Báo cáo Đồ Án Đo lường và Điều khiển tên Đề tài nghiên cứu xây dựng hệ thống Đo lưu lượng nước sử dụng cảm biến lưu lượng

Hệ thống đo lưu lượng nước được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp.. HÌnh Giới thiệu chung.1 Hệ thống đo lưu lượng nước trong công nghiệp Lịch sử ra đời của cảm biến lưu lượng:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO LƯU LƯỢNG NƯỚC SỬ DỤNG CẢM

BIẾN LƯU LƯỢNG

GVHD:

Tên thành viên:

Hà Nội-2022

Mục lục

Mục lục 2

Danh mục hình ảnh 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Yêu cầu cơ bản 6

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 6

1.3.1 Phương pháp 6

1.3.2 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 7

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 7

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 8

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 8

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 9

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 13

2.3.1 Arduino uno R3 14

2.3.2 ESP32 15

2.3.3 Lựa chọn bộ điều khiển 16

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 17

2.4.1 Thiết kế mạch đo 17

2.4.2 Sử lí tín hiệu 18

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NHIỆM HỆ THỐNG 21

3.1 Chế tạo bộ phận cơ khí 21

3.2 Chế tạo mạch điện, điện tử 22

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 23

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 26

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 27

2

Danh mục hình ảnh

HÌnh 1.1.1 Hệ thống đo lưu lượng nước trong công nghiệp 4

HÌnh 1.1.2 máng Parshall 5

HÌnh 1.1.3 Cảm biến điện từ 6

HÌnh 2.1.1 Sơ đồ khố hệ thống 8

HÌnh 2.2.1 Loại ống Venture 9

HÌnh 2.2.2 Cảm biến lưu lượng điện từ 10

HÌnh 2.2.3 Nguyên lý cảm biến 11

HÌnh 2.2.4 Lưu lượng kế thay đổi tiết diện 12

HÌnh 2.2.5 Lưu lượng kế tua bin 13

HÌnh 2.3.1 Arduino UNO R3 14

HÌnh 2.3.2 ESP32 15

HÌnh 2.4.1 Mạch đo 17

HÌnh 2.4.2 Tín hiệu cảm biến 18

HÌnh 2.4.3 Tín hiệu xung vuông 19

HÌnh 3.1.1 Bộ phận cơ khí 21

HÌnh 3.2.1 Mạch điện tử 22

HÌnh 3.3.1 Lưu đồ thuật toán 23

HÌnh 3.4.1 Sản phẩm 26

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống đo lưu lượng nước là một hệ thống quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt và các ngành liên quan đến xử lý nước Mục đích của hệ thống này là đo lường và giám sát dòng chảy của nước qua các đường ống hoặc các kênh dẫn, cung cấp dữ liệu chính xác và liên tục về lượng nước chảy qua trong một khoảng thời gian nhất định Những thông tin này rất quan trọng để kiểm soát, tối ưu hóa quy trình, tiết kiệm tài nguyên và đảm bảo

an toàn cho hệ thống Hệ thống đo lưu lượng nước được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp

HÌnh Giới thiệu chung.1 Hệ thống đo lưu lượng nước trong công nghiệp

Lịch sử ra đời của cảm biến lưu lượng:

1 Giai đoạn sơ khai - Dòng chảy qua kênh mở (Thời cổ đại)

Nguyên lý đo thủy lực: Con người từ thời cổ đại đã sử dụng các phương pháp đo dòng chảy qua kênh mở bằng cách quan sát mực nước, tốc độ dòng chảy và thiết

kế các công trình thủy lợi

Công cụ ban đầu: Đập và máng đo lưu lượng nước, chẳng hạn như máng

Parshall, là các công cụ đo dòng chảy thô sơ

4

HÌnh Giới thiệu chung.2 máng Parshall

2 Thế kỷ 19 - Phát triển cơ học đo lưu lượng

Nguyên lý turbine: Vào cuối thế kỷ 19, người ta bắt đầu thiết kế các cảm biến cơ học như turbine để đo lưu lượng chất lỏng

