Giới hạn điều kiện: 1. Thể tích lò: 10m3 – 20m3 . 2. Dải nhiệt độ làm việc từ 100C đến 800C. 3. Sai số của phép đo nhiệt độ là 20C. Yêu cầu 1. Tìm hiểu tổng quan về lò sấy nông sản dạng hạt 2. Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn cảm biến, số lượng và vị trí lắp đặt cảm biến?) 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 ? LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................ 4 CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ..................................5 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1Yêu cầuđề tài .......................................................................................8 2.2 Các hướng giải quyết ...........................................................................8 2.3 Lý do lựa chọn cho thiết kế ..................................................................12 2.4 Tính chọn thiết bị..................................................................................12 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN......................................................................................25 3.1 Các kết quả đạt được............................................................................25 3.2 Các hạn chế khi thực hiện ....................................................................25 3.3 Biện pháp khắc phục.............................................................................25
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BÀI TẬP LỚN MÔN : ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN
ĐỀ TÀI
Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển
nhiệt độ lò sấy nông sản dạng hạt
NGUYỄN THANH TÙNG (364) NGUYỄN THANH TÙNG (373)
TẠ QUANG TUẤN
Trang 2ĐỀ TÀI Hãy tìm hiểu, phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy
nông sản dạng hạt
Giới hạn điều kiện:
Yêu cầu
1 Tìm hiểu tổng quan về lò sấy nông sản dạng hạt
2 Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn cảm biến, số lượng và vị trí lắp đặt cảm biến?)
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
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ 5
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1-Yêu cầu đề tài .8
2.2- Các hướng giải quyết 8
2.3- Lý do lựa chọn cho thiết kế 12
2.4- Tính chọn thiết bị 12
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 25
3.1- Các kết quả đạt được 25
3.2- Các hạn chế khi thực hiện 25
3.3- Biện pháp khắc phục 25
Trang 4LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Sự thay đổi đó là nhờ
sự phát triển mạnh mẽ dựa trên những tiến bộ của công nghệ tích hợp các linh kiện bán dẫn và hệ lập trình có bộ nhớ kết hợp với máy tính Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được hoàn thiện và tiến bộ thêm
Sau một thời gian nghiên cứu của cả nhóm chúng em đã tìm hiểu và xây dựng
đề tài này nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn hẹp lên có nhiều thiếu sót Chúng em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp và phát triển đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 5CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ
1.1-Tiêu chuẩn sấy các loại hạt
Khi mới thu hoạch, hạt thường có độ ẩm cao, trung bình 20-22% Một số loại hạt thu hoạch vào mùa mưa ở nước ta, độ ẩm lúc đầu của chúng có thể tới 34- 40% Những hạt ẩm nếu không sấy kịp thời có thể bị thâm, chua, thối thậm chí có thể hư hỏng hoàn toàn Một số loại hạt như đậu tương, vừng phải sấy tới độ khô nhất định mới tách, lấy hạt ra khỏi vỏ thuận lợi Tất cả các loại hạt trước khi đưa vào kho bảo quản, nhất thiết phải qua sấy tới độ ẩm an toàn.
a) Lúa mì
Yêu cầu: phải đảm bảo số lượng và chất lượng của gluten.
Đặc điểm: bắt đầu ở nhiệt độ từ 50ºC đã có sự thay đổi nhỏ về số lượng và chất lượng của gluten Vì vậy nhiệt độ sấy chỉ cho phép đến 50ºC.
b)Lúa, ngô
Nước thoát ra 200kg/tấn, lúa 33% ẩm độ xuống 16% ẩm độ Lúa khô ráo vỏ khoảng 20-22% ẩm độ, có màu vừa chuyển từ màu nâu đen qua màu vàng sáng, hạt lúa cắn bên trong còn mềm Lúa khô có thể xay chà và tồn trử được khoảng 14-16% ẩm độ, hạt cắn kêu, dòn
Lúa ướt từ 33% ẩm độ giảm xuống 20-22% ẩm độ có thể giảm nhanh trong vòng 5 đến 8 phút nên có thể dùng nhiệt độ đến 80ºC để sấy.
Lúa ướt từ 20-22% ẩm độ giảm xuống 14-16% ẩm độ phải có thời gian nhất định, thường giảm không quá 1,5% ẩm độ/1giờ, nếu giảm nhanh hơn hạt gạo bên trong bị nứt Nên trong thời gian này nhiệt độ sấy không quá 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 được đặc tính của quạt, lò đốt, sinh lý của hạt lúa, ta có thể yên
Trang 6c) Các hạt họ đậu
Các hạt học đậu thường chứa một lượng khá lớn protein, phần lớn là tinh bột từ 46-52% và lipit từ 2-3% Các hạt họ đậu rất nhạy cảm với sự tăng nhiệt độ nên thường phải thực hiện nhiều giai đoạn sấy để giữ chất cho sản phẩm và nâng cao năng suất máy sấy.
