BÀI tập lớn đo lường cảm biến Hệ thống chiết rót chất lỏng vào chai đại học công nghiệp hà nội khoa điện

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế 1Tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng Ngày nay việc ứng dụng khoa họccông nghệ vào lao động sản xuất là một nhu cầu không thể thiếu. Nó quyết định việc tăng năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm, giảm nhẹ sức lao động cho người lao động, nâng cao hiệu quả kinh tế, chất lượng sản phẩm. Về công nghệ, hệ thống chiết rót chất lỏng sử dụng các cảm biến, các động cơ, các bộ điều khiển để điều khiển cho hệ thống hoạt động chính xác, nhanh chóng, hiệu quả. Hệ thống gồm có: +Kho: chứa các thùng rỗng +thùng: chứa chất lỏng cần rót +Động cơ: kéo băng tải +Hai nút khởi động và dừng hệ thống: Start, Stop +Bồn chứa: chứa chất lỏng cần rót +Van 1: được điều khiển để đưa chất lỏng vào bồn chứa +Van 2: được điều khiển để rót chất lỏng vào thùng Hệ thống chiết rót chất lỏng vào thùng được ứng dụng rất phổ biến trong các nhà máy, xí nghiệp.Nó giúp cho việc định mức định lượng trở nên chính xác, đảm bảo vệ sinh. Trong thực tế yêu cầu về đo mức và lưu lượng chất lỏng xuất hiện trong nhiều lĩnh vực: Sản xuất nông nghiệp: đảm bảo lượng nước tưới tiêu cho cây trồng, đảm bảo lượng nước trong các bể, hồ nuôi thủy hải sản Công nghiệp sản xuất rượu, bia Đo mức xăng, dầu trong khai thác dầu khí Khống chế mức nước trong thủy điện, nhiệt điện Đo mức chất lỏng trong các phòng thí nghiệm, xét nghiệm. Xử lý nước thải trong các nhà máy, thành phố Tùy theo yêu cầu độ chính xác về mức và lưu lượng chất lỏng trong từng ứng dụng mà lựa chọn các loại cảm biến khác nhau. 2Nguyên lý vận hành của hệ thống Ấn Start, động cơ hoạt động kéo băng tải, các thùng được đặt trên băng tải. Khi thùng đến vị trí rót cảm biến quang thay đổi trạng thái làm dừng động cơ, mở van 2 đồng thời làm mở khóa kho đẩy thùng rỗng từ kho chứa thùng xuống băng tải. Khi lượng chất lỏng được rót đủ vào thùng, cảm biến lưu lượng tác động làm khóa van 2 đồng thời khởi động động cơ. Van 1 được điều khiển bởi cảm biến mức, khi mức chất lỏng xuống thấp quá giới hạn cảm biến mức tác động mở van 1 đưa chất lỏng vào bồn chứa, khi mức chất lỏng lên cao quá giới hạn, cảm biến mức phát hiện và tác động khóa van 1. Có thể dừng hệ thống bất kỳ lúc nào bằng nút Stop. Chương 2: Nội dung thực hiện 2.1 Yêu cầu của đề tài

BÀI TẬP LỚN

Đề tài 6: Xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất

Bộ môn: Đo lường và cảm biến

Giáo viên hướng dẫn: MAI THẾ THẮNG

Danh sách SV trong nhóm (Nhóm 6):

Phạm Xuân Sang

Lê Quốc SĩĐoàn Ngọc Sơn

Lê Ngọc SơnNguyễn Văn SơnNguyễn Đức Tâm

Lê Văn TânTrương Nhật Tân

Tạ Hoàng Tấn

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế

1-Tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng

Ngày nay việc ứng dụng khoa học-công nghệ vào lao động sản xuất là một nhu cầu không thể thiếu Nó quyết định việc tăng năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm, giảm nhẹ sức lao động cho người lao động, nâng cao hiệu quả kinh tế, chất lượng sản phẩm

