Chuyên ngành cơ Điện tử Đồ Án tốt nghiệp Đề tài thiết kế máy cân Định lượng gạo cho cơ sở vừa và nhỏ (design of a rice weighing machine)

Những năm qua, diện tích cấy lúa trên cả nước giảm dần, nhưng nhờ có sự tăng nhanh trong sử dụng giống lúa xác nhận kèm quy trình canh tác đa dạng, thích nghi với điều kiện thời tiết nên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍNH MINH

-oOo -

Khoa: Cơ khí Chuyên ngành: Cơ điện tử

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài: Thiết kế máy cân định lượng gạo cho cơ sở vừa và nhỏ

(Design of a rice weighing machine)

Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Bình Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Việt Hồng

Mã số sinh viên: 1912725

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 5 năm 2023

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên em xin chân thành quý thầy, cô khoa Cơ Khí, Trường đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ bào và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt các năm học vừa qua Nhờ sự chỉ bảo nhiệt tình của quý thầy cô mà em đã có kiến thức nền tảng cũng như hành trang vững vàng để bước trên con đường trong tương lai Đặc biệt là thầy Trần Việt Hồng đã tận tình hướng dẫn quan tâm, dạy dỗ và truyền đạt nhiều kiến thực quý báu trong suốt quá trình chuẩn bị, thực hiện và hoàn thành đề tài này

Không những vậy, trong quá trình học tập tại trường, để có thể hoàn thành các môn học và thực hiện đồ án này không thể thiếu sự hỗ trợ, cũng như là những lời động viên của các bạn đồng trang lứa

Với kiến thực còn hạn hẹp cũng như khả năng áp dụng kiến thực vào thực tiễn chưa được tốt nên trong thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót và hạn chế Em rất mong nhận được nhưng đóng góp của quý thầy cô để em có thể tiếp tục củng cố kiến thức của mình

Cuối cùng, em xin kính chúc thầy Hồng cùng đoàn thể giảng viên khoa Cơ Khí cũng như Bộ môn Cơ – Điện tử lời chúc sức khỏe và thành công trong sống Em xin chân thành cảm ơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 5 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Lê Thanh Bình

Mục lục

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục hình ảnh iv

Danh mục bảng vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tình hình chung về sản xuất gạo ở Việt Nam từ trước tới nay 1

1.2 Quy trình sản xuất gạo ở nước ta hiện nay 2

1.3 Nhu cầu cân định lượng gạo ở nước ta hiện nay 4

1.4 Tổng quan về các loại máy cân định lượng 6

1.4.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ bản của máy cân định lượng 6

1.4.2 Máy cân định lượng điện tử Công ty Máy Thiết Bị Miền Nam 7

1.4.3 Máy cân định lượng điện tử Công ty Công Nghệ Hữu Quyền 8

1.4.4 Máy cân định lượng điện tử Công ty Cân Điện Tử Nguyễn Minh 9

1.4.5 Máy cân định lượng điện tử Công ty Máy Đóng Gói An Thành 10

1.5 Mục tiêu nhiệm vụ và phạm vi đề tài 10

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 12

2.1 Hệ thống thùng chứa gạo 12

2.2 Bộ phận định lượng 16

2.3 Cơ cấu chấp hành 19

2.4 Cảm biến tải trọng (load cell) 21

2.5 Xử lý tín hiệu cảm biến 24

2.6 Bộ điều khiển 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 27

3.1 Yêu cầu kỹ thuật 27

3.2 Điều kiện tạo dòng chảy Mass Flow 27

3.3 Thùng chứa và cân gạo 31

3.3.1 Tính toán kích thước cho thùng chứa 31

3.3.2 Tính toán kích thước cho thùng cân 32

3.3.3 Áp lực tác dụng lên thành thùng chứa và thùng cân 33

3.3.4 Tính toán cửa xả 38

3.3.5 Tính toàn trục vít 39

3.3.6 Tính toán ổ lăn 42

3.3.7 Chọn ổ lăn 42

3.3.8 Tính toán lựa chọn động cơ bước 43

3.4 Tính toán lực kẹp của xylanh 44

3.4.1 Kiểm nghiệm bền cho các chi tiết 47

3.4.2 Yêu cầu về máy cấp liệu 48

3.5 Kết hợp với các module mở rộng khác 49

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 50

4.1 Yêu cầu kĩ thuật với hệ thống điện 50

4.2 Cảm biến trọng lượng load cell 50

4.2.1 Lựa chọn tải trọng của load cell 50

4.2.2 Bộ khuếch đại tín hiệu Z – SG 51

4.3 Màn hình HMI 54

4.4 Lựa chọn driver cho động cơ bước 55

4.5 Module ADC 56

4.6 Tính toán nguồn cho mạch điện 57

4.7 Kết hợp với các module mở rộng khác 58

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 59

5.1 Yêu cầu kỹ thuật 59

5.2 Đọc và xử lý tín hiệu cảm biến 59

5.3 Calib cảm biến 60

5.4 Tính khối lượng 60

5.5 Điều khiển động cơ bước 61

CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT, KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66

6.1 Thiết kế cơ khí 66

6.2 Thiết kế hệ thống điện 66

6.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển 68

6.4 Phương hướng phát triển đề tài 70

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1 Cơm Việt Nam Rice lên kệ tại hệ thống đại siêu thị Carrefour tại Pháp 2

Hình 1.2 Quy trình sản xuất gạo ở Việt Nam 4

Hình 1.3 Máy cân định lượng của Công ty Công Nghệ Hữu Quyền 6

Hình 1.4 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Máy Thiết Bị Miền Nam 7

Hình 1.5 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Công Nghệ Hữu Quyền 8

Hình 1.6 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Cân Điện Tử Nguyễn Minh 9

Hình 1.7 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Máy Đóng Gói An Thành 10

Hình 2.1 Các loại dòng chảy 15

Hình 2.2 Các dạng thùng chứa tạo ra mass flow 15

Hình 2.3 Các loại thùng chứa tạo ra funnel flow 16

Hình 2.4 Vít định lượng 17

Hình 2.5 Đĩa định lượng 17

Hình 2.6 Băng định lượng 18

Hình 2.7 Định lượng từng phần 19

Hình 2.8 Mạch cầu wheatstone nối 4 tấm strain gauge 22

Hình 2.9 Load cell dạng thanh 23

Hình 2.10 Load cell dạng chữ S 23

Hình 2.11 Load cell dạng mọng 24

Hình 2.12 Bộ khuếch đại Z-SG 25

Hình 3.1 quan hệ giữa độ ẩm và góc nghiêng của hạt lúa 27

Hình 3.2 đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng đáy và ma sát thành 28