1.2- Sơ lược về hệ thống thiết kế
*Với yêu cầu của đề tài nhóm em chọn đối tượng sấy cụ thể là lúa.
Hệ thống sấy gồm: quạt, thiết bị gia nhiệt bằng điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ
và nhà che.
-Nhà che cần rộng có mái che và thông thoáng.
Các thông số về kích thước của buồng sấy:
Trang 7- Miệng lò rộng ở phía trên để hơi nước dễ dàng thoát ra trong quá trình sấy đồng thời thuận tiện cho việc đổ nông sản vào sấy.
- Thành lò được làm bằng vật liệu cách nhiệt để đảm bảo cho nhiệt độ sấy được ổn định
- 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 và 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.
- Thiết bị gia nhiệt là hệ thống dây mayso, cung cấp nhiệt cho lò sấy.
-Ngoài ra, còn có hệ thống cảm biến và vi mạch điều khiển nhiệt độ ở trong buồng sấy
Trang 8CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
2.1 Yêu cầu đề tài
- Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản dạng hạt.
- Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống
- Cách lựa chọn và bố trí các thiết bị khác
- Sơ đồ khối của hệ thống
- Lựa chọn phương án điều khiển
- Đánh giá về sai số của hệ thống
- Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục
* Giới hạn điều kiện:
- Dải nhiệt độ làm việc từ 10ºC đến 80ºC
- Sai số của phép đo nhiệt độ là 2ºC
2.2- Các hướng giải quyết
Để thiết kế một hệ thống lò sấy nông sản ta có rất nhiều phương pháp Dưới đây là một số phương pháp mà chúng tôi cho là tối ưu nhất.
2.2.1-Phương pháp sấy kiểu tháp
a) Giới thiệu hệ thống
Trang 9Hình 2.1-Hệ thống sấy kiểu tháp
Buồng sấy hình trụ hay hình lăng trụ để đứng (tháp) Vật liệu đổ và tháp từ phía trên Khí nóng thổi vào từ phía dưới hoặc cắt ngang chiều chuyển động của vật liệu Tùy theo dạng vật liệu sấy và trạng thái ẩm của vật liệu mà có thể sử dụng các phương pháp vận chuyển vật liệu khác nhau trong tháp.
Hệ thống điều khiển thông minh có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ sấy một cách tối ưu nhất đối với nhiên liệu đốt.Người vận hành có thể dễ dàng chọn lựa chế độ sấy cho phù hợp với mỗi loại nguyên liệu bằng cách nhấn nút chọn các chế độ.
Trang 10-Hệ thống được điều khiển tự động sấy với trữ lượng nông sản lớn.
b) Ưu nhược điểm của hệ thống
*Ưu điểm
- Thiết kế vững chắc, độ bền vật liệu cao,dễ vận hành.
- Có thể sấy một 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 đều cao, sản phẩm đầu ra đạt chất lượng tốt.
- Hệ thống gầu tải, trục tải thiết kế tối ưu, đảm bảo hiệu quả hoạt động cao.
- Các động cơ điện vận hành hợp lý, giảm tối đa chi phí điện năng.
- Lò đốt thiết kế hiện đại, được điều khiển tự động đảm bảo hiệu suất cao, tiết kiệm tối đa chất đốt
*Nhược điểm
- Thiết kế cồng kềnh, khó chuyển dịch đi nơi khác
- Vì sử dụng chất đốt nên không thân thiện với môi trường
Trang 112.2.2-Phương pháp sấy kiểu vỉ ngang
a) Giới thiệu hệ thống
Hình 2.2-Hệ thống sấy vỉ ngang
Hệ thống thiết kết được trang bị cảm biến đo nhiệt độ kết hợp với vi sử lí để điều khiển nhiệt độ và tốc độ quạt gió trong lò, cũng thông qua bảng điều khiển tự động toàn bộ hoạt động của lò được giám sát trực quan bằng hệ thống đèn báo.
b) Ưu nhược điểm của hệ thống
*Ưu điểm
- Lò sấy được thiết kế dựa theo nguyên lí sấy đối lưu cưỡng bức thiết bị có kết cấu đơn giản dễ lắp đặt được ứng dụng rộng rãi để sấy các loại nông sản dạng hạt như ngô, lúa, đậu…
- Có hệ thống còi cảnh báo khi quá thời gian sấy
Trang 12- Tỉ lệ hao hụt thấp, sản phầm đầu ra chất lượng tốt
- Thân thiện với môi trường
*Nhược điểm
- Độ đồng đều về độ ẩm không cao nếu trong quá trình sấy không đảo
- Thời gian sấy lâu
2.3- Lý do lựa chọn thiết kế
Với chỉ tiêu “dễ lắp đặt-hiệu suất cao–giá thành rẻ” để phù hợp với người nông dân nhóm em quyết định chọn thiết kế bằng phương pháp sấy kiểu vỉ ngang.