+Động cơ: kéo băng tải

+Hai nút khởi động và dừng hệ thống: Start, Stop

+Bồn chứa: chứa chất lỏng cần rót

+Van 1: được điều khiển để đưa chất lỏng vào bồn chứa

+Van 2: được điều khiển để rót chất lỏng vào thùng

Hệ thống chiết rót chất lỏng vào thùng được ứng dụng rất phổ biến trong các nhà máy, xí nghiệp.Nó giúp cho việc định mức định lượng trở nên chính xác, đảm bảo vệ sinh

Trong thực tế yêu cầu về đo mức và lưu lượng chất lỏng xuất hiện trong nhiềulĩnh vực:

- Sản xuất nông nghiệp: đảm bảo lượng nước tưới tiêu cho cây trồng, đảm bảolượng nước trong các bể, hồ nuôi thủy hải sản

- Công nghiệp sản xuất rượu, bia

- Đo mức xăng, dầu trong khai thác dầu khí

- Khống chế mức nước trong thủy điện, nhiệt điện

- Đo mức chất lỏng trong các phòng thí nghiệm, xét nghiệm

- Xử lý nước thải trong các nhà máy, thành phố

Tùy theo yêu cầu độ chính xác về mức và lưu lượng chất lỏng trong từng ứng dụng mà lựa chọn các loại cảm biến khác nhau.

- Có thể dừng hệ thống bất kỳ lúc nào bằng nút Stop

3 Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống.

4 Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?

5 Trình bày về loại cảm biến lựa chọn?

6 Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán xử lý tín hiệu đầu ra cửacảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển?

7 Đánh giá về sai số của hệ thống

2.2- Các hướng giải quyết

Đối với hệ thống chiết rót chất lỏng này, chúng em sử dụng cảm biến mức điều khiển van 1 đưa chất lỏng vào bồn chứa, cảm biến lưu lượng điều khiển van

2 rót chất lỏng vào thùng, cảm biến quang điều khiển vị trí thùng

2.2.1-Phương pháp đo mức chất lưu

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.

Phương pháp đo: có nhiều phương pháp đo mức : thổi bọt khí, chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạt nhân, radar,

RF Admittance, siêu âm, …

Độ dẫn điện: rẻ, đơn giản hơn loại trên, không có bộ phận di chuyển, đo

điểm, dùng cho chất lỏng dẫn điện, dễ bị ảnh hưởng bởi lớp vật liệu bám dính trên điện cực

Chênh áp: thông dụng, đo liên tục, giá hợp lý, dễ lắp đặt nhưng thị phần càng

ngày cànggiảm Dễ bị ảnh hưởng bởi tỷ trọng của vật liệu, không phù hợp khi đocác chất lỏng códạng hột, khoảng đo nhỏ rất khó sử dụng, đặc biệt lưu ý đến sự

ăn mòn của hoá chất

Phao: Phương pháp này không giới hạn về mức cao của bồn, độ chính xác

không cao, phí đầu tư thấp nếu không có phần hiển thị từ xa, giới hạn về mức

áp suất làm việc Chokết quả đo liên tục & đo điểm Khi đo điểm có thể đo được

cả mặt cách ly Đối với chất lỏng sệt +hột là không phù hợp, cánh khuấy cũng ảnh hưởng đến độ chính xác

RF Admittance: kỹ thuật mới cho việc đo điểm cũng như liên tục, dải áp suất

nhiệt độlàm việc rộng, đo được mọi chất liệu Khi hằng số điện môi của vật liệu thay đổi dẫn đếnviệc thay đổi cảm biến và bộ truyền phù hợp Không bị ảnh hưởng bởi sự bám dính trêncảm biến

Siêu âm:Kỹ thuật đo liên tục không tiếp xúc, không có phần tử dịch chuyển

Nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác Ảnh hưởng bởi hơi nước, bọt khí, dải nhiệt độ và áp suất làm việc không cao cũng như cấu trúc bên trong bồn bể Không thể hoạt động trong môi trường chân không

Radar: đo mức liên tục với độ chính xác cao, bỏ qua hơi nước Điều kiện làm

việc giới hạn bởi dải áp suất làm việc thấp Có thể đo được mức mặt cách ly

Hình 1:Sơ đồ đo mức theo phươngpháp thuỷ tĩnh

a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai

Trong sơ đồ hình 1a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5)bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4) Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu

Trong sơ đồ hình 1, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được treo bởi một cảm biến đo lực (2) Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu:

Trong đó:

P - trọng lượng phao

h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao.

