báo cáo thí nghiệm kỹ thuật đo lường và điều khiển các quá trình thiết bị trong cnsh cntp

Môn kỹ thuật đolường và điều khiển các quá trình thiết bị trong CNSH-CNTP đã cho em cơ hội thực hànhvà làm quen với các thiết bị chuyên dụng trong ngành chế biến thực phẩm như: thiết bị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIViện Công Nghệ Sinh Học và Công Nghệ Thực Phẩm

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁTRÌNH THIẾT BỊ TRONG CNSH-CNTP

Hà Nội, 7/2023 GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Viễn

Th.S Phan Minh Thụy ThS

SVTH: Trần Viết Quân MSSV: 20201212

Lớp: KTTP 03 – K65

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ đo lường và điều khiển tự động đã mang lạihiệu quả cao cho quá trình sản xuất, tạo ra sự khác biệt so với những năm trước Nhờ sựtiên tiến của máy móc, con người đã được giảm bớt gánh nặng lao động Môn kỹ thuật đolường và điều khiển các quá trình thiết bị trong CNSH-CNTP đã cho em cơ hội thực hànhvà làm quen với các thiết bị chuyên dụng trong ngành chế biến thực phẩm như: thiết bị côđặc chân không, máy nghiền, máy thanh trùng liên tục, … tại trung tâm thực hành B4.Em cũng đã thực hiện được việc đo lường và điều khiển nhiệt độ môi chất lỏng và đolường độ ẩm không khí Bài báo cáo này bao gồm 3 phần chính:

Phần 1: Khảo sát hệ thống tự động hóa các quá trình công nghệ, thiết lập sơ đồchức năng của hệ thống đo lường & điều khiển

Phần 2: Đo lường và điều khiển nhiệt độ môi chất lỏng Phần 3: Đo lường độ ẩm không khí

Em mong nhận được sự góp ý và hướng dẫn của thầy và các bạn để hoàn thiện bàibáo cáo của mình Em xin chân thành cảm ơn!

BÀI 1: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊTRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM

- Ngày thí nghiệm: 05/04/2023 – Thầy Nguyễn Ngọc Viễn

I Mục đích thí nghiệm

Nâng cao kiến thức thực tiễn của sinh viên về môn học Kỹ thuật đo lường và lýthuyết điều khiển tự động trong CNTP Giúp sinh viên hiểu được nguyên lý cấu tạo mộtsố thiết bị đo lường phổ biến và một số hệ thống điều khiển trên thiết bị trong sản xuấtthực phẩm Bên cạnh đó, sinh viên sẽ phân tích và hiểu được cách chọn vị trí đặt các thiếtbị đo lường để đảm bảo yêu cầu công nghệ Củng cố và trang bị cho sinh viên khả năngphân tích, thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển thiết bị/hệ thống trong thực tế.

II Thực hành vẽ sơ đồ chức năng thiết bị thanh trùng băng tải

Sơ đồ chức năng thiết bị thanh trùng băng tải

III Thuyết minh sơ đồ

 Thiết bị thanh trùng băng tải thanh trùng bằng cách phun nước trực tiếp lên trên vật liệu được đặt trên băng tải và có động cơ băng tải có thể được được điều khiển vận tốc để thay đổi thời gian tiếp xúc giữa vật liệu với nước thanh trùng

 Sơ đồ :

- Nước được cấp vào từ van 1 đi vào đến van 2 đến khu vực hạ nhiệt

- Nước được cấp từ van 1 đi vào đến van 3 được điều khiển bằng cơ cấu thủ côngvào buồng chứa I

- Nước được cấp từ van 1 đi vào đến van 4 cũng được điều khiển bằng cơ cấu thủcông đi vào buông chứa II

- Hơi nóng đi qua van 5 vào thiết bị đến van 6 qua cơ cấu điều khiển thủ công đi vào buồng chứa I