Thiết kế có ưu điểm là cấu tạo đơn giản với mức đầu tư thấp so với các loại lò sấy
có cùng công suất, có thể sấy được nhiều loại nông sản dạng hạt hoặc các loại vật liệu khác.
Ngoài việc chi phí lắp đặt thấp thiết kế cũng có một số ưu điểm vượt trội như:
Trang 13Hình 2.3- Quạt hướng trục Đặc tính nổi trội của loai quạt này là: Lưu lượng lớn, cột áp cao, rất phù hợp cho hút hoặc thổi không khí trong đường ống Cánh quạt của quạt hướng trục được thiết kế góc nghiêng, số cánh phù hợp và được cân bằng động 2 mặt nên chạy rất
êm, không rung hay kêu to.
2.4.2- Động cơ
Động cơ kéo quạt công suất phải lớn hơn 16kw , có thể dùng động cơ 2 pha hoặc
3 pha quay với tốc độ cao nhằm đẩy nhiệt đi khắp buống sấy và xuyên qua lớp lúa dày
Trang 14Hình 2.4-Động cơ công suất lớn
2.4.3- Thiết bị gia nhiệt
Thường được sử dụng dây mayso Dây may so là dây điện trở để biến năng lượng điện thành nhiệt Đây là loại dây có điện trở suất (rô) lớn, có độ bền nhiệt cao và cứng về cơ học Thường làm từ vonfram hoặc hợp kim của vonfram Người
ta có thể cán dẹp, hoặc kéo thành sợi với các đường kính khác nhau tùy theo yêu cầu chế tạo.Dây được sản xuất theo công nghệ nóng chảy rồi kéo như cán thép hoặc đúc theo khuôn khi dây điện trở có kích thước lớn Sử dụng điện trở đốt nóng công suất lớn tạo nhiệt để dưa vào lò sấy.
Trang 15Hình 2.5-Dây mayso
2.4.4- Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ trong buồng sấy, trên thị trường hiện nay
có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dưới đây là một số loại thông dụng:
Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện
áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.
Trang 16- Đặc điểm của cảm biến LM35
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/ 0 C
+Độ chính xác cao ở 25 0 C là 0.5 0 C
+Trở kháng đầu ra thấp 0.1 Ω cho 1mA tải
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 0 C - 150 0 C với các mức điện áp ra khác nhau.
Xét một số mức điện áp sau:
Nhiệt độ -55 0 C điện áp đầu ra -550mV
Nhiệt độ 25 0 C điện áp đầu ra 250mV
Nhiệt độ 150 0 C điện áp đầu ra 1500mV
Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ 0 0 C đến 150 0 C
-Sai số của LM35:
+Tại 0 0 C thì điện áp của LM35 là 10mV
+Tại 150 0 C thì điện áp của LM35 là 1.5V
Sai số của LM35là : ± 2 0 C
Trang 17Cảm biến PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được
cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có
cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định.
- Nguyên tắc hoạt động: Khi có sự thay đổi nhiệt độ trên đầu dò thì dẫn đến sự thay đổi điện trở của ống trụ Mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau tương ứng với mỗi giá trị điện trở khác nhau.Ở 10 ºC thì đo được giá trị điện trở RPt100 =107,6 Ω Khi tăng 1ºC thì RPt tăng sấp xỉ 0,4Ω
-Đặc điểm:
+ có thể chịu được nhiệt độ cao
+ không bị oxy hóa khí nóng chảy
+ độ bền hóa học cao, tính dẻo tốt
+ độ chính xác cao.
Cảm biến AD 590 được thiết kế làm cảm biến nhiệt độ có tổng trở ngõ khá
lớn(10mΩ) Vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất, khiến cho dòng mA ra
Trang 18Dải nhiệt độ của AD 590 từ -55 0 C tới 150 0 C
Điện áp hoạt động: 4-30 VDC
Dòng điện ra tỉ lệ: 1µA
*Quạt: Quạt hướng trục là loại đặc biệt với sức ép cao để gió xuyên qua lớp lúa dầy 30-40cm Thường dùng 2 quạt mỗi quạt lưu lượng 4m3/giây, đường kính quạt 750mm, quay 1.600 vòng /phút.
*Động cơ: Động cơ kéo quạt công suất phải lớn
*Gia nhiệt: Dùng thiết bị làm nóng bằng dây may so
*Cảm biến nhiệt : Dùng cảm biến PT100, loại này đang sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp hiện nay và chúng em lựa chọn đặt cảm biến nhiệt độ PT100 trong hình 2.2.
2.4.5 Hệ thống hẹn giờ và điều khiển nhiệt độ trong lò
Chúng ta sẽ ứng dụng vi sử lí để điều khiển nhiệt độ cụ thể ở mạch điều
khiển này ta dùng ATMEGA16L.
*ATMEGA16L
Trang 19áp AVCC
• AREF: là chân tín hiệu tham chiếu Analog (tương tự) nối vào bộ biến đổi A/ D.
• PORT A: đầu ra của bộ biến đổi A/D
• XTAL 1 và XTAL 2: chân vào ra của thạch anh tạo dao động
*LCD 2 dòng 16 kí tự:
Trang 22• Cầu diod dùng để biến nguồn xoay chiều từ biến áp thành 1chiều
Hình 2.6-Hệ thống hẹn giờ và còi hú khi quá thời gian sấy
- Hệ thống hẹn giờ và cảnh báo thời gian sấy, có thể cài đặt theo ý người sử dụng.
* Sơ đồ nguyên lí
Trang 23Sơ đồ nguyên lý trên cấp nguồn cho mạch là nguồn DC từ 7 đến 24 V.
+3 chân cấp nguồn cho Chíp ATMEGA16L là những chân 10,11,31 không vẽ trên sơ đồ (chân 10 được nối chân 30, chân 11 được nối với chân 31).
+Điện trở PULLUP có giá trị 4,7K.
+Tụ C3 có thể thay bằng tụ hóa 10uf.
+Có thể dung thạch anh 4MHz thay cho loại 8MHz.
- Tác dụng của các linh kiện:
+ pt100 cảm biến nhiệt độ từ buồng sấy để lấy tín hiệu nhiệt độ đưa vào vi xử lý +LCD giải mã và hiển thị nhiệt độ.
+ ATMEGA16L điều khiển tắt mở thiết bị theo nhiệt độ đã mặc định, điều khiển hiển thị LCD.
Trang 24+ Let xanh giả lập máy làm giảm nhiệt độ.
- Cảm biến nhiệt độ truyền tín hiệu nhiệt độ đọc được qua chân DQ(2) vào chân
34 của ATMEGA16L (ADC6) chân này là 1 trong 8 đầu vào của hệ thống biến đổi A/D của ATMEGA16L, nhưng không cần biến đổi mà đưa thẳng vào khối xử lí trung tâm (vì tín hiệu truyền của cảm biến nhiệt độ ở chân DQ là tín hiệu số), tín hiệu khi đưa vào đây sẽ được CPU xử lí với điều kiên đã được lập trình sẵn Sau
đó tín hiệu sau khi được xử lí tiếp tục đưa ra chân 26 (TDO-Test Data Out-kiểm tra dữ liệu ra), 27 (TDI-kiểm tra dữ liệu vào), 28 (TOSC1-Test ocsolltor-kiểm tra đầu vào của bộ tạo dao động 2) vào D4, D5, D6, D7 của LCD để giải mã.
Trang 25CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN
3.1-Kết quả đạt được
- Từ những phân tích và tính toán chi tiết ở trên chúng tối đã xây dựng được một
dễ vận hành và lắp đặt, giảm thiểu sức người trong quá 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 quyết vấn đề bảo quản nông sản sau khi thu hoạch.
- Đáp ứng được sự ổn định về nhiệt độ trong quá trình sấy, góp phần tiết kiệm điện năng và bảo vệ môi trường.
- Tỉ lệ hao hụt thấp
3.2- Những mặt hạn chế
- Độ đồng đều của hạt sấy không cao nếu trong quá trình sấy không đảo
- Thiết kế tốn nhiều diện tích
- Khó cơ giới hóa
3.3- Biện pháp khắc phục
- Nên đảo hạt sấy từ 10-20 phút một lận để đảm bảo độ đồng đều của hạt sấy
- Tăng kích thước và quy mô của lò để có thể sấy được nhiều nông sản hơn
- Xây dựng thêm hệ thống đảo chiều gió để giảm chi phí cho lao động.