừng cấp nhiệt → điều khiển ngừng cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → gia nhiệt ngừng truyền nhiệt cho nước Kết luận: Yêu cầu điều khiển: - Cảm biến phải có dải đo lớn 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 Kết tính tốn Nhiệt độ đặt: 63°C Nhiệt độ bình trước khởi động hệ thống điều khiển: 31°C Bảng kết thí nghiệm STT Thời gian t (s) Nhiệt độ T (oC) STT Thời gian t (s) Nhiệt độ T (oC) 31 18 864 48 25 32 19 930 49 44 33 20 987 50 82 34 21 1040 51 135 35 22 1097 52 168 36 23 1188 53 211 37 24 1251 54 276 38 25 1295 55 312 39 26 1338 56 10 360 40 27 1383 57 11 434 41 28 1451 58 12 484 42 29 1576 59 13 561 43 30 1616 60 14 615 44 31 1671 61 15 689 45 32 1740 62 16 731 46 33 1834 63 17 788 47 Sau 10 phút, nhiệt độ không thay đổi Vẽ đặc tính q độ đối tượng Hình a: Đáp ứng độ đối tượng quán tính bậc có trễ Tính tốn hàm truyền đối tượng − Giá trị xác lập đáp ứng bước: y (∞) = 63 − u0 độ lớn xung bậc thang đầu vào Chọn u0 =1 − Hệ số truyền: K= y 63 = = 63 uo − Hệ số quán tính: T= Ta= AC = 929-25 = 904 − Thời gian trễ: τ = 25 (s) ➔ Mơ hình qn tính bậc trễ có dạng: K e − s 63.e −25 s O( s ) = = + T s + 904.s VI Tổng kết − Qua biết thực thao tác thí nghiệm, xử lý tính tốn số liệu từ đồ thị biết đặc tính đối tượng có trễ hay khơng có trễ BÀI 2: ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHƠNG KHÍ Ngày thực hiện: 09/05/2022 Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Tuấn Linh I Mục đích thí nghiệm - Nắm sở lí thuyết vê khái niệm liên quan đến độ ẩm khơng khí ngun lí hoạt động, cấu tạo đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học - Tìm hiểu tương quan nhiệt độ, độ ẩm tương đổi lượng ẩm II Cơ sở lý thuyết Khái niệm Quá trình bay hơi: 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 nảy 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 vào áp suất chất chất lỏng (nhiệt độ sôi tăng với áp suất lớn: Ts = f(p) có đạo hàm dương) Nhiệt độ ứng với trạng thái lúc chất lỏng sôi áp suất định gọi nhiệt độ sơi Q trình ngưng tụ: Q trình ngưng tụ trình ngược lại với 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 hịa Khi chất lỏng khơng gian có nhiệt độ áp suất chúng đạt đến giá trị định (ts; ps) đồng thời với 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 hòa 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 ρ (kg/ m3) khối lượng nước (kg) có khơng khí tích V=1m3, với cơng thức ước lượng đây: Trong đó: Gh khối lượng nước hịa tan 1m3 khơng khí, Trong đó: Gmax lượng nước cực đại hịa tan 1m3 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 bốc tiếp vào khối khơng khí Nếu nhiệt độ khơng khí tk < 100 o C tăng nhiệt độ lên, khả hịa tan nước vào khơng khí tăng lên (Pmax tăng lên) Như tk < 100oC 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 Nguyên lý hoạt động cấu tạo đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học 