Hình 3.3 hệ số dòng chảy 29

Hình 3.4 Đồ thị xác định 𝜎𝑐𝑟𝑖𝑡 30

Hình 3.5 Thùng chứa hình phễu 31

Hình 3.6 Thùng cân hình phễu 32

Hình 3.7 áp lực tác dụng lên thành 37

Hình 3.8 Ứng xuất phân bố trên phần phễu thùng cân gạo 37

Hình 3.9 Ứng xuất phân bố lên thùng chứa gạo 38

Hình 3.10 Lực tác dụng lên cửa xả 39

Hình 3.11 Động cơ bước M -1713-1.5 44

Hình 3.12 tính toán lực kẹp 44

Hình 3.13 Sơ đồ bố trí xylanh kẹp 45

Hình 3.14 Xylanh DNSU-25-25-P-A 46

Hình 3.15 Kiểm nghiệm bền cho khung 47

Hình 3.16 Kiểm nghiệm bền cho tấm trượt 47

Hình 3.17 Máy cấp vật liệu rời Công ty Băng Tải Thành Công 48

Hình 3.18 Máy vít tải inox nghiêng Công ty Băng Tải Trường Thọ 48

Hình 3.19 Băng tải dẫn hướng may bao công nghiệp 49

Hình 4.1 Load cell 1-PW6CMR/15KG-1 51

Hình 4.2 Sơ đồ đấu dây của Z-SG 52

Hình 4.3 PLC FX2N-16MT 54

Hình 4.4 Màn hình HMI TK6071IQ 55

Hình 4.5 Driver động cơ bước TB6600 56

Hình 4.6 FX2D-2AD 57

Hình 4.7 Bộ nguồn tổ ong RD-125B 58

Hình 5.1 Xử lý tín hiều ADC của FX2N-2AD 59

Hình 5.2 Lực tác dụng lên loadcell 60

Hình 5.3 phần mềm EASY SETUP 60

Hình 5.4 Chương trình chính 63

Hình 5.5 Chương trình xét ngưỡng xả 63

Hình 5.6 Chương trình định lượng bao 2kg, 5kg, 10kg 64

Hình 5.7 Chương trình cân định lượng gạo 1kg 65

Hình 6.1 Thiết kế tổng quan của máy định lượng gạo 66

Hình 6.2 Sơ đồ đấu dây nguồn 67

Hình 6.3 Sơ đồ đấu dây PLC 67

Hình 6.4 Sơ đồ đấu dây FX2AD 68

Hình 6.7 Giao diện màn hình HMI cho S0 69

Hình 6.8 Giao diện cài đặt tham số cho bao 2kg 69

Hình 6.9 Giao diện chương trình định lượng 2kg 70

Danh mục bảng

Bảng 3.1 Bảng thực nghiệm Geogle 29

Bảng 3.2 Thông số ổ lăn 608 42

Bảng 4.1 Thông số load cell của hãng A&D 51

Bảng 4.2 bảng chân đấu dây bộ khuyếch đại Z - SG 52

Bảng 4.3 bảng địa chỉ input PLC 53

Bảng 4.4 Bảng địa chỉ output PLC 53

Bảng 4.5 Thông số cơ bản PLC FX2N-16MT 54

Bảng 4.6 Bảng thông số màn hình HMI TK6071IQ 55

Bảng 4.8 Thông số driver động cơ step TB6600 56

Bảng 4.9 Thông số cơ bản của nguồn tổ ong RB-125B 57

Bảng 5.1 Số xung cần cấp cho động cơ 62

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình chung về sản xuất gạo ở Việt Nam từ trước tới nay

Gạo từ lâu đã là một trong những mặt hàng thiết yêu cho đời sống thường nhật ở các nước châu Á Ở nước ta, ngoài tiêu thụ trong nước, gạo còn là một mặt hàng xuất khẩu chủ lực của ta để xuất khẩu sang các nước khác Tính đến năm 2022, Việt Nam là một trong ba nước xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới

Trước năm 1986, Việt Nam phải nhập khẩu gạo do sản xuất trong nước

không đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng nội địa Năm 1986, với những chính sách đổi mới về phát triển kinh tế đất nước nói chung, trong đó có triển khai những chính sách quan trọng phát triển nông nghiệp nên sản xuất lúa gạo của Việt Nam phát triển nhanh chóng, tăng cả về sản lượng và năng suất Đến năm 1989, Việt Nam lần đầu tiên xuất khẩu gạo, chấm dứt thời kỳ thiếu gạo và chuyển sang xuất khẩu Trải qua hơn 30 năm xuất khẩu gạo, đến nay, gạo Việt Nam có mặt ở hơn 150 nước, vùng lãnh thổ

Hiện nay, trong bối cảnh tái cơ cấu ngành nông nghiệp, ngành lúa gạo cũng được đẩy mạnh tái cơ cấu theo hướng nâng cao hiệu quả và phát triển bền vững với mục tiêu đáp ứng đầy đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước, bảo đảm an ninh lương thực quốc gia; hình thành và nâng cao hiệu quả chuỗi giá trị lúa gạo; nâng cao thu nhập cho nông dân và lợi ích cho người tiêu dùng; xuất khẩu gạo đạt chất lượng và giá trị cao

Những năm qua, diện tích cấy lúa trên cả nước giảm dần, nhưng nhờ có sự tăng nhanh trong sử dụng giống lúa xác nhận kèm quy trình canh tác đa dạng, thích nghi với điều kiện thời tiết nên cho năng suất cao ổn định, đáp ứng yêu cầu thị

trường; tăng tỷ trọng các loại gạo có chất lượng cao, có giá trị xuất khẩu lớn Năm

2019, lần đầu tiên Việt Nam có giống gạo thơm đạt danh hiệu gạo ngon nhất thế giới

là gạo ST25

Hình 0.1 Cơm Việt Nam Rice lên kệ tại hệ thống đại siêu thị Carrefour tại Pháp

1.2 Quy trình sản xuất gạo ở nước ta hiện nay

- Quy trình sản xuất gạo ở nước ta hiện này bao gồm:

Bước 1: Tiếp nhận nguyên liệu và bao bì

Lúa được đưa từ đồng ruộng sẽ được đưa vào nhà máy sau khi đã được kiểm tra chất lượng đạt yêu cầu Bao bì nhận vào sẽ được kiểm tra đúng nhãn mác, quy cách, sẵn sàng sử dụng trong các bước tiếp theo của quy trình sản xuất

Bước 2: Sấy

Lúa tươi sau khi được tiếp nhận sẽ được đưa qua hệ thống sấy đến khi đạt được độ

ẩm yêu cầu, cho ra lúa khô

Bước 5: Tách hạt

Gạo sau khi xát trắng – lau bóng được tiếp tục chuyển qua máy tách hạt để cho ra sản phẩm có tỷ lệ tấm đạt tiêu chuẩn yêu cầu

Bước 6: Sàng tách tạp chất, tách màu, hút bụi

Trước khi cân – đóng gói, gạo sẽ được đưa qua hệ thống sang tạp chất, sau đó được đưa qua máy tách màu để loại bỏ những hạt không đủ tiêu chuẩn, tiếp tục là hút bụi

để đảm bảo gạo sạch và an toàn

Bước 9: Rà kim loại

Gạo sau khi đóng gói sẽ được chuyển qua máy rà kim loại để đảm bảo thành phẩm gạo không chứa kim loại trước khi xuất bán

Bước 10: Xuất bán

Cân định

Hình 0.2 Quy trình sản xuất gạo ở Việt Nam

1.3 Nhu cầu cân định lượng gạo ở nước ta hiện nay

Việc cải tiến, phát triển các thiết bị phục vụ cân định lượng, đóng gói gạo ngày được quan tâm nhằm tăng chất lượng sản phẩm, tránh thất thoát nguyên liệu Có thể nói đấy là một trong nhưng nhu cầu thiết yếu đối với nước ta

Tình trạng cân định lượng gạo ở nước ta đối với các cơ sở:

a Cân định lượng ở các cơ sở bán lẻ

Để đáp ứng các như cầu nhỏ lẻ về mua bán gạo, các hộ gia đình sản xuất đã sử dụng các phương pháp cơ bản như sử dụng cân đồng hồ lò xo

- Phương pháp trên có các ưu điểm:

 Đơn giản, dễ dàng thao tác

 Giá thành rẻ, chỉ cần một cân đồng hồ lò xo khoảng 30 kg

- Nhược điểm của phương pháp trên:

 Sai số gây ra trong quá trình đọc giá trị

 Gây thất thoát cho cả người mua và người bán vì quá trình trên thực hiện bằng tay

 Tốn nhiều thời gian và nhân lực, từ đó làm năng xuất thấp

b Cân định lương ở các nhà máy

Các cân định lượng thường được sử dụng là cân điện tử được lập trình sẵn, miệng bao được may hoặc ép miệng tự động tùy vào từng cơ sở sản xuất cũng như tùy loại bao

Đối với trường hợp đóng gạo vô bao, sản phẩm sau khi đã được cân định lượng sẽ đượng công nhân may miệng bao, bằng máy may bao chuyện dụng hoặc máy may bao cầm tay Đối với các sản phầm đượng đóng gói trong các túi nhựa, sản phầm thường được đóng gói tự động sau khi cân định lượng, miếng túi được hàn bằng máy ép miệng túi

Ưu điểm của phương pháp cân định lượng trên:

- Được thực hiện tự động hóa

- Sai số nhỏ, có thể kiếm soát được, từ đó hạn chế được sự thất thoát gạo

- Quá trình định lượng nhanh chóng, hiệu xuất cao

Nhược điểm của phương pháp trên là:

- Giá thành đầu tư cao

- Tiêu tốn chi phí bảo trì thiết bị thường xuyên

Hình 0.3 Máy cân định lượng của Công ty Công Nghệ Hữu Quyền

→ Từ đó ta thấy được nhu cầu cân định lượng đối với các cơ sở vừa và nhỏ, với mong muốn đạt được năng xuất cao, cho ra chất lượng sản phẩm tốt với sai số về định lượng nhỏ, từ đó tránh thất thoát trong quá trình cân định lượng

