đồ án môn đo lường về chiết rót chất lỏng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng. Ngày nay, cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp đã đặt ra yêu cầu đưa các công nghệ mới vào dây truyền sản xuất để nâng cao năng suất, tạo ra nhiều sản phẩm hơn, dần dần thay thế sức lao động con người trong dây truyền sản xuất, tạo ra nhiều sản phẩm, hạ giá thành, tăng sức canh tranh cho sản phẩm. Một trong những ứng dụng rộng rãi của công nghệ vào trong sản xuất ta có thể kể tới đó chính là: “Hệ thống chiết rót chất lỏng”. Nó được ứng dụng rộng dãi trong các ngành công nghiệp sản xuất nước giải khát, công nghiệp thực phẩm, các ngành liên quan đến dầu khí hóa lỏng,…Hệ thống chiết rót chất lỏng được phát triển qua nhiều giai đoạn từ thủ công, bán tự động đến tự động hoàn toàn theo sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ. Nhằm phục vụ được nhu cầu sản xuất ngày càng khắt khe, hệ thống chiết rót chất lỏng được hoàn thiện hơn về mặt công nghệ củng như chất lượng và năng suất của hệ thống đảm bảo được 3 yếu tố cơ bản của một dây truyền sản xuất công nghiệp là: Giảm thiểu tối đa sức lao động con người vào quá trình sản xuất; hoạt động ổn định với độ chính xác cao trong quá trình sản xuất, an toàn với doanh nghiệp sử dụng công nghệ. Tùy vào nhu cầu và tính chất của chất lỏng cần rót (ví dụ: chất lỏng cần rót không có tính dẫn điện, không có tính chất ăn mòn; chất lỏng có dạng keo đặc sánh; …) mà hệ thống chiết rót có những bộ phận cấu thành khác nhau. Nhưng về cơ bản khâu rót chất lỏng gồm các thành phần sau: • Động cơ kéo băng tải. 1 • Hệ thống khởi động gồm 2 nút start, stop. • Bồn chứa chất lỏng cần rót • Các thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa thùng. • 2 van điều khiển để rót chất lỏng vào thùng và đưa chất lỏng vào bồn chứa. Để giúp hệ thống làm việc một cách tự động hóa hoàn toàn không thể không không nhắc tới vai trò hết sức quan trọng của các cảm biến được sử dụng trong hệ thống. Cảm biến mức dùng để điều chỉnh lượng chất lỏng trong bồn chưa; cảm biến lưu lượng dùng để đo lượng chất lỏng rót vào thùng; cảm biến ánh sáng dùng để xác định vị trí của các thùng chứa trên băng tải; … Bên cạnh những ưu điểm của cảm biến là làm việc chính xác, an toàn và có độ tin cậy cao, ở mỗi hệ thống dây truyền sản xuất cần có sự giám sát của con người để đảm bảo dây truyền hoạt động an toàn, sữa chữa các thiết bị khi xảy ra sự cố nhằm giúp sản xuất không bị gián đoạn gây thiệt hại về kinh tế cho cho doanh nghiệp sử dụng dây truyền. 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống. Khi ấn nút khởi động start động cơ kéo băng tải bắt đầu làm việc, các thùng rỗng được đưa từ kho chứa thùng đặt lên băng tải, khi thùng chứa được đưa tới vị trí rót cảm biến quang thay đổi trạng thái làm rừng động cơ kéo đồng thời van 2 được mở ra, lúc này thiết bị cảm biến lưu lượng đặt ngay phía trên van 2 bắt đầu đếm lượng thể tích chất lỏng rót vào thùng, khi thể tích chất lỏng trong thùng đạt đến yêu cầu định trước, cảm biến lưu lượng đưa tín hiện phản hồi làm đóng van 2, trong quá trình rót nhờ vào cảm biến mức kiểm tra mực chất lỏng trong bồn chứa nhằm mở van 1 khi 2 lượng chất lỏng trong bồn không đủ để rót và đóng van 1 khi bồn chứa đã đầy. Hình 1.1: Mô phỏng khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1 Yêu cầu của đề tài Trong đề tài này chúng tôi đề cập tới khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp với loại chất lỏng có tính chất như sau: chất lỏng cần rót không có tính dẫn điện, không có tính chất ăn mòn hóa học. Về mặt yêu cầu: giám sát mức chất lỏng trong bồn chứa và mức chất lỏng rót vào thùng, vị trí các thùng trên băng tải. Đối tượng điều khiển là động cơ kéo băng tải, van 1, van 2, và thiết bị đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng tải. Các vấn đề cần giải quyết 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; 3 - Các phương án lựa trọn cảm biến trong hệ thống; - Trình bày về loại cảm biến lựa chọn; - Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến và tính toán sử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến đối tượng điều khiển; - Đánh giá về sai số của hệ thống ( giới hạn, nguyên nhân, biện pháp khắc phục). 