báo cáo thí nghiệm kỹ thuật đo lường và lý thuyết điều khiển tự động trong công nghệ thực phẩm

Ngoài yêu cầu trên còn một số yêu cầu khác như các tính chấthóa – lý của kim loại không được thay đổi nhiều sau một thời gian dài hoạtđộng; sự biến thiên của hệ số nhiệt điện trở theo nh

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰĐỘNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Họ và tên : Vũ Thị Huyền Trang MSSV : 20175274

Lớp : KTTP.01-K62

Hà Nội-6/2020

1

BÀI 1 : ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT LỎNG

1 Cơ sở lý thuyết

Nguyên lý thay đổi điện trở suất của kim loại khi thay đổi nhiệt độBản chất của dòng điện trong vật chất nói chung là dòng chuyển rời cóhướng của các hạt mang điện tích Bản chất của dòng điện trong kim loại làdòng chuyển rời có hướng của các electron Sự chuyển động này có thể do mộtlực cơ học hay điện trường gây nên và điện tích có thể âm hay dương dịchchuyển với chiều ngược nhau

Độ dẫn điện của kim loại có thể được diễn tả bởi công thức :2

6ne lth

Phương trình trên chứng tỏ độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệtđộ Nói cách khác, điện trở suất hay điện trở của kim loại đồng biến với nhiệt độhay kim loại có hệ số nhiệt điện trở α dương (hiệu ứng nhiệt điện trở dương)

Để hiệu ứng này có thể sử dụng được trong việc đo nhiệt độ, kim loại đượcchọn cần có hệ số nhiệt điện trở α lớn để đảm bảo đủ mức độ nhạy với sự biếnđổi của nhiệt độ Ngoài yêu cầu trên còn một số yêu cầu khác như các tính chấthóa – lý của kim loại không được thay đổi nhiều sau một thời gian dài hoạtđộng; sự biến thiên của hệ số nhiệt điện trở theo nhiệt độ là thấp (tính chất tuyếntính cao) bởi vì quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở thường có tính chất phi tuyếnđược biểu diễn thông qua một đa thức bậc cao:

Theo như phân tích ở trên, các hệ số B, C, D cần xấp xỉ với giá trị 0.Chính vì các đặc điểm nêu trên nên một số kim loại như Pt, Ni, được sử dụngphổ biến làm vật liệu chế tạo đầu đo (nhiệt điện trở) Hình 1.1 dưới trình bàyđặc tuyến của giá trị điện trở tương đối (so với giá trị điện trở R của nhiệt điệnotrở tại nhiệt độ: 0 C) biến thiên theo nhiệt độ của một số kim loại phổ biến đượcosử dụng làm nhiệt điện trở trong thực tế.

Hình 1.1 Đặc tuyến hệ số Rt/R0 theo nhiệt độ của một số kim loạiTheo các đặc tuyến ở trên, Pt được sử dụng phổ biến hơn vì có đặc tínhtuyến tính trong dải đo rộng Trong trường hợp các ứng dụng yêu cầu tính nhạycao ở phạm vi hoạt động nhiệt độ dưới 300 C, Ni là một giải pháp khá toàn vẹnovề cả tính tuyến tính và độ nhạy.

Trong dải hoạt động tuyến tính, giá trị điện trở được biểu diễn theo nhiệtđộ với phương trình đơn giản sau:

R(t) = R (1+ αt)0

Giá trị α được gọi là hệ số nhiệt điện trở - đặc trưng bởi bản chất của kimloại cấu tạo lên nhiệt điện trở Một số giá trị R thường gặp là: 50(Ω), 100 (Ω),0500(Ω), 1000 (Ω) Chủng loại nhiệt điện trở thường được ký hiệu kèm theo kimloại cấu tạo lên nhiệt điện trở: Ví dụ như Pt -100 là nhiệt điện trở phổ biến cấutạo từ Pt và có giá trị điện trở R tại 0 C là 100 (Ω).0 o

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

Các cảm biến công nghiệp có kết cấu chống ẩm và thoát nước thường đượckết nối tới các bộ điều khiển công nghiệp có hệ số bảo vệ công nghiệp (IP) nhấtđịnh (ví dụ IP65, IP67 )

