Bài tập lớn: Thiết kế hệ thống chiết rót chất lỏng

Bài tập lón môn Kỹ thuật đo lường và cảm biến. Đê tài thiết ké hệ thống chiết rót chất lỏng. Đại Hoc Cong Nghiep Ha Noi của thầy Hà Văn Phương. Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post Viết mãi chưa đủ 200 ký tự để post

ĐA H C CÔNG NGHI P HÀ N IỊ Ọ Ệ Ộ

KHOA ĐI NỆ

Giáo viên hướng dẫn: Hà Văn Phương

Trang 2

Ch ươ ng 1: T ng quan v h th ng thi t ổ ề ệ ố ế

kế

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

Đối với một nước đang phát triển trong thời kì phát triển của sự nghiệp cônghóa-hiện đại hóa như nước ta hiện nay, việc từng bước cơ giới hóa hoạt độngsản xuất là rất quan trọng và là một việc làm hết sức cần thiết

Xuất phát từ nhu cầu sản xuất đó, nhóm chúng em đã tìm hiểu đề tài: “Xét

khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất”, nhằm phục vụ

cho việc chiết rót sản phẩm cho các ngành sản xuất có nhu cầu

Việc thực hiện bài tập lớn này rất là bổ ích cho các sinh viên, nó sẽ giúp các sinh viên tự tìm tòi học hỏi, và hiểu ra nhiều quy trình chiết rót và cách vận hành của nó, từ đó sẽ làm nền tảng và nguồn kiến thức dồi dào cho các sinh viên khi hoạt động trong các công tác chuyên ngành của mình và các hoạt

động trong đời sống về lĩnh vực thiết kế, thi công, quản lý hệ thống chiết rót.Các hệ chiết rót chất lỏng được ứng dụng rất rộng rãi

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm đề tài không tránh khỏi những sai sót trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đề tài của mình Mongcác thầy, cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm để đề tài của nhóm em có thể hoàn thiện hơn nữa

Nhóm xin chân thành cảm ơn!!

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

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, nhanhchóng, hiệu quả Hệ thống gồm có:

 Kho: chứa các thùng rỗng

 Thùng: sẽ 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 vào thùng

 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 cácnhà 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

II Nguyên lý vận hành của hệ thống

Trang 4

Theo yêu cầu của đề tài ta cần rót chất lòng vào thùng rỗng cao 0,5 m nhờ một hệ thống băng chuyền vận chuyển thùng rỗng và có một bồn chứa chất lỏng cần rótvào thùng rỗng Ngoài ra còn có hệ thống đẩy thùng rỗng để chứa chất lỏng.

Đầu tiên ta thiết kế hệ thống đẩy thùng rỗng xuống băng chuyền:

 Khi ấn nút Start thì động cơ của băng chuyền bắt đầu hoạt động

 Cảm biến có tín hiệu vào thì vị trí của thùng rỗng bị thiếu sẽ đẩy một thùng rỗng khác xuống từ kho chứa thùng nhờ 1cảm biến

 Khi thùng rỗng đến vị trí của bồn chứa thì cảm biến sẽ phát tín hiệu ra

và dừng lại

 Khi đó van 2 sẽ mở và xả chất lỏng xuống thùng rỗng Khi thùng chất lỏng đã đủ lượng yêu cầu thì cảm biến ở Van xả phát tín hiệu ra động

cơ băng chuyền lại tiếp tục chạy

 Khi cần dừng hệ thông ấn nút Stop thì sẽ dừng hệ thống động cơ và cảm biến và hệ thống sẽ tạm ngưng hoạt động

Ch ươ ng 2: N i dung th c hi n ộ ự ệ

I Yêu cầu của đề tài

 Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng

 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?

 Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống

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

 Trình bày về loại cảm biến lựa chọn?