Cảm biến bánh guồng: Các thiết bị có cánh quạt nhỏ xoay khi nước chảy qua được sử dụng để đo tốc độ dòng chảy Dữ liệu này có thể được chuyển đổi thành lưu lượng

3 Đầu thế kỷ 20 - Điện từ và nguyên lý hiện đại

Cảm biến điện từ (Electromagnetic Flow Sensor):

Phát minh trong thập niên 1930 dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ của Faraday,cho phép đo lưu lượng nước trong các ống dẫn

Điểm mạnh là đo không phụ thuộc vào áp suất hay nhiệt độ của nước

Cảm biến áp suất chênh lệch:

Được phát triển để đo lưu lượng dựa trên sự chênh lệch áp suất trong dòng chảy qua một phần cắt hẹp

HÌnh Giới thiệu chung.3 Cảm biến điện từ

1.2 Yêu cầu cơ bản

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu ADC ngoài hoặc trong chíp

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

+ Đề xuất và nghiên cứu về các linh kiện sẽ có trong mạch và các kinh kiện bảo vệ

Phương pháp thực nghiệm:

6

+ Lập trình arduino trên phần mềm Arduino IDE.

+ Sử dụng biển trở băm xung trên l298N điều khiển tốc độ bơm

+Thực hiện thực nghiệm trên chính Arduino Uno R3

+Sử dụng cảm biến lưu lượng YF-S201

+ Dựa và tham khảo vào các mô hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết kế

- Lưu lượng chất lỏng nằm trong khoảng 1-30l/min

- Nhiệt độ hoạt động nhỏ hơn 120oC

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

HÌnh Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.4 Sơ đồ khố hệ thống

: Tín hiệu

Ý nghĩa của các khối hệ thống :

- Khối nguồn : cung cấp điện cho các thiết bị có trong hệ thống như : vi điều khiển , máy bơm , cảm biến ,…

- Khối cảm biến lưu lượng: Đo và gửi tín hiệu thu được từ thực tế gửi tới khối xử lý

- Khối điều khiển động cơ : điều khiển động cơ

- Khối xử lý trung tâm : Nhận tín hiệu từ cảm biến từ đó xuất ra mức tín hiệu điều khiển cho các phần tử chấp hành

- Khối nút nhấn và led báo hiệu : Nhận và thực hiện tín hiệu từ khối xử lý trung tâm

8

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

Cảm biến đo lưu lượng và vận tốc chất lưu có thể chia thành những loại sau:Theo nguyên lý thay đổi độ giảm áp:

-Hệ cảm biến áp xuất vi sai: lưu lượng kế kiểu biến đổi áp xuất

-Cảm biến chảy xoáy: Lưu lượng kế Reynol nhỏ, lưu lượng kế mao dẫn

a) lưu lượng kế áp xuất vi sai

Phương pháp phổ biến chiến 40% trong công nghiệp để đô lưu lượng chất lỏng, khí dựa vào nguyên tác thay đổi áp xuất qua ống hẹp Họa động dựa trên nguyên

lý Bernouli, khi chất lưu di chuyển nhanh hơn áp xuất của nó giảm đi, tức là sự chênh lệch áp xuất này xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy dựa vào sự chênh lệch áp xuất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy

HÌnh Phân tích và lựa chọn cảm biến.5 Loại ống Venture

Ưu điểm

- Độ chính xác cao: Lưu lượng kế áp suất vi sai có khả năng đo chính xác trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp như dầu khí, hóa chất, và năng lượng

- Sử dụng cho nhiều loại chất lỏng và khí: Có thể sử dụng cho nhiều loại chất lỏng và khí khác nhau, kể cả các chất có độ nhớt cao hoặc chất có độ dẫn điện kém

- Dễ dàng tích hợp: Dễ dàng tích hợp vào hệ thống ống dẫn hiện có và không cần phải thay đổi kết cấu dòng chảy nhiều

