4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
3.3.2. Thiết kế và phân tích nguyên lý hoạt động từng khối
1- Khối nhiệt độ
Nh− đã đề cập ở trên thì khối nhiệt độ sẽ đ−ợc mơ phỏng bằng nhiệt độ của các bĩng đèn điện áp 220V - 100W. Các đèn sẽ tạo nguồn nhiệt để trong một hộp coi nh− vùng nhiệt độ sản phẩm. Việc điều khiển cấp nhiệt là việc đĩng cắt các đèn sợi đốt để tăng hoặc hạ nhiệt độ sản phẩm.
2 – Khối cảm biến
Cảm biến đ−ợc định nghĩa nh− một thiết bị dùng để biến đổi các đại l−ợng vật lý và các đại l−ợng khơng điện cần đo thành các đại l−ợng điện cĩ thể đo đ−ợc (nh− dịng điện, điện thế, điện dung, trở kháng…). Nĩ là thành phần quan trọng nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động. Cĩ thể nĩi rằng
Các cơ cấu chấp hành
nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều tr−ờng hợp thực tế, cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của ph−ơng pháp điều khiển tự động.
Các đại l−ợng vật lý là đối t−ợng đo l−ờng nh− nhiệt độ, áp suất… là các đại l−ợng cần đo. Sau khi tiến hành các cơng đoạn để tiến hành đo các đại l−ợng này ta nhận đ−ợc đại l−ợng điện t−ơng ứng ở đầu ra. Đại l−ợng điện này cùng với sự biến đổi của nĩ chứa đựng tất cả các thơng tin cần thiết để nhận biết đối t−ợng cần đo. Việc đo đạc các đối t−ợng này thực hiện đ−ợc là nhờ cĩ các cảm biến.
Vậy cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại l−ợng cần đo khơng cĩ tính chất điện và cho ta một đặc tr−ng mang bản chất điện ( nh− điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng....).
** Vai trị của cảm biến trong quá trình tự động hố.
Đã từ lâu cảm biến đ−ợc sử dụng nh− những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nh−ng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trị quan trọng trong các hoạt động của con ng−ời. Nhờ các tiến bộ của khoa học và cơng nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học các cảm biến đã cĩ kích th−ớc nhỏ hơn, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Giờ đây khơng cĩ một lĩnh vực nào mà ở đĩ khơng cĩ sử dụng các cảm biến. Chúng cĩ mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, ng−ời máy, kiểm tra chất l−ợng sản phẩm, tiết kiệm năng l−ợng, chống ơ nhiễm mơi tr−ờng. Cảm biến cũng đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thơng vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ơ tơ, trị chơi điện tử v.v…
a. Thiết kế cảm biến nhiệt
Trong tất cả các đại l−ợng vật lý, nhiệt độ là một trong những đại l−ợng đ−ợc quan tâm nhiều nhất. Đo nhiệt độ là một ph−ơng thức đo l−ờng khơng điện, đo nhiệt độ đ−ợc chia thành nhiều dải nhiệt độ khác nhau nh− sau:
+ Đo nhiệt độ thấp + Đo nhiệt độ trung bình + Đo nhiệt độ cao
- Cĩ nhiều cách đo nhiệt độ khác nhau, trong đĩ cĩ thể liệt kê các ph−ơng pháp chính nh− sau:
+ Ph−ơng pháp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt độ do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler).
+ Ph−ơng pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất khơng đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm.
+ Ph−ơng pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh.
Việc đo nhiệt độ đ−ợc tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt nh−: + Caởp nhieọt ngẫu
+ Nhiệt kế điện thế kim loại + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh
Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một ph−ơng pháp thơng dụng đ−ợc sử dụng trong các ứng dụng mơ phỏng thơng th−ờng, nên ở đây tơi chọn ph−ơng án sử dụng IC này.
** Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện d−ới dạng điện áp.
Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dịng điện, tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết đ−ợc giá trị của nhiệt độ cần đo. Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong các bán dẫn, bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống, làm cho tỷ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. Các IC cảm biến nhiệt độ cĩ độ chính xác cao, dễ tìm trên thị tr−ờng hiện nay, đồng thời nĩ cĩ những đặc tính phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch, và trong mạch này ta dùng loại IC LM335, d−ới đây là một số đặc điểm kỹ thuật về LM 335.
* Đặc tính kỹ thuật
+ Sơ chân nối của nĩ nh− sau:
Sơ đồ nhìn từ d−ới chân thiết bị + V+ và V- là hai đầu nguồn đặt của cảm biến
+ ADJ là chân chuẩn điều kiện làm việc đầu ra của cảm biến.
*Tính chất cơ bản của LM335:
- LM335 cĩ độ biến thiên theo nhiệt độ là: 10mV / 10C
- Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 250C nĩ cĩ sai số khơng quá 1%. Với khoảng đo từ 00C – 1280C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
- Thơng số kỹ thuật: + Tiêu tán cơng suất thấp
+ Dịng điện ng−ợc 15mA + Dịng điện thuận 10mA
+ Độ chính xác : khi làm việc ở nhiệt độ 250C với dịng làm việc 1mA thì điện áp ngõ ra từ 2,94V - 3,04V.
- Đăc tính điện:
Theo thơng số của nhà sản xuất, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra nh− sau: Vout = 0,01xT0K
= 2,73 + 0,01xT0C
Vậy ứng với khoảng hoạt động từ 00C - 1000C ta cĩ sự biến thiên điện áp ngõ ra nh− sau:
ở 00C thì điện áp ngõ ra Vout = 2,73 (V) ở 50C thì điện áp ngõ ra là Vout = 2,78 (V) ...
ở 1000C thì điện áp ngõ ra Vout =3,73 (V)
Khoảng biến thiên điện áp t−ơng ứng là 1V với khoảng nhiệt độ từ 00C – 1000C
** Thieỏt keỏ cú theồ mách caỷm bieỏn duứng LM335
+ Sơ đồ mạch nh− sau:
Hình 3.2. Sơ đồ mắc khơng chuẩn hĩa
Điện áp đặt ở đây là +5V. Đây là sơ đồ mắc làm việc ở chế độ ch−a chuẩn hĩa tức là khơng ở 250C. Ngồi ra ta cịn cĩ cách mắc để chuẩn hĩa điều kiện chuẩn nh− sau.
Hình 3.3. Sơ đồ mắc chuẩn hĩa
+ Tính tốn và chọn linh kiện Ta cĩ 450m A < IR < 5mA 450m A < (5-V0)/R< 5mA (5-V0)/5mA < R <(5-V0)/ 450m A Vì : 2,73 < V0 3,73
Mặt khác, theo thơng số của nhà sản xuất điện áp trên LM335 tại Tc = 250C, IR = 1mA thì V0 = 2,98 (V) vậy ta cĩ:
450m A < (5-2,98)/R < 5mA
Nên 424 < R < 4,7K Từ đĩ ta chọn R = 1K b
**Thiết kế mạch khuếch đại
Để tạo khoảng so sánh tín hiệu lấy ra ứng với điều kiện làm việc của mơi tr−ờng ta cần một mạch khuếch đại khoảng biến thiên của tín hiệu ra. Đây là mạch so sánh tín hiệu ra của cảm biến với tín hiệu đặt điện áp ứng với điệu kiện làm việc nhiệt độ mơi tr−ờng ngồi. Vì khoảng biến thiên điện áp của bộ cảm biến là 1V với khoảng biến thiên nhiệt độ từ 00C - 1000C. Trong khi đĩ, yêu cầu mạch đầu vào của PLC cĩ mức điện áp từ 0V - 10V, vì vậy ta sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu điện
áp, với hệ số khuếch đại 10 lần cho đầy mức giới hạn đầu vào của PLC sơ đồ nh− (hình 3.2).
