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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CNSH & CNTP

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG 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 độ Bản chất của dòng điện trong vật chất nói chung là dòng chuyển rời có hướng của các hạt mang điện tích Bản chất của dòng điện trong kim loại là dòng chuyển rời có hướng của các electron Sự chuyển động này có thể do một lực cơ học hay điện trường gây nên và điện tích có thể âm hay dương dịch chuyển với chiều ngược nhau

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

2 6

ne lth

kT

Phương trình trên chứng tỏ độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệt

độ Nói cách khác, điện trở suất hay điện trở của kim loại đồng biến với nhiệt độ hay kim loại có hệ số nhiệt điện trở α dương (hiệu ứng nhiệt điện trở dương)

0

dR

dt

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

0 ( ) 1   

Trong đó:

 R(t) là giá trị điện trở của nhiệt điện trở tương ứng tại nhiệt độ t

 Ro là giá trị điện trở của nhiệt điện trở tại nhiệt độ: 0oC

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 dụng phổ biến làm vật liệu chế tạo đầu đo (nhiệt điện trở) Hình 1.1 dưới trình bày đặc tuyến của giá trị điện trở tương đối (so với giá trị điện trở R của nhiệt điệno trở tại nhiệt độ: 0 C) biến thiên theo nhiệt độ của một số kim loại phổ biến đượco

sử dụng làm nhiệt điện trở trong thực tế

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

về cả tính tuyến tính và độ nhạy

Trong dải hoạt động tuyến tính, giá trị điện trở được biểu diễn theo nhiệt

độ 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 kim loại cấu tạo lên nhiệt điện trở Một số giá trị R thường gặp là: 50(Ω), 100 (Ω),0 500(Ω), 1000 (Ω) Chủng loại nhiệt điện trở thường được ký hiệu kèm theo kim loại cấu tạo lên nhiệt điện trở: Ví dụ như Pt -100 là nhiệt điện trở phổ biến cấu tạo 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 được kết nối tới các bộ điều khiển công nghiệp có hệ số bảo vệ công nghiệp (IP) nhất định (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 trường thường có cấu tạo có mặt che đậy như hình vẽ dưới đây để chống ẩm, chống nước

Đối với thiết bị điều khiển nhiệt độ không lắp đặt gần hiện trường sản xuất (lắp đặt trên các tủ điều khiển công nghiệp), việc thiết kế các bộ phận chống ẩm là không cần thiết Hình dạng các thiết bị điều khiển nhiệt độ chuyên dụng dạng này 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 bằng cách thay đổi nhiệt độ đặt thông qua bàn phím trên thiết bị điều khiển hoặc khả năng kháng nhiễu công nghệ 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 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:

30

35

40

45

50

55

60

65

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)

5 Nhận xét

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

- Đồ thị có dạng gần tuyến tính

- 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 thí nghiệm là kiểm tra khả năng bám nhiệt độ đặt đặt bằng cách thay đổi nhiệt độ đặt thông qua bàn phím trên thiết bị điều khiển hoặc khả năng kháng nhiễu công nghệ 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 công nghệ)

BÀI 2 ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ:

1.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: T = f(p) cós 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 (t ; p ) thì đồng thời với quás s 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 trong đó 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/ m ) là khối lượng hơi nước (kg) có trong một không khí có thể tích3 V=1m3, với công thức ước lượng dưới đây:

 

h

G

V

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

max

.100(%)

G h

G

Trong đó: G là lượng hơi nước cực đại có thể hòa tan trong 1m không khí cómax 3

cùng nhiệt độ T xác định

Khi ấy, ta có công thức sau:

max max

.100(%) 100(%)

h

h

V P

P

R 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 khí

tk < 100 C thì khi tăng nhiệt độ lên, khả năng hòa tan hơi nước vào không khío tăng lên (Pmax tăng lên) Như vậy khi t < 100 C thì khi tăng nhiệt độ có thểk o 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 ε của lớp polymer 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 o A C L

Trong đó: ε là hằng số điện môi màng polyme, ε là hằng số điện môir 0 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 2.5 Cảm biến đo độ ẩm cỡ nhỏ Dạng cảm biến có chân cắm được thò ra luôn đòi hỏi kỹ sư lắp đặt thiết kế các

bộ cắm phù hợp Nhằm thuận tiện trong kết nối với hệ thống công nghiệp cũng như ứng dụng dân dụng, các cảm biến thường có các dạng điển hình như sau:

Hình 2.6 Cảm biến đi kèm đầu bảo vệ dạng tròn (tiện lắp đặt)

với dây kéo dài (tiện đấu nối)

Hình 2.7 Cảm biến có hiển thị tại chỗ với dạng treo tường hoặc kết nối với quá trình công nghệ quai đầu đo dạng tròn đi kèm hoặc tách

biệt với mạch xử lý tín hiệu (truyền xa hoặc không

truyền tín hiệu đi xa - điều khiển tại chỗ)

Việc lắp đặt các thiết bị đo nhiệt ẩm cần hết sức chú ý việc tiếp xúc trực tiếp đầu đo với môi trường dầu nhớt, dịch đường, có thể làm đầu đo bị hỏng hoàn toàn Trong các trường hợp đầu đo kém nhạy, cần vệ sinh lại đầu đo và tách bụi ra khỏi bộ phận chống bụi

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

Hình 2.8 Hình ảnh mô tả đầu đo và bộ hiển thị - điều khiển

độ ẩm trong BTN Sinh viên thực hiện thí nghiệm sẽ lấy dữ liệu về nhiệt độ (t: C) và độ ẩmo tương đối (φ: %) của không khí tại các điểm đo và so sánh sự thay đổi của lượng chứa ẩm (d: g ẩm/kg KKK) trong các trường hợp khác nhau

3.Kết quả thí nghiệm

Nhiệt độ ban đầu : 28.3°C

Độ ẩm ban đầu : 86%

Thời gian t (s) Nhiệt độ T

(°C)

Độ ẩm (%)

Áp bão hòa

d ẩm (g/kg kkk)

240 28.5 93 0.0387 22.8764

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