Báo cáo thí nghiệm khảo sát hệ thống tự động hóa các quá trình công nghệ, thiết lập sơ đồ chức năng của hệ thống đo

Từ thông số này kết hợp với thông số nhiệt độ thường được đính kèm trong một bộ cảm biến, chúng ta có thể tính được các thông số khác như nhiệt dộ đọng sương, lượng chứa ẩm cũng như thô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Hà Nội, 7/2022

Bài 1: KHẢO SÁT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA CÁC QUÁ

TRÌNH CÔNG NGHỆ, THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG

CỦA HỆ THỐNG ĐO

- Ngày thực hiện: 30/6/2022

- Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Ngọc Viễn

I Mục đích thí nghiệm

- Tham quan, tìm hiểu về cách bố trí tổ chức và hoạt động của trung tâm

- Tìm hiểu về một số thiết bị tại trung tâm

- Tìm hiểu nguyên lí hoạt động và vẽ sơ đồ cấu tạo của một thiết bị tại trung tâm, trang bị cho sinh viên có khả năng phân tích vẽ lại sơ đồ chức

năng của quá trình đo và điều khiển thiết bị/hệ thống trong thực tế

II Nội dung đã thực hiện

- Tham quan và hiểu nguyên lí hoạt động của thiết bị thanh trùng liên tục

Hình ảnh thiết bị thanh trùng liên tục tại trung tâm B4

Hình ảnh thiết bị thanh trùng liên tục tại trung tâm B4

Hình ảnh mặt sau của thiết bị thanh trùng liên tục

III Sơ đồ điều khiển của thiết bị thanh trùng liên tục

IV Nguyên lý làm việc

- Nước được cấp vào thiết bị khi mở van V1

- Mở van V2 để cấp nước vào khoang 1 ( khoang chứa nước nóng ) và van V3

để cấp nước vào khoang 2 ( khoang chứa nước ấm ) Van V4 khóa

- Sau khi khoang 1 và khoang 2 chứa đầy nước Khóa van V2 và V3 đến khi bắt đầu cho nguyên liệu vào thì mở khóa van V3 và V4

- Cấp nhiệt vào khoang 1 và khoang 2 bằng hơi nước với phương pháp phun trực tiếp hơi nước vào trong nước Khi đó van V5 mở, van V6 mở và cùng van tự động V7 cấp nhiệt cho khoang 1 Van V7 sẽ cấp nhiệt để duy trì nhiệt

độ trong khoang 1 Nếu van V6 cấp gần đủ cho lượng nhiệt mất đi trong quá trình vận hành thì van V7 sẽ hoạt động ổn định ( ít phải đóng ngắt ) Nhiệt độ

và áp suất của nước trong khoang 1 và khoang 2 cấp ra được hiển thị thông qua thiết bị đo nhiệt độ và áp suất đặt trên đường ống Ngoài ra nhiệt độ cấp

ra tại khoang 1 còn gắn thêm 1 cảm biến nhiệt độ giúp cho việc hiển thị và

duy trì nhiệt độ cấp ra của khoang 1

- Nước từ khoang 1 và khoang 2 đưa qua các tấm lưới lọc trước khi tưới vào

nguyên liệu

- Nguyên liệu đi vào thiết bị sẽ được phun nước nóng được cấp từ khoang 1 thông qua hệ thống vòi phun gắn trong thiết bị Sau đó tiếp tục được phun nước ấm cấp từ khoang 2 và cuối cùng là phun nước lạnh ( nước cấp vào ) thông qua các vòi phun gắn trong thiết bị Nước sau khi phun sẽ được hồi

lưu quay trở về khoang 1 và khoang 2 và tiếp tục được cấp nhiệt

 Chú ý :

