Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN GIÁO VIÊN HƯỚNG DÂN : NGUYỄN THU HÀ HÀ NỘI, Ngày 6-6-2015 Đề tài Tìm hiểu phân tích xây dựng hệ thống đo điều khiển nhiệt độ lị sấy nơng sản dạng hạt *************** LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1- Yêu cầu đề tài 2.2- Các hướng giải 2.3- Lý lựa chọn cho thiết kế 2.4- Tính chọn thiết bị CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 3.1- Các kết đạt 3.2- Các hạn chế thực 3.3- Biện pháp khắc phục CHƯƠNG 4: BÀI DỊCH TÀI LIỆU CẢM BIẾN 4.1- Bản tài liệu lí thuyết 4.2- Bản tài liệu sử dụng cảm biến LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, sống người có thay đổi ngày tốt hơn, với trang thiết bị đại phục vụ công công nghiệp hóa, đại hóa đất nước Đặc biệt góp phần vào phát triển ngành kĩ thuật điện tử góp phần khơng nhỏ nghiệp xây dựng phát triển đất nước Trong mn kĩ thuật vi điều khiển phát triển mạnh mẽ dựa tiến cơng nghệ tích hợp linh kiện bán dẫn hệ lập trình có nhớ kết hợp với máy tính điện tử Từ thời gian đầu phát triển cho thấy ưu việt ngày tính ưu việt ngày khẳng định thêm.Những thành tựu biến tưởng trừng khơng thể thành có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất tinh thần cho người Để góp phần làm sang tỏ hiệu ứng dụng thực tế môn “Đo lường cảm biến” chúng em sau thời gian học tập thầy , cô khoa giảng dạy kiến thức chuyên ngành đồng thời giúp đỡ nhiệt tình “NGUYỄN THU HÀ” chúng em “tìm hiều, phân tích xây dựng hệ thống đo điều khiển nhiệt độ lị xấy nơng sản dạng hạt” Cũng với nỗ lực nhóm thời gian, kiến thức kinh nghiệm chúng em cịn có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong giúp đỡ tham khảo ý kiến thầy bạn nhằm đóng góp phát triển đề tài Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ 1.1-Tiêu chuẩn sấy loại hạt Khi thu hoạch, hạt thường có độ ẩm cao, trung bình 20-22% Một số loại hạt thu hoạch vào mùa mưa nước ta, đọ ẩm lúc đầu chúng tới 34-40%> Những hạt ẩm khơng sấy kịp thời bị thâm, chua, thối chí hư hỏng hoàn toàn Một số loại hạt đậu tương, vừng phải sấy tới độ khô định tách, lấy hạt khỏi vỏ thuận lợi Tất loại hạt trước đưa vào kho bảo quản, thiết phải qua sấy tới độ ẩm an toàn a) Lúa mì Yêu cầu: phải đảm bảo số lượng chất lượng gluten Đặc điểm: bắt đầu nhiệt độ từ 50ºC có thay đổi nhỏ số lượng chất lượng gluten Vì nhiệt độ sấy cho phép đến 50ºC b)Lúa, ngô Nước thoát 200kg/tấn, lúa 33% ẩm độ xuống 16% ẩm độ Lúa khô vỏ khoảng 20-22% ẩm độ, có màu vừa chuyển từ màu nâu đen qua màu vàng sáng, hạt lúa cắn bên mềm Lúa khơ xay chà tồn trử khoảng 14-16% ẩm độ, hạt cắn kêu, dòn Lúa ướt từ 33% ẩm độ giảm xuống 20-22% ẩm độ giảm nhanh vịng đến phút nên dùng nhiệt độ đến 80ºC để sấy Lúa ướt từ 20-22% ẩm độ giảm xuống 14-16% ẩm độ phải có thời gian định, thường giảm khơng q 1,5% ẩm độ/1giờ, giảm nhanh hạt gạo bên bị nứt Nên thời gian nhiệt độ sấy không 42ºC cho lúa giống, từ 45ºC trở xuống cho lúa