- Chịu được nhiệt độ và áp suất cao: Phù hợp với các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt, nơi nhiệt độ và áp suất cao

- Theo nguyên lý biến đổi điện

- -Cảm biến lưu lượng kiểu từ trường

- Cảm biến lưu lượng kiểu siêu âm

- -Cảm biên lưu lượng theo hiệu ứng Doppler

- -Cảm biến lưu lượng bằng thay đổi nhiệt độ

b) Cảm biến đo lưu lượng điện từ

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

HÌnh Phân tích và lựa chọn cảm biến.6 Cảm biến lưu lượng điện từ

10

HÌnh Phân tích và lựa chọn cảm biến.7 Nguyên lý cảm biến

Dựa trên định luật Faraday: Một dây dẫn điện phát sinh ra 1 điện thế khi nó di chuyển trong từ truòng Các ion mang điện tích di chuyển cùng chất lưu trong đường ống có đường kính D với vận tốc v có hướng thẳng góc từ trường B, ion này tạo thành dây dẫn nối 2 điện cực cảm biến Kết quả xuất hiện điện áp trên 2 điện cực

4 B e

Ưu điểm

-Tuyến tính, không làm thay đổi mặt cát chất lỏng

-Có thể đo được chất lỏng bẩn, sệt hay có tính ăn mòn cao

-Bền bỉ ổn định

-Vùng đo lớn, không bị ảnh hưởng bởi các thông số chất lưu

Nhược điểm

-Cấu tạo phức tạp, đắt tiền

-Chất lưu phải có độ dẫn điện tối thiểu do nhà sản xuất cung cấp

-không dùng đo khí

Theo nguyên lý cảm biến khối lượng thể tích

-Cảm biến lưu lương thể tích dịch chuyển: Máy đo lưu lượng thể tích (công tở thể tích)

-Cảm biến đo lưu lượng thể khối: Máy đo độ dịch chuyển thể khối lưu

chất( coongto tốc độ hay coongto tua bin), lưu lực kế coriolis

c) Lưu lượng kế thay đổi tiết diện

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Dùng để đo lưu lượng của chất lỏng, khi, hơi dựa vào vị trí của phao hay van tỷ lệ với luu lượng chảy

HÌnh Phân tích và lựa chọn cảm biến.8 Lưu lượng kế thay đổi tiết diện

Ưu điểm:

-Các lưu luongj kế tiết diện thay đổi có bộ hiển thị giá trị đo trực tiếp hay qua bộ chuyển đổi vị trí sang tín hiệu tương tự

-Phương pháp đơn giản ổn định

-Độ tin cậy cao, gây sụt áp thấp

Nhược điểm:

-Phải cân chỉnh lại mức chất lưu cần đo, giới hạn lưu lượng

d) Cảm biến đô lưu lượng kiểu tua bin

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động: Khi chất lỏng chảy qua sẽ làm tua bin quay với tốc độ tỷ lệ với lưu lượng

Nguyên lý chuyển đổi diện tốc độ quay N của cánh tuabin(số vòng quay trong 1s) tỷ lệ với lưu lượng:

Q=K.NK-là hằng số phụ thược vào cấu tạo của tuabin

12

HÌnh Phân tích và lựa chọn cảm biến.9 Lưu lượng kế tua bin

-Chất lưu phải sạch do bảo trì khô

 Để tối ưu hóa chi phí và dựa trên thực tế mức độ sử dụng thực tế ta nên chọn cảm biến lưu lượng kiểu tuabin

Sử dụng cảm biến lưu lượng YF-S201, có 4 lý do để lựa chọn cảm biến này:

1 thứ nhất, lưu lượng mà cảm biến có thể đo được rộng từ 1-30L/min ;

2 thứ hai đầu ra của cảm biến là một điện áp tương tự dễ đọc thông qua một kênh ADC của vi điều khiển

3 thứ ba là chất lỏng chúng ta sử dụng hầu hết là nước dòng chảy khá mạnh, không có sự hỗn loạn