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 2.1 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 2.1 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 cịn 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 2.2) Đặc trưng mối quan hệ suy giảm nhanh chóng điện trở độ ẩm vật liệu tăng lên độ ẩm khơng khí mơi trường tăng lên 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 Hình 2.2 Quan hệ điện trở với độ ẩm tương đối Hình 2.3 Quan hệ điện dung với độ ẩm tương đối 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 màng mỏng polyme có khả hấp thụ phân tử nước Hằng số điện môi tương đối εr 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: εr số điện mơi màng polyme, ε0 số điện môi chân không, A diện tích cực, cịn L chiều dày màng polyme 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 2.4 So sánh cấu tạo phân lớp hai loại cảm biến Hình 2.4 thể khác biệt mặt cấu tạo (lỗ trống hình chữ U nối tiếp: cài lược) hai loại cảm biến đo độ ẩm Hai loại cảm biến trình bày chi tiết nội dung hình dạng, lắp đặt, cấu tạo theo yêu cầu đo cụ thể Đặc điểm hình dạng bên lưu ý lắp đặt cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp điện học Xét góc độ lắp đặt cảm biến, hai loại cảm biến có phương pháp lắp đặt giống với đặc trưng tính chất tích hợp mạch điện tử đưa tín hiệu chuẩn Các mạch điện tử đầu cảm biến thường bảo vệ vỏ nhựa Trong số trường hợp, đầu cảm biến mạch điện tử tách với u cầu đo độ ẩm mơi trường có nhiệt độ cao có đặc trưng hóa chất (ăn mịn) u cầu lắp đặt (nhỏ gọn) Hình 2.5 thể đặc điểm cảm biến có đầu đo (phần tử nhạy cảm) tách rời (2 chân) tích hợp với mạch điện tử (4 chân) Hình 2.5 Cảm biến đo độ ẩm cỡ nhỏ Dạng cảm biến có chân cắm thị ln địi hỏi kỹ sư lắp đặt thiết kế cắm phù hợp Nhằm thuận tiện kết nối với hệ thống công nghiệp ứng dụng dân dụng, cảm biến thường có dạng điển sau: Hình 2.6 Cảm biến kèm đầu bảo vệ dạng tròn (tiện lắp đặt) với dây kéo dài (tiện đấu nối) Hình 2.7 Cảm biến có hiển thị chỗ với dạng treo tường kết nối với trình cơng nghệ quai đầu đo dạng trịn kèm tách biệt với mạch xử lý tín hiệu (truyền xa khơng truyền tín hiệu xa - điều khiển chỗ) Việc lắp đặt thiết bị đo nhiệt ẩm cần ý việc tiếp xúc trực tiếp đầu đo với môi trường dầu nhớt, dịch đường, làm đầu đo bị hỏng hồn toàn Trong trường hợp đầu đo nhạy, cần vệ sinh lại đầu đo tách bụi khỏi phận chống bụi Mơ tả thiết bị thí nghiệm tiến hành thí nghiệm Tương tự cảm nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm công nghiệp có kết cấu chống ẩm nước thường kết nối tới điều khiển công 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 2.6 hệ thống hiển thị điều khiển chỗ tương tự hình 2.7 10 Hình 2.8 Hình ảnh mơ tả đầu đo hiển thị - điều khiển độ ẩm BTN III Kết thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm: Lấy liệu nhiệt độ (t: oC) độ ẩm tương đối (φ: %) khơng khí điểm đo so sánh thay