ăn Vận tốc gió xuyên qua lớp lúa sấy trung bình 10m/1 phút.Nếu ta biết đặc tính quạt, lò đốt, sinh lý hạt lúa, ta yên tâm sấy chất lượng cao, khơng bị tro, khói nứt hạt lúa c) Các hạt họ đậu Các hạt học đậu thường chứa lượng lớn protein, phần lớn tinh bột từ 46-52% lipit từ 2-3% Các hạt họ đậu nhạy cảm với tăng nhiệt độ nên thường phải thực nhiều giai đoạn sấy để giữ chất cho sản phẩm nâng cao suất máy sấy 1.2- Sơ lược hệ thống thiết kế *Với yêu cầu đề tài nhóm em chọn đối tượng sấy cụ thể lúa Hệ thống sấy gồm: quạt, thiết bị gia nhiệt điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ nhà che -Nhà che cần rộng có mái che thơng thống Các thơng số kích thước buồng sấy: *Buồng sấy: - Chiều rộng: 3m - Chiều dài: 4m - Chiều cao: 1,5m - Gồm sàn đổ lúa sấy 18m dung tích 18m3 buồng chứa khí nóng khơ quạt thổi vào -Miệng lị rộng phía để nước dễ dàng trình sấy đồng thời thuận tiện cho việc đổ nơng sản vào sấy - Thành lị làm vật liệu cách nhiệt để đảm bảo cho nhiệt độ sấy ổn định - Quạt thổi khí lò lắp đặt khung bệ chắn có van để điều chỉnh lưu lượng cho thích hợp Phần kết nối đầu vào quạt có ống giảm rung nhằm mục đích giảm tối thiểu rung động quạt gió làm việc với hệ thống - Thiết bị gia nhiệt hệ thống dây mayso, cung cấp nhiệt cho lị sấy -Ngồi ra, cịn có hệ thống cảm biến vi mạch điều khiển nhiệt độ buồng sấy CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1 Yêu cầu đề tài - Tìm hiểu phân tích xây dựng hệ thống đo điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản dạng hạt - Lựa chọn cảm biến cần sử dụng cho hệ thống - Cách lựa chọn bố trí thiết bị khác - Sơ đồ khối hệ thống - Lựa chọn phương án điều khiển - Đánh giá sai số hệ thống - Hạn chế thiết kế cách khắc phục * Giới hạn điều kiện: - Thể tích lị 10m3– 20m3 - Dải nhiệt độ làm việc từ 10ºC đến 80ºC - Sai số phép đo nhiệt độ 2ºC 2.2- Các hướng giải Để thiết kế hệ thống lị sấy nơng sản ta có nhiều phương pháp.Dưới số phương pháp mà cho tối ưu 2.2.1- Phương pháp sấy kiểu tháp a) Giới thiệu hệ thống Hình 2.1-Hệ thống sấy kiểu tháp Buồng sấy hình trụ hay hình lăng trụ để đứng (tháp) Vật liệu đổ tháp từ phía trên.Khí nóng thổi vào từ phía cắt ngang chiều chuyển động vật liệu Tùy theo dạng vật liệu sấy trạng thái ẩm vật liệu mà sử dụng phương pháp vận chuyển vật liệu khác tháp Hệ thống điều khiển thơng minh có khả tự điều chỉnh nhiệt độ sấy cách tối ưu nhiên liệu đốt Người vận hành dễ dàng chọn lựa chế độ sấy cho phù hợp với loại nguyên liệu cách nhấn nút chọn chế độ -Hệ thống điều khiển tự động sấy với trữ lượng nông sản lớn b) Ưu nhược điểm hệ thống *Ưu điểm - Thiết kế vững chắc, độ bền vật liệu cao,dễ vận hành - Có thể sấy trữ lượng nông sản lớn phù hợp với quy mô công nghiệp - Tiết kiệm nhân công - Tỷ lệ hao hụt thấp, tỷ lệ hạt gãy thấp, độ đồng cao, sản phẩm đầu đạt chất lượng tốt - Hệ thống gầu tải, trục tải thiết kế tối ưu, đảm bảo hiệu hoạt động cao - Các động điện