1.4 Tổng quan về các loại máy cân định lượng

1.4.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ bản của máy cân định lượng

a Nguyên lý hoạt động

Dòng nguyên liệu chảy vào cân định lượng, chảy vào 1 bộ phận cơ khí gắn trên cảm biến lực (Loadcell), cảm biến lực này sẽ phát ra tín hiệu điện gửi về bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm tính toán và so sánh với ngưỡng được cài đặt, từ đó

ra lệnh ngược trở lại các thiết bị chấp hành để làm giảm lưu lượng dòng chảy của nguyên liệu hoặc có thể chặn luôn không cho cấp liệu vào nữa

b Cấu tạo cơ bản

- Về cơ bản cân định lượng bao gồm:

 Cơ cấu chứa liệu đầu vào: là các phễu, silo, bồn chứa, … để chứa

nguyên liệu đầu vào, trước khi được định lượng

 Bộ định lượng: dẫn liệu từ phễu chứa đi vào hoặc đi qua bộ cân

 Module cân định lượng: quyết định độ chính xác của cân Trong đó có gắn cảm biến lực (loadcell) Tùy vào ứng dụng, nguyên liệu sẽ chọn loadcell cho phù hợp

1.4.2 Máy cân định lượng điện tử Công ty Máy Thiết Bị Miền Nam

Hình 0.4 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Máy Thiết Bị Miền Nam

- Các thông số của máy:

 Dải định lượng: 1-10 kg

 Năng suất: 10 − 15 Sản phẩm / phút

 Độ chính xác: ±0.5%

 Kích thước máy: 500×500×1600 mm

1.4.3 Máy cân định lượng điện tử Công ty Công Nghệ Hữu Quyền

Hình 0.5 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Công Nghệ Hữu Quyền

- Các thông số của máy:

1.4.4 Máy cân định lượng điện tử Công ty Cân Điện Tử Nguyễn Minh

Hình 0.6 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Cân Điện Tử Nguyễn Minh

- Các thông số của máy:

 Cảm biến lực (loadcell) tùy chọn: VMC – USA, AmCells – USA,

Mettler Toledo – USA

1.4.5 Máy cân định lượng điện tử Công ty Máy Đóng Gói An Thành

Hình 0.7 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Máy Đóng Gói An Thành

- Các thông số của máy:

- Thiết kế máy cân định lượng gạo với các lựa chọn 1 kg, 2 kg, 5kg, 10kg

- Năng suất cho ra từ 6 – 10 sản phầm /phút

- Độ chính xác đạt ± 0.5%

b Nhiệm vụ

Xuất phát từ mục tiêu, các nhiệm vụ cần phải thực hiện của luận văn bao gồm:

- Tìm hiểu trổng quan về cân định lượng gạo

- Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế thùng cân và chứa gạo

- Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân định lượng bao gồm quá trình cấp gạo

từ thúng chứa, từ đó thực hiện cân định lượng

- Thực nghiệm kiểm nghiệm

c Phạm vi đề tài

Ứng dụng máy vào các cơ sở cung cấp gạo nhỏ và lẻ

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Hệ thống thùng chứa gạo

a Thùng chứa gạo

Chức năng: chứa và xả gạo xuống thùng cân

Yêu cầu:

- Chứa vật liệu rời: gạo

- Khả năng chứa tối đa: 80 kg

- Đáy thùng có cửa xả vật liệu

Dạng đáy phẳng: được sử dụng phổ biến

- Chức năng: được lắp đặt cố định với load cell để định lượng gạo thông qua các chi tiết gá đảm bảo trọng tâm khối lượng có thể phân bố đều lên các loại

loadcell ở mức cao nhất có thể, đồng thời có cửa xả vật liệu vào miệng bao

- Hình dáng của các thùng cân cũng như phần trình bày ở phần thùng chứa gạo, dựa vào cách đặt vị trí load cell để điều chỉnh cấu tạo của thùng cân

c Chế độ dòng chảy

Đối với việc thiết kế thùng chứa, chế độ dòng chảy là một trong những yếu

tố quan trọng để lựa chọn hình dáng thùng và cửa xả vật liệu

Có 3 loại dòng chảy trong thùng chứa dạng phễu:

Mass flow: Vật liệu trong thùng chứa đều chuyển động khi nắm thùng chứa

mở, tuy nhiên vận tốc có thể khác nhau

- Ưu điểm:

 dòng chảy ổn định

 Tận dụng hiệu quả sức chứa của thùng

 Vật liệu cho vào trước được ra trước

- Nhược điểm:

 Làm mòn bề mặt thùng hơn

 Ứng suất lên thành thùng lớn hơn

 Yêu cầu chiều cao lớn hơn

Funnel flow: chỉ có vật liệu tại lõi thùng chứa chuyển động khi nắp thùng

mở tromg khi vật liệu cạnh thành thùng chứa thì đứng yên

- Ưu điểm:

 Yêu cầu chiều cao thấp hơn

- Nhược điểm:

 Tạo khoảng không dạng ống trên cửa ra

 Vật liệu cho vào trước nhưng lại ra sau

 Phân chia ứng xuất không đều có thể gây ra phá hủy thùng chứa

 Giảm sức chứa

Expanded flow: dạng kết hợp giữa mass flow và funnel flow

 Khả năng điều khiển cho dạng thùng chứa có tải lớn

 Dễ dàng điểu khiển lưu lượng

 Độ chỉnh xác cao

- Nhược điểm:

 Thiết kế cơ cấu tịnh tiến phức tạp

 Chi phí cao để chế tạo cơ cấu chuyển đổi chuyển động

 Có thể điều khiển thông qua tốc độ quay của vis

 Vận chuyển vật liệu chuyển động ổn định

 Có thể vận chuyển vật liệu từ nơi thấp đến nơi cao hơn

- Nhược điểm: lưu lượng đáp ứng chậm

Hình 0.1 Các loại dòng chảy

Các hình dạng thùng tạo ra thùng chứa tạo ra dạng mass flow:

- Dạng côn (conpical hopper)

- Dạng cửa mở vuông (square opening)

- Dạng cái đục (chisel)

- Dạng nêm (wedge)

- Dạng hình chóp (pyramid)

Hình 0.2 Các dạng thùng chứa tạo ra mass flow

Các dạng thùng chứa tạo ra funnel flow:

- Dạng chóp cửa xả hình vuông (pyramid, square opening)

- Dạng côn (conical – với đường kính cửa xả khác)

Hình 0.3 Các loại thùng chứa tạo ra funnel flow

Kết luận:

- Chế độ dòng chảy: lựa chọn chế độ dòng chảy mass flow nhằm tạo ra dòng chảy

ổn đinh cũng như tránh hư hỏng vật liệu là gạo, đồng thời tận dụng được hiệu quả sức chứa của thùng

- Thùng chứa gạo: Lựa chọn thùng chứa tạo ra dòng mass flow với đáy phễu, cửa

xả dạng hình chữ nhật kết hợp với cửa xả vật liệu dạng tấm để đáp ứng được yêu cầu đề bài đặt ra

- Thùng cân: đảm bảo tính ổn định cho thùng cân load cell được lắp 2 bên thành thùng, thiết kế thùng dạng phễu với cửa xả vật liệu dạng tấm

quay không đổi, lượng cung cấp cũng không đổi theo thời gian

 Vít cấp liệu có thể đặt nằm ngang hoặc nằm nghiêng

 Lượng cung cấp của vít định lượng không hoàn toàn đồng đều theo thời gian do cấu tạo của vít và thính chất khó chảy thành dòng liên tục của vật liệu rời Trong thực tế, lượng cung cấp thường xác định bằng đo đạc tại chỗ

Hình 0.4 Vít định lượng

- Đĩa định lượng:

 Cấu tạo là một đĩa quay nằm ngang, bên trên phiễu chữa vật liệu Trên mặt có thanh gạt cố định, động cơ điện và bộ giảm tốc được bố trí bên dưới Sản phẩm từ phễu chảy xuống đĩa quay, và phần vật liệu tiếp xúc với thanh gạt được lấy ra rơi xuống dưới

 Lượng vật liệu định lượng được điều chỉnh thay đổi vị trí thanh gạt vào sâu hay lùi ra khỏi đĩa quay

 Năng suất máy định lượng phụ thuộc vào thể tích sản phẩm trên đĩa, chiều cao và vị trí đặt thanh gạt cũng như số vòng quay của đĩa

 Đĩa định lượng dùng để cấp và định lượng vật liệu dạng hạt nhỏ và dạng bột khô Chúng đảm bảo cấp liệu đủ chính xác khi năng suất tương đối lớn

Hình 0.5 Đĩa định lượng

 Dọc theo hai bên băng có lắp thêm tấm chắn khi đó mặt cắt của lớp sản phẩm trên băng là một hình chữu nhật, giúp cho quá trình định lượng được chính xác

 Được sử dụng phổ biến trong quá trình trộn hoặc đóng gói sản phẩm

 Phương pháp trên có thể thực hiện tự động hoặc bán tự động

 Quá trình định lượng bao gồm xả vật liệu thô và xả vật liệu tinh để đảm bảo đúng theo khối lượng yêu cầu

 Thiết kế đơn giản, đáp ứng nhanh, dễ điều khiển

 Sạch sẽ, an toàn, thân thiện với môi trường

 Chịu được tải cao

2.4 Cảm biến tải trọng (load cell)

Cảm biến tải trọng là thiết một thiết bị chuyển đổi lực, trọng lượng thành một tín hiệu điện Tín hiệu điện này có thể sử dụng để hiển thị, lưu trữ hoặc sử dụng để điều khiển một số hệ thống

Load cell thủy lực

- Load cell thủy lực là một cảm biến đo trọng lượng nhờ sự thay đổi áp suất của chất lỏng trong thiết bị có kết cấu cơ khí giống piston

- Ưu điểm:

 Sử dụng trong môi trường yêu câu cao về an toàn cháy nổ

 Ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ của môi trường

- Nhược điểm:

 Cần phải cấp nguồn không khí hoặc nitơ sạch

Load cell dạng strain gauge

Strain gauge là một mạch sử dụng điện trở có cấu tạo gồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi Strain gauge được dung trong chế tạo load cell, cảm biến đo moment, áp suất, lưu lượng Nguyên lý hoạt động của nó

là khi có ngoại lực tác dụng, chiều dài của sợi dây kim loại sẽ thay đổi dẫn tới sự thay đổi điện trở theo công thức:

𝑅 =𝜌 × 𝑙

𝑠Trong đó:

- 𝑅 là điện trở (Ω)

- 𝜌 là điện trở suất (Ωm)

- 𝑙 là chiều dài dây dẫn

- 𝑆 là tiết diện của sợi dây

Để tăng độ chính xác người ta làm tăng biến dạng của dây kim loại thông qua việc

làm tang chiều dài sợi dây bằng cách đặt sợi dây theo hình zigzag

Load cell dạng strain gauge được nuôi bằng một nguồn điện ổn định được cố định trên một thanh kim loại chịu tải Thanh kim loại này một đầu được gắn cố định, đầu còn lại tự do và gắn với mặt bàn cân Khi có lực tác dụng, thanh kim loại này sẽ bị biến dạng dẫn đến chiều dài dây kim loại của điện trờ cũng bị biến dạng dẫn đến sự thay đổi điện trở

Cấu tạo chính của load cell train gauge gồm 4 điện trở 𝑅1, 𝑅2, 𝑅3, 𝑅4 kết nối thành 1 mạch cầu wheatstone và được dán vào thân của loadcell

Hình 0.8 Mạch cầu wheatstone nối 4 tấm strain gauge

 Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Các loại load cell dạng strain gauge:

- Load cell dạng thanh

Hình 0.9 Load cell dạng thanh

Giá thành rẻ hơn các loại load cell khác, được sử dụng phổ biến Tuy nhiên đây

là loại load cell thông dụng, khi các loại chuyên dụng khác không thể tìm được nguồn hàng thì có thể dung các cơ cấu cơ khí gá load cell để thực hiện như các load cell chuyên dụng

- Load cell dạng chữ S

Hình 0.10 Load cell dạng chữ S

Thường sử dụng trong các máy đo lực

- Load cell dạng mỏng

Hình 0.11 Load cell dạng mọng

Thường được dùng trong hệ thống cân điện tử

- Thông số kỹ thuật cơ bản của load cell:

 Độ chính xác: Chỉ số này cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Chỉ số càng nhỏ thì máy cân cho kết quả đo càng chính xác

 Giá trị đầu ra: kết quả đo được thường dùng đơn vị mV

 Công suất định mức: Chỉ số là là giá trị khối lượng lớn nhất (Max) mà hệ thống loadcell đo được

 Điện áp: thường đưa giá giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của điện áp làm việc (5 - 15V)

 Dài bù nhiệt độ: Đây là chỉ số chỉ khoảng nhiệt độ mà đầu ra của hệ thống loadcell được bù vào

 Cấp bảo vệ: Thông số này được đánh giá theo thang đo IP (chỉ số IP: bảo

 Phải sử dụng loại load cell digital chuyên dụng

 Giao diện trực quan

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

3.1 Yêu cầu kỹ thuật

Dựa vào yêu cầu của bài toán cân định lượng gạo, các yêu cầu căn bản về thiết

kế cơ khí cho cân định lượng được đề ra như sau:

- Thùng chứa có khả năng tạo ra dòng chảy Mass Flow, không xảy ra hiện tượng

ứ đọng vật liệu ở 2 bên, không chảy do hiện tượng tạo vòm, hoặc chảy ra với lượng lớn vật liệu

- Thùng chứa có khả năng chứa tối đa 80 𝑘𝑔 gạo và có khả năng cấp gạo cho bộ phận cân định lượng Bộ phận cân định lượng sau khi cân xong sẽ cho gạo vào túi thông qua một phễu rót

Với yêu cầu đề bài thùng cân có khả năng cân là 10𝑘𝑔

Cửa xả vật liệu điều khiển được lưu lượng bằng cách điều khiển vị trí

- Khung máy thuận tiện cho việc lắp ráp, sửa chữa, thay thế cũng như có thể dễ dàng thêm các bộ phận phục vụ chức năng mở rộng

- Hệ thống đảm bảo độ bền và độ cứng vững

3.2 Điều kiện tạo dòng chảy Mass Flow

Dòng chảy Mass Flow là dòng chảy của vật liệu, được tính toán nhằm tạo

ra dòng chảy để tránh được các vấn đề như ứ đọng vật liệu ở 2 bên thành, dừng chảy do hiện tượng tạo vòm, vật liệu đóng thành các cái bánh do thay đổi độ ẩm không khí, tạo ra vùng chết – vùng mà vật liệu ở đây không chảy Để đạt được điều đó, phải dựa vào độ rộng của cửa xả

Hình 0.1 quan hệ giữa độ ẩm và góc nghiêng của hạt lúa

Ở Việt Nam, lúa sau khi phơi qua 2 lần đạt độ ẩm 12% thì sẽ được đem vào kho bảo quản, lựa chọn độ ẩm gần bằng 12.5 % từ đó ta có 𝜑𝑒 = 300

Ta có hệ số ma sát nghỉ của thép là 0.42 suy ra:

𝜑𝑤 = tan−10 42 = 22.8𝑜

Hình 0.2 đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng đáy và ma sát thành

Dựa vào đồ thị ta có được góc nghiêng của đáy:

𝜃 = 25𝑜

Hình 0.3 hệ số dòng chảy

Từ đó ta dừa vào độ thì trên tính toán được hệ số dòng chảy đối với hình phễu

𝑓𝑓 = 1,95

Bảng 0.1 Bảng thực nghiệm Geogle

Hình 0.4 Đồ thị xác định 𝜎𝑐𝑟𝑖𝑡

Từ đó ta có:

𝜎𝑐𝑟𝑖𝑡 = 0.86 𝑘𝑃𝑎 Suy ra đường kính tối thiểu để tạo ra Mass Flow là:

→ 𝐷𝑚𝑖𝑛 =σcrit× sin2 (𝜑𝑤+ 𝜃)

𝜌 × 𝑔Với:

𝜌 = 1150 (𝑘𝑔/𝑚3)

𝑔 = 9.81(𝑚/𝑠2)

→ 𝐷𝑚𝑖𝑛 = 0.076 (𝑚) = 7.6 (𝑐𝑚)

3.3 Thùng chứa và cân gạo

3.3.1 Tính toán kích thước cho thùng chứa

→ ℎ1 =

𝐷2tan(25𝑜) − ℎ2 ≈ 0.326 𝑚 Lựa chọn ℎ1 = 0.35 𝑚

3.3.3 Áp lực tác dụng lên thành thùng chứa và thùng cân

Các thông số đã tính toán ở trên:

- Khối lượng riêng của gạo: 1150 𝑘𝑔/𝑚3

- Góc nghỉ 𝜑𝑤 = 22.8𝑜

- Hệ số ma sát với thành: 0.42

- Góc ma sát nội 𝜑𝑒 = 30𝑜

- Góc nghiêng đáy phễu: 𝜃 = 250

Lựa chọn thiết kế thùng chứa bằng 𝑖𝑛𝑜𝑥 304 có ứng suất bền [𝜎] = 520 (𝑀𝑃𝑎)

Áp lực tác dụng lên thùng chứa bao gồm 2 phần: phần thân và phần đáy