Giáo trình Công nghệ và ứng dụng - Chương 1: Tổng quan về hệ thống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng. Ngày nay, cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp đã đặt ra yêu cầu đưa các công nghệ mới vào dây truyền sản xuất để nâng cao năng suất, tạo ra nhiều sản phẩm hơn, dần dần thay thế sức lao động con người trong dây truyền sản xuất, tạo ra nhiều sản phẩm, hạ giá thành, tăng sức canh tranh cho sản phẩm. Một trong những ứng dụng rộng rãi của công nghệ vào trong sản xuất ta có thể kể tới đó chính là: “Hệ thống chiết rót chất lỏng”. Nó được ứng dụng rộng dãi trong các ngành công nghiệp sản xuất nước giải khát, công nghiệp thực phẩm, các ngành liên quan đến dầu khí hóa lỏng,Hệ thống chiết rót chất lỏng được phát triển qua nhiều giai đoạn từ thủ công, bán tự động đến tự động hoàn toàn theo sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ. Nhằm phục vụ được nhu cầu sản xuất ngày càng khắt khe, hệ thống chiết rót chất lỏng được hoàn thiện hơn về mặt công nghệ củng như chất lượng và năng suất của hệ thống đảm bảo được 3 yếu tố cơ bản của một dây truyền sản xuất công nghiệp là: Giảm thiểu tối đa sức lao động con người vào quá trình sản xuất; hoạt động ổn định với độ chính xác cao trong quá trình sản xuất, an toàn với doanh nghiệp sử dụng công nghệ. Tùy vào nhu cầu và tính chất của chất lỏng cần rót (ví dụ: chất lỏng cần rót không có tính dẫn điện, không có tính chất ăn mòn; chất lỏng có dạng keo đặc sánh; ) mà hệ thống chiết rót có những bộ phận cấu thành khác nhau. Nhưng về cơ bản khâu rót chất lỏng gồm các thành phần sau: • Động cơ kéo băng tải. 1 • Hệ thống khởi động gồm 2 nút start, stop. • Bồn chứa chất lỏng cần rót • Các thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa thùng. • 2 van điều khiển để rót chất lỏng vào thùng và đưa chất lỏng vào bồn chứa. Để giúp hệ thống làm việc một cách tự động hóa hoàn toàn không thể không không nhắc tới vai trò hết sức quan trọng của các cảm biến được sử dụng trong hệ thống. Cảm biến mức dùng để điều chỉnh lượng chất lỏng trong bồn chưa; cảm biến lưu lượng dùng để đo lượng chất lỏng rót vào thùng; cảm biến ánh sáng dùng để xác định vị trí của các thùng chứa trên băng tải; Bên cạnh những ưu điểm của cảm biến là làm việc chính xác, an toàn và có độ tin cậy cao, ở mỗi hệ thống dây truyền sản xuất cần có sự giám sát của con người để đảm bảo dây truyền hoạt động an toàn, sữa chữa các thiết bị khi xảy ra sự cố nhằm giúp sản xuất không bị gián đoạn gây thiệt hại về kinh tế cho cho doanh nghiệp sử dụng dây truyền. 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống. Khi ấn nút khởi động start động cơ kéo băng tải bắt đầu làm việc, các thùng rỗng được đưa từ kho chứa thùng đặt lên băng tải, khi thùng chứa được đưa tới vị trí rót cảm biến quang thay đổi trạng thái làm rừng động cơ kéo đồng thời van 2 được mở ra, lúc này thiết bị cảm biến lưu lượng đặt ngay phía trên van 2 bắt đầu đếm lượng thể tích chất lỏng rót vào thùng, khi thể tích chất lỏng trong thùng đạt đến yêu cầu định trước, cảm biến lưu lượng đưa tín hiện phản hồi làm đóng van 2, trong quá trình rót nhờ vào cảm biến mức kiểm tra mực chất lỏng trong bồn chứa nhằm mở van 1 khi 2 lượng chất lỏng trong bồn không đủ để rót và đóng van 1 khi bồn chứa đã đầy. Hình 1.1: Mô phỏng khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1 Yêu cầu của đề tài Trong đề tài này chúng tôi đề cập tới khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp với loại chất lỏng có tính chất như sau: chất lỏng cần rót không có tính dẫn điện, không có tính chất ăn mòn hóa học. Về mặt yêu cầu: giám sát mức chất lỏng trong bồn chứa và mức chất lỏng rót vào thùng, vị trí các thùng trên băng tải. Đối tượng điều khiển là động cơ kéo