Hình 3.4. Sơ đồ mạch khuếch đại
Theo nh− hình trên thì V+ và V- đ−ợc tính nh− sau: V+ = R4 .V2/(R2 + R4) V- = (V0 – V1) . R5/(R3 + R5) – V1 Vì : V+ = V- suy ra R4 .V2/(R2 + R4) = (V0 – V1) . R5/(R3 + R5) – V1 V1 V2 V0 VR1
V1 : là điện áp ngõ vào đảo của bộ khuếch đại và V1 = 2,73 V V2 : là tín hiêu ra của cảm biến và V2 = 2,73 + 0,01xT0C V0 : là điện áp ngõ ra của OA và V0 = K(V2 – V1)
K : là hệ số khuếch đại
Nh− vậy ta xét ở nhiệt độ 00C thì V2 = V1; V0 = 0V = > R4 /(R2 + R4) = R5 /(R3 + R5)
Để đơn giản ta chọn R2 = R3; R4 = R5 nh− vậy: V0 = (V2 – V1).R5/R3
Chọn hệ số khuếch đại K = R5 / R3 = 10
Mặt khác ta cĩ dịng của OA là I0 < 20mA, nên dịng hồi tiếp If << 20mA = > If = (V0 – V1)/(R3 + R5) << 20mA = > R3 + R5 >> (V0 – V1)/20mA Mà V0max =10V V1 = 2,73V = > R3 + R5 >> 2,27/ 20mA Hay 6R3 >>2,27 / 20mA = > R3 >>18,4 (Ohm) Chọn R3 = 1k; R5 = 10k; VR1 = 15k Do đĩ R1 = 100 (Ohm)
c. Thieỏt keỏ cảm biến mức chất lỏng
Mục đích của việc đo và phát hiện mức chất l−u là xác định mức độ hoặc khối l−ợng chất l−u trong các bình chứa. Cĩ hai dạng đo là đo liên tục và xác định theo ng−ỡng. Khi đo liên tục, biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất l−u cịn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ng−ỡng, cảm biến đ−a ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thơng tin về tình trạng hiện tại mức ng−ỡng cĩ đạt hay khơng. Thơng th−ờng ng−ời ta hay kết hợp cả hai loại đầu đo phát hiện ng−ỡng cao và ng−ỡng thấp để tự động hĩa quy trình cung cấp và hút chất l−u từ bình chứa.
Cĩ nhiều ph−ơng pháp để thiết kế cảm biến mức chất lỏng nh−: ph−ơng pháp thủy tĩnh, ph−ơng pháp điện, ph−ơng pháp bức xạ.
* Trong ph−ơng pháp điện thì ta phải sử dụng đến các cảm biến chuyên dụng, cảm biến này chuyển đổi trực tiếp mức thành các tín hiệu điện. Loại này cĩ những cảm biến nh− cảm biến độ dẫn chỉ dùng cho chất l−u dẫn điện và khơng cĩ tính ăn mịn, khơng lẫn thể vẩn cách điện. Cảm biến tụ điện cĩ thể dùng cho cả chất l−u dẫn điện hoặc khơng dẫn điện.
* Ph−ơng pháp bức xạ, −u điểm của ph−ơng pháp này là cho phép đo mức mà khơng cần tiếp xúc chất lỏng. Ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức chất l−u ở những điều kiện khắc nghiệt nh− nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc khi chất l−u cĩ tính ăn mịn mạnh. Ph−ơng pháp bức xạ cĩ những loại nh− ph−ơng pháp đo bằng hấp thụ tia gama, ph−ơng pháp đo bằng sĩng siêu âm.
* Ph−ơng pháp thủy tĩnh, trong ph−ơng pháp này cảm biến hoạt động khơng phụ thuộc vào tính chất điện của chất l−u, cĩ thể đo ở chế độ liên tục hoặc gián đoạn.