Quá trình thanh trùng là quá trình nâng nhiệt và hạ nhiệt đột ngột nhưng quá trình thí nghiệm sau khi nâng nhiệt các nguyên liệu vào cần thông qua 1 giai đoạn nước ấm trước khi phun nước lạnh để tránh quá trình xảy ra quá đột ngột làm các bình chứa bằng thủy tinh bị nứt, vỡ và làm hỏng sản phẩm Van V10 được mở để nước ấm từ khoang 2 cấp ra đi vào khoang 1 Vì trong quá trình vận hành nước trong khoang 1 sẽ bị mất đi ( nước bay hơi và bị bám lại ở trên nguyên liệu ) nên phải bổ sung thêm nước để bù lại lượng đã mất Nhưng nếu cấp nước lạnh thì sẽ cần tăng lượng nhiệt phải cung cấp và cần tốn thêm thời gian còn nếu cấp nước từ nước ấm ở khoang 2 thì lượng nhiệt cần cấp và thời gian sẽ tiêu tốn ít hơn, đảm bảo hiệu suất làm việc cao hơn

BÀI 2: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

2 Nắm vững các bước xác định hàm truyền đối tượng từ đặc tính thời gian

II Cơ sở lí thuyết

1 Mô hình đối tượng điều khiển

Trong quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống, tuỳ theo bài toán cụ thể người

ta có thể sử dụng mô hình đối tượng dưới dạng phương trình vi phân, hệ phương trình trạng thái, dạng hàm truyền, hàm trọng lượng hoặc hàm quá độ của đối

tượng Do vậy, các bài toán nhận dạng cũng thường nhằm vào mục đích mô hình hóa đối tượng dưới một trong bốn dạng trên Các dạng mô hình này dễ dàng

chuyển đổi lẫn nhau nên chỉ cần tìm được một trong các dạng đó Để giải bài

toán nhận dạng một cách đơn giản và hiệu quả, đồng thời thuận tiện cho việc sử dụng sau này, cần chọn dạng mô hình thích hợp

2 Đặc điểm và mô hình các đối tượng trong công nghiệp thực phẩm

Tính chất tính động học của đối tượng được thể hiện trên đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian, trong đó, đặc tính quá độ (đáp ứng bước) phản ánh đầy đủ và trực quan các đặc điểm động học của đối tượng

Điểm đặc trưng của các đối tượng công nghiệp là có trễ vận tải và có quán tính lớn Trễ vận tải còn gọi là trễ tuyệt đối, trễ thời gian chết (dead time), v,v , đó

là thời gian kể từ thời điểm xuất hiện xung đầu vào đến khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi so với giá trị xác lập ban đầu

Độ quán tính của đối tượng phản ánh tốc độ phản ứng của nó, kể từ khi đại lượng

ra đã bắt đầu thay đổi Do có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các đối

tượng điều khiển công nghiệp cũng như hệ thống điều khiển tương ứng là những

bộ lọc tần số thấp

Trong thực tế, các đối tượng tĩnh có khả năng thiết lập trạng thái cân bằng tương

ứng với độ lớn của xung đầu vào, nên có tên gọi là đối tượng “có tự cân bằng”

Các đối tượng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v nói chung là những đối tượng có tự cân bằng

Sự phân tích đặc tính quá độ của các đối tượng có tự cân bằng trong thực tế cho

thấy rằng chúng có bốn dạng phổ biến

Hình 1.Dạng đặc tính quá độ phổ biến của các đối tượng tự cân bằng

Trên hình 1-a, đường cong quá độ thể hiện đặc điểm động học của một khâu

quán tính bậc nhất Tốc độ biến thiên đại lượng ra của nó đạt giá trị lớn nhất tại

thời điểm xuất hiện xung đầu vào

Trên hình 1-b, đường cong quá độ có một điểm uốn tại tu (điểm dốc nhất) và có

hình dạng chữ S Đó là dáng điệu của khâu quán tính bậc cao, bao gồm một số

khâu quán tính bậc nhất mắc nối tiếp Độ quán tính của đối tượng loại này tương

đương với tổng độ quán tính của các khâu quán tính bậc nhất hợp thành

Trên hình 1-c, đường cong quá độ thể hiện đặc điểm của đối tượng quán tính bậc

nhất có trễ, tạo bởi khâu quán tính bậc nhất mắc nối tiếp với khâu trễ

Trên hình 1-d, đường cong quá độ có hình chữ S với một điểm uốn, nằm dịch về bên phải một khoảng t, kể từ gốc toạ độ Đó là đặc tính quá độ của đối tượng

quán tính bậc cao có trễ, được hình thành bởi mạch mắc nối tiếp một số khâu quán tính bậc nhất và một khâu trễ