4 thứ tư ngoài các ưu điểm kể trên, giá thành rẻ, dễ dàng mua được trên thị trường

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

-Hiện nay có 2 bộ điều khiển phổ biến, phù hợp cho sinh viên làm bài tập lớn Chúng đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của sinh viên

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O

0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

Ưu điểm:

- Phù hợp cho các hệ thống đo lưu lượng nước đơn giản

- Có khả năng đọc tín hiệu xung từ cảm biến cánh quạt như YFS201

- Dễ lập trình và có nhiều thư viện hỗ trợ, đặc biệt là khi làm việc với các cảm biến lưu lượng phổ biến

- Giá thành rẻ, dễ sử dụng cho sinh viên, có cộng đồng hỗ trợ rộng rãi.Nhược điểm:

14

- Khả năng xử lý và bộ nhớ hạn chế, không phù hợp cho các hệ thống phức tạp yêu cầu lưu trữ hoặc xử lý lượng dữ liệu lớn.

- Không tích hợp sẵn khả năng kết nối Wi-Fi hoặc Bluetooth, cần thêm module nếu muốn truyền dữ liệu từ xa

600 MIPS (200 MIPS với ESP32-S0WD/ESP32-U4WDH)

- Bộ đồng xử lý (co-processor) công suất cực thấp (Ultra low power, viết tắt: ULP)

- Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock

- Bộ nhớ nội: 448 KB bộ nhớ ROM và 520 KB bộ nhớ SRAM

- Kết nối không dây: Wi-Fi: 802.11 b/g/n và Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE

- 34 GPIO pad vật lý

Ưu điểm:

- Tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, dễ dàng kết nối với các thiết bị khác hoặc truyền dữ liệu từ xa, rất hữu ích nếu bạn muốn xây dựng hệ thống IoT (Internet of Things)

- Hiệu suất cao hơn Arduino Uno với khả năng xử lý và bộ nhớ lớn hơn, cho phép bạn thực hiện các thuật toán phân tích dữ liệu phức tạp hơn.

- Có nhiều chân I/O để kết nối nhiều loại cảm biến và thiết bị ngoại vi khác nhau

- Vẫn có các thư viện hỗ trợ để làm việc với cảm biến lưu lượng nước như YFS201 hoặc cảm biến điện từ

2.3.3 Lựa chọn bộ điều khiển

-Hệ thống của bạn chỉ cần đo lưu lượng và hiển thị số liệu cục bộ, không yêu cầu truyền dữ liệu từ xa, không cần một hệ thống có khả năng truyền dữ liệu từ

xa qua Wi-Fi, hoặc muốn xây dựng hệ thống đo lưu lượng thông minh có khả năng kết nối với các thiết bị khác

Vậy Arduino Uno là lựa chọn tốt với mức giá và độ đơn giản phù hợp

16

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

2.4.1 Thiết kế mạch đo

HÌnh Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu.12 Mạch đo

Cảm biến YF-S201:

-Chân dương nối dương nguồn 9V

-Chân âm nối âm nguồn 9V, tất cả nối mass Arduino

-Chân tín hiệu nối chân 2 Arduino

Bơm:

-Chân dương nối OUT1 (L298N)

- Chân âm nối OUT2 (L298N)

JHD-2X16-I2C:

-Chân VDD nối 5v Arduino

-Chân VSS nối mass Arduino

-Chân SDA nối A4 Arduino

-Chân SCL nối A5 Arduino

L298N:

-Chân +12V nối dương 12v pin

-Chân GND nối âm 12v pin nối với GND Arduino

-Chân IN1 nối chân 7 Arduino

-Chân IN2 nối chân 8 Arduino

LED:

-LED1( BLUE) nối vào chân 13 của Arduino

- LED2( GREEN) nối vào chân 12 của Arduino

- LED3( RED) nối vào chân 11 của Arduino

2.4.2 Xử lí tín hiệu

HÌnh Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu.13 Tín hiệu cảm biến

Dây đỏ: Chân VCC thường được cấp nguồn 5V

Dây đen: Chân GND, được nối đất

Dây vàng: Chân tín hiệu đầu ra

Tín hiệu đầu ra là tín hiệu Digital

18

HÌnh Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu.14 Tín hiệu xung vuông

Thông số nhà sản xuất, Cảm biến YF-S201 xuất ra 450 xung sau một lít nước chảy Chân tín hiệu cảm biến nối vào chân 2 Arduino có tác dụng thực hiện ngắt (interruption) Khi có xung đi qua thì Arduino sẽ thực hiện ngắt và cho biến đếm pulseCount tăng lên 1 Cứ mỗi 1 giây thì Arduino lấy giá trị pulseCount thực hiện tính toán và trả về 0 cho lần lấy tiếp theo

Ta có công thức tính lưu lượng:

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NHIỆM HỆ THỐNG

3.1 Chế tạo bộ phận cơ khí

HÌnh Chế tạo bộ phận cơ khí.15 Bộ phận cơ khí

3.2 Chế tạo mạch điện, điện tử

HÌnh Chế tạo mạch điện, điện tử.16 Mạch điện tử

22

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển

Lưu đồ thuật toán

HÌnh Xây dựng chương trình điều khiển.17 Lưu đồ thuật toán

unsigned int volume;

unsigned long totalvolume;

unsigned long oldTime;

    digitalWrite ( in1, HIGH ) ;

    digitalWrite ( in2, LOW )

        flowRate = ((( 1000.0 / ( millis () - oldTime )) *

pulseCount ) / 7.5 ) 1000 ; //tính lưu lượng

int analogread= analogRead ( analog ) ; //đọc tín hiệu analog từ biểB n trở ?

int tocdo= map ( analogread, 0 1023 , , 255 ) ; //quy đổ? i

analogWrite ( e,tocdo ) //bắm xung PWM

if ( flowRate<= 800 && flowRate> 0 ){

vào các chân như chân nguồn cảm biến, chân đầu ra động cơ,….

Hệ thống hoạt động ổn định, đo đạc khá chính xác với sai số nhỏ

26

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Sản phẩm chúng em làm được chỉ có thể thực hiện và phát triển ở mức trung bìnhvì không có đủ kiến thức và chi phí để mua những linh kiện đắt khác Nếu sử dụng môitrường Arduinocho việc đọc các tín hiệu cảm biến rồi xuất ra Serial thì việc lập trìnhkhá đơn giản, nhưng nếu sử dụng các môi trường khác, việc hiểu và lập trình được cáccâu lệnh một cách chính xác của

là một vấn đề rất khó đối với chúng em hiện tại

Qua việc thực hiện đề tài của môn học đã giúp chúng em cóthêm nhiều kinh

nghiệm trong làm việc nhóm và nâng cao kiến thức trong việc

sử dụng các phần mềm

quan trọng trong cơ khí chuyên ngành như Proteus, Arduino,… Mong rằng đề tài chúngem nghiên cứu sẽ có nhiều áp dụng trong thực tế cũng như đạt được các yêu cầu mà thầyvà môn học đặt ra

Trong quá trình thực hiện em cũng có gặp phải những vấn đề hãy còn chưa xử lý

thỏa đáng nên em rất mong có thể nhận được sự nhận xét và đánh giá của thầy cô để emcó thể rút kinh nghiệm và sửa chữa.Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đếnthầy Lưu Vũ Hải vì nhờ sự dẫn dắt và chỉ bảo của thầy mà em mới có điều kiện thựchiện bài tập lớn của mình và hoàn thiện trong thời gian sớm nhất!

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Giáo trình cơ sở hệ thống tự động Đại học Công nghiệp Hà Nội

[2] Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động Đại học Bách khoa TP.HCM

[3] Hệ thống điều khiển thông minh, Huỳnh Thái Hoàng, NXB ĐHQGTPHCM

28