5. Khu vực rót
4.6.3 Thiết kế cảm biến nhiệt
1. Các định nghĩa và đạc tr−ng của cảm biến
Các đại l−ợng vật lý là các đối t−ợng đo l−ờng nh− nhiệt độ áp suất gọi là các đại l−ợng cần đo m. Sau khi tiến hành các công đoạn thực hiện để đo m (cùng các ph−ơng tiện điện tử để xử lý). Ta nhận đ−ợc các đại l−ợng t−ơng ứng đầu ra. Đại l−ợng điện này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết m. việc đo đạc đ−ợc m là nhờ các cảm biến.
Cảm biến là mọi thiết bị chịu tác động của đại l−ợng cần đo m không có tính chất điện và cho một đặc tr−ng mang bản chất điện (nh− điện tích , điện áp), dòng điện trở kháng ký hiệu là δ .Đặc tr−ng của δ là đại l−ợng cần đo m.
δ = F(m)
Trong đó δ là đại l−ợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến. m là đại l−ợng đầu vào hay kích thích.
Việc đo đại l−ợng δcho phép nhận biết giá trị m. Biểu thức (*) trên là dạng lý thuyết vật của định luật vật lý biểu diễn sự hoạt động của cảm biến đồng thời là dạng số của biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo (hình học và kích th−ớc), vật liệu cảm biến đôi khi còn phụ thuộc vào môi tr−ờng và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi). Đối với mọi cảm biến, để có thể khai thác biểu thức trên cần phải chuẩn bị cảm biến với một loạt các giá trị đã biết chính xác của m. Để sử dụng, ng−ời ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra Δδ
và biến thiên đầu vào Δm.
δ
Δ = δ .Δm(**) Trong đó δ : là độ nhạy cảm biến
Đại l−ợng cần đo
Đại l−ợng điện (S)
Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm sao cho độ nhạy δ của chúng không đổi nghĩa là δ ít phụ thuộc vào yếu tố sau:
- Giá trị của đại l−ợng cần đo (độ tuyến tính) và giải thông. - Thời gian sử dụng
- ảnh h−ởng của các đại l−ợng vật lý khác của môi tr−ờng xung quanh vì cảm biến là một phần tử của mạch điện, có thể coi cảm biến:
+ Hoặc nh− một máy phát trong đó δ là điện tích, điện áp hay dòng điện gọi là cảm biến tích cực.
+ Hoặc nh− một trở kháng, trong đó δ là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung gọi là cảm biến thụ động.
2. Cảm biến nhiệt.
Do nội dung của đề tài chúng ta chi sử dụng cảm biến nhiệt do vậy chung ta cần tìm hiểu rõ về nguyên lý và sơ đồ điện của cảm biến nhiệt.
- Vai trò của cảm biến nhiệt.
Trong dây chuyền sản xuất n−ớc dứa cô đặc mà chung ta nghiên cứu thì nhiệt độ luôn đóng vai trò quyết định đến chất l−ợng sản phẩm của đầu ra. Mà ta đã biết trong tất cả các đại l−ợng vật lý, nhiệt độ đ−ợc quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đ−ợc đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Dụng cụ đo nhiệt độ đơn giản nhất là sử dụng nhiệt kế sử dụng hiện t−ợng dãn nở nhiệt. Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ ng−ời ta sử dụng nhiều các nguyên lý cảm biến khác nhau nh−: Các nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, ph−ơng pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc khí hoặc dựa trên tốc độ âm.
Để đo đ−ợc trị số chính xác của nhiệt độ là vấn đề không đơn giản. Đa số các đại l−ợng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với cùng một đại l−ợng cùng bản chất. Những đại l−ợng nh− vậy gọi là đại l−ợng mở rộng bởi vì chúng có thể đ−ợc xác định bằng bội số hoặc −ớc số của đại
l−ợng chuẩn (đại l−ợng so sánh). Ng−ợc lại, nhiệt độ là đại l−ợng gia tăng: việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lý rõ ràng. Nhiệt độ là đại l−ợng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào nhiệt độ.
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các ph−ơng pháp chính sau đây:
+ Ph−ơng pháp quang dựa trên sự phân bố phổ 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 khí (với áp suất không 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.
Trong dây truyền sản xuất cảm biến nhiệt đ−ợc sử dụng một rất nhiều hầu hết ở các khâu nh− gia nhiệt sơ bộ, khâu cô, khâu tiệt trùng. Trong máy tiệt trùng thì khi sản phẩm đ−ợc gia nhiệt qua hệ thống gia nhiệt, nhiệt độ của sản phẩm sẽ đ−ợc thu nhận qua Sensor. Nhiệt độ do sensor thu nhận đ−ợc sẽ chuyển đổi thành tín hiệu điện là tín hiệu Analog và đ−ợc đ−a tới cổng nhập của PLC. Tại đây tín hiệu đ−ợc đọc vào và xử lý để điều khiển, tác động lên đối t−ợng thông qua mạch điều khiển và cơ cấu chấp hành điều khiển các van hơi n−ớc nóng và van n−ớc đá để đảm bảo nhiệt độ của sản phẩm đúng với yêu cầu kỹ thuật của dây chuyền sản xuất.
Việc đo nhiệt độ đ−ợc tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt nh−: + Cặp nhiệt điện.
+ Nhiệt kế điện kế kim loại. + Nhiệt điện trở kim loại. + Nhiệt điện trở bán dẫn. + Cảm biến thạch anh.
đ−ợc dùng trong đề tài này tiêu biểu là cảm biến nhiệt LM335, nên ở đây ta chỉ tìm hiểu và giới thiệu về IC cảm biến nhiệt.
- Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ.
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu là nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điệnđ−ới dạng dòng điện hay điện áp. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ 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 chất bán dẫn. Bằng sự phá vỡ các phần 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 tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm số mũvới nhiệt độ.
Để đo nhiệt độ đ−ợc chính xác, tất nhiên cần có một đầu dò thích hợp. Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ nhiệt độ sang tín hiệu điện áp. Có rất nhiều loại cảm biến, nh−ng dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta dùng ph−ơng pháp đo bằng IC cảm biến nhiệt độ. Các IC cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm trên thị tr−ờng hiện nay, đồng thời nó có những đặc tính phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch, và trong mạch này ta dùng loại LM335. D−ới đây là một số thông số kỹ thuật về LM 335.
- Đặc tính kỹ thuật
+ Hình dạng bên ngoài nh− sau:
+ Sơ chân nối của LM335 nh− sau:
Hình 4.5: Sơ đồ nối chân của LM335
V+ và V- là hai đầu nguồn đặt của cảm biến
ADJ là chân chuẩn điều kiện làm việc đầu ra của cảm biến
Hình 4.6: Cấu trúc bên trong của LM335 - Tính chất cơ bản của LM335:
+ LM335 có 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 nó có sai số không quá 1%. Với tầm đo từ 00C – 1280C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
+ Tiêu tán công suất thấp
+ Dòng làm việc từ 450m A – 5mA + Dòng điện ng−ợc 15mA
+Dòng điện thuận 10mA
+ Độ chính xác : khi làm việc ở nhiệt độ 250C với dòng làm việc 1mA thì điện áp ngõ ra từ 2,94V – 3,04V.
Với thông số kỹ thuật trên mà nhà sản xuất đ−a ra LM335 có đặc tính điện: Theo thông số của nhà sản xuất LM335, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra nh− sau:
= 2,73 + 0,01xT0C
Vậy ứng với tầm hoạt động từ 00C – 1000C ta có 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)
Tầm biến thiên điện áp t−ơng ứng là 1V với khoảng nhiệt độ từ 00C -1000C
Để tạo khoảng so sánh tín hiệu lấy ra ứng với điều kiện làm việc của môi 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 môi tr−ờng ngoài. Vì khoảng biến thiên điện áp của bộ cảm biến là 1V với khoảng biến thiên nhiệt độ từ 00C – 1000C. Trong khi đó, yêu cầu mạch đầu vào của PLC có mức điện áp từ 0V – 10V, vì vậy ta sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu điện áp, với hệ số khuếch đại 2 lần giúp cho việc lập trình đ−ợc đơn giản hơn.