- Hơi nóng được cấp từ van 5 qua van 7 và 8 vào buồng chứa II, gia nhiệt trực tiếp

( van 7 là một van tự động và van 8 là van được điều khiển bằng cơ cấu thủ công)- Nước ấm trong buồng I, thông với buồng III được bơm ly tâm hút qua tấm lọc

rồi bơm qua van 9 vào khoang ấm Nước qua một thiết bị hiển thị áp cùng vớimột thiết bị hiển thị nhiệt để người vận hành có thể kiểm tra Nước đến van 11qua cơ cấu điều khiển thủ công đi vào buồng IV để tiết kiệm thời gian gia nhiệtcho khoang thanh trùng.

- Nước nóng trong buồng II, thông với buồng IV được bơm ly tâm 15 hút quatấm lọc rồi bơm qua van 10 vào khoang thanh trùng.

- Nước qua một thiết bị hiện thị áp cùng hiện thị nhiệt độ được đặt tại chỗ với một thiết bị truyền nhiệt độ đặt tại chỗ truyền đến thiết bị hiển thị, điều khiển điều chỉnh nhiệt độ ở tủ điều khiển

- Sau khi vận hành xong, nước trong các buồng III, IV chảy qua van 12 và 13 rangoài.

 Nhận xét :

Trong sơ đồ chức năng của thiết bị vẫn còn nhiều cơ cấu điều khiển thủ công chưarất nhiều chưa có cơ cấu điều khiển tự động vì thế cần người giám sát và điều khiển để vận hành, tốn nhân lực nhân công

BÀI 2 ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

 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 đặctính thời gian, trong đó, đặc tính quá độ (đáp ứng bước) phản ánh đầy đủ và trực quan cácđặc điểm động học của đối tượng.

Điểm đặc trưng của các đối tượng công nghiệp là có trễ vận tải và có quán tínhlớn Trễ vận tải còn gọi là trễ tuyệt đối, trễ thời gian chết (dead time) …, đó là thời giankể từ thời điểm xuất hiện xung đầu vào đến khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi so với giá trịxác lập ban đầu.

Độ quán tính của đối tượng phản ánh tốc độ phản ứng của nó, kể từ khi đại lượngra đã bắt đầu thay đổi Do có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các đối tượng điềukhiển 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 tươngứng với độ lớn của xung đầu vào, nên có tên gọi là đối tượng “có tự cân bằng” Các đốitượng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,… nói chung là những đối tượng có tự cânbằng.

Sự phân tích đặc tính quá độ của các đối tượng có tự cân bằng trong thực tế chothấy 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 khâuquán tính bậc nhất Tốc độ biến thiên đại lượng ra của nó đạt giá trị lớn nhất tại thời điểmxuất hiện xung đầu vào

Trên hình 1 – b, đường cong quá độ có một điểm uốn tại tu (điểm dốc nhất) và cóhình dạng chữ S Đó là dáng điệu của khâu quán tính bậc cao, bao gồm một số khâu quántính bậc nhất mắc nối tiếp Độ quán tính của đối tượng loại này tương đương với tổng độquán 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 bậcnhất 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 vềbên phải một khoảng , kể từ gốc toạ độ Đó là đặc tính quá độ của đối tượng quán tínhbậc cao có trễ, được hình thành bởi mạch mắc nối tiếp một số khâu quán tính bậc nhất vàmột khâu trễ.

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

Bảng dữ liệu mẫu của thí nghiệm kiểm tra khả năng bám nhiệt độ đặt

1 Vẽ đặc tính quá độ đối tượng vừa thu được

Thời gian trễ : τ = 35s ( hoành độ điểm A)

Hằng số quán tính T = 588 -35 = 553s ( đoạn AC = hình chiếu AB lên Ox)Hệ số truyền: K = y (∞)

uo với uo là độ lớn của xung bậc thang đầu vào.K= 0.95137.5 = 39,43

Mô hình quán tính bậc 1 có trễ có dạng:

O(s) = 39.43 × e-35s1 + 553s

4.Nhận xét kết quả thí nghiệm

- Nhiệt độ bình có xu hướng tăng dần theo thời gian

- Sau khi đạt đến nhiệt độ đặt, nhiệt độ tương đối ổn định, không thay đổi.

