BTL đo lường cảm biến: Tìm hiểu phân tích, xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ trong lò sấy nông sản dạng hạt

- Đề tài được sự đánh giá cao từ thầy giáo. Cùng với sự chắt lọc, lựa chọn thông tin giúp cho các bạn bạn dễ hiểu và có cái rõ ràng về đề tài. - Đề tài được thực hiện bởi NHN - K10 - HaUI - Trước đây các sản phẩm nông nghiệp dạng hạt sau khi thu hoạch về đều được làm khô bằng phương pháp phơi nắng. Nhưng phương pháp đó chỉ hiệu quả khi mùa thu hoạch là mùa khô, còn khi thu hoạch về vào mùa mưa hoặc thời tiết mưa liên tục, kéo dài thì sản phẩm sẽ không được phơi khô dẫn đến nảy mầm và ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm. Vì vậy, có một phương pháp khác đã ra đời để làm khô sản phẩm kịp thời trong mọi tình hình thời tiết đó là phương pháp sấy. Hiện nay trên thế giới cũng như trong các khu công nghiệp đã có rất nhiều loại thiết bị sấy hiện đại, có công suất lớn nhưng giá thành lại quá cao và đòi hỏi kỹ thuật vận hành phức tạp nên không thể đưa các loại máy đó vào cho sản xuất nông nghiệp nước ta.

Tìm hiểu phân tích, xây dựng hệ thống đo và điều khiển

nhiệt độ trong lò sấy nông sản dạng hạt

Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN ĐĂNG HẢI

Sinh viên thực hiện : Ngô Hoài Nam - 1041040262

Nguyễn Văn Bình - 1041040307Phạm Thị Hồng Như - 1041040288Nguyễn Minh Nghĩa - 1041040300 Nguyễn Văn Sơn - 1041040268

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ 5

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 8

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: KẾTLUẬN 32

3.1- Các kết quả đạt được 32

3.2- Các hạn chế khi thực hiện 32

3.3- Biện pháp khắc phục 32

CHƯƠNG 4 : BẢN DỊCH TÀI LIỆU CẢM BIẾN 33

4.1-Bản dịch tài liệu lý thuyết 33

4.2-Bản tài liệu sủ dụng cảm biến 33

Tài liệu tham khảo 33

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 cảmbiến, 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 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 khắcphục )

7 Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục?

LỜI 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

Trước đây các sản phẩm nông nghiệp dạng hạt sau khi thu hoạch về đều được làm khô bằng phương pháp phơi nắng Nhưng phương pháp đó chỉ hiệu quả khi mùa thu hoạch là mùa khô, còn khi thu hoạch về vào mùa mưa hoặc thời tiết mưa liên tục, kéo dài thì sản phẩm sẽ không được phơi khô dẫn đến nảy mầm và ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm Vì vậy, có một phương pháp khác đã ra đời để làm khô sản phẩm kịp thời trong mọi tình hình thời tiết đó là phương pháp sấy Hiện nay trên thế giới cũng như trong các khu công nghiệp đã có rất nhiều loạithiết bị sấy hiện đại, có công suất lớn nhưng giá thành lại quá cao và đòi hỏi kỹ thuật vận hành phức tạp nên không thể đưa các loại máy đó vào cho sản xuất nông nghiệp nước ta

Do vậy, sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu nhóm chúng em đã xây dựng đề tài này nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn hẹp nên còn nhiều thiếu sót.Chúng em rất mong được sự giúp đỡ, tham khảo ý kiến của thầy và các bạn nhằm đóng góp và phát triển đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 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

c) 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:

Hình 1.2 Mô hình dàn sấy lúa

- 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 quạtđều 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

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

- Tìm hiểu tổng quan về lò sấy nông sản dạng hạt

- Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn cảmbiến, số lượng và vị trí lắp đặt cảm biến?)

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

- Sơ đồ khối của hệ thống

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

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

- Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục?

* Giới hạn điều kiện:

- Thể tích lò 10m3 – 20m3

- 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 hướng để chúng em chọn ra phương án tối ưu nhất

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 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

- Hệ thống được điều khiển tự động sấy với trữ lượng nông sản lớn

b) Vị trí lắp đặt

Đối với hệ thống sấy kiểu tháp cần phải có một nhà xưởng sấy quy mô lớn, hiệnđại Điện tích mặt bằng khá lớn do hệ thống có nhiều công đoạn, nhiều thiết bị được liên kết thành một dây truyền

c) 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, độ đồng đều cao, sản phẩm đầu ra đạt chất lượng tốt

- Nhược điểm:

 Thiết kế cồng kềnh, khó chuyển dịch đi nơi khác

 Vì sử dụng chất đốt nên không 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 hoạt động dựa trên sự đối lưu cưỡng bức của nhiệt độ được đưa vào

lò sấy thông qua hệ thống quạt gió công suất lớn

- Kết hợp cảm biến đo nhiệt độ với vi sử lí để điều khiển nhiệt độ và tốc độ quạtgió 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, còi báo khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép

b) Vị trí lắp đặt

Hệ thống cần được lắp đặt ở nơi thoáng khí, có diện tích mặt bằng không cần

quá lớn, đủ cho hệ thống thiết kế kết hợp với nhà sấy cần có mái che để tránh trường hợp thay đổi thời tiết

c) Ưu nhược điểm của hệ thống

- Ưu điểm:

 Sấy được nhiều loaiij nông sản

 Chi phí lắp đặt thấp,dễ vận hành và bảo trì

 Dễ thao tác, phù hợp với trình độ lao động của nông dân

 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

2.2.3- Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.3- Sơ đồ khối của hệ thống

2.3- Lý do lựa chọn thiết kế

- Với mục 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

Sau khi phân tích và tìm ra hướng thiết kế, chúng ta tiến hành tìm hiểu và lựa

chọn các thiết bị trong hệ thống thiết kế

Thóc sau khi thu

hoạch

Cài đặt thời gian

và nhiệt độ

Vận hành hệthống sấy

Lò sấy

Kho chứa Đóng bao Hạt sấy thành Đảo hạt sấy

phẩm

2.4.1-Quạt gió

 Nguyên lý hoạt động

Được ghép đồng trục với động cơ không đồng bộ 3 pha hoặc 1 pha để làm quay

quạt gió Tạo áp lực ép nhiệt và lưu thông gió lên giàn sấy lúa

 Thông số ký thuật

Ta sử dụng loại 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

Hình 2.4- Quạt hướng trục

 Vị trí lắp đặt

Bên dưới sàn sấy, để có thể đưa lượng nhiệt và gió tối đa lên tiếp xúc với lúa sấy

 Ưu nhược điểm

- Ưu điểm:

 Lưu lượng lớn, cột áp cao

 Cánh quạt của quạt hướng trục được thiết kế góc nghiêng, tối ưu hóa chức năng đẩy gió

 Chạy rất êm, không rung hay kêu to

Thông số kỹ thuật

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

 Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ.

 Vận hành dể dàng, sửa chữa, bảo dưỡng thuận tiện

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.Người ta có thể cán dẹp, hoặc kéo thành sợi với các đường kính khác nhau tùy theo yêu cầu chế tạo

Khi cấp điện cho dây mayso Điện trở đốt nóng công suất lớn sẽ tạo nhiệt

để đưa vào lò sấy

Hình 2.6- Dây mayso

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

 Vị trí lắp đặt

Phía dưới của dàn sấy hay chính là bên trong lò xông nhiệt (hơi)

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

 Nguyên lý hoạt động

Đầu cảm biến thu và cảm nhận nhiệt độ ở môi trường lắp đặt Sau đó đưa vào bộ phận biến đổi: biến đổi từ tín hiệu không điện ( nhiệt độ) thành tín hiệu điện( vol)

Cấp điện áp cho mạch điều khiển: mạch cảnh báo, mạch hiển thị, mạch chuẩn hóa

Hình 2.7- Cảm biến LM35

Hình 2.8- Sơ đồ chân LM35

 Thông số kỹ thuật

 Đặc điểm của cảm biến LM35:

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/0C

+ Độ chính xác cao ở 250C là 0.50C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 Ω cho 1mA tải

+ Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -550C -> 1500Cvới các mức điện áp rakhác nhau.

 Xét một số mức điện áp sau:

+ Nhiệt độ -550Cđiện áp đầu ra -550mV

+ Nhiệt độ 250Cđiện áp đầu ra 250mV

+ Nhiệt độ 1500Cđiện áp đầu ra 1500mV

+ Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệthống này thì đo từ 00Cđến 1500C

 Sai số của LM35:

+Tại 00C thì điện áp của LM35 là 10mV

+Tại 1500C thì điện áp của LM35 là 1.5V

Sai số của LM35là : ± 20C

Bên dưới lò sấy, trong lò xông hơi lên dàn sấy

Hình 2.9- Hình dáng cảm biến PT100

- Đầu cảm biến thu và cảm nhận nhiệt độ ở môi trường lắp đặt Sau đó đưa vào

bộ phận biến đổi: biến đổi từ tín hiệu không điện ( nhiệt độ) thành tín hiệu điện ( vol)