Tóm lại, đối tượng có tự cân bằng với các đặc tính quá độ trên hình 1, có thể biểu diễn bởi một khâu quán tính bậc n mắc nối tiếp với một khâu trễ Hàm truyền của chúng có dạng:

III Kết quả thí nghiệm và nhận xét

 Tính toán hàm truyền đối tượng

Bước 1 - Xác định các đại lượng theo đáp ứng bước của đối tượng (hình 3):

- y (∞) – giá trị tiệm cận, tức giá trị xác lập của đáp ứng bước

- U (t u , y u ) – điểm uốn, xác định đồng thời với việc kẻ tiếp tuyến

- T a – hằng số quán tính biểu trưng

Bước 2 - Tính hệ số truyền và tung độ tương đối của điểm uốn:

- Hệ số truyền K = 𝑦( ∞)

𝑢₀ = 66 trong đó , u₀ - độ lớn xung bậc thang đầu vào

- Tung độ tương đối của điểm uốn : g = 𝑦ᵤ

𝑦(∞) = 44

66 = 0,667

0 10 20 30 40 50 60 70

Bước 3 – Các tham số còn lại, tính theo 1 trong 2 trường hợp sau:

‐ Đồ thị miêu tả sự biến thiên của nhiệt độ theo thời gian

‐ Nhiệt độ có xu hướng tăng dần theo thời gian và không đổi đến nhiệt độ đặt

Bài 3: ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ

- Ngày thực hiện: 12/7/2022

- Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Tiến Linh

I Mục đích thí nghiệm

Nâng cao kiến thức thực tiễn của sinh viên về các hệ thống, thiết bị đo

lường và điều khiển trong thực tế

Xác định các đối tượng có trong sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự

động cơ bản

Củng cố kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của dụng cụ đo nhiệt

độ, độ ẩm và kiến thức về hệ thống sấy bơm nhiệt

II Cơ sở lý thuyết

1.1 Các khái niệm căn bản liên quan tới độ ẩm không khí

Thông số không khí được đo thường là độ ẩm tương đối Từ thông số này kết hợp với thông số nhiệt độ ( thường được đính kèm trong một bộ cảm biến), chúng

ta có thể tính được các thông số khác như nhiệt dộ đọng sương, lượng chứa ẩm cũng như thông số khác như entanpi Trước khi tìm hiểu các loại cảm biến đo độ

ẩm, việc làm rõ các khái niệm về quá hơi bão hòa khô, hơi bão hòa ẩm, hơi quá nhiệt,… các thông số: độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối cũng như những hiện tượng vật lý liên quan cần được thực hiện như các quá trình: quá trình bay hơi, quá trình sôi và quá trình ngưng tụ:

Quá trình bay hơi: Ở một nhiệt độ bất kỳ trên bề mặt luôn xảy ra hiện tượng

một số phần tử có động năng lớn thắng được lực hút làn giữa các phân tử và thoát khỏi khối chất lỏng và “bay hơi” khỏi khối chất lỏng Cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và các thông số trạng thái của chất lỏng: áp suất và nhiệt

độ Quá trình nảy ra ở mọi nhiệt độ trên bề mặt thoáng của khối chất lỏng

Quá trình sôi: Quá trình sôi là quá trình hóa hơi xảy ra trong toàn bộ khối chất

lỏng (không chỉ ở bề mặt) Nó xảy ra ở một nhiệt độ nhất định phụ thuộc vào áp suất và bản 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 tại những áp suất nhất định gọi là nhiệt độ sôi

Quá trình ngưng tụ: Quá trình ngưng tụ là quá trình ngược lại với quá trình bay

hơi, trong đó hơi nước nhả nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng Trong quá trình ngưng tụ nếu duy trì áp suất không đổi thì nhiệt độ môi chất cũng không thay đổi