- Mạch khuyếch đại
Sử dụng IC bán dẫn LM335 có độ nhạy là 10mV/0K ta có mạch khuyếch đại điện áp ra và chuẩn hoá điên áp đầu ra. Ta có sơ đồ mạch nh− sau:
+5V -5V -5V +5V +5V -5V +5V JH1 Analog Output 1 1 + - U2 OP07CP 3 2 1 8 6 7 4 R1 2.2K + - U1 OP07CP 3 2 6 7 C1 10u R4 10k 1 2 R3 2.2K R7 RESISTOR R8 RESISTOR 10u JP1 Nguon 1 2 3 C3 10u C2 10u R2 10k 1 3 2 + - U3 OP07CP 3 2 1 8 6 7 4 R6 RESISTOR D1 3 2 R5 RESISTOR
Hình 4.6: Sơ đồ mạch điện khuyếch đại tín hiệu của LM335
Mạch gia công thực hiện hai chức năng là khuyếch đại và hiệu chỉnh để tạo ra điện áp là 0V khi đo ở 00C.
Xét mạch ta thấy:
Các khuyếch đại thuật toán ta sử dụng loại OP07 là loại OA có phần bù thấp. U1 và U2 đóng vai trò là các bộ các bộ đệm điện áp lý t−ởng: có trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra rất nhỏ, không để các đầu vào ảnh h−ởng lẫn nhau.
Các tụ C1, C2, C3 và C4 có tác dụng chống nhiễu và ổn địmh nguồn nuôi cho mạch.
Ta có áp tại chân 2 của cảm biến LM335 là:
Vs = K*Ta[oK] = K*(273 + ta[oC]) với K = 10mV/0K Tại 00K, Vs = 0V, nên tại 00C => Vs = 2,73V.
ệ Vs = 2,73 + K*ta[oC].
để có giá trị điện áp ra của LM335 tại 00C là 2,73V, trong thực tế ta nhúng cảm biến vào n−ớc đá và hiệ chỉnh R4 cho đến khi điện áp ra của LM335 là 2,73V thì dừng. Do đó nhằm tạo ra điện áp đầu ra là 0V tại 0oC ta cần có khối trừ phần điện áp 2,73V tại 00C mà LM335 tạo ra. Biến trở R2 chính là phần bù trừ điện áp mà ta nói ở trên. U3 đóng vai trò là bộ cộng có khuyếch đại. Xét tr−ờng hợp nó tuyến tính, áp dụng ph−ơng pháp xếp chồng cho từng ngõ vào, ngắn mạch ngõ vào còn lại. Gọi Vout1 là ngõ ra của U3 ứng với ngõ vào đảo, Vout2 là áp ngõ ra của U3 ứng với ngõ vào không đảo. Hai thông số này đ−ợc tính nh− sau:
21 * 1 * 5 6 U out V R R V =− 1 2 * ) 8 7 ( * 5 ) 6 5 ( * 8 U out V R R R R R R V + + =
Nh− vậy điện áp đầu ra của U3 là:
Vout = Vout1 + Vout2 = 1 * 2 5 6 * ) 8 7 ( * 5 ) 6 5 ( * 8 U U V R R V R R R R R R − + + Chọn R5 = R7, R6 = R8 ta đ−ợc: Vout = *( ) *( ) 5 6 2 1 2 1 U V U U U V A V V V R R − = −
Suy ra điện áp tại đầu ra của mạch (JH1) sẽ thay đổi AV*10mV khi nhiệt độ thay đổi 10C .
Ta chon R6 = 22K và R5 = 10 K . Để tính chọn R3, ta xét điều kiện hoạt động của của LM335 ở nhiệt độ ta = 250C, IR = 1mA thì điện áp ngõ ra của LM335 là 2,98V. ệ R3 = − = KΩ mA V V 02 , 2 1 98 , 2 5 Chọn R3 = 2,2 K . ta cũng chọn R1 = 2,2K . 4.7.kết nối và chạy thử mô hình
.4.7.1 Sơ đồ kết nối chức năng của mô hình.
Hình4.7: Sơ đồ kết nối chức năng của mô hình Cảm biến nhiệt PLC Mạch điều khiển bằng Rơle Phần tử chấp hành
Cảm biến nhiệt có chức năng đo nhiệt độ của sản phẩm và khuyếch đại tín hiệu để đ−a vào PLC để PLC thực hiện chức năng điều khiển của mình đ−a ra các tín hiệu tới các cơ cấu chấp hành
PLC có nhiệm vụ thu nhập tín hiệu từ cảm biến, sau đó xử lý và đ−a quyết định điều khiển đến các cơ cấu chấp hành trong dây chuyền.
Mạch điều khiển bằng Rơle chính là các cơ cấu chấp hành nhằm tác động các phần tử chấp hành làm việc.
Phần tử chấp hành chính là các phần tử làm nhiệm vụ thực hiện các thao tác mà PLC điều khiển.
Từ việc nghiên cứu và thiết kế của đề tài, ta đi thực hiện ghép nối mô hình mô phỏng quá trình hoạt động của quá trình gia nhiệt. Cho mô hình chạy theo ch−ơng trình đ−ợc viết cho PLC ở trên. Do mô hình chỉ có tính chất mô phỏng lại quá trình gia nhiệt tại khâu tiệt trùng lên không có tính chất ứng dụng trong thực tế. Mô hình đã đáp ứng đ−ợc với yêu cầu của đề tài là mô phỏng lại công nghệ trong sản xuất.
Ch−ơng 5. kết luận và đề nghị
5.1. Kết luận.
Sau một thời gian nghiêm túc nghiên cứu và tim hiểu tài liệu, mặc dù gặp không ít khó khăn nh−ng với sự tận tình giúp đỡ của thầy giáo ThS. Phan Văn Thắng cùng với sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã cơ bản hoàn thành đề tài “ Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển quá trình gia nhiệt tại dây chuyền sản xuất n−ớc dứa cô đặc ” . Qua quá trình thực hiện đề tài tôi có một số kết luận nh− sau:
* Mặt tích cực
- Báo cáo đã nêu đ−ợc vai trò của tự động hoá cũng nh− các ứng dụng của nó trong quá trình sản xuất, đặc biệt là trong điều kiện n−ớc ta hiện nay.
- Qua quá trình thực hiện đề tài này chúng ta đã biết cách sử dụng phần mềm lập trình để lập trình điều khiển quá trình tự động hoá trong các dây chuyền sản xuất.
- Đề tài này còn giúp cho chúng ta hiểu đ−ợc sự khác nhau giữa lý thuyết điều khiển và thực tế của nó khi đem ứng dụng trong sản xuất thực tế.
- Đề tài cũng nêu đ−ợc vai trò và ứng dụng của cảm biến trong quá trình điều khiển, đồng thời cũng đ−a ra đ−ợc cách thiết kế, chế tạo một cảm biến đơn giản.
- Từ thực tế sản xuất và nghiên cứu phần mềm Simatic S7 – 200 đề tài đã xây dựng đ−ợc mô hình quá trình gia nhiệt trong dây chuyền sản xuất n−ớc dứa cô đặc.
* Mặt hạn chế
- Đề tài mới chỉ xây dựng mô hình điều khiển d−ới dạng bảng điều khiển nên mới chỉ thể hiện một cách t−ơng đối dây chuyền hoạt động của nó trong thực tế.
- Đề tài chỉ dừng lại việc xây dựng mô hình mô phỏng quá trình sản xuất do