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

 Đánh giá về sai số của hệ thống

II Các hướng giải quyết

Đối với hệ thống chiết rót chất lỏng này, chúng em sử dụng:

- 5 cảm biến:

 1 cảm biến quang loại phản xạ để phát hiện và đẩy thùng rỗng xuống khi không có thùng rỗng nào trên băng chuyền dưới kho chứa thùng

 1 cảm biến tiệm cận điện dung để phát hiện sự có mặt của thùngrỗng ở phía dưới van 2 để dừng băng tải

 2 cảm biến tiệm cận điện dung bên trong bồn chứa để đo lượng nước trong bồn chứa và điều khiển sự đóng mở của van 1

 Cảm biến tiệm cận siêu âm ở đầu van 2 để đo mức chất lỏng được rót vào thùng rỗng và điều khiển sự đóng mở của van 2

- Các nút Start, Stop để khởi động và dừng toàn bộ hệ thống

a) Cảm biến quang

Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES) nói một cách nôm

na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có 1 lượng ánh sáng chiếu vào

Công dụng chủ yếu của cảm biến quang là dùng để phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau

Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp

tự động hóa Nếu không có cảm biến quang thì tự động hoá khó phát triển

 Cảm biến quang loại thu phát độc lập:

Là loại cảm biến có phần phát và phần thu ở trong 2 bộ phận độc lập nhau vàđược đặt đối diện nhau:

Khi không có đối tượng xuất hiện ở vị trí trên đường đi của tia sáng thì trạngthái ngõ ra của bộ phận nhận ở mức thấp “ mức 0”, khi đối tượng xuất hiện trên đường đi của tia sáng từ bộ phận phát đến bộ phận nhận thì trạng thái ngõ ra ở bộ phận nhận sẽ ở mức cao “ mức 1”

Trang 8

 Đặc điểm cảm biến quang thu phát độc lập:

 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 Một 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:

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 cảm biến quang loại phản xạ:

 Độ tin cậy cao.

 Giảm bớt dây dẫn

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

Do các thùng chứa chất lỏng có thể làm bằng thuỷ tinh trong suốt nên ta dùng cảm biến quang loại phản xạ Cảm biến quang ít chịu ảnh hưởng của chất lỏng, tần số hoạt động cao, chính xác, lắp đặt đơn giản nên ta chọn CB

quang loại phản xạ

b) Cảm biến tiệm cận

Là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện từ không tiếp xúc Cảm biến tiệm cận có 1 vai trò quan trọng trong thực tế Tín hiệu ngõ ra của cảm biến thường là dạng logic

Đặc điểm:

 Phát hiện vật không cần tiếp xúc ( nên tuổi thọ cao)

 Tốc độ đáp ứng nhanh

 Led hiển thị trạng thái Out

 Đạt tiêu chuẩn IP67 ( tiêu chuẩn IEC)

 Đầu sensor nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi, nhiều vị trí, không gian hạn chế

Trang 10

 Có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt mà các loại cảm biến khác khó có thể hoạt động ổn định được.

Có 3 loại cảm biến tiệm cận: điện từ, điện dung và siêu âm

- Nguyên lý hoạt động:

Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ daođộng quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát

Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật

Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi

Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra vật đã được phát hiện

- Ưu điểm:

 Khả năng chống chịu với môi trường tốt

 Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc

- Nhược điểm:

 Chỉ phát hiện được vật thể là kim loại

 Cảm biến tiệm cận siêu âm:

- Cấu tạo: Cảm biến gồm 2 phần :phần phát ra sóng siêu âm và

phần thu sóng siêu âm phản xạ về

- Nguyên lý hoạt động: : Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm Thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến chiều dài quãng đường

- Ưu điểm:

 Đo được khoảng cách của vật di chuyển

 Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt

Trang 12

 Không ảnh hưởng bởi màu sắc.

 Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách

 Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoảng cách xa

- Nhược điểm:

 Sóng phản hồi chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm

 Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi

 Khoảng cách tỉ lệ nghịch với tần số

Ta chọn cảm biến tiệm cận điện dung để đo mực nước trong thùng chứa do cảm biến điện dung có thể phát hiện được mọi vật liệu (cảm biến điện cảm chỉ có thể phát hiện được kim loại), giá thành hợp lý và do thùng chứa luôn

ở vị trí cố định

Ta dùng cảm biến tiệm cận siêu âm để đo mức nước trong thùng rỗng do ta không biết thể tích của thùng chứa nên không thể dùng cảm biến đo lưu lượng, đồng thời các thùng rỗng di chuyển trên băng tải nên không thể dùng cảm biến điện dung như ở thùng chứa

III Thiết kế vị trí lắp đặt

Chú thích sơ đồ:

 Kho: chứa các thùng rỗng

 CB1: Cảm biến quang phản xạ để phát hiện và đóng mở kho

để thùng rỗng được đưa ra băng tải

 CB2: Cảm tiệm quang phản xạ xác định thùng rỗng để băng tải ngừng quay đồng thời xuất tín hiệu cho hệ thống mở van

 Cảm biến tiệm cận điện dung CB4 và CB5 đo mức chất lỏngtrong thùng và điều khiển van 1 đóng hoặc mở.

Thuyết minh:

- Công đoạn 1: Đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng tải:

Khi ấn nút start động cơ (M) hoạt động kéo băng tai quay CB1 hoạt động phát hiện có vật thể ở trên băng tải hay không và xuấttín hiệu về trung tâm Nếu phát hiện có thùng rỗng trên băng tảithì đóng kho chứa thùng,nếu chưa có thùng nào thì đẩy 1 thùng rỗng xuống băng tải

- Công đoạn 2: Điều khiển động cơ trên băng tải:

Thùng rỗng được đưa xuống băng tải qua công đoạn 1, động cơ băng tải (M) vẫn hoạt động kéo băng tải đưa thùng đi đến vị trí van 2, CB2 phát hiện có thùng rỗng và đưa tín hiệu về trung tâm cho dừng động cơ kéo băng tải (M) để rót chất lỏng vào thùng Nếu chưa rót đầy thùng thì 2 động cơ M ngừng hoạt động Nếu thùng được rót đầy thì động cơ M tiếp tục hoạt động,quy trình này lặp đi lặp lại

- Công đoạn 3: Rót chất lỏng vào thùng rỗng:

Khi thùng rỗng tới vị trí van 2, CB2 phát hiện có thùng rỗng và phát tín hiệu chuyển về trung tâm để nhưng động cơ M đồng thời van 2 mở cho chất lỏng chảy vào thùng

Khi chất lỏng được van 2 rót vào thùng rỗng dưới ngưỡng đặt trước của cảm biến siêu âm CB3 (là mức chất lỏng đầy) thì CB3 xuất tín hiệu về trung tâm cho tiếp tục mở van 2 Nếu đạt

ngưỡng của cảm biến thì đóng van 2 đồng thời tiếp tục cho động cơ M hoạt động Quy trình lặp đi lặp lại.

- Công đoạn 4: Bơm chất lỏng vào bồn chứa:

Khi chất lỏng trong bồn chứa dưới ngưỡng cảm biến A2 xuất tín hiệu về trung tâm cho mở van 1 để chất lỏng đạt ngưỡng củacảm biến A1 xuất tín hiệu về trung tâm đóng van 1 Quy trình lặp đi lặp lại

IV Tính chọn thiết bị

 Cảm biến siêu âm

Nguyên lý hoạt động: Ở trên đỉnh bồn chứa đặt một nguồn phát siêu âm mạnh.Luồng phát phát ra nguồn siêu âm theo chiều xuống đáy bồn chứa.Khiluồng siêu âm gặp mặt chất lỏng nó phản xạ lên và đến đầu thu, thời gian từ lúc phát tới lúc thu :

Trong đó T: là thời gian từ lúc phát tới lúc thu siêu âm

H1: khoảng cách từ bồn chứa tới mặt chất lỏng

c: tốc độ truyền siêu âm trong không khí ( vào khoảng 300m/s)

Tuy nhiên thành công của phép đo phụ thuộc vào sóng, độ phản xạ từ vật cần

đo Những yếu tố như bụi, hơi nước (chất lỏng) dày đặc; độ cản trở bình chứa,nhiễu loạn gây bởi bề mặt; những chất tạo bọt và thậm chí là độ gồ ghề hoặcgóc tạo bởi chùm sóng với bề mặt cần đo đều góp phần tạo những thông tinkhông mong muốn ở tín hiệu phản hồi