- Giá trị của K = 39.43 là giá trị mà hàm số sẽ tiến dần về khi t tăng đến vô hạn

- Độ dốc của đồ thị phản ánh tốc độ biến thiên của hàm số Độ dốc càng nhỏ, hàmsố càng biến thiên chậm Độ dốc của đồ thị sẽ giảm dần khi tăng t và tiến về 0 khi t tiếnvề vô cực.

BÀI 3: ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ1.Cơ sở lý thuyết

1.1.Khái niệm

Quá trình bay hơi: Ở một nhiệt độ bất kỳ trên bề mặt các chất lỏng luôn luôn xảy ra

hiện tượng một số phần tử có động năng lớn thắng được lực hút 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 duytrì 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 nứớc bảo hòa mà trong đó không còn các hạt nước liti Hơi bão hòa ẩm là hơi bảo hòa mà trongđó còn có chứa các hạt nước liti, đó chính là hổn hợp của hơi bão hòa khô và nước sôi.

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  (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:



V

Trong đó: Gh là khối lượng hơi nước hòa tan trong 1m3 không khí,

max

.100(%) Gh

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 cũngphụ 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 hútẩm 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:

  r oAC

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.

Trong một số trường hợp, đầu cảm biến và mạch điện tử được tách ra với các yêu cầu đo độ ẩm của môi trường có nhiệt độ cao hoặc có đặc trưng về hóa chất (ăn mòn)

hoặc yêu cầu lắp đặt (nhỏ gọn) Hình 2.5 dưới đây thể hiện đặc điểm của cảm biến có đầu

đo (phần tử nhạy cảm) tách rời (2 chân) hoặc tích hợp với mạch điện tử (4 chân).

Hình 2.6 Cảm biến đi kèm đầu bảo vệ dạng tròn (tiện lắp đặt) với dây kéo dài (tiện đấu nối)

2.Mô tả thiết bị thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm

Tương tự như cảm nhiệt độ, các cảm biến đo độ ẩm trong công nghiệp có kết cấu chống ẩm và thoát nước thường được kết nối tới các bộ điều khiển công nghiệp có hệ số bảo vệ công nghiệp (IP) nhất định (ví dụ IP65, IP67 )

Thiết bị thí nghiệm có hình dáng và cấu tạo của đầu đo tương tự hình 2.6 và hệ thống hiển thị và điều khiển tại chỗ tương tự trên hình 2.7

3.Kết quả thí nghiệm

- Các giá trị đo được biến thiên không có quy luật, do trong quá trình đo còn nhiều ảnh hưởng như thao tác, sai số thiết bị, cách đo, cũng như các yếu tố khách quan khác của môi trường

Đồ thị biến thiên hàm ẩm theo thời gian

Đồ thị độ ẩm tương đối theo nhiệt độ

φ1φ2

+ Khi nhiệt độ tăng thì độ ẩm tương đối giảm Lượng ẩm biến thiên lúc tăng lúc giảm, nhưng xét tổng thể chung vẫn giảm;

+ Hàm ẩm của tác nhân sấy (khí nóng) có xu hướng tăng dần nhưng không đều có lúc tăng, có lúc giảm và có sự tăng lớn từ khoảng nhiệt độ 34.5 - 35℃ rồi lại theo xu hướngcũ.

+ Các giá trị đo được biến thiên không có quy luật, do trong quá trình đo còn nhiều ảnh hưởng từ bên trong và cả môi trường bên ngoài

+ Các khoảng đột biến trong đồ thị có thể do sai số từ thiết bị cách đo hoặc cũng có thể là do thao tác sai trong lúc làm