BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN : HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY GỖ CÔNG NGHIỆP

Giới hạn điều kiện: 1. Thể tích lò: 20m3 – 40m3 . 2. Dải nhiệt độ làm việc từ 100C đến 600C. 3. Sai số của phép đo nhiệt độ là 10C. Yêu cầu 1. Tìm hiểu tổng quan về lò sấy công nghiệp 2. Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn cảm biến trong bản thiết kế?) – Số lượng và vị trí lắp đặt cảm biến ? Trình bày cụ thể về cảm biến sử dụng ? 3. Cách lựa chọn và bố trí các thiết bị khác (Sơ đồ khối) 4. Sơ đồ khối hệ thống của hệ thống 5. Lựa chon phương án điều khiển (Mô tả cụ thể) 6. Đánh giá về sai số của hệ thống (Giới hạn , nguyên nhân, biện pháp khắc phục ) 7. Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục Mục lục Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế 1.1 Tổng quan về lò sấy gỗ công nghiệp 1.2 Tổng quan thiết kế lò sấy Chương 2: Nội dung thực hiện 2.1 Yêu cầu của đề tài 2.2 Các hướng giải quyết 2.3 Tính chọn thiết bị 2.4 Phương án điều khiển Chương 3: Kết luận 3.1 Các kết quả đạt được 3.2 Các hạn chế khi thực hiện 3.3 Biện pháp khắc phục Trang

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CẢM BIẾN

NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY GỖ CÔNG NGHIỆP

GVHD: Nguyễn Thu Hà

NHÓM: 9

Nội dung đề tài:

Đề tài: Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy công nghiệp:

Giới hạn điều kiện:

1 Thể tích lò: 20m3 – 40m3

2 Dải nhiệt độ làm việc từ 100C đến 600C

3 Sai số của phép đo nhiệt độ là 10C

Yêu cầu

1 Tìm hiểu tổng quan về lò sấy công nghiệp

2 Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn cảm biến trong bản thiết kế?) – Số lượng và vị trí lắp đặt cảm biến ? Trình bày

cụ thể về cảm biến sử dụng ?

3 Cách lựa chọn và bố trí các thiết bị khác (Sơ đồ khối)

4 Sơ đồ khối hệ thống của hệ thống

5 Lựa chon phương án điều khiển (Mô tả cụ thể)

6 Đánh giá về sai số của hệ thống (Giới hạn , nguyên nhân, biện pháp khắc phục )

7 Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế

1.1 Tổng quan về lò sấy gỗ công nghiệp

1.2 Tổng quan thiết kế lò sấy

Chương 2: Nội dung thực hiện

2.1 Yêu cầu của đề tài

2.2 Các hướng giải quyết

2.3 Tính chọn thiết bị

2.4 Phương án điều khiển

Chương 3: Kết luận

3.1 Các kết quả đạt được

3.2 Các hạn chế khi thực hiện

3.3 Biện pháp khắc phục

Trang 5

6 7 8

8 8 12 16 18

18 18 18

Lời nói đầu

Trong nền kinh tế thị trường mở cửa nước ta hiện nay, việc mở rộng thương mại và giao lưu kinh tế giữa các nước trong khu vực và thế giới là một xu thế tất yếu.

Hiện nay lĩnh vực gỗ ngày càng được sử dụng rộng rãi đa dạng và phong phú Trong ngành xây dựng, ngành chế tạo máy, ngành giao thông vận tải, ngành điện, ngành hàng hải, và nhiều ngành khác… Qua đó ta thấy gỗ ngày càng được sử dụng rộng rãi, nhu cầu sử dụng gỗ ngày càng cao và đòi hỏi chất lượng tốt.

Để gỗ có chất lượng tốt thì kỹ thuật sấy gỗ đóng một vai trò rất quan trọng Sấy gỗ trong sản xuất gỗ là làm tăng chất lượng gỗ, làm tăng độ bền cơ lý, tránh hiện tượng co rút, nứt, nẻ ở gỗ, giảm trọng lượng gỗ trong khâu vận chuyển, hạn chế sự phát sinh của nấm và côn trùng phá hoại gỗ, nâng cao tuổi thọ gỗ.

Để có được sản phẩm đạt chất lượng cao thì chúng ta sẽ không thể thiếu được các dụng cụ đo đó là thiết bị đo nhiệt độ Đo nhiệt độ có tầm quan trọng đặc biệt trong công nghiệp Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trongcác ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, gốm sứ, công nghiêp sấy trong đó sấy gỗ vv….

Do thời gian và trình độ còn hạn chế, còn thiếu kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến và đóng góp của các thầy cô và các bạn để chúng em có thể hoàn thiện thiết kế hơn nữa

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ

1.1 Tổng quan về lò sấy gỗ công nghiệp.

- Khái niệm về sấy gỗ.

Sấy gỗ là quá trình khử ẩm từ gỗ bằng cách làm chất ẩm trong gỗ bay hơi Trong kỹ thuật đôi khi người ta nén vật liệu để đẩy ẩm ra ngoài nhưng đối với

gỗ người ta không dùng cách này vì gỗ cần được đảm bảo hình dạng ban đầu

để gia công và sản xuất tạo hình khác

- Mục đích của sấy gỗ.

Mục đích của sấy gỗ là làm thay đổi , giảm độ ẩm cho phù hợp với môi trường sử dụng và yêu cầu công nghệ gia công gỗ

Sự thay đổi độ ẩm của gỗ dẫn đến sự thay đổi hình dạng , kích thước gỗ

Vì vậy độ ẩm của chi tiết gỗ cần phải ổn định để đảm bảo hình dạng và kích thước của gỗ trong kết cấu hay công trình

Như vậy mục đích chính của công nghệ sấy gỗ là:

+ Để đề phòng trước sự thay đổi hình dạng và kích thước của chi tiết khi gia công và sử dụng

+ Giúp gỗ không bị mốc hoặc bị mọt, mối xâm hại Giữ ổn định công trình và sản phẩm gỗ

+ Sấy gỗ để giảm trọng lượng chi tiết, công trình gỗ, đảm bảo chất lượng

độ bền, đẹp của bề mặt sản phẩm

- Các khuyết tật của gỗ sấy sản sinh trong quá trình sấy.

Gỗ bị cong vênh là do các bộ phận gỗ co rút không đồng đều sinh ra ( co rút không đồng đều theo các chiều thớ gỗ khác nhau) Cong vênh ở các loại ván khác nhau là khác nhau , đối với phần tiếp tuyến là quan trọng nhất Để hạn chế mức độ cong vênh cần tuân theo các biện pháp sau:

+ Khi xếp đống cần sử dụng thanh kê có bề dày đề nhau và phải đặt đúng

vị trí của thanh kê , cự ly thanh kê không nên cách quá xa nhau

+ Gỗ bị nhăn mặt là biểu hiện của sự biến dạng hết sức mãnh liệt Khuyết tật này xảy ra ở một số loại gỗ nhất định Để tránh hiện tượng này , khi sấy không nên sử dụng nhiệt độ quá cao

+ Gỗ bị nứt nẻ là do sự phát sinh áp suất quá lớn bên trong gỗ làm cho các thớ gỗ bị phá hoại Ứng suất hình thành ở các giai đoạn sấy đầu sẽ gây nên nứt ngoài Còn ứng xuất hình thành ở giai đoạn sau sẽ gây nứt nẻ ở bên trong Để tránh hiện tượng này chúng ta nhất thiết không được hạ thấp độ ẩm của môi trường sấy xuống quá thấp

1.2 Tổng quan thiết kế lò sấy

Các thống số về kích thước của lò :

+ Chiều rộng tác dụng của lò : 2m

+ Chiều dài tác dụng của lò :5m

+ Chiều cao tác dụng của lò :3m

Lò làm việc với dải nhiệt từ 100C đến 600C

Lò sấy thiết kế kiểu buồng, nằm ngang dùng không khí nóng để sấy gỗ xếp bên trong Ở đầu lò sấy có cửa để đưa sản phẩm cần sấy ra vào khi

hoàn thành quá trình công nghệ sấy Dàn sấy được làm bằng sắt trên một hệ thống xe goòng để xếp gỗ cần sấy

Sàn lò sấy được gắn cố định một hệ thống đường ray dẫn xe goòng ở

giữa Hệ thống ray này được kéo dài ra ngoài hai đầu lò sấy một khoảng vừa

đủ để bốc và xếp sản phẩm cần sấy

Quạt thổi khí của mỗi lò được lắp đặt trên khung bệ chắc chắn và có van

để điều chỉnh lưu lượng cho thích hợp Phần kết nối ở mỗi đầu ra, vào của

mỗi quạt đều có ống giảm rung nhằm mục đích giảm tối thiểu sự rung động của quạt gió khi làm việc với hệ thống