băng tải, van 1, van 2, và thiết bị đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng tải. Các vấn đề cần giải quyết của đề tài: - Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng; - Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống; - Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống; 3 - Các phương án lựa trọn cảm biến trong hệ thống; - Trình bày về loại cảm biến lựa chọn; - Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến và tính toán sử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến đối tượng điều khiển; - Đánh giá về sai số của hệ thống ( giới hạn, nguyên nhân, biện pháp khắc phục). 2.2 Hướng giải quyết 2.2.1 Các cảm biến dùng trong hệ thống Đối với hệ thống chiết rót chất lỏng này chúng tôi sử dụng các loại cảm biến sau: - Cảm biến mức dùng để điều chỉnh lượng chất lỏng trong bồn chưa; - Cảm biến lưu lượng dùng để đo lượng chất lỏng rót vào thùng; - Cảm biến ánh sáng dùng để xác định vị trí của các thùng chứa trên băng tải. 2.2.2 Các phương án lựa chọn cảm biến 2.2.2.1 Cảm biến lưu lượng chất lỏng qua van a) Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Hình 2.1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc 4 của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra. Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy. Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy. Hình 2.1: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice). Bằng việc xác định áp suất trước tấm lỗ p1, áp suất sau tấm lỗ p2; ta xác định được sự chênh lệch áp suất trước và sau lỗ: Δp= p1-p2 Khi đó lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thức: Q=KΔp Với K là hệ số, phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ orifice. Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứng dụng công nghiệp cần lưu ý các điểm sau: - Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định- bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng. - Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp. - Độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ - Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm - Yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy. 5 Vì độ chính xác của loại cảm biến này không cao với những dãi đo thấp nên nó ít được dùng trong các khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp. b) Cảm biến lưu lượng điện từ Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình2.2). Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Điện áp này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được. Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC. Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệu xoay chiều. Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC. Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu. Do đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo. Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường là vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được. Bởi vậy, phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao. Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC. Hình 2.2: Cảm biến lưu lượng điện từ Khi đó điện áp cảm ứng được xác định theo công thức: E=KDBv Trong đó: B: từ trường; 6 D: chiều dài chất dẫn điện (khoảng cách 2 điện cực đo điện áp cảm ứng); V: vận tốc dòng chảy; K: hệ số. Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến các điểm sau: - Chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện; - Sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt; - Không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp; - Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như xi măng, thạch cao, vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắp đặt phía trong ống dẫn; - Độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng; - Giá thành cao hơn. Cảm biến loại này hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng từ trường nên chỉ thích hợp dùng để đo lưu lượng của những lưu chất có tính chất dẫn điện. c) Cảm biến lưu lượng Coriolis Đây là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến. Chúng thực hiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ống dẫn. Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạn cong (hình 2.3). Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắp đặt và bảo trì - bảo dưỡng nhưng thiết bị đo loại này rất nhạy cảm với nhiễu và tác động bên ngoài. Cấu trúc của ống đôi cong cho phép loại bỏ được nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống dẫn dòng chảy dao động ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu được nhiễu. Hình 2.3: Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta 7 Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài. Khi chất lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis. Dao động rung của các ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên các ống dẫn này. Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịch với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy trong ống dẫn đến phương chuyển động thẳng đứng. Các sensor điện cực đặt cả phía dòng chảy vào (Inlet pickoff) và phía dòng chảy ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δt) của tín hiệu vào (Inlet pickoff signal) và tín hiệu ra (Outlet pickup signal). Sự dịch pha này (Δt) được dùng để xác định trực tiếp lưu tốc khối lượng dòng chảy qua ống. Hình2.4 minh họa hoạt động của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng đứng im (No flow) và chất lỏng di chuyển (Flow) Hình 2.4: Minh họa hoạt động của cảm biến lưu lượng Coriolis. Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau: - Đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, hình dạng dòng chảy đến phép đo; - Độ chính xác cao; - Cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọng bởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua ống; 8 - Không đo được lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ như: chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt;) bởi vì các hạt/vật chất đặc biệt này làm giảm sự dao động của ống dẫn, gây ra sai số phép đo. d) Cảm biến lưu lượng siêu âm Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler được thể hiện trên hình 2.5. Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát thực hiện lan truyền sóng siêu âm với tần số f1=0.5-10MHz vào trong chất lỏng với vận tốc là v. Giả sử rằng hạt vật chất hoặc các bọt trong chất lỏng di chuyển với cùng vận tốc. Những hạt vật chất này phản xạ sóng lan truyền đến bộ thu với một tần số f2. Sai lêch giữa tần số phát ra và tần số thu về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc dòng chảy. Bởi vì loại cảm biến lưu lượng siêu âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của hạt vật chất trong chất lỏng, nên nó không làm việc được với các chất lỏng một pha, tinh khiết. Hình 2.5: Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa trên hiệu ứng Doppler. Khi đólưu lượng thể tích chảy qua đường ống được xác định theo công thức: Q=KΔ(f1,f2) Trong đó: f1: tần số sóng phát đi; f2: tần số sóng thu về; K: hệ số, phụ thuộc góc tới/phản xạ, vị trí vật chất phản xạ, mặt cắt ngang 9 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng (transit-time). Cảm biến loại này (hình 2.6) có thể cho phép đo lưu lượng đối với chất lỏng/khí rất sạch (không lẫn tạp chất). Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bị biến đổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm với trục của dòng chảy một góc xác định trước. Mỗi thiết bị biến đổi bao gồm bộ thu và bộ phát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau (thiết bị này phát thì thiết bị kia thu). Dòng chảy trong ống gây ra sự sai lệch thời gian của chùm sóng siêu âm khi di chuyển ngược dòng và xuôi dòng chảy. Đo giá trị sai lệch về thời gian của chùm sóng xuyên qua dòng chảy này cho phép ta xác định vận tốc dòng chảy. Sự sai lệch thời gian này vô cùng nhỏ (nano-giây), do đó cần phải dùng thiết bị điện từ, điện tử có độ chính xác cao để thực hiện phép đo, hoặc tiến hành đo trực tiếp thời gian này. Hình 2.6: Cảm biến lưu lượng siêu âm xuyên thẳng. Khi đó lưu lượng dòng chảy được xác định theo công thức: Q=K(t1-t2)/(t1.t2) Trong đó: t1: thời gian sóng xuyên qua dòng chảy xuôi dòng; t2: thời gian sóng xuyên qua dòng chảy ngược dòng; K: hằng số, phụ thuộc chiều dài đường âm thanh, tỉ số giữa trục và đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang. Khi lắp đặt cảm ứng loại này cần chú ý những điểm sau: - Cảm ứng lưu lượng dựa vào hiệu ứng doppler không đắt; - Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa ra kỹ thuật đo chất lỏng không dẫn điện và ăn mòn; 10 - Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp đặt gá, kẹp vào đường ống hiện tại, cho phép không cần cắt bỏ hoặc phá hủy một phần đường ống, loại bỏ đến tổi thiểu sự tác động con người đến chất lỏng độc hại và giảm sự bụi bẩn cho hệ thống; - Không có thành phần lắp đặt trong ống nên không làm ảnh hưởng tới tốc độ dòng chảy; - Điểm nổi bật của cảm biến siêu âm là kết quả phép đo độc lập với hình dạng dòng chảy; - Giá thành đắt và dòng chảy cần được điền đầy ống. 2.2.2.2 Cảm biến mức chất lỏng trong bể chứa Nhiệm vụ chính của loại cảm biến này nhằm xác định mức độ, thể tích hoặc khối lượng chất lỏng trong bồn chứa. Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng. Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: - Phương pháp thủy tỉnh dùng biến đổi điện; - Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu; - Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu. a) Cảm biến độ dẫn Cảm biến độ dẫn ( hình 2.7) dùng để đo mức chất lỏng có tính chất dẫn điện. Hình 2.7a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện. Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V. Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực được nhúng chìm trong chất lỏng. Hình 2.7b chỉ sử dụng một điên cực, điện cực thứ 2 là bình chứa bằng kim loại. Hình 2.7c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực gắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình bằng kim loại, vị trí của các điện cực ngắn tương ứng với một ngưỡng. Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về mặt biên độ. 11 Hình 2.7: Cấu tạo và nguyên lý đo mức bằng phương pháp điện Do đặc điểm của loại cảm biến này là chỉ đo được mức của những chất lỏng có tính chất dẫn điện nên nó không thích hợp với mục đích và yêu cầu của đề tại này đó là chất lỏng không có tính chất dẫn điện, không có tính chất ăn mòn. b) Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cự hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành bình chứa làm bằng kim loại. Chất điện môi giữa hai điện cực chính là mức chất lưu được chuyền thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa. Điều kiện để áp dụng phương pháp này là: hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí ( thường là gấp đôi). Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loai ở bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò là chất cách điện môi còn chất lưu đóng vai trò làm điện cực thứ hai. c) Cảm biến bức xạ Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh. Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt ở hai phía của bình chứa. Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ (nguồn 60Co hoặc 137Cs) bộ thu là một buồng ion hóa. Ở chế độ phát hiện 12 ngưỡng (hình 2.8a), nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song. Tùy thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến độ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng. Ở chế độ đo liên tục (hình 2.8b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra và bộ thu. Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra tử bộ thu giảm theo. Mức độ suy gảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa. Hình 2.8: Cấu tạo và nguyên lý cảm biến bức xạ d) Cảm biến áp suất vi sai Đo lưu lượng bằng cảm biến áp suất vi sai (phương pháp thủy tĩnh) có cấu tạo như (hình 2.9), dùng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình chứa. Một mặt chịu áp suất của mức chất lưu gây ra: p= p0 + ρgh Trong đó: p - áp suất của chất lưu đặt lên màng; p0 - áp suất ở đỉnh bồn chứa; h - chiều cao của chất lưu trong bồn chứa; ρ - khối lượng riêng của chất lưu. Mặt còn lại của màng cảm biến chịu áp tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh bình chứa. Đội chênh lệch áp suất p-p0 sinh ra lực tác dụng lên màng của 13 cảm biến làm nó biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bồn chứa, được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ bộ biến đổi điện. Hình 2.9: Cảm biến áp suất vi sai 2.2.2.3 Cảm biến quang xác định vị chí thùng trên băng tải a) Cảm biến quang loại phản xạ (Retro-Reflective or Reflex) Cảm biến quang loại phản xạ có bộ phát và nhận tích hợp trung trong một bộ vỏ hay gọi là 2 trong 1. Vị trí của hai bộ phận này song song nhau (hình 2.10) Một thành phần khác của loại cảm biến này là bộ phận phản xạ (Reflector). Ánh sáng được chiếu tới bộ phận phản xạ và quay trở lại bộ phận tiếp nhận. Khi có đối tượng chặn ánh sáng, ngõ ra của cảm biến thay đổi trạng thái. Các đối tượng được nhận biết khi ánh sáng bị ngắt không phản xạ lại. Khoảng cách phát hiện lớn nhất của các cảm biến Siemens loại thu phát chung vỏ là 35 feet (khoảng 10 m). Hình 2.10: Cảm biến quang loại phản xạ 14 Về đặc điểm của loại cảm biến phản xạ này: - Độ tin cậy cao; - Giảm bớt dây dẫn; - Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng. b) Cảm biến quang thu phát độc lập (Thru-Beam) Cảm biến quang loại Thru-Beam là loại cảm biến có phần phát và phần thu ở trong hai bộ phận độc lập nhau và đặt đối diện nhau (hình 2.11). Giả sử khi tia sáng đi trực tiếp từ phần phát đến phần thu thì trạng thái ở ngõ ra của phần nhận ở mức thấp (mức 0). Khi có đối tượng xuất hiện ở vị trí đường đi của tia sáng lúc đó ánh sáng không tới được phần nhận, trạng thái ngõ ra của bộ phận nhận sẽ thay đổi thành mức cao (mức 1). Đến khi đối tượng không còn cản trở tia sáng nửa, thì trạng thái ngõ ra trở lại mức thấp. Loại cảm biến này thường dùng ánh sáng là tia hồng ngoại, vì sử dụng loại tia hồng ngoại thì ảnh hưởng của vùng ánh sáng nhìn thấy được, của bịu, của bẩn giảm ở mức nhỏ nhất, hơn nữa không ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Hình 2.11: Cảm biến quang loại Thru-Beam Đặc điểm của loại cảm biến quang thu phát độc lập (thru-Beam): - Độ tin cậy cao; - Thích hợp để phát hiện các đối tượng mờ đục, không trong suốt (chắn sáng) hay các đối tượng có tính phản chiếu; - Tầm hoạt động xa, một số cảm biến đặc biệt có khả năng hoạt động lên đến cự ly 274 mét; 15 - Khoảng cách phát hiện xa; - Không bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc đối tượng. 