S - tiết diện mặt cắt ngang của phao

ρ - khối lượng riêng của chất lưu

g - gia tốc trọng trường

Trên sơ đồ hình 1c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sátđáy bình chứa Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:

Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh

làm nó biến dạng Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp

Phương pháp điện

Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện của chất lưu Các cảm biến thường dùng là cảm biến độ dẫn và cảm

Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50ŠScm-1) Trên hình 2 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng

Sơ đồ cảm biến hình 2b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình

Sơ đồ cảm biến hình 2c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặttheo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng

* Cảm biến tụ điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại Chất điện môi giữa hai điện cực

chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi).

Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện

Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh

Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt ở hai phía của bình chứa Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ, bộ thu là một buồng ion hoá Ở chế độ phát hiện mức ngưỡng (3a), nguồn phát và

bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song Tuỳ thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức

ngưỡng

Ở chế độ đo mức liên tục (3b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc

Hình 3: Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ

a) Cảm biến phát hiện ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục

1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu

Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa

Cảm biến mức sóng siêu âm

Cảm biến mức sóng siêu âm xác định mức bằng cách đo khoảng thời gian từ lúc truyền sóng tới lúc nhận được sóng phản hồi Khác với cảm biến từ giảo, cảm biến mức sóng siêu âm sử dụng sóng ở dải tần số 10 KHz Tốc độ truyền của sóng (340m/giâytrong không khí ở 15 độ C) phụ thuộc vào loại khí và nhiệt

độ của khí bên trong bình chứa

S = v t/2 v= 340 m/s

t = thời gian từ khi phát đến khi nhận sóng

2.2.2 Phương pháp đo lưu lượng

Có rất nhiều phương pháp đo lưu lượng và hầu hết các phương pháp đo điều cho kết quả khá chính xác Sau đây là một số phương pháp đo cơ bản và khá phổbiến có thể dùng cho đề tài:

- Lưu lượng kế điện từ

Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ

để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2) Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng Điện áp này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được

Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệuxoay chiều Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo Hơn nữa, sự trôi lệch điểm

“không” thường là vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được Bởi vậy, phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộndây từ trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC

Hình 4: Cảm biến lưu lượng điện từ: điến áp cảm ứng E=KDBv, B - từ

trường, D - chiều dài chất dẫn điện (khoảng cách 2 điện cực đo điện áp cảm ứng), v - vận tốc dòng chảy, K - hệ số

Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến các điểm sau:

- chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện;

- sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt;

- không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp;

- độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng;

- Phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc sự chênh lệch áp suất,

Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture Hình 1 thể hiện loạicảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng chảy Khi chất lỏng chảy

qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó Theo nguyên lý Bernoulli, điều này

có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy Dựa vào vận tốcdòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy

Hình 5: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice)

Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứng dụng công nghiệp cần lưu ý các điểm sau:

- cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng;

- phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp;

- độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ;

- sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm;

- yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy

Hình 6:cảm biến quang thu phát độc lập

Khi không có đối tượng xuất hiện ở vị trí trên đường đi của tia sáng thì bộ phận nhận ở mức thấp, khi đối tượng xuất hiện thì bộ phận nhận sẽ ở mức cao.Đặc điểm

-Độ tin cậy cao

-Thích hợp với việc dùng để phát hiện các đối tượng mờ đục, không trong suốt hay các đối tượng có tính phản chiếu

-Không thích hợp để phát hiện các đối tượng trong suốt

-Tầm hoạt động xa nhất so với 2 loại còn lại, 1 số có thể hoạt động đến cự li 274m

