Báo cáo thí nghiệm kỹ thuật Đo lường và Điều khiển các quá trình thiết bị trong cnsh cntp

Dạng đặc tính quá độ phổ biến của các đối tượng tự cân bằngTrên hình 1 – a, đường cong quá độ thể hiện đặc điểm động học của một khâu quán tính bậc nhất.. Trạng thái của hơi quá nhiệt có

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

***

SVTH: Nguyễn Việt Anh MSSV: 20211409

Lớp: KTTP 02 – K66 GVHD: Th.S Phan Minh Thụy

Hà Nội, 5/2024

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ

TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CNSH-CNTP

BÀI 1 ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

1 Mục đích thí nghiệm:

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

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

2 Cơ sở lí thuyết:

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.

 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) …, 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,… 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:

Ocb(s) = K

(1+ T1s)(1+ T2s)…(1+ Tns)×e

-τs

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

3 Kết quả thí nghiệm:

 Bảng kết quả:

Nhiệt độ đặt: 60 (oC)

Nhiệt độ bình trước khi khởi động hệ thống điều khiển: 25,8 (oC)

STT Thời gian (s) Nhiệt độ bình

16 922 40 14.2

 Đồ thị đặc tính quá độ

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0

5

10

15

20

25

30

35

40

delta T T

t y(t)

 Tính toán hàm truyền đối tượng

Từ hình vẽ :

Thời gian trễ : τ = 41s ( hoành độ điểm A)

Hằng số quán tính T = 1086 - 41 = 1045s ( 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= 0.9513 5 = 36,8

Mô hình quán tính bậc 1 có trễ có dạng:

O(s) = 36 , 8 e −41 s

1+1045T

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 = 36,8 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,

hàm số càng biến thiên chậm Độ dốc của đồ thị sẽ giảm dần khi tăng t và tiến

về 0 khi t tiến về vô cực.

BÀI 2: ĐO LƯỜNG NHIỆT 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: 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 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

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 ps nhưng có nhiệt độ t > ts hoặc là hơi có cùng nhiệt độ

bảo hòa ts 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 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 sô 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  (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:

  Gh

V

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

max

.100(%)

  Gh G

Trong đó: G max là lượng hơi nước cực đại có thể hòa tan trong 1m3 không khí có 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 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:

 

 r oA C

L

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 2.5 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: oC) và độ ẩm 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

- 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

3.1 Số liệu

Bảng dữ liệu kết quả thí nghiệm

Thời

gian t 1 (

o C) φ 1 (%) d 1 (g/kg) t 2 ( o C) φ 2 (%) d 2 (g/kg) Δd= |d 2 -d 1 |

3 26.1 82.5 17.50 26 85.1 17.96 0.46

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

pbh = exp(12 - 235.54026.42+t) (bar)