Cấp điện áp cho mạch điều khiển: mạch cảnh báo, mạch hiển thị, mạch chuẩn hóa

- Ở 10 ºC thì đo được giá trị điện trở R(Pt100) =107,6 Ω Khi tăng 1ºC thì R(Pt) tăng sấp xỉ 0,4Ω

- Dải nhiệt độ của PT100 từ -2500C -> 8500C Trong thực tế người ta chế tạo và

sử dụng dạng chuẩn PT100 dải nhiệt độ từ 00C - 1000C

- Sai số của PT100 là: ± 10C

 Vị trí lắp đặt

Bên dưới lò sấy, trong lò xông hơi lên dàn sấy

- Ưu điểm:

 Dễ sử dụng hơn, chiều dài dây khônghạn chế

 Có thể chịu được nhiệt độ cao

 Không bị oxy hóa, độ bền hóa học cao, tính dẻo tốt

 Độ chính xác cao

- Nhược điểm:

 Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện

c) 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 tương ứng với chuẩn nhiệt độ tuyệt đối K Điện áp làm việc càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng tự gianhiệt Khi cấp điện áp thay đổi, dòng thay đổi ít

Hình 2.10- Cảm biến AD590

- Đầu cảm biến thu và cảm nhận nhiệt độ ở môi trường lắp đặt Sau đó đưa vào

bộ phận biến đổi: biến đổi từ tín hiệu không điện ( nhiệt độ) thành tín hiệu điện ( vol)

Cấp điện áp cho mạch điều khiển: mạch cảnh báo, mạch hiển thị, mạch chuẩn hóa

Bên dưới lò sấy, trong lò xông hơi lên dàn sấy

- Trong ứng dụng hàng ngày, nhu cầu theo dõi nhiệt độ và độ ẩm ngày càng

trở nên phổ biến và thiết thực và sử dụng trong:

 Sản xuất chế biến nông nghiệp

 Hiển thị và thực thi điều khiển (quạt gió, máy sấy, điều hòa, hay báo động)

 Datalog dữ liệu về môi trường tại một khu vực

-Trên thị trường có một số loại cảm biến độ ẩm, nhiệt độ: SHT75, SHT11, HS1101, với độ chính xác khác nhau.

b) Lựa chọn cảm biến

Hình 2.11- Cảm biến HS1101

Hình 2.12- Cảm biến SHT75 Tùy theo yêu cầu mà loại sensor nào được chọn, nếu cần độ chính xác cao thì SHT75 là sự lựa chọn phù hợp Để đạt tiêu chí kinh tế và độ chính xác tương đối thì HS1101 có thể tốt nhất, với độ chính xác về độ ẩm 2%RH, HS1101 không thua kém gì SHT1x (lên tới ±4.5%RH).

Như vậy HS1101+DS18B20= 77.000 VND, chỉ bằng 1/3 so với SHT10 Vấn đềcủa HS1101 là cần mạch phụ và chuẩn hóa lại sau khi lắp mạch

c) Nguyên lý làm việc

Hình 2.13- Sơ đồ đấu chân HS1101

+ Cảm biến HS1101 là cảm biến điện dung Khi độ ẩm thay đổi, điện dung của HS1101 thay đổi Do vậy, để đo được độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện dung của HS1101

+ Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 và IC NE555 Khi đó giá trị điện dung của HS1101 thay đổi thì làm thay đổi tần số đầu ra của IC555 Như vậy chỉ cần đo tần số đầu ra là có thể đo được điện dung của HS1101

*Động cơ: Động cơ kéo quạt công suất phải lớn

*Gia nhiệt: Dùng thiết bị làm nóng bằng dây mayso

*Cảm biến nhiệt: Dùng cảm biến PT100, loại này đang sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp có giá tương đối rẻ và độ bền cao Do đó, chúng em lựa chọn đặt cảm biến nhiệt độ PT100 trong hình 2.2

*Cảm biến độ ẩm HS1101 do cảm biến này có độ chính xác cao; hoạt động tốt trong môi trường có nhiệt độ không quá cao, môi trường không khắc nghiệt như

lò sấy lúa Thêm nữa, giá thành rẻ phù hợp với điều kiện kinh tế của người dân

2.4.6- Hệ thống hẹn giờ và điều khiển nhiệt độ trong lò

 Sau khi tìm hiểu, kết hợp với môn vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế

mô phỏng mạch chúng em quết định sử dụng ATMEGA16L vì vi điều khiển này

có thể hiện thị ra LCD vừa dùng để hiện nhiệt độ và cả độ ẩm Tối ưu hơn khi sử dụng TC7107 chỉ có thể hiện thị được nhiệt độ

 Dưới đây chúng em xin trình bày cả 2 phương pháp để có thể thấy rõ được

sự tối ưu của lựa chon trên: