báo cáo thực hành học phần kỹ thuật đo lường và lý thuyết điều khiển tự động trong cntp

Đặc điểm và mô hình các đối tượng trong công nghiệp thực phẩmTính 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 đá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ

BÁO CÁO THỰC HÀNH HỌC PHẦN

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG TRONG CNTP

BÀI 1 ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

I CƠ SỞ LÝ 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 , 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:

Trong đó - trễ vận tải của đối tượng

K - hệ số truyền

T1, T2 , , Tn - các hằng số quán tính, tương ứng với khâu quán tính bậc nhất

n - bậc quán tính, bằng số khâu quán tính bậc nhất hợp thành

II MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

1 Nắm vững quy trình xây dựng hàm truyền đối tượng từ số liệu thu thập thực tế

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

III SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

Bảng kết quả thí nghiệm

28 29 30

IV XỬ LÝ SỐ LIỆU

1 Thiết bị và nguyên lý hoạt động

Sơ đồ hệ thống điều khiển :

Trong đó :

- Bộ điều khiển 2 vị trí on-off

- Đối tượng : quá trình tăng giảm nhiệt độ nước, với cơ cấu chấp hành là thanh gia nhiệt (dây mayso)

- Cảm biến : hoạt động theo nguyên tắc nhiệt điện trở, mạch cầu đo 2 dây; điện trở Pt100

- Set value (thông số đặt trước) : 67 Co

- Nhiệt độ nước ban đầu : 37 Co

2 Xử

Mô

2.1 Vẽ đặc tính quá độ của đối tượng

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

0

5

10

15

20

25

30

35

Đồồ th đ c tính quá đị ặ ộ

t(s)

Mô hình quán tính bậc nhất có trễ có dạng :

O( )s =

Các tham số của mô hình Q1T xác định như sau:

- Hệ số truyền K = = 31,315

- Hệ số quán tính T = T = 462-12 = 450 a

- Thời gian trễ = 12 (s)

Kết quả ta có hàm truyền đối tượng : O(s) =

BÀI 2 ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ

1 Mục đích thí nghiệm:

- Nắm được cơ sở lý thuyết về các khái niệm cơ bản liên quan đến độ ẩm không khí và nguyên lý hoạt động, cấu tạo của đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học

- Tìm hiểu tương quan nhiệt độ, độ ẩm tương đối và lượng ẩm

2 Cơ sở lí thuyết:

Độ ẩm tuyệt đối (kg/m )3

Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là tỷ số giữa khối lượng hơi nước G và thểh tích V của nó:

Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng hơi nước G và khối lượng hơi nước cực đại: h

Nguyên lí hoạt động và cấu tạo trong của đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học:

Nguyên tắc cơ bản: 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

Phân loại:

- Ẩm kế điện trở (điện trở biến thiên theo độ ẩm): 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 điển trở với độ ẩm tương đối thường có dạng hàm mũ với hệ số mũ âm Độ

ẩm không khí môi trường tăng lên khi độ ẩm vật liệu tăng lên làm giảm nhanh chóng điện trở

- Ẩm kế tụ điện polymer (điện dung biến dung theo độ ẩm): Ẩm kế tu điện sử dụng điện môi là một màng mỏng polymer có khả năng hấp thụ phân tử nước Hằng số điện môi tương đối của lớp polymer thay đổi theo độ ẩm, do

đó điện dung của tụ điện polymer phụ thuộc vào giá trị độ ẩm này

Quan hệ giữa điện dung và độ ẩm tương đối có thể được xấp xỉ hồi quy thành dạng quan hệ tuyến tính

Các thông số chủ yếu của ẩm kế tụ điện polymer là:

Phạm vi đo từ 0% đến 100%

Dải nhiệt độ -40 C đến 80 hoặc 100 Co o

Độ chính xác đến

Thời gian hồi đáp vài giây

Ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, phần tử nhạy có thể nhúng vào nước mà không bị hư hỏng