Hình 1.2 Thiết bị điều khiển nhiệt độ đặt tại hiện trường

Trong công nghiệp thực phẩm, nếu bộ điều khiển được lắp đặt tại hiện trườngthường có cấu tạo có mặt che đậy như hình vẽ dưới đây để chống ẩm, chốngnước

Đối với thiết bị điều khiển nhiệt độ không lắp đặt gần hiện trường sản xuất (lắpđặt trên các tủ điều khiển công nghiệp), việc thiết kế các bộ phận chống ẩm làkhông cần thiết Hình dạng các thiết bị điều khiển nhiệt độ chuyên dụng dạngnày có dạng như thiết bị trong trong thí nghiệm như hình dưới đây.

Hình 1.3 Cảm biến kết nối tới bộ điều khiển (thí nghiệm)

Sinh viên thực hiện thí nghiệm sẽ kiểm tra khả năng bám nhiệt độ đặt bằngcách thay đổi nhiệt độ đặt thông qua bàn phím trên thiết bị điều khiển hoặc khảnăng kháng nhiễu công nghệ bằng cách bổ sung thêm nước mát sau khi nhiệt độđã ổn định ở điểm đặt (khi ấy nhiệt độ bình sẽ có xu hướng bị giảm nên bộ điềukhiển sẽ tiến hành cấp thêm nhiệt năng cho bình để đạt được lai nhiệt độ banđầu như điểm đặt công nghệ).

3 Kết quả thí nghiệm

Nhiệt độ đặt : 57°C

Nhiệt độ bình trước khi khởi động hệ thống điều khiển : 38°C

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

4 Đồ thị kết quả:

Đồ thị nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian và khả năng bám điểm đặt của hệ thống điều khiển

Nhiệt độ T1 (°C)Thời gian (s)

- Qua đồ thị ta thấy nhiệt độ đạt được khi đo qua từng thời điểm quan hệ

tiệm cận với nhiệt độ đặt

Như vậy, ta đã thực hiện được mục đích ban đầu đã đặt ra của bài thínghiệm là kiểm tra khả năng bám nhiệt độ đặt đặt bằng cách thay đổi nhiệt độđặt thông qua bàn phím trên thiết bị điều khiển hoặc khả năng kháng nhiễu côngnghệ bằng cách bổ sung thêm nước mát sau khi nhiệt độ đã ổn định ở điểm đặt(khi ấy nhiệt độ bình sẽ có xu hướng bị giảm nên bộ điều khiển sẽ tiến hành cấp

thêm nhiệt năng cho bình để đạt được lai nhiệt độ ban đầu như điểm đặt côngnghệ).

BÀI 2 ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ:

1.Cơ sở lý thuyết1.1 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 hútgiữa 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 tháicủa chất lỏng: áp suất và nhiệt độ Quá trình nảy ra ở mọi nhiệt độ trên bề mặtthoáng của khối chất lỏng

Quá trình sôi: Quá trình sôi là quá trình hóa hơi xảy ra trong toàn bộ khốichất lỏng (không chỉ ở bề mặt) Nó xảy ra ở một nhiệt độ nhất định phụ thuộcvào áp suất và bản chất chất lỏng (nhiệt độ sôi tăng với áp suất lớn: T = f(p) cósđạo hàm dương) Nhiệt độ ứng với trạng thái lúc chất lỏng sôi tại những áp suấtnhất định gọi là nhiệt độ sôi.

Quá trình ngưng tụ: Quá trình ngưng tụ là quá trình ngược lại với quátrình bay hơi, trong đó hơi nước nhả nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng Trong quátrình ngưng tụ nếu duy trì áp suất không đổi thì nhiệt độ môi chất cũng khôngthay đổi

Trạng thái bão hòa Khi chất lỏng ở trong một không gian nào đó có nhiệtđộ và áp suất của chúng đạt đến giá trị nhất định (t ; p ) thì đồng thời với quásstrình 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 tháiđó gọi là trạng thái bão hòa Trong trạng thái bảo hòa phần nước gọi là nướcbảo hòa còn phần hơi gọi là hơi bảo hòa: Hơi bảo hòa có 2 loại là: hơi bão hòakhô và hơi bão hòa ẩm Hơi bão hòa khô là hơi nứớc bảo hòa mà trong đókhông còn các hạt nước liti Hơi bão hòa ẩm là hơi bảo hòa mà trong đó còn cóchứa 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 trongkhông 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/ m ) là khối lượng hơi nước (kg) có trong một không khí có thể tích3V=1m3, với công thức ước lượng dưới đây:

 

GV

Trong đó: G là khối lượng hơi nước hòa tan trong 1m không khí, h 3

max.100(%)Gh

.100(%) 100(%).

PR T

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 khítk < 100 C thì khi tăng nhiệt độ lên, khả năng hòa tan hơi nước vào không khíotăng lên (Pmax tăng lên) Như vậy khi t < 100 C thì khi tăng nhiệt độ có thểk ochuyển trạng thái không khí bão hòa hơi nước sang không bão hòa Ngược lạikhi giảm nhiệt độ thì có thể chuyển trạng thái không khí không bão hòa hơinước sang trạng thái bão hòa hơi nước

1.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo trong của đầu đo độ ẩm theophương pháp điện học

Đây là phương pháp hiện đại và được dùng phổ biến hiện nay Dụng cụ đoloại này dễ dàng được tự động hóa và ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điềukhiển quá trình do thuận tiện trong việc biến đổi thành tín hiệu điện truyền đi xacũng 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 cácthông 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 họccủa các cảm biến này cũng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của không khí cầnđo độ ẩm Chính vì vậy, các dụng cụ đo hoạt động theo phương pháp này luônđược tích hợp thêm các dụng cụ đo nhiệt độ như Hình 2.1 dưới đây Các tín hiệugửi về các bộ hiển thị và bộ điều khiển thường gửi kèm cả tín hiệu nhiệt độ đểxác định các thông số khác như độ chứa ẩm của khối không khí, độ ẩm tuyệtđối,

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 kếđiện trở có nguyên lý sau: điện trở của vật liệu cách điện sẽ xác định được độẩm của nó, mà độ ẩm của vật liệu lại trực tiếp phụ thuộc vào độ ẩm của môitrường 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 độẩm 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 thủnhững yêu cầu cơ bản đã được nêu ra trên đây về độ nhạy, về tính nhất quán vàvề tính nhạy cảm với sự thay đổi độ ẩm môi trường xung quanh Cũng có thể sửdụng các chất hút ẩm để làm cảm biến đo nhiệt độ theo nguyên lý điện dẫn Bởivì khi độ ẩm môi trường khí quyển thay đổi thì độ ẩm mà nó hút được cũng thayđổi để đảm bảo sự cân bằng áp suất hơi nước trong không khí và trên bề mặtchất hút ẩm, dẫn đến hệ số điện dẫn của chất hút ẩm cũng thay đổi theo Có thểsử 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 chấthút 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 kếtụ điện polyme Ẩm kế tụ điện sử dụng điện môi là một màng mỏng polyme cókhả năng hấp thụ phân tử nước Hằng số điện môi tương đối ε của lớp polymerthay đổi theo độ ẩm, do đó điện dung của tụ điện polyme phụ thuộc vào giá trịđộ ẩm này Điều này hoàn toàn dễ hiểu và có thể giải thích thông qua công thứctính điện dung C của tụ điện như sau:

  r oAC

L

Trong đó: ε là hằng số điện môi màng polyme, ε là hằng số điện môir0chân 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 là80 trong khi đó vật liệu polyme có hằng số điện môi từ 2 đến 6 vì vậy ẩm kế tụđiện polyme được phủ trên điện cực thứ nhất bằng Tantan, sau đó là lớp Crđược phủ tiếp lên polyme bằng phương pháp bốc bay chân không (một kỹ thuậtbao 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 dướiđây 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 đođộ ẩm theo phương pháp điện học

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

Trong một số trường hợp, đầu cảm biến và mạch điện tử được tách ra vớicác yêu cầu đo độ ẩm của môi trường có nhiệt độ cao hoặc có đặc trưng về hóachất (ăn mòn) hoặc yêu cầu lắp đặt (nhỏ gọn) Hình 2.5 dưới đây thể hiện đặcđiểm của cảm biến có đầu đo (phần tử nhạy cảm) tách rời (2 chân) hoặc tíchhợp 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 cókết cấu chống ẩm và thoát nước thường được kết nối tới các bộ điều khiển côngnghiệp 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 2.6và hệ thống hiển thị và điều khiển tại chỗ tương tự trên hình 2.7

Áp bãohòa

d ẩm (g/kgkkk)

Bảng dữ liệu kết quả thí nghiệm

Tháo thiết bị đo để ra ngoài môi trường 2 phút thông số: T = 29.9°C, φ = 91%

Áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ tính theo công thức:

p = exp(bh ) (bar) Lượng chứa ẩm d (g ẩm/kg kk): d = 621*Với: p = 1.013 bar

4.Đồ thị kết quả

29.6 29.6 29.7 29.7 29.8 29.8 29.9 29.980

2021222324252627282930Biểu đồ tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ và lượng ẩm

Độ ẩm (%) d ẩm (g/kg kkk)Nhiệt độ T (°C)

5.Nhận xét

- Đồ thị miêu tả sự biến thiên độ ẩm tương đối theo thời gian Từ kết quả thínghiệm và đồ thị trên ta thấy:

+ Khi nhiệt độ tăng thì độ ẩm và lượng chứa ẩm cũng tăng

+ Đồ thị có hình dạng gần giống của khâu quán tính bậc 2, tuy nhiên có thể dosai số trong quá trình đo nên đồ thị ở giai đoạn quá độ không có hình dạnggiống chuẩn và không đạt được sự ổn định

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

BÀI 3 : SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNGCÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 Mục đích thí nghiệm

Nâng cao kiến thức thực tiễn của sinh viên về các hệ thống, thiết bị đolường và điều khiển trong thực tế Gíup sinh viên hiểu và hình dung một cáchdễ dàng các thiết bị, tủ điện, cách bố trí linh kiện, thiết bị trong tủ điện trên thiếtbị Gíup sinh viên hiểu được cách chọn vị trí, cách lắp đặt các thiết bị đo lường.Trang bị cho sinh viên khả năng phân tích, vẽ lại sơ đồ chức năng của quá trìnhđo và điều khiển thiết bị, hệ thống trong thực tế

2 Sơ đồ chức năng

Thiết bị thực hành: thiết bị thanh trùng liên tục :

Sơ đồ chức năng của thiết bị thanh trùng liện tục như sau :

3 Thuyết minh sơ đồ

Thiết bị thanh trùng băng tải thường dùng để thanh trùng đồ hộp, chai lọ Nên có thể thanh trùng bằng cách phun nước trực tiếp Đồ hộp, chai lọ

sẽ được để trên băng tải, băng tải chuyển động bằng motor, bằng cách điều khiển tốc độ quay của motor ta có thể điều khiển vận tốc từ đó chọn được thời gian thanh trùng.

- Nước qua van 1 đi vào thiết bị.

- Nước qua van 2 đi vào khoang hạ nhiệt (20-30°C).

- Nước qua van 3 vào buồng chứa I, qua van 4 vào buồng chứa II - Hơi nóng qua van 5 đi vào thiết bị.

- Hơi nóng qua van 6 đi vào buồng chứa I, gia nhiệt nước trực tiếp 60°C)

(50 Hơi nóng qua van 7 và 8 vào buồng chứa II, gia nhiệt trực tiếp (80(50 95°C)+ Van 7 là một van tự động

- Nước ấm trong buồng I, thông với buồng III được bơm ly tâm 14 hút qua tấm lọc rồi bơm qua van 9 vào khoang ấm.

+ Nước qua một thiết bị hiển thị áp cùng với một thiết bị hiển thịnhiệt để nhân viên có thể kiểm tra.

+ Nước có thể qua van 11 để đi vào buồng IV để tiết kiệm thời gian gia nhiệt cho khoang thanh trùng.

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

+ Nước qua một thiết bị hiện thị áp cùng với một thiết bị hiển thịnhiệt để nhân viên có thể kiểm tra.

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