-Khoảng cách phát hiện xa

-Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt đối tượng

Cảm biến quang loại phản xạ

Cảm biến quang loại phản xạ có bộ phát và nhận tích hợp chung trong 1 vỏ hay còn gọi là 2 trong 1 Vị trí 2 bộ phận này song song nhau:

Hình 7: Cảm biến quang loại phản xạ

Ánh sáng được chiếu đến bộ phận phản xạ và quay trở lại bộ phận tiếp nhận Khi có đối tượng chặn ánh sáng, ngõ ra của cảm biến thay đổi trạng thái Các đối tượng được nhận biết khi ánh sáng bị ngắt không phản xạ lại

Đặc điểm

-Độ tin cậy cao

-Giảm bớt dây dẫn

-Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng

2.3 Lựa chọn cho thiết kế

2.3.1 Lựa chọn cảm biến mức

Chọn cảm biến siêu âm vì cảm biến loại này có độ chính xác cao, không tiếp xúc, không có phần tử dịch chuyển Nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt cũng như bảo dưỡng, sửa chữa

trong suốt, mờ, bóng loáng,dễ dàng lắp đặt.

2.4-Tính chọn thiết bị

2.4.1- Tính chọn cảm biến siêu âm

+ Nguồn làm việc: 5V (một số mạch điện tử có thể cấp nguồn 3.3V vẫn hoạt động bình thường nhưng cảm biến siêu âm cần hoạt động ở mức 5V)

+ Dòng tiêu thụ : nhỏ hơn 2mA

+ Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) và LOW (0V)

+ Khoảng cách đo: 2cm - 300cm (3 mét)

+ Độ chính xác: 0.5cm

Cảm biến gồm có 4 chân

+Vcc -> nguồn 5V

+Trig -> nối vi điều khiển (ngõ phát)

+Echo -> nối vi điều khiển (ngõ thu)

+Gnd -> nối âm

2.4.2-Tính chọn cảm biến lưu lượng điện từ

Chọn cảm biến lưu lượng điện từ loại Mag5100W là dòng sản phẩm được Siemens chế tạo chủ yếu cho các ứng dụng đo lưu lượng của nước và nước thải,

Hình 8: Cảm biến lưu lượng Mag 5100W

Kết hợp sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu Mag 6000 Mag 6000 có độ chính xáccao 0.25% và nó có dầy đủ các tính năng như định mẻ, có thể giao tiếp truyền thông theo chuẩn Hart, Modbus, Profibus…

+ Độ chính xác 0.25%

+ Có chức năng định mẻ

+ Hiển thị lưu lượng tức thời và lưu lượng tổng, có thể hiển thị lưu lượng tổngtheo chiều thuận, ngược của dòng chảy và lưu lượng tuyệt đối Có thể tuỳ chọn không có màn hình hiển thị

Hình 9: Bộ chuyển đổi tín hiệu Mag 6000

Vị trí lắp cảm biến: Trước van 2

+ Tín hiệu ra: Một tín hiệu ra tương tự 4-20 mA, một tín hiệu ra xung, một tínhiệu ra Relay

+ Nguồn cung cấp: Có thể chọn DC 11…30V, AC 11 … 24V hoặc AC 115…

230 V

2.4.3-Tính chọn cảm biến quang phản xạ

Chọn loại phản xạ gương 4m E3Z-R61 2M

+Nguồn sáng: Red LEG(660 nm)

+Thời gian đáp ứng: 1ms max

+Biến trở điều chỉnh độ nhạy

+Ổn định với ánh sáng của môi trường: đèn huỳnh quang: 3000 lx max; ánh sáng mặt trời : tối đa 10.000 lx

+Tiêu chuẩn: IEC, IP67

Chương 3: Kết luận 3.1-Các kết quả đạt được

-Hiểu rõ hơn về khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất

-Tích lũy thêm được nhiều kiến thức bổ ích

-Nâng cao khả năng làm việc nhóm

3.2-Các hạn chế khi thực hiện

-Do không có kinh nghiệm thực tế nên bài làm còn nhiều sai sót

-Do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình làm bài có nhiều sơ sài