+ Nếu đo liên tục ta phải kết hợp với một cảm biến khác chẳng hạn nh− cảm biến vị trí để xác định sự thay đổi liên tục của mức chất l−u đ−ợc chuyển đổi thành tín hiệu điện, hoặc cảm biến lực để đo sự thay đổi lực tác động và chuyển đổi sang tín hiệu điện, hay cảm biến vi sai áp suất đo sự thay đổi áp suất. Cụ thể ta cĩ các mơ hình sau:
Cảm biến Cảm biến lực
vị trí
h
h
a/ Cảm biến phao b/ Cảm biến hình trụ treo
h k
c/ Cảm biến áp suất vi sai d/ Cảm biến bao mức rời rạc
+ Đo gián đoạn, ph−ơng pháp này là dùng các vị trí cố định mà ta đã xác định bằng cách đo và định chiều cao cụ thể trên thành bình chứa. Tại mỗi vị trí đĩ ta đặt một cơng tắc hành trình xác định tín hiệu tác động và dùng tín hiệu đĩ để đĩng nguồn vào cho đầu vào của PLC để xử lý và đặt quyết định điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Cấu tạo cụ thể của cảm biến nh− sau:
Trong thực tế cảm biến mức của dây chuyền là một cảm biến dựa trên ph−ơng pháp điện từ kết hợp với ph−ơng pháp cơ cĩ cấu tạo nh− sau:
Hình 3.5. Cấu tạo cảm biến mức
**Nguyên lý hoạt động nh− sau:
Cảm biến mức này cĩ tên là TF TL 260 hoạt động dựa trên độ dịch chuyển của chất lỏng dâng lên trong bình chứa. Nĩ kết hợp với một phao đặt trong bình và các cảm biến này đ−ợc đặt ở các vị trí mức cần thiết để báo mức. Khi mức n−ớc dâng đến nơi thì phao nổi sẽ tác động vào các đầu dị và làm chúng tiếp xúc nhau làm thay đổi mức từ tính của van từ cĩ trong cấu tạo của cảm biến. Sự thay đổi của từ tính sẽ chuyển thành tín hiệu điện và đ−ợc đ−a vào PLC để làm tín hiệu đặt và xử lý đồng thời đ−a ra quyết định điều khiển đến các thiết bị chấp hành.
Tuy nhiên trong mơ hình của tơi, do điều kiện khách quan nên khơng thể thiết kế nh− mơ hình thực nên chỉ thay các tín hiệu mức bằng việc định thời gian trong PLC. Cả quá trình hoạt động của một mẻ đ−ợc lập trong một khoảng thời
gian từ khi động cơ bơm sản phẩm đã đ−ợc gia nhiệt cho đến khi bơm sản phẩm đã ly tâm vào bình chứa 2. Tổng thời gian một mẻ sẽ là 50 phút, trong đĩ thời gian bơm dịch quả từ bình gia nhiệt vào thùng chứa 1 là 15 phút. Thời gian đạt mức 1/3 thùng 1 là 5 phút và đầy là 15 phút. Thời gian bơm sản phẩm từ thùng chứa 1 vào máy ly tâm là 15 phút, hết mức 1/3 thùng 1 là 10 phút và đến mức cạn là 15 phút. Thời gian quay ly tâm là 5 phút. Thời gian bơm từ ly tâm vào thùng chứa 2 là 15 phút, thời gian đến mức 1/3 thùng 2 là 5 phút, đến mức đầy thùng 2 là 15 phút. Từ thời gian phân phối trên ta cĩ thể cĩ l−u đồ nh− sau ( hình 3.6).
ĐC 2 bơm Sp sau khi gia nhiệt
5 phút sau mức 1/3 bình 1 15 phút sau mức đầy bình 1 Bật ĐC bơm Sp vào ly tâm 10 phút sau hết mức 1/3 bình 1 5 phút sau đến mức cạn bình 1 Bật ĐC ly tâm trong 5 phút Bật ĐC bơm Sp ly tâm vào bình 2 5 phút sau đến mức 1/3 bình 2 10 phút sau mức đầy bình 2
Hình 3.6. L−u đồ phân bố thời gian tạo tín hiệu mức thay thế