Bộ gia nhiệt của lò sấy được cấu thành từ các thanh đốt điện trở có vỏ

bằng thép không gỉ, được cách điện để đảm bảo an toàn

Hệ thống ống dẫn không khí nóng được nối từ bộ gia nhiệt theo hai đường ống nhánh phân phối cho hai bên thành lò và theo các cửa thổi khí, phân phối khí nóng đều từ dưới lên Phía trên thành lò là hệ thống ống thu khí tái tuần hoàn nối vào tới đầu hút của quạt thổi khí Còn ở chính giữa là quạt để đối lưu khuếch tán không khí nóng đều lò sấy

Cảm biến đo nhiệt độ được bố trí ở những vị trí không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ bên ngoài và các thiết bị gia nhiệt của lò sấy đảm để đảm bảo độ

chính xác

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1- Yêu cầu của đề tài

1 Tìm hiểu tổng quan về lò sấy công nghiệp

2 Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn cảm biến trong bản thiết kế?) – Số lượng và vị trí lắp đặt cảm biến ? Trình bày cụ thể về cảm biến sử dụng ?

3 Cách lựa chọn và bố trí các thiết bị khác (Sơ đồ khối)

4 Sơ đồ khối hệ thống của hệ thống

5 Lựa chon phương án điều khiển (Mô tả cụ thể)

6 Đánh giá về sai số của hệ thống (Giới hạn , nguyên nhân, biện pháp khắc phục )

7 Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục

2.2- Các hướng giải quyết.

2.2.1Các loại cảm biến nhiệt độ

1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,

…

- Dải đo: -100 ~ 1400 độ C

- Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim hay gia công vật liệu…

2 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…

được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- Dải đo: -200~700 độ C

- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

3 Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

- Dải đo: 50 độ C

- Ứng dụng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch

điện tử

- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt

độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất

là loại NTC

4 Cảm biến nhiệt bán dẫn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý

đơn giản

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

- Dải đo: -50 ~ 150 độ C

- Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các

mạch điện tử

5 Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với

môi trường đo

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

- Ứng dụng: Làm các thiết bị đo cho lò nung

- Dải đo: -97 ~ 1800 độ C

Hỏa kế gồm có các loại:Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc

2.2.2 Lựa chọn cảm biến cần cho hệ thống.

Trong phạm vi đề tài có thể xét tới 2 loại cảm biến là cảm biến nhiệt bán dẫn

và nhiệt điện trở Ta thấy có đầy đủ các tính năng đáp ứng được yêu cầu của đề tài như:

+ Dải đo của lò : 100C đến 600C

+ Sai số nhiệt độ nhỏ hơn 1%

Nhưng nói chung các loại cảm biến nhiệt bán dẫnđều kém bền và ít chịu được môi trường khắc nghiệt nên có thể ảnh hưởng tới chất lượng hoạt động liên tục của lò Vì vậy chúng em chọn cảm biếnnhiệt điện trở phù hợp trong công nghiệp và đề tài

2.2.3 Lựa chọn điều khiển

Trong công nghệ điện , điện tử, vi xử lý là một thành phần quan trọng không thể thiếu, nó mang nhiều tính ưu việt: có thể thay thế một mạch điện phức tạp bằng một vi mạch nhỏ gọn với chi phí thấp hơn, nhưng ứng dụng lại đa dạng và linh hoạt hơn Khả năng điều khiển thông minh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn, ứng dụng nhiều trong hệ thống Trên cơ sở đó chúng em đã áp dụng những kiến thức trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu vào đề tài sử dụng vi điều khiển AVR của ATMEL, có khả năng lập trình đo và điều khiểntự động nhiệt độ trong

lò sấy Áp dụng vi xử lý trong lĩnh vực này đã được nghiên cứu và phát triển nhiều với những loại vi điều khiển kết hợp với cảm biến và ngôn ngữ lập trình Các đặc điểm chínhhọ vi điều khiển AVR

1-Kiến trúc RSIC ( Có nghĩa là máy tính dung lệnh rút gọn, bộ vi sử lý kiểu này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác) với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhận bộ nhớ nạp–lưu trữ và các thanh ghi đa năng