đổi lượng chứa ẩm (d: g ẩm/kg KKK) trường hợp khác Kết Nhiệt độ ban đầu : 29.9°C Độ ẩm ban đầu : 81.1% Bảng số liệu: Δd = Thời gian 𝑡1 𝜑1 𝑃𝑏ℎ1 𝑑1 𝑡2 𝜑2 𝑃𝑏ℎ2 𝑑2 (oC) (%) (bar) (g/kg) (oC) (%) (bar) (g/kg) 29,9 81,1 0,042 22 29,9 81,1 0,042 22 29,9 81,1 0,042 22 29,9 82,4 0,042 22,4 0,4 29,9 81,1 0,042 22 30 81,8 0,0422 22,35 0,35 29,9 81,1 0,042 22 30,3 80,6 0,043 22,45 0,45 12 29,9 81,1 0,042 22 30,6 79,4 0,0437 22,48 0,48 15 29,9 81,1 0,042 22 30,9 78,3 0,0444 22,52 0,52 𝑑2 − 𝑑1 11 18 29,9 81,1 0,042 22 31,2 77,1 0,0452 22,58 0,58 21 29,9 81,1 0,042 22 31,4 76,4 0,0457 22,62 0,62 24 29,9 81,1 0,042 22 31,6 75,6 0,0462 22,63 0,63 27 29,9 81,1 0,042 22 31,8 75 0,0467 22,7 0,7 30 29,9 81,1 0,042 22 32 74,4 0,0473 22,81 0,81 33 29,9 81,1 0,042 22 32,1 73,8 0,0475 22,71 0,81 36 29,9 81,1 0,042 22 32,3 73,3 0,048 22,8 0,8 39 29,9 81,1 0,042 22 32,4 73 0,0483 22,85 0,85 42 29,9 81,1 0,042 22 32,5 72,7 0,0486 22,9 0,9 45 29,9 81,1 0,042 22 32,5 72,2 0,0486 22,7 0,7 48 29,9 81,1 0,042 22 32,6 71,9 0,0489 22,79 0,79 51 29,9 81,1 0,042 22 32,7 71,7 0,049 22,77 0,77 54 29,9 81,1 0,042 22 32,7 71,2 0,049 22,6 0,6 57 29,9 81,1 0,042 22 32,7 70,6 0,049 22,4 0,4 60 29,9 81,1 0,042 22 32,7 70,3 0,049 22,31 0,31 Tính tốn xử lý số liệu: Áp suất bão hịa tương ứng với nhiệt độ tính theo cơng thức: 𝑃𝑏ℎ1 = 𝑒 12 − 4026,42 235,5+𝑡1 =𝑒 12 − 4026,42 235,5+29,9 = 0.042 (bar) Lượng chứa ẩm d: d1 = 0.621× 𝜑1 𝑃𝑏ℎ1 𝑃−𝜑1 𝑃𝑏ℎ1 0,811.0,042 = 0,621 × 745 – 0,811.0,042 750 𝑔 = 0,022 (𝑘𝑔/𝑘𝑔) = 22 ( ) 𝑘𝑔 Tương tự tính 𝑃𝑏ℎ2 d2 điền vào số liệu 𝑃𝑏ℎ2 = 𝑒 12− 4026,42 235,5+𝑡2 𝑑2 = 0,621 × (𝑏𝑎𝑟) 𝜑2 𝑃𝑏ℎ2 𝑃−𝜑2 𝑃𝑏ℎ2 𝑔 ( ) 𝑘𝑔 Đồ thị lượng ẩm theo thời gian 12 Đồ thị lượng ẩm theo thời gian 23.1 Lượng ẩm d (g/kg) 22.8 22.5 22.2 21.9 21.6 21.3 21 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian (phút) Hình 3.1 : Đồ thị lượng ẩm theo thời gian Nhận xét: Đồ thị biểu diễn lượng ẩm theo thời gian Về tổng thể lượng ẩm tăng lên theo thời gian, ban đầu tăng nhanh sau tăng từ từ, đến số thời điểm lại có xu hướng giảm dần Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ lượng ẩm Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ lượng ẩm 84 Lượng ẩm d (g/kg) 22.8 81 22.5 22.2 78 21.9 75 21.6 72 21.3 21 Độ ẩm tương đối (%) 23.1 69 29.5 30 30.5 31 31.5 32 32.5 33 Nhiệt độ (độ C) Lượng ẩm d với nhiệt độ Độ ẩm tương nhiệt độ Hình 3.2: Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ lượng ẩm 13 Nhận xét: - Đồ thị biểu diễn mối tương quan độ ẩm tương đối lượng ẩm theo nhiệt độ - Từ đồ thị ta thấy nhiệt độ tăng, độ ẩm tương đối giảm dần nhiệt độ ổn định khơng tăng nữa, cịn lượng ẩm tăng nhiệt độ tăng nhiên số điểm nhiệt độ giảm đáng kể đặc biệt gần cuối nhiệt độ đạt ổn định 32.7oC - Nguyên nhân sai số dụng cụ, thao tác thực hành đo chưa chuẩn, hay số yếu tố tác động từ môi trường… IV Tổng kết Qua thí nghiệm, biết cách thực thao tác thí nghiệm biết