2.3 Lý do lựa chọn cảm biến Qua những phân tích về từng loại cảm biến có trong hệ thống chiết rót chất lỏng ở trên chúng tôi đã đi tới quyết định chọn những cảm biến sau: 2.3.1 Cảm biến lưu lượng Cảm được lựa chon: Cảm biến đo lưu lượng bằng sóng siêu âm transit-time. Lý do lựa chọn: - Thích hợp để đo lưu lượng của chất lỏng không có tính dẫn điện, không có tính chất ăn mòn hóa học; - Đo được những chất lỏng/khí cực sạch, chất lỏng không lẩn tạp chất; - Không có thành phần lắp đặt trong ống nên không làm ảnh hưởng tới tốc độ dòng chảy; - Độ chính xác cao, không phụ thuộc vào hình dáng dòng chảy. 2.3.2 Cảm biến mức chất lỏng Cảm biến được lựa chọn: Cảm biến áp suất vi sai dạng màng Lý do lựa chon: - Thích hợp để đo lưu lượng của chất lỏng không có tính dẫn điện, không có tính chất ăn mòn hóa học; - Đo liên tục mức chất lỏng trong bồn chứa mà không bị ảnh hưởng của bọt khí cũng như sóng của chất lỏng tạo ra trong quá trình cấp thêm chất lỏng vào bồn chứa. - Cấu tạo đơn giản. 2.3.3 Cảm biến quang xác định vị trí các thùng trên băng tải Cảm biến được lưu chọn: Cảm biến quang loại phản xạ (Retro-Reflective or Reflex) Lý do lựa chọn: 16 - Thích hợp để lắp đặt trong hệ thống chiết rót do môi trường hoạt động tương đối sạch, ít bụi bẩn do đó không làm ảnh hưởng đến bộ phận phản xạ của cảm biến; - Độ rộng của thùng chứa chỉ là 0.5 mét nên cảm biến có thể hoạt động chính xác, độ tin cậy cao; - Có thể phát hiện ra các thùng chứa trong suốt, mờ, bóng loáng; - Giảm bớt được dây dẫn so với cảm biến quang thu phát độc lập. 2.4 Vị trí lắp đặt và tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến 2.4.1 Vị trí lắp đặt cảm biến Hình 4.1: Vị trí lắp đặt cảm biến 2.4.2 Tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến a) Tính toán cho cảm biến lưu lượng 17 Như chúng tôi đã đề cập tới ở mục 2.3.1, loại cảm biến phù hợp với dây truyền chiết rót chất lỏng công nghiệp là cảm biến đo lưu lượng siêu âm transit-time, trở lại với các bước tính toán. Các thùng chứa chất lỏng hình lập phương có chiều cao 0,5m vậy thể tích của thùng là: 0,5.0,5.0,5=0,125(m3) Bể chứa chất lỏng mà chúng tôi đang xết đến ở đây có dạng hình lập phương cao 2m, vậy thể tích của bể chứa là: V=2.2.2= 8m3 Hiện nay, cảm biến đo lưu lượng bằng sóng siêu âm rất phổ biến.Trong tài liệu này chúng tôi quyết định sử dụng cảm biến FDT-81(hình 4.2) cho phép hiển thị trực tiếp lưu lượng chất lỏng qua van 1trên màn hình của cảm biến. Dưới đây là một số thông số kỹ thuật của cảm biến FDT-81. • Nguồn cung cấp : pin 12 (v) hoạt động trong 24h và có thể sạc lại • Nhiệt độ làm việc: 200c -800c • Đơn vị đo : m3 , lít • Đầu ra : Analog 4-20mA, tối đa 2 mô- đun • Tiêu chuẩn Vật liệu cảm biến: CPVC, Ultem ® và Nylon • Màn hình hiển thị: 128×64 điểm đồ họa LED,LCD • Sai số : ± 0,5% • Dải đo : 1500 lít/h = 0,42 lít/s 18 Hình 4.2: Cảm biến FDH-1 Ta có thể lập được sơ đồ khối mô tả quy trình tính toán và sử lý số liệu ra vào cảm biến như sau: Hình 4.3: Sơ đồ khối quá trình tính toán và sử lý số liệu ra vào của cảm biến 19 Từ sơ đồ khối ta có thể xác định được tín hiệu đầu vào là sóng siêu âm phát ra từ thiết bị sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy,tín hiệu đầu ra là sóng siêu âm thu về dựa vào sự chênh lệch thời gian của sóng siêu âm xuôi dòng và sóng siêu âm ngược dòng ta có thể đo được lưu lượng thể tích qua ống theo công thức: Q=K(t1-t2)/(t1.t2) Trong đó: t1 - thời gian sóng xuyên qua dòng chảy xuôi dòng t2- thời gian sóng xuyên qua dòng chảy ngược dòng K - hằng số, phụ thuộc chiều dài đường âm thanh, tỉ số giữa trục và đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang. Thời gian để chất lỏng chảy đầy vào 1 thùng: T1= Như vậy,để phép đo được chính xác ta phải đưa vào trong hệ thống thu và phát sóng siêu âm một sóng siêu âm với tần số f1=0,5-10MHz vào trong chất lỏng với vận tốc V. Ta có thể sử dụng một bộ đếm xung(tương tự một tần số kế chỉ thị số) ở bộ thu sóng siêu âm để đo tần số sóng siêu âm phát ra và thu về và thực hiện các bước tính toán để tính được số xung thu được từ bộ thu và phát sóng.Ta sẽ đưa phép đo về đo tần số để thực hiện tính toán. Từ số xung mà bộ đếm xung đếm được ta hoàn toàn có thể tính được độ chênh lệch thời gian giũa sóng siêu âm xuôi dòng và sóng siêu âm ngược dòng từ đó tính được lưu lượng thể tích qua ống Q Bộ đếm xung hoạt động trên nguyên lý đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ của tần số cần đo fx trong khoảng thời gian gọi là thời gian Tdo Trong khoảng thời gian Tdo ta đếm được N xung tỷ lệ với tần số fx cần đo 20 Hình 4.4: Sơ đồ khối của bộ đếm xung sử dụng phương pháp biến đổi thẳng ở đầu vào là “bộ vào” bao gồm một bộ khuếch đại dải rộng với dải tần từ 10Hz đến 10MHz và một bộ suy giảm tín hiệu mục đích để hòa hợp tần số kế với nguồn tín hiệu có tần số cần đo. Đồng thời để khuếch đại hay hạn chế điện áp vào đến giá trị đủ để kích mạch tạo xung làm việc. Mạch tạo xung có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung có chu kỳ thành một dãy xung có biên độ không đổi (không phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu vào nhưng tần số của nó bằng tần số của tín hiệu vào (hình 4.5) 21 Hình 4.5: Biểu đồ thời gian xung Tín hiệu có tần số f0 được đưa qua bộ chia tần theo các nấc với hệ số chia là 10n tần số chuẩn f0=10MHz, được chia đến 0,001Hz. Nghĩa là ở đầu ra của mạch điều khiển theo 10n (n=1,2,..9) ta có thể nhận được khoảng thời gian T- do=10-6; 10-5; 10-4; 10-3; 10-2;10-1; 1; 10; 100s. Thời gian này sẽ điều khiển để mở khóa K(khóa có 2 đầu vào).Tín hiệu fx theo đầu vào thứ 2 sẽ đi vào bộ đém ra cơ cấu chỉ thị. Số xung đếm được là: N===K Trong đó:Tdo=1s;Tx=;f0=50Hz Ta tính được K=5.10-11; N=1.106 xung Sau khoảng thơì gian T (thời gian chất lỏng chảy đầy 1 thùng chứa)tương ứng với số xung đếm được là : N= .106(xung) Tín hiệu từ bộ điều khiển sẽ khóa van 2 lại, sau khoảng thời gian trì hoãn là ∆T van 2 sẽ được mở ra và tiếp tục rót chất lỏng vào thùng chứa.Thời gian trì hoãn ∆T phụ thuộc vào độ dài của băng truyền và khoảng cách giữa các thùng. Nếu thời gian đo là 1s thì số xung N (tức là số chu kỳ) sẽ chính là tần số cần đo: fx=N Mạch điều khiển phụ trách việc điều khiển qua trình đo; đảm bảo thời gian biểu thị kết quả đo cỡ từ 0.3÷5s trên chỉ thị số; xóa kết quả đo đưa về trạng thái 0 ban đầu trước mỗi lần đo; điều khiển chế độ làm việc: tự động, bằng tay hay khởi động bên ngoài; chọn dải tần số (cho ra xung mở kháo K) và cho xung điều khiển máy in số. Bộ hiện số thường có nhiều digit (hàng đơn vị, hàng trục, hàng trăm) bảo đảm chỉ thị toàn bộ dải tần số cần đo. Sai số tương đối phép đo tần số được tính như sau: γf==+ 22 Thành phần phụ thuộc vào tỉ số thời gian đo và chu kỳ của tín hiệu cần đo T x- =. Sai số lượng tử theo thời gian là do quá trình không trùng nhau giữa thời điểm bắt đầu thời gian Tdo và thời điểm bắt đầu thời gian Tx.Nếu Tdo và Tx là bội số của nhau thì sai số ∆N=0, nếu Tx và Tdo không là bội số của nhau thì sai số lớn nhất của quá trình lượng tử hóa ∆N±1 xung thuộc dãy bé nhất của bộ đếm. Thành phần thứ 2 của sai số là được xác định bởi đọ biến động của tần số chuẩn f0 từ máy ra cửa sổ Tdo.Sai số cỡ 10-7 và được tính là: ==γt0 Vậy sai số phép đo là: =+=+γt0 = + γt0 Nếu γt0 = 10-7 thì: γfx=100=± (+10-7)= 10% Với fx=10MHz. Như vậy sai số phép đo chủ yếu là do độ không ổn định của tần số máy phát âm chuẩn f0 .còn khi đo tần số thấp sai số chủ yếu là sai số lượng tử. Sử dụng cảm biến đo lưu lượng chất lỏng transit-time giá thành đắt và dòng chảy cần được điền đầy ống, không đo được loại chất lỏng có tính dẫn diện và ăn mòn hóa học ,cảm biến loại này thường được lắp đặt bên ngoài đường ống dẫn chất lỏng nên rất dễ bảo trì .Tuy nhiên khi sử dụng cảm ứng loại này cho kết quả đo chính xác