Trạng thái bão hòa Khi chất lỏng ở trong một không gian nào đó có nhiệt độ và

áp suất của chúng đạt đến giá trị nhất định (ts; ps) thì đồng thời với quá trình bay hơi có quá trình ngưng tụ Nếu tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ, thì hỗn hợp hai pha (lỏng và hơi) đó sẽ ở trạng thái cân bằng động Trạng thái đó gọi là trạng thái bão hòa Trong trạng thái bảo hòa phần nước gọi là nước bảo hòa còn phần hơi gọi là hơi bảo hòa: Hơi bảo hòa có 2 loại là: hơi bão hòa khô và hơi bão hòa

ẩm Hơi bão hòa khô là hơi nước bảo hòa mà trong đó không còn các hạt nước liti Hơi bão hòa ẩm là hơi bảo hòa mà trong đó còn có chứa cáchạt nước liti, đó chính

là hổn hợp của hơi bão hòa khô và nước sôi

Tại trạng thái không cân bằng xảy ra như trên, hơi nước không bị ngưng tụ trở lại Trạng thái hơi nước đó gọi là hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt là hơi có cùng áp suất với hơi bão hòa p, nhưng có nhiệt độ t > ts, hoặc là hơi có cùng nhiệt độ bảo hòa t, nhưng áp suất p < ps Hiệu số giữa nhiệt độ hơi quá nhiệt và hơi bão hòa ở cùng áp suất gọi là độ quá nhiệt, ký hiệu là Denta tqn = t - ts Độ quá nhiệt càng cao thì thể tích riêng của hơi càng lớn, trạng thái của nó càng gần với trạng thái lý tưởng Trạng thái của hơi quá nhiệt có thể được đặc trưng bởi hai trong các thông

số trạng thái vật lý: P, V, T

Độ ẩm: Độ ẩm là đại lượng đặc trưng cho lượng hơi nước tồn tại trong không

khí, có hai loại độ ẩm là độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm được biểu diễn dưới dạng độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm tuyệt đối p (kg/m3) là khối lượng hơi nước (kg) có trong một không khí có thể tích V=1m3, với công thức ước lượng dưới đây:

Khi ấy, ta có công thức sau:

Với trạng thái độ ẩm tương đối đạt 100%, không khí bão hòa hơi nước: nước không thể bốc hơi tiếp vào trong khối không khí Nếu nhiệt độ không khí tk < 100

max max

.

P

R T

oC thì khi tăng nhiệt độ lên, khả năng hòa tan hơi nước vào không khí tăng lên (Pmax tăng lên) Như vậy khi tk < 100oC thì khi tăng nhiệt độ có thể chuyển trạng thái không khí bão hòa hơi nước sang không bão hòa Ngược lại khi giảm nhiệt độ thì có thể chuyển trạng thái không khí không bão hòa hơi nước sang trạng thái bão hòa hơi nước

1.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo trong của đầu đo độ ẩm theo phương

pháp điện học

Đây là phương pháp hiện đại và được dùng phổ biến hiện nay Dụng cụ đo loại này dễ dàng được tự động hóa và ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển quá trình do thuận tiện trong việc biến đổi thành tín hiệu điện truyền đi xa cũng như nhỏ gọn và dễ dàng trong lắp đặt, căn chỉnh

Nguyên tắc cơ bản của các phép đo điện học là dựa trên sự biến đổi các thông số điện học của đầu đo khi độ ẩm thay đổi, các thông tin đo khi ấy sẽ biến đổi theo và phản ánh sự biến đổi trên Tuy nhiên, hầu hết các thông số điện học của các cảm biến này cũng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của không khí cần đo độ ẩm Chính vì vậy, các dụng cụ đo hoạt động theo phương pháp này luôn được tích hợp

thêm các dụng cụ đo nhiệt độ như Hình 2.1 dưới đây Các tín hiệu gửi về các bộ

hiển thị và bộ điều khiển thường gửi kèm cả tín hiệu nhiệt độ để xác định các thông số khác như độ chứa ẩm của khối không khí, độ ẩm tuyệt đối,

-

Hình 2.1 Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm tích hợp trên cùng một phiến

Các cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp này có hai loại phổ biến:

Cảm biến đo có điện trở biến thiên theo độ ẩm hay còn được gọi là ẩm kế điện trở

có nguyên lý sau: điện trở của vật liệu cách điện sẽ xác định được độ ẩm của nó,

mà độ ẩm của vật liệu lại trực tiếp phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường không khí bao quanh nó Mối quan hệ giữa điện trở với độ ẩm tương đối thường có dạng hàm

mũ với hệ số mũ âm như ở trên hình dưới đây (Hình 2.2)

Đặc trưng của mối quan hệ là sự suy giảm nhanh chóng của điện trở khi độ ẩm vật liệu tăng lên do độ ẩm không khí môi trường tăng lên

Một vật liệu cách điện được sử dụng làm cảm biến đo độ ẩm phải tuân thủ những yêu cầu cơ bản đã được nêu ra trên đây về độ nhạy, về tính nhất quán và về tính nhạy cảm với sự thay đổi độ ẩm môi trường xung quanh Cũng có thể sử dụng các chất hút ẩm để làm cảm biến đo nhiệt độ theo nguyên lý điện dẫn Bởi vì khi độ

ẩm môi trường khí quyển thay đổi thì độ ẩm mà nó hút được cũng thay đổi để đảm bảo sự cân bằng áp suất hơi nước trong không khí và trên bề mặt chất hút ẩm, dẫn đến hệ số điện dẫn của chất hút ẩm cũng thay đổi theo Có thể sử dụng nguyên lý tạo sự cân bằng áp suất hơi nước trong khí quyển và áp suất hơi nước bão hòa trên

bề mặt chất hút ẩm bằng cách thay đổi nhiệt độ của 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 còn được gọi là ẩm kế tụ điện polyme Ẩm kế tụ điện sử dụng điện môi là một màng mỏng polyme có khả năng hấp thụ phân tử nước Hằng số điện môi tương đối εr của lớp polyme thay đổi theo

độ ẩm, do đó điện dung của tụ điện polyme phụ thuộc vào giá trị độ ẩm này Điều

này hoàn toàn dễ hiểu và có thể giải thích thông qua công thức tính điện dung C

của tụ điện như sau:

Trong đó: εr là hằng số điện môi màng polyme, ε0 là hằng số điện môi chân không,

A là diện tích bản cực, còn L là chiều dày của màng polyme

Quan hệ giữa điện dung và độ ẩm tương đối được biểu thị như trên Hình 1.3 Quan

hệ trên có thể được xấp xỉ hồi qui thành dạng quan hệ tuyến tính với hệ số biến thiên của điện dung theo độ ẩm tương đối phụ thuộc vào nhiệt độ

Vì phân tử nước có cực tính cao, hằng số điện môi tương đối của nước là 80 trong khi đó vật liệu polyme có hằng số điện môi từ 2 đến 6 vì vậy ẩm kế tụ điện polyme được phủ trên điện cực thứ nhất bằng Tantan, sau đó là lớp Cr được phủ tiếp lên polyme bằng phương pháp bốc bay chân không (một kỹ thuật bao phủ trong công nghệ sản xuất bán dẫn)

Hình 2.4 So sánh cấu tạo phân lớp của hai loại cảm biến

Hình 2.4 thể hiện sự khác biệt về mặt cấu tạo (lỗ trống và hình chữ U nối tiếp: cài

răng lược) của hai loại cảm biến đo độ ẩm

Hai loại cảm biến này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong nội dung dưới đây về hình dạng, lắp đặt, cấu tạo theo yêu cầu đo cụ thể

1.3 Đặc điểm hình dạng bên ngoài và lưu ý lắp đặt của cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp điện học

Xét ở góc độ lắp đặt cảm biến, hai loại cảm biến này có phương pháp lắp đặt khá giống nhau với đặc trưng về tính chất tích hợp trên mạch điện tử và đưa ra tín hiệu chuẩn Các mạch điện tử cũng như đầu cảm biến thường được bảo vệ bằng vỏ nhựa

 

 r oA C

L