2.2 Hướng giải quyết 2.2.1 Các cảm biến dùng trong hệ thống Đối với hệ thống chiết rót chất lỏng này chúng tôi sử dụng các loại cảm biến sau: - Cảm biến mức dùng để điều chỉnh lượng chất lỏng trong bồn chưa; - Cảm biến lưu lượng dùng để đo lượng chất lỏng rót vào thùng; - Cảm biến ánh sáng dùng để xác định vị trí của các thùng chứa trên băng tải. 2.2.2 Các phương án lựa chọn cảm biến 2.2.2.1 Cảm biến lưu lượng chất lỏng qua van a) Cảm biến lưu lượng dựa vào 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 2.1 thể hiện loại cảm 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 4 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 tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy. Hình 2.1: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice). Bằng việc xác định áp suất trước tấm lỗ p1, áp suất sau tấm lỗ p2; ta xác định được sự chênh lệch áp suất trước và sau lỗ: Δp= p1-p2 Khi đó lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thức: Q=KΔp Với K là hệ số, phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ 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. 5 Vì độ chính xác của loại cảm biến này không cao với những dãi đo thấp nên nó ít được dùng trong các khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp. b) Cảm biến lưu lượng 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 (hình2.2). 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 hiệu xoay 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 cuộn dây 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 2.2: Cảm biến lưu lượng điện từ Khi đó điện áp cảm ứng được xác định theo công thức: E=KDBv Trong đó: B: từ trường; 6 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; - Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như xi măng, thạch cao, … vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắp đặt phía trong ống dẫn; - Độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng; - Giá thành cao hơn. Cảm biến loại này hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng từ trường nên chỉ thích hợp dùng để đo lưu lượng của những lưu chất có tính chất dẫn điện. c) Cảm biến lưu lượng Coriolis Đây là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến. Chúng thực hiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ống dẫn. Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạn cong (hình 2.3). Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắp đặt và bảo trì - bảo dưỡng nhưng thiết bị đo loại này rất nhạy cảm với nhiễu và tác động bên ngoài. Cấu trúc của ống đôi cong cho phép loại bỏ được nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống dẫn dòng chảy dao động ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu được nhiễu. Hình 2.3: Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta 7 Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài. Khi chất lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis. Dao động rung của các ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên các ống dẫn này. Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịch với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy trong ống dẫn đến phương chuyển động thẳng đứng. Các sensor điện cực đặt cả phía dòng chảy vào (Inlet pickoff) và phía dòng chảy ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δt) của tín hiệu vào (Inlet pickoff signal) và tín hiệu ra (Outlet pickup signal). Sự dịch pha này (Δt) được dùng để xác định trực tiếp lưu tốc khối lượng dòng chảy qua ống. Hình2.4 minh họa hoạt động của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng đứng im (No flow) và chất lỏng di chuyển (Flow) Hình 2.4: Minh họa hoạt động của cảm biến lưu lượng Coriolis. Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau: - Đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, hình dạng dòng chảy đến phép đo; - Độ chính xác cao; - Cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọng bởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua ống; 8 - Không đo được lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ như: chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt;…) bởi vì các hạt/vật chất đặc biệt này làm giảm sự dao động của ống dẫn, gây ra sai số phép đo. d) Cảm biến lưu lượng siêu âm Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler được thể hiện trên hình 2.5. Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát thực hiện lan truyền sóng siêu âm với tần số f1=0.5-10MHz vào trong chất lỏng với vận tốc là v. Giả sử rằng hạt vật chất hoặc các bọt trong chất lỏng di chuyển với cùng vận tốc. Những hạt vật chất này phản xạ sóng lan truyền đến bộ thu với một tần số f2. Sai lêch giữa tần số phát ra và tần số thu về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc dòng chảy. Bởi vì loại cảm biến lưu lượng siêu âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của hạt vật chất trong chất lỏng, nên nó không làm việc được với các chất lỏng một pha, tinh khiết. Hình 2.5: Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa trên hiệu ứng Doppler. Khi đólưu lượng thể tích chảy qua đường ống được xác định theo công thức: Q=KΔ(f1,f2) Trong đó: f1: tần số sóng phát đi; f2: tần số sóng thu về; K: hệ số, phụ thuộc góc tới/phản xạ, vị trí vật chất phản xạ, mặt cắt ngang 9 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng (transit-time). Cảm biến loại này (hình 2.6) có thể cho phép đo lưu lượng đối với chất lỏng/khí rất sạch (không lẫn tạp chất). Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bị biến đổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm với trục của dòng chảy một góc xác định trước. Mỗi thiết bị biến đổi bao gồm bộ thu và bộ phát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau (thiết bị này phát thì thiết bị kia thu). Dòng chảy trong ống gây ra sự sai lệch thời gian của chùm sóng siêu âm khi di chuyển ngược dòng và xuôi dòng chảy. Đo giá trị sai lệch về thời gian của chùm sóng xuyên qua dòng chảy này cho phép ta xác định vận tốc dòng chảy. Sự sai lệch thời gian này vô cùng nhỏ (nano-giây), do đó cần phải dùng thiết bị điện từ, điện tử có độ chính xác cao để thực hiện phép đo, hoặc tiến hành đo trực tiếp thời gian này. Hình 2.6: Cảm biến lưu lượng siêu âm xuyên thẳng. Khi đó lưu lượng dòng chảy được xác định theo công thức: Q=K(t1-t2)/(t1.t2) Trong đó: t1: thời gian sóng xuyên qua dòng chảy xuôi dòng; t2: thời gian sóng xuyên qua dòng chảy ngược dòng; K: hằng số, phụ thuộc chiều dài đường âm thanh, tỉ số giữa trục và đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang. Khi lắp đặt cảm ứng loại này cần chú ý những điểm sau: - Cảm ứng lưu lượng dựa vào hiệu ứng doppler không đắt; - Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa ra kỹ thuật đo chất lỏng không dẫn điện và ăn mòn; 10 [...]... Nylon • Màn hình hiển thị: 128×64 điểm đồ họa LED,LCD • Sai số : ± 0,5% • Dải đo : 1500 lít/h = 0,42 lít/s 18 Hình 4.2: Cảm biến FDH-1 Ta có thể lập được sơ đồ khối mô tả quy trình tính toán và sử lý số liệu ra vào cảm biến như sau: Hình 4.3: Sơ đồ khối quá trình tính toán và sử lý số liệu ra vào của cảm biến 19 Từ sơ đồ khối ta có thể xác định được tín hiệu đầu vào là sóng siêu âm phát ra từ thiết bị... thùng chứa trong suốt, mờ, bóng loáng; - Giảm bớt được dây dẫn so với cảm biến quang thu phát độc lập 2.4 Vị trí lắp đặt và tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến 2.4.1 Vị trí lắp đặt cảm biến Hình 4.1: Vị trí lắp đặt cảm biến 2.4.2 Tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến a) Tính toán cho cảm biến lưu lượng 17 Như chúng tôi đã đề cập tới ở mục 2.3.1, loại cảm biến phù hợp với dây truyền chiết... chảy đầy vào 1 thùng: T1= Như vậy,để phép đo được chính xác ta phải đưa vào trong hệ thống thu và phát sóng siêu âm một sóng siêu âm với tần số f1=0,5-10MHz vào trong chất lỏng với vận tốc V Ta có thể sử dụng một bộ đếm xung(tương tự một tần số kế chỉ thị số) ở bộ thu sóng siêu âm để đo tần số sóng siêu âm phát ra và thu về và thực hiện các bước tính toán để tính được số xung thu được từ bộ thu và phát... 2.2.1 Các cảm biến dùng trong hệ thống ………………………4 2.2.2 Các phương án lựa chọn cảm biến…….….…………… 4 2.2.2.1 Cảm biến lưu lượng chất lỏng qua van ………….4 2.2.2.2 Cảm biến mức chất lỏng trong bể chứa … 11 2.2.2.3 Cảm biến quang xác định vị chí các thùng 14 2.3 Lý do lựa chọn cảm biến …………….…………………………16 2.3.1 Cảm biến lưu lượng ……………………… … 16 2.3.2 Cảm biến mức chất lỏng…………………………………16 2.3.3 Cảm biến... rót chất lỏng vào thùng chứa.Thời gian trì hoãn ∆T phụ thuộc vào độ dài của băng truyền và khoảng cách giữa các thùng Nếu thời gian đo là 1s thì số xung N (tức là số chu kỳ) sẽ chính là tần số cần đo: fx=N Mạch điều khiển phụ trách việc điều khiển qua trình đo; đảm bảo thời gian biểu thị kết quả đo cỡ từ 0.3÷5s trên chỉ thị số; xóa kết quả đo đưa về trạng thái 0 ban đầu trước mỗi lần đo; điều khiển... (Retro-Reflective or Reflex) Cảm biến quang loại phản xạ có bộ phát và nhận tích hợp trung trong một bộ vỏ hay gọi là 2 trong 1 Vị trí của hai bộ phận này song song nhau (hình 2.10) Một thành phần khác của loại cảm biến này là bộ phận phản xạ (Reflector) Ánh sáng được chiếu tới 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... phép đo độc lập với hình dạng dòng chảy; - Giá thành đắt và dòng chảy cần được điền đầy ống 2.2.2.2 Cảm biến mức chất lỏng trong bể chứa Nhiệm vụ chính của loại cảm biến này nhằm xác định mức độ, thể tích hoặc khối lượng chất lỏng trong bồn chứa Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: - Phương pháp thủy tỉnh dùng biến... được nhận biết khi ánh sáng bị ngắt không phản xạ lại Khoảng cách phát hiện lớn nhất của các cảm biến Siemens loại thu phát chung vỏ là 35 feet (khoảng 10 m) Hình 2.10: Cảm biến quang loại phản xạ 14 Về đặc điểm của loại cảm biến phản xạ này: - Độ tin cậy cao; - Giảm bớt dây dẫn; - Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng b) Cảm biến quang thu phát độc lập (Thru-Beam) Cảm biến quang loại... gian Tdo ta đếm được N xung tỷ lệ với tần số fx cần đo 20 Hình 4.4: Sơ đồ khối của bộ đếm xung sử dụng phương pháp biến đổi thẳng ở đầu vào là “bộ vào” bao gồm một bộ khuếch đại dải rộng với dải tần từ 10Hz đến 10MHz và một bộ suy giảm tín hiệu mục đích để hòa hợp tần số kế với nguồn tín hiệu có tần số cần đo Đồng thời để khuếch đại hay hạn chế điện áp vào đến giá trị đủ để kích mạch tạo xung làm việc... khi đối tượng không còn cản trở tia sáng nửa, thì trạng thái ngõ ra trở lại mức thấp Loại cảm biến này thường dùng ánh sáng là tia hồng ngoại, vì sử dụng loại tia hồng ngoại thì ảnh hưởng của vùng ánh sáng nhìn thấy được, của bịu, của bẩn giảm ở mức nhỏ nhất, hơn nữa không ảnh hưởng tới sức khỏe con người Hình 2.11: Cảm biến quang loại Thru-Beam Đặc điểm của loại cảm biến quang thu phát độc lập (thru-Beam): . tính toán và sử lý số liệu ra vào cảm biến như sau: Hình 4.3: Sơ đồ khối quá trình tính toán và sử lý số liệu ra vào của cảm biến 19 Từ sơ đồ khối ta có thể xác định được tín hiệu đầu vào là. lưu lượng dùng để đo lượng chất lỏng rót vào thùng; - Cảm biến ánh sáng dùng để xác định vị trí của các thùng chứa trên băng tải. 2.2.2 Các phương án lựa chọn cảm biến 2.2.2.1 Cảm biến lưu lượng. phép đo; - Độ chính xác cao; - Cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọng bởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua ống; 8 - Không đo