2-Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), …

3- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp

4- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc từng loại chip cụ thể

5- Bộ nhớ chương trình vµ bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip

6- Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch

7- Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C

2.3Tính chọn thiết bị

-Chọn cảm biến nhiệt độ

Chọn cảm biến nhiệt điện trở Pt-100 Như tên gọi của nó Pt-100 tức là khi nó đặt trong môi trường có nhiệt độ là 00C (nước đá) thì điện trở của nó là 100 ôm Cứtăng khoảng 10C thì điện trở tăng lên khoảng 0.39 ôm

Cảm biến Pt-100

Cấu tạo Pt-100

- Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:

Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại plantium dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ( Phương trình Callendar-vab dusen) như sau:

Rt = R 0 + R 0 α [ T – δ - ( – 1) ]

Với: Rt : Điện trở ở nhiệt độ T

R0 =100Ω điện trở ở 00 C

α : Hệ số nhiệt độ ở T=00C ( kiểu +0,00391 Ω/ Ω/ 0C)

δ=1,499(kiểu +0,00391 Ω/ Ω/0C)

+ Cảm biến Pt100 hoạt động ở 00 C thì điện trở là 100Ω

+ Trong khoảng nhiệt độ từ 0-1000 C ta tính như sau:

- Cảm biến Pt100 hoạt động ở 00 C thì điện trở là 100Ω

- Trong khoảng nhiệt độ từ 0-1000 C ta tính như sau:

R t= R 0 (1+0,391%T)

Với sai số nhiệt độ là ±0,50 C Tức là cứ tăng 10C thì điện trở Pt-100 tăng

0,391Ω

- Bảng thông số điện trở của PT100 ứng với nhiệt độ đo:

Chọn vi điều khiển atmega 8A có thông số và đặc điểm sau:

Ki n trúc CPU ến trúc CPU 8Bit, Atmel

Giao ti p Truy n thông ến trúc CPU ền thông SPI, TWI, USART

Đi n áp ho t đ ng ện áp hoạt động ạt động ộ nhớ flash 2.7 - 5.5V

2.4Phương án điều khiển

Ở 00C độ điện trở của PT-100 là 100Ω, cứ tăng 10C thì PT-100 tăng khoảng 0.39Ω Điều đó có nghĩa là giá trị điện áp trả về sẽ rất nhỏ Vì vậy chúng ta cần

có một giải pháp để giải quyết vấn đề đó, và lựa chọn của là dùng mạch khuếch đại vi sai để khuếch đại tín hiệu thu được

Ngoài ra, chúng ta cần có một nguồn dòng để ổn định dòng điện đi qua

PT100, IC ổn định dòng điện thông dụng là LM334

Đó là toàn bộ hệ thống của chúng ta, sau đây là sơ đồ khối:

Tín hiệu sau khi được qua mạch khuếch đại vi sai sẽ tới khối ADC của vi điều khiển , đọc và so sánh để tính toán được nhiệt độ và điều khiển mạch đóng mở thiết bị gia nhiệt Sau đây là lưu đồ thuật toán :

Trong đó:

- Tt là nhiệt đọ tức thời của lò đo được

-Tmin nhiệt độ nhỏ nhất cài đặt cho lò

-Tmax nhiệt độ lớn nhất cài đặt cho lò

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

Hiểu rõ hơn về hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy gỗ công nghiệp, cách chọn các loại cảm biến nhiệt, cách lắp đặt vị trí các thiết bị cảm biến sao cho phù hợp nhất

Nâng cao khả năng khai thác thông tin qua các phượng tiện internet, 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 trong việc

dự liệu các tình huống thực tế có thể xảy ra

Do kiến thức còn hạn chế nên bài làm mới chỉ đưa ra được các nội dung, cách thức áp dụng, biện pháp khắc phục đối với những trường hợp xảy ra lỗi theo lý thuyết

3.3-Biện pháp khắc phục

Tìm kiếm thông tin trên internet một cách sâu rộng hơn thông qua các diễn đàn công nghệ, các trang wed công nghệ để tìm hiểu các cách thức lắp đặt trong thực tế

Đi tìm hiểu thực tế tại các khu công nghiệp hoặc các xưởng gỗ ( nếu có thể )

Tìm kiếm thông tin, dữ liệu thông qua các thầy cô giảng viên tại trường