cách xử lý kết thí nghiệm, nhận biết tương quan độ ẩm khơng khí, nhiệt độ lượng ẩm 14 BÀI 3: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG VÀ ĐO ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM Ngày thực hiện: 16/05/2022 Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Ngọc Viễn I Mục đích thí nghiệm - Hiểu nguyên lí cấu tạo số thiết bị: Thiết bị cô đặc chân không thiết bị trùng băng tải - Tiếp thu kiễn thức thực tiễn môn Kĩ thuật đo lường lí thuyết điều khiển tự động CNTP - Thực hành phân tích hiểu cách chọn vị trí đặt thiết bị đo lường để đảm bảo công nghệ, hiểu cách hoạt động chức - Trang bị cho sinh viên khả phân tích, thiết lập sơ đồ chức đo điều khiển thiết bị/ hệ thống thực tế II Cở sở lý thuyết Tên thiết bị: Thiết bị cô đặc chân không nồi Hệ thống sử dụng nồi đặc chân khơng, hoạt động theo phương pháp liên tục hay gián đoạn Hệ thống cô đặc nồi liên tục sử dụng cho dung dịch có độ nhớt thấp hay tương đối thấp Còn hệ nồi gián đạn dùng cần nâng cao nồng độ sản phẩm Cấu tạo thiết bị cô đặc chân không gián đoạn nồi: - Nồi cô đặc chân không - Thiết bị ngưng tụ - Động - Các van khóa 1,2,5,7,9,10,14 - Bơm li tâm - Các thiết bị hiển thị nhiệt độ, áp suất 11,12,13 - Bình chứa nước ngưng - Bảng điều khiển Ưu điểm thiết bị: - Giữ chất lượng, tính chất sarnphaamr, hay cấu tử dễ bay - Nhập liệu tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn điịnh lưu lượng - Thao tác dễ dàng với thiết bị, máy đặc chân khơng 15 - Có thể đặc đến nồng độ khác - Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch - Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp Nhược điểm: - Quá tình khơng ổn định, tính chất hóa lí dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian - Nhiệt độ thư thấp, không dùng cho mục đích khác - Khó giữ chân khơng thiết bị III Kết thí nghiệm Sơ đồ chức thiết bị cô đặc chân không Thuyết minh sơ đồ 16 - Nguyên liệu cấp vào thiết bị cô đặc chân không thông qua van 1, đồng thời cung cấp thứ vào thiết bị để gia nhiệt thông qua van Đồng hồ đo áp suất hiển thị PI 11 dùng để đo áp suất nước cấp vào thiết bị - Sau gia nhiệt thực cô đặc, vừa gia nhiệt vừa khuấy (nhờ động 4) để tăng hiệu suất cửa trình gia nhiệt, nước bốc lên nước kèm theo phần chất rắn nhỏ bé vào thiết bị ngưng tụ điểu chỉnh lưu lượng van 5, phần cặn bã tháo van 14 - Hơi nước đưa sang thiết bị ngưng tụ làm mát nước lạnh đưa vào thiết bị ngưng tụ - Bơm li tâm bơm nước vào thiết bị ngưng tụ thông qua van 7, nước ngưng tụ theo van 10 ngồi Cịn cặn, chất rắn tháo ngồi thông qua van - Nhiệt độ tâm sản phẩm đo nhờ thiết bị đo nhiệt độ hiển thị TI 12 IV Tổng kết Mỗi hệ thống thiết bị thiết lập sơ đồ chức giúp nhận biết chức điều khiển dễ dàng Qua thí nghiệm, em biết cách phân tích thiết lập sơ đồ chức nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc chân khơng vận dụng để áp dụng phân tích thiết bị khác sau 17