vận hành hợp lý, giảm tối đa chi phí điện - Lị đốt thiết kế đại, điều khiển tự động đảm bảo hiệu suất cao, tiết kiệm tối đa chất đốt *Nhược điểm - Thiết kế cồng kềnh, khó chuyển dịch nơi khác - Vì sử dụng chất đốt nên khơng thân thiện với môi trường - Phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu than, củi, chấu 2.2.2-Phương pháp sấy kiểu vỉ ngang a) Giới thiệu hệ thống Hình 2.2-Hệ thống sấy vỉ ngang Hệ thống thiết kết trang bị cảm biến đo nhiệt độ kết hợp với vi sử lí để điều khiển nhiệt độ tốc độ quạt gió lị, thơng qua bảng điều khiển tự động tồn hoạt động lị giám sát trực quan hệ thống đèn báo b) Ưu nhược điểm hệ thống *Ưu điểm - Lò sấy thiết kế dựa theo nguyên lí sấy đối lưu cưỡng thiết bị có kết cấu đơn giản dễ lắp đặt ứng dụng rộng rãi để sấy loại nông sản dạng hạt ngơ, lúa, đậu… - Có hệ thống còi cảnh báo thời gian sấy - Chi phí lắp đặt thấp,dễ vận hành bảo trì - Dễ thao tác phù hợp với trình độ lao động địa phương - Tỉ lệ hao hụt thấp, sản phầm đầu chất lượng tốt - Thân thiện với môi trường *Nhược điểm - Độ đồng độ ẩm khơng cao q trình sấy không đảo - Thời gian sấy lâu 2.3- Lý lựa chọn thiết kế Với tiêu “dễ lắp đặt-hiệu suất cao–giá thành rẻ” để phù hợp với người nơng dân nghèo nhóm em định chọn thiết kế phương pháp sấy kiểu vỉ ngang Thiết kế có ưu điểm cấu tạo đơn giản với mức đầu tư thấp so với loại lị sấy có cơng suất, sấy nhiều loại nơng sản dạng hạt loại vật liệu khác Ngoài việc chi phí lắp đặt thấp thiết kế có số ưu điểm vượt trội như: - Lắp đặt đơn giản - Vận hành dễ dàng - Đặc biệt khơng gây nhiễm mơi trường 2.4- Tính chọn thiết bị Sau phân tích tìm hướng thiết kế, tiến hành tìm hiểu lựa chọn thiết bị hệ thống thiết kế 2.4.1-Quạt gió Ta sử dụng loại quạt hướng trục loại đặc biệt với sức ép cao để gió xuyên qua lớp lúa dầy 30-40cm Thường dùng quạt quạt lưu lượng 4m3/giây, đường kính quạt 750mm, quay 1.600 vịng /phút Hình 2.3- Quạt hướng trục Đặc tính trội loai quạt là: Lưu lượng lớn, cột áp cao, phù hợp cho hút thổi khơng khí đường ống Cánh quạt quạt hướng trục thiết kế góc nghiêng, số cánh phù hợp cân động mặt nên chạy êm, không rung hay kêu to 2.4.2- Động Động kéo quạt cơng suất phải lớn 16kw mã lực, dùng động pha pha quay với tốc độ cao nhằm đẩy nhiệt khắp buống sấy xun qua lớp lúa dày Hình 2.4-Động cơng suất lớn 2.4.3- Thiết bị gia nhiệt Thường sử dụng dây mayso.Dây may so dây điện trở để biến lượng điện thành nhiệt Đây loại dây có điện trở suất (rơ) lớn, có độ bền nhiệt cao cứng học Thường làm từ vonfram hợp kim vonfram Người ta cán dẹp, kéo thành sợi với đường kính khác tùy theo yêu cầu chế tạo.Dây sản xuất theo cơng nghệ nóng chảy kéo cán thép đúc theo khn dây điện trở có kích thước lớn Sử dụng điện trở đốt nóng cơng suất lớn tạo nhiệt để dưa vào lị sấy Hình 2.5-Dây mayso 2.4.4- Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ buồng sấy, thị trường có nhiều loại cảm biến nhiệt độ số loại thông dụng: Cảm biến LM35 cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng khơng u cầu cân chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh - Đặc điểm cảm biến LM35 + Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V +Độ phân giải điện áp đầu 10mV/0 C +Độ xác cao 25ºC - 0.5ºC +Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo LM35 từ -55ºC - 150ºC với mức điện áp khác Xét số mức điện áp sau: Nhiệt độ -55 ºC điện áp đầu -550mV Nhiệt độ 25 ºC điện áp đầu 250mV Nhiệt độ 150 ºC điện áp đầu 1500mV Tùy theo cách mắc LM35 để ta đo giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống đo từ 0C đến 150 ºC -Sai số LM35: +Tại ºC điện áp LM35 10Mv +Tại 150 ºC điện áp LM35 1.5V Sai số LM35là : ± ºC Cảm biến PT100 hay gọi nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 cấu tạo từ kim loại Platinum quấn tùy theo hình dáng đầu dị nhiệt có giá trị điện trở ºC 100 Ω Đây loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp nguồn ổn định - Đặc điểm: + chịu nhiệt độ cao + khơng bị oxy hóa khí nóng chảy + độ bền hóa học cao, tính dẻo tốt - Dải nhiệt độ PT từ ºC – 200 ºC Trong thực tế người ta chế tạo sử dụng dạng chuẩn PT100 dải nhiệt độ từ ºC – 100 ºC -Sai số PT100 là: ± ºC Cảm biến AD 590 thiết kế làm cảm biến nhiệt độ có tổng trở ngõ lớn(10mΩ) Vi mạch cân nhà sản xuất, khiến cho dòng mA tương ứng với chuẩn nhiệt độ tuyệt đối K Điện áp làm việc nhỏ tốt để tránh tượng tự gia nhiệt Khi cấp điện áp thay đổi, dòng thay đổi Dải nhiệt độ AD 590 từ -55 ºC tới 150 ºC Điện áp hoạt động: 4-30 VDC Dòng điện tỉ lệ: 1μA Sai số AD 590 là: ±0.5 ºC *Quạt: Quạt hướng trục loại đặc biệt với sức ép cao để gió xuyên qua lớp lúa dầy 30-40cm Thường dùng quạt quạt lưu lượng 4m3/giây, đường kính quạt 750mm, quay 1.600 vịng /phút *Động cơ: Động kéo quạt cơng suất phải lớn *Gia nhiệt: Dùng thiết bị làm nóng dây may so Theo yêu cầu đề tài chúng em sử dụng cảm biến PT100, loại sử dụng phổ biến công nghiệp nay.Và chúng em lựa chọn đặt cảm biến nhiệt độ PT100, cảm biến đặt hình 2.2 2.4.5 Hệ thống hẹn điều khiển nhiệt độ lị Chúng ta ứng dụng vi sử lí để điều khiển nhiệt độ cụ thể mạch điều khiển ta dùng ATMEGA16L + Điện áp hoạt động: 2,7-5,5VDC + Sơ đồ chân: - VCC: cấp nguồn + - GND: nối đất - AVCC: chân cấp điện cho cổng A(Port A) biến đổi A/D, PC3, PC0, ADC7, ADC6 Nó nối nội đến VCC trường hợp ADC không sử dụng Nếu ADC khơng sử dụng, phải nối với VCC thông qua lọc thông thấp Cả PC6 PC4 xử dụng điện áp AVCC - AREF: chân tín hiệu tham chiếu Analog (tương tự) nối vào biến đổi A/D -PORT A: đầu biến đổi A/D -XTAL XTAL 2: chân vào thạch anh tạo dao động *LCD dịng 16 kí tự: + Điện áp hoạt động từ 2,7-5VDC + Tần số hiển thị: 2MHz mức điện áp 5V *Những linh kiện khác: - Tụ 2200uf 16V để lọc nguồn - IC ổn áp 5V: tạo điện áp 5V cấp cho mạch -1 tụ 47uf 16V: làm mạch reset - Tụ gốm 33pf: ổn định làm việc cho thạch anh Tụ gốm 104pf: bảo vệ mạch tránh thành phần tần số cao - Điện trở 4,7K điện trở 10K: nối chân chân DS18B20 nối với mạch reset - Biến áp 20V-0,5A - Thạch anh 8MHz - Cầu diod dùng để biến nguồn xoay chiều từ biến áp thành 1chiều Hình 2.6-Hệ thống hẹn cịi hú thời gian sấy - Hệ thống hẹn cảnh báo thời gian sấy, cài đặt theo ý người sử dụng Sơ đồ nguyên lý cấp nguồn cho mạch nguồn AC từ đến 24 V +3 chân cấp nguồn cho Chíp ATMEGA16L chân 10,11,31 không vẽ sơ đồ (chân 10 nối chân 30, chân 11 nối với chân 31) +Điện trở PULLUP có giá trị 4,7K +Tụ C3 thay tụ hóa 10uf +Có thể dung thạch anh 4MHz thay cho loại 8MHz - Tác dụng linh kiện: + pt100 cảm biến nhiệt độ từ buồng sấy để lấy tín hiệu nhiệt độ đưa vào vi xử lý +LCD giải mã hiển thị nhiệt độ + ATMEGA16L điều khiển tắt mở thiết bị theo nhiệt độ mặc định, điều khiển hiển thị LCD + Mạch ổn áp, tạo điện áp 5VDC cấp cho vi mạch + Led đỏ gỉa lập máy làm tăng nhiệt độ + Let xanh giả lập máy làm giảm nhiệt độ - Cảm biến nhiệt độ truyền tín hiệu nhiệt độ đọc qua chân DQ(2) vào chân 34 ATMEGA16L (ADC6) chân đầu vào hệ thống biến đổi A/D ATMEGA16L, không cần biến đổi mà đưa thẳng vào khối xử lí trung tâm (vì tín hiệu truyền cảm biến nhiệt độ chân DQ tín hiệu số), tín hiệu đưa vào CPU xử lí với điều kiên lập trình sẵn Sau tín hiệu sau xử lí tiếp tục đưa chân 26 (TDO-Test Data Out-kiểm tra liệu ra), 27 TDI-kiểm tra liệu vào), 28 (TOSC1-Test ocsolltor-kiểm tra đầu vào tạo dao động 2) vào D4, D5, D6, D7 LCD để giải mã CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 3.1-Kết đạt - Từ phân tích tính tốn chi tiết chúng tối xây dựng lị sấy nơng sản dạng hạt với thể tích 15m3 sấy tối đa tấn/ lần Với ưu điểm dễ vận hành lắp đặt, giảm thiểu sức người trình sấy, tốc độ sấy nhanh, đảm bảo chất lượng nông sản - Nhờ việc ứng dụng khoa học kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất giúp giải vấn đề bảo quản nông sản sau thu hoạch - Đáp ứng ổn định nhiệt độ trình sấy, góp phần tiết kiệm điện bảo vệ môi trường - Tỉ lệ hao hụt thấp 3.2- Những mặt hạn chế - Độ đồng hạt sấy khơng cao q trình sấy khơng đảo - Thiết kế tốn nhiều diện tích - Khó giới hóa 3.3- Biện pháp khắc phục - Nên đảo hạt sấy từ 10-20 phút lận để đảm bảo độ đồng hạt sấy - Tăng kích thước quy mơ lị để sấy nhiều nông sản - Xây dựng thêm hệ thống đảo chiều gió để giảm chi phí cho lao động  ... tài - Tìm hiểu phân tích xây dựng hệ thống đo điều khiển nhiệt độ lị sấy nơng sản dạng hạt - Lựa chọn cảm biến cần sử dụng cho hệ thống - Cách lựa chọn bố trí thiết bị khác - Sơ đồ khối hệ thống. .. tối thiểu rung động quạt gió làm việc với hệ thống - Thiết bị gia nhiệt hệ thống dây mayso, cung cấp nhiệt cho lò sấy -Ngồi ra, cịn có hệ thống cảm biến vi mạch điều khiển nhiệt độ buồng sấy CHƯƠNG... vi sử lí để điều khiển nhiệt độ tốc độ quạt gió lị, thơng qua bảng điều khiển tự động tồn hoạt động lò giám sát trực quan hệ thống đèn báo b) Ưu nhược điểm hệ thống *Ưu điểm - Lò sấy thiết kế