+ Khối cảm biến có tác dụng đo nhiệt độ sản phẩm và khuếch đại tín hiệu, để đ−a vào PLC xử lý và đ−a quyết định điều khiển các cơ cấu chấp hành có trong dây chuyền khâu tinh lọc.. + Khối
Trang 1** Nhiệm vụ từng khối:
+ Khối nhiệt độ là khối tạo nguồn nhiệt của sản phẩm Do mô hình chỉ có tính t−ợng tr−ng mô phỏng sự làm việc của dây chuyền nên khối nhiệt ở đây đ−ợc tạo bằng các đèn sợi đốt
+ Khối cảm biến có tác dụng đo nhiệt độ sản phẩm và khuếch đại tín hiệu,
để đ−a vào PLC xử lý và đ−a quyết định điều khiển các cơ cấu chấp hành có trong dây chuyền khâu tinh lọc
+ Khối PLC có tác dụng thu thập tín hiệu từ cảm biến, sau đó xử lý và đ−a quyết định điều khiển đến các cơ cấu chấp hành trong dây chuyền
+ Khối cơ cấu chấp hành là các thiết bị chấp hành có trong dây chuyền thực hiện các thao tác vận hành dây chuyền Khối này gồm các động cơ, các van
3.3.2 Thiết kế và phân tích nguyên lý hoạt động từng khối
1- Khối nhiệt độ
Nh− đã đề cập ở trên thì khối nhiệt độ sẽ đ−ợc mô phỏng bằng nhiệt độ của các bóng đèn điện áp 220V - 100W Các đèn sẽ tạo nguồn nhiệt để trong một hộp coi nh− vùng nhiệt độ sản phẩm Việc điều khiển cấp nhiệt là việc đóng cắt các đèn sợi đốt để tăng hoặc hạ nhiệt độ sản phẩm
2 – Khối cảm biến
Cảm biến đ−ợc định nghĩa nh− một thiết bị dùng để biến đổi các đại l−ợng vật lý và các đại l−ợng không điện cần đo thành các đại l−ợng điện có thể đo đ−ợc (nh− dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng…) Nó là thành phần quan trọng
Các cơ cấu chấp hành
Trang 2nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều trường hợp thực tế, cũng chính
là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động
Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất… là các đại lượng cần đo Sau khi tiến hành các công đoạn để tiến hành đo các đại lượng này ta nhận được đại lượng điện tương ứng ở đầu ra Đại lượng điện này cùng với sự biến
đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết đối tượng cần đo Việc đo đạc các đối tượng này thực hiện được là nhờ có các cảm biến
Vậy cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện ( như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng )
** Vai trò của cảm biến trong quá trình tự động hoá
Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học các cảm biến đã có kích thước nhỏ hơn, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ
đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không có sử dụng các cảm biến Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử v.v…
a Thiết kế cảm biến nhiệt
Trang 3- Có nhiều cách đo nhiệt độ khác nhau, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính như sau:
+ Phương pháp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt độ do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)
+ Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm
+ Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như:
+ Caởp nhieọt ngẫu
+ Nhiệt kế điện thế kim loại
+ Nhiệt điện trở kim loại
+ Nhiệt điện trở bán dẫn
+ Cảm biến thạch anh
Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phương pháp thông dụng được sử dụng trong các ứng dụng mô phỏng thông thường, nên ở đây tôi chọn phương án sử dụng IC này
** Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng điện áp
+ Sơ đồ nguyên lý mạch của LM335 như sau:
Trang 4Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong các bán dẫn, bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống, làm cho tỷ lệ
điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ Các IC cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm trên thị trường hiện nay, đồng thời nó có những đặc tính phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch, và trong mạch này ta dùng
Trang 5
+ Sơ chân nối của nó như sau:
Sơ đồ nhìn từ dưới chân thiết bị
+ V+ và V- là hai đầu nguồn đặt của cảm biến
+ ADJ là chân chuẩn điều kiện làm việc đầu ra của cảm biến
*Tính chất cơ bản của LM335:
- LM335 có độ biến thiên theo nhiệt độ là: 10mV / 10C
- Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 250C nó
có sai số không quá 1% Với khoảng đo từ 00C – 1280C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào
- Thông số kỹ thuật:
+ Tiêu tán công suất thấp
+ Dòng làm việc từ 450m A - 5mA
Trang 6+ Dòng điện ngược 15mA
+ Dòng điện thuận 10mA
+ Độ chính xác : khi làm việc ở nhiệt độ 250C với dòng làm việc 1mA thì
điện áp ngõ ra từ 2,94V - 3,04V
- Đăc tính điện:
Theo thông số của nhà sản xuất, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra như sau:
Vout = 0,01xT0K
= 2,73 + 0,01xT0C
Vậy ứng với khoảng hoạt động từ 00C - 1000C ta có sự biến thiên điện áp ngõ
ra như sau:
ở 00C thì điện áp ngõ ra Vout = 2,73 (V)
ở 50C thì điện áp ngõ ra là Vout = 2,78 (V)
ở 1000C thì điện áp ngõ ra Vout =3,73 (V)
Khoảng biến thiên điện áp tương ứng là 1V với khoảng nhiệt độ từ 00C – 1000C
** Thieỏt keỏ cuù theồ maùch caỷm bieỏn duứng LM335
+ Sơ đồ mạch như sau:
LM335
Trang 7
Hình 3.3 Sơ đồ mắc chuẩn hóa
+ Tính toán và chọn linh kiện
450m A < IR < 5mA
450m A < (5-V0)/R< 5mA
(5-V0)/5mA < R <(5-V0)/ 450m A
Vì : 2,73 < V0 3,73
Mặt khác, theo thông số của nhà sản xuất điện áp trên LM335 tại Tc = 250C,
IR = 1mA thì V0 = 2,98 (V) vậy ta có:
Nên 424 < R < 4,7K
Từ đó ta chọn R = 1Kb
**Thiết kế mạch khuếch đại
Để tạo khoảng so sánh tín hiệu lấy ra ứng với điều kiện làm việc của môi trường ta cần một mạch khuếch đại khoảng biến thiên của tín hiệu ra Đây là mạch
so sánh tín hiệu ra của cảm biến với tín hiệu đặt điện áp ứng với điệu kiện làm việc nhiệt độ môi trường ngoài Vì khoảng biến thiên điện áp của bộ cảm biến là 1V với khoảng biến thiên nhiệt độ từ 00C - 1000C Trong khi đó, yêu cầu mạch đầu vào của PLC có mức điện áp từ 0V - 10V, vì vậy ta sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu điện
LM335
Trang 8áp, với hệ số khuếch đại 10 lần cho đầy mức giới hạn đầu vào của PLC sơ đồ nh− (hình 3.2)
Hình 3.4 Sơ đồ mạch khuếch đại
VR1
Trang 9V1 : là điện áp ngõ vào đảo của bộ khuếch đại và V1 = 2,73 V
V2 : là tín hiêu ra của cảm biến và V2 = 2,73 + 0,01xT0C
V0 : là điện áp ngõ ra của OA và V0 = K(V2 – V1)
K : là hệ số khuếch đại
Như vậy ta xét ở nhiệt độ 00C thì V2 = V1; V0 = 0V
= > R4 /(R2 + R4) = R5 /(R3 + R5)
Để đơn giản ta chọn R2 = R3; R4 = R5 như vậy:
V0 = (V2 – V1).R5/R3
Chọn hệ số khuếch đại K = R5 / R3 = 10
Mặt khác ta có dòng của OA là I0 < 20mA, nên dòng hồi tiếp If << 20mA
= > If = (V0 – V1)/(R3 + R5) << 20mA
= > R3 + R5 >> (V0 – V1)/20mA
Mà V0max =10V
V1 = 2,73V
= > R3 + R5 >> 2,27/ 20mA
Hay 6R3 >>2,27 / 20mA
= > R3 >>18,4 (Ohm)
Chọn R3 = 1k; R5 = 10k; VR1 = 15k
Do đó R1 = 100 (Ohm)
c Thieỏt keỏ cảm biến mức chất lỏng
Mục đích của việc đo và phát hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối lượng chất lưu trong các bình chứa Có hai dạng đo là đo liên tục và xác định theo ngưỡng Khi đo liên tục, biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không Thông thường người ta hay kết hợp cả hai loại đầu đo phát hiện ngưỡng cao
và ngưỡng thấp để tự động hóa quy trình cung cấp và hút chất lưu từ bình chứa
Có nhiều phương pháp để thiết kế cảm biến mức chất lỏng như: phương pháp