Điều cần thiết là người sử dụng cần phải cân nhắc điều kiện hoạt động sẽảnh hưởng thế nào tới sóng âm khi phát ra

Trang 16

Những yếu tố quan trọng khác cần chú ý khi dùng bộ truyền âm gồm:

Sóng âm-điều kiện tiên quyết của phép đo là sóng âm phải đi qua chất cần

đo Thông thường là không khí, nếu môi trường là chân không lại không phùhợp do trong chân không, không có đủ số phân tử khí làm giảm khả năngtruyền sóng

Điều kiện bề mặt-bọt và những hạt bụi bẩn bám trên bề mặt của chất lỏng cóthể hấp thụ sóng âm và làm cản trở sóng phản hồi về đầu phát;

Góc tới và góc phản xạ-sóng âm cần được phát và nhận theo đường thẳng,mặt phản xạ cần là mặt phẳng;

Nhiệt độ hoạt động-những phần mà siêu âm được gửi đến để đo thường làmbằng nhựa với nhiệt độ cao nhất cỡ 60°C

Dĩ nhiên, việc thay đổi nhiệt độ sẽ làm phép đo mức kém chính xác;

Áp suất làm việc-các thiết bị siêu âm thường không tiếp xúc với áp suất quácao; giá trị lớn nhất loại cảm biến này có thể chịu được là 30 psi (~2 bar);

- Điều kiện môi trường-hơi nước (chất lỏng), môi trường đọng nước, và tạpchất có thể làm thay đổi tốc độ của sóng âm qua môi trường không khí vàảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của tín hiệu hồi đáp Để tránh sai số domôi trường gây ra cần gắn cảm biến vào những vị trí và môi trường có thể

dự đoán trước

Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát đi 1 xung tín hiệu và đo thời gian nhận được tín hiệu trở vể Sau khi đo được tín hiệu trở về trên cảm biếnsiêu âm, ta tính được thời gian từ lúc phát đến lúc nhận được tín hiệu Từ thời gian này có thể tính ra được khoảng cách

Nếu đo được chính xác thời gian và không có nhiễu, mạch cảm biến siêu âm trả về kết quả cực kì chính xác.

+Trig -> nối vi điều khiển (ngõ phát) 

+Echo -> nối vi điều khiển (ngõ thu) 

+Gnd -> nối âm

Trang 18

 Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận E18-D50NK NPN

+ Dây đen: Data , Dây Xanh: GND, Dây nâu: Vcc

*Có nhiều nguyên nhân để lựa chọn cảm biến cho phù hợp với hệ thống nhưng 2 vấn đề chính đó là tính áp dụng thực tế ( ưu điểm đối với hệ thống, việc lắp đặt, môi trường làm việc, cách thức hoạt động) và vấn đề kinh tế Công nghệ thì luôn thay đổi và hiện đại từng ngày Trên đây là các cảm biến nhóm đã chọn ra đều có các ưu điểm dễ lắp đặt, hoạt động

ổn định, độ nhạy cao, đáp ứng trong thời gian ngắn, độ trễ thấp, độ bền

cơ khí cao, nhỏ gọn,… đặc biệt so sánh với các cảm biến cùng loại thì giá

thành rất phải chăng nên vốn đầu tư ban đầu không cần quá cao mà chất lượng mang về vẫn rất hiệu quả

 Cảm biến quang loại phản xạ

- Ngõ ra: NPN.

- Đối tượng phát hiện: vật trong suốt, trong mờ, mờ đục

- Nguồn sáng: LED hồng ngoại

-  Hiển thị LED. 

- Bảo vệ ngược cực, ngắn mạch

Do các thùng chứa chất lỏng có thể làm bằng thuỷ tinh trong suốt nên

ta dùng cảm biến quang loại phản xạ Cảm biến quang ít chịu ảnh hưởng của chất lỏng, tần số hoạt động cao, chính xác, lắp đặt đơn giản

nên ta chọn CB quang loại phản xạ