3 Mô tả thí nghiệm:

Thực hiện thí nghiệm sẽ lấy dữ liệu về nhiệt độ (t: oC) và độ ẩm tương đối (φ: %) của không khí tại các điểm đo: trước buồng sấy và sau buồng sấy của thiết bị sấy bơm nhiệt, và so sánh sự thay đổi của lượng chứa ẩm (d: g ẩm/kg KKK); Ta thu được bảng số liệu với :

pbh = exp (12,00 - ) (bar) và lượng chứa ẩm d = 621

(p = 1.013 bar)

gian (p) t1 (

oC) φ1

(%)

d1 (g/kg) t2 (

oC) φ2 (%) d2

(g/kg)

Δd = d2-d1

Từ bảng số liệu, ta thu được các đồ thị sau

1.000

1.200

1.400

Đồồ th biếến thiến hàm m theo th i gian)ị ẩ ờ

65

70

75

80

85

90

Đồồ th đ m tị ộ ẩ ương đồếi theo nhi t đệ ộ

Nhi t đ (đ C) ệ ộ ộ

Nhận xét :

- Độ ẩm tương đối của tác nhân sấy (khí nóng) giảm dần khi tăng nhiệt độ

- Hàm ẩm của tác nhân sấy (khí nóng) có xu hướng tăng dần nhưng không đều khi nhiệt độ tăng

- Biến thiên hàm ẩm trước và sau buồng sấy dao động trong khoảng nhỏ từ 1-1.23 g/kg trong suốt quá trình sấy

22

22.5

23

23.5

24

24.5

25

Đồồ th hàm m theo nhi t đị ẩ ệ ộ

Nhi t đ (đ C) ệ ộ ộ

- Kết quả đo được có sai số do quá trình thao tác, sai số dụng cụ và ảnh hưởng

từ môi trường

BÀI 3 THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM.

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Nâng cao kiến thức thực tiễn về môn học Kỹ thuật đo lường và lý thuyết điều khiển tự động trong CNTP

Hiểu được nguyên lý cấu tạo một số thiết bị đo lường phổ biến và một số hệ thống điều khiển trên thiết bị trong sản xuất thực phẩm

Phân tích và hiểu được cách chọn vị trí đặt các thiết bị đo lường để đảm bảo yêu cầu công nghệ Củng cố khả năng phân tích, thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển thiết bị/hệ thống trong thực tế

II NỘI DUNG

1 Cấu tạo cơ bản của thiết bị

- Thiết bị : máy cô đặc chân không

- Cấu tạo cơ bản : Gồm khoang đun nóng nguyên liệu, khoang nước ngưng, bơm chân không, động cơ cánh khuấy Ngoài ra còn có phễu chất thơm, bảng điều khiển, hệ thống van và đường dẫn hơi, dẫn nước, đồng hồ đo áp suất, nhiệt độ, chân không

2 Sơ đồ chức năng và nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động :

- Nguyên liệu được đưa vào khoang đun nóng và được đảo trộn nhờ động cơ cánh khuấy Hơi được cấp vào khoang đun nóng, làm sôi nguyên liệu đến khi bốc hơi Phần hơi nước sẽ được hút sang khoang ngưng là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm Hơi trao đổi nhiệt bị ngưng tụ thành nước ngưng chảy xuống dưới và được xả qua van xả nước ngưng

- Nước lạnh được bơm vào thiết bị ngưng tụ, làm ngưng tụ hơi nước; nước ngưng được xả qua ống xả thải

- Quá trình bốc hơi sẽ làm nguyên liệu dần bị cô đặc Có thể bổ sung thêm chất phụ gia qua phễu chất hương

- Nhờ áp suất chân không, dung dịch có nhiệt độ sôi thấp dẫn tới quá trình cô đặc không làm biến đổi quá lớn tới chất lượng sản phẩm cuối

- Mở van xả đáy thiết bị, sản phẩm sẽ tự động chảy xuống

- Các thiết bị đo được đặt lần lượt ở các vị trí: cảm biến đo nhiệt độ đặt ở giữa nồi chứa để đo nhiệt độ dung dịch; 1 cảm biến đo áp suất đặt ở trên tank chứa để đo áp suất chân không trong nồi; 1 cảm biến đo áp suất đặt ở phần

vỏ đo áp suất hơi bão hòa dùng để gia nhiệt