với sai số không quá lớn, điểm nổi bật của cảm biến siêu âm là kết quả phép đo độc lập với hình dạng dòng chảy không có thành phần lắp đặt trong ống, không làm giảm áp lực dòng chảy qua van. b) Cảm biến mức chất lỏng trong bể chứa Trong hệ thống chiết rót chất lỏng này, ta dùng cảm biến siêu âm đặt ngay ở trên nắp thùng Hình 4.5: Cảm biến siêu âm đo mực nước Chiều cao mực nước gây ra chiều cao H: 23 L= 344 × 0.5T H= 5 - L Trong đó: T là thời gian sóng âm truyền đi và trở lại L là chiều cao của thể tích bồn rỗng H là chiều cao mực nước có trong bồn rỗng Cảm biến cụ thể ta sử dụng ở đây là: cảm biến siêu âm Model: SmartScan50 hãng sản xuất Solidat Hình: 4.6 Cảm biến sử dụng Tần số 50KHz Đơn vị đo là m hoặc tùy chọn 24 -Khoảng đo sâu: 0.4 to 12 m -Độ chính xác: ±0.20% thang đo hoặc 2.4cm -Độ phân giải: 1mm -Cáp nối từ sensor đến bộ điều khiển dài 10m tiêu chuẩn. -Màn hình LCD, hiển thị mực nước (hoặc môi chất khác) -Cấp bảo vệ NEMA 4X (IP65 theo chuẩn EN60529) -Vỏ bằng vật liệu ABS, polycarbonate -Số kênh vào :01 -Nguồn điện: 110/240VAC (option 24VDC) Hình 4.7: Tag hiển thị mức chất lỏng trong bể chứa Trong đó: - Tín hiệu kích hoạt, nên sử dụng các “Cờ” có liên quan đến Khởi động động cơ bơm hoặc liên quan đến Mở van; - Tín hiệu dừng, nên sử dụng các “Cờ” có liên quan đến sự đóng-cắt các cặp tiếp điểm của cảm biến mức. Có thể tùy chọn các mức Cao (H), quá Cao (HH), Thấp (L) hoặc quá Thấp (LL) theo từng yêu cầu cụ thể thực tế; Ngõ ra output 25 -Tín hiệu ra tương tự 4-20mA, max 750ohm -Cổng RS232 (option RS485) -Ngõ ra số : 5 SPDT relays rate 250VAC@5A Đầu đo Transducer -Khoảng đo: 0.4 to 12 m -Kích thước: đk 67mmx 160mm -Nhiệt độ hoạt động: -40 ~90oC -Góc phản xạ: 8o tại -3dB -Chống nổ: tiêu chuẩn EEX dII T6, IP 67 c) Tính toán cho cảm biến quang Trong đề tài này chúng tôi sử dụng cảm biến quang loại phản xạ gương 4m, tên mã sản phẩm: E3Z-R61 2M 26 Hình 4.8: Cảm biến quang E3Z-R61 2M Thông số kỹ thuật của cảm biến quang E3Z-R61 2M: - Nguồn cấp: 12~24VDC 10%; - Thời gian đáp ứng: 1ms; - Điều chỉnh độ nhạy: biến trở điều chỉnh độ nhạy; - Ngõ ra: NPN, 26.4 VDC max, 100mA max - Chọn ngõ ra: Light-ON/ Dark-ON - Nguồn sáng: Red Led (660 nm) - Tính năng bảo vệ: Ngắn mạch ngõ ra, nối ngược cực nguồn cấp, nối ngược cực ngõ ra; chống tác động lẫn nhau; - Kiểu đấu nối: dây dài 2m; - Cấp độ bảo vệ: IP67; d) Khi rót xong từ kho được đẩy ra - Ở kho ta điều chỉnh đẩy thùng ra bằng motor bước, khi cảm biến quang cho tín hiệu dừng động cơ băng tải thì motor bước mỗi xung điện làm cho motor quay một bước. Motor bước được điều khiển bởi một bộ điều khiển đưa xung đến motor làm cho nó quay. Motor bước chuyển tín hiệu điện thành số vòng quay. Và có thể điều khiển rất chính xác trong điều kiện nó sẽ quay nhanh như thế nào và bao xa. Motor bước có tên như vậy bởi vì mỗi xung điện làm cho motor quay một bước. Motor bước được điều khiển bởi một bộ điều khiển đưa xung đến motor làm cho nó quay. Số xung làm motor quay bằng với số xung cung cấp cho bộ điều khiển. 27 Motor sẽ quay với tốc độ bằng đúng tần số của những xung đó. Autonics có dải rộng các loại motor bước 2 & 5 pha mang đến sự điều khiển và hoạt động đáng tin cậy, cực kỳ chính xác cho các thiết bị công nghiệp như SMT cho vật liệu bán dẫn, thiết bị có liên quan đến văn phòng & máy tính, thiết bị y tế và nhiều hơn thế. Chương 3: Kết Luận Trên đây là toàn bộ bài làm của chúng em về đề tài: khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp Với bài làm trên chúng em đã đạt được một số kết quả cũng như vẫn gặp một số hạn chế như sau: 3.1 Kết quả đạt được Với bản thân: • Nâng cao được kỹ năng làm việc nhóm • Tích lũy thêm một số kiến thức bổ ích về môn:Đo lường và cảm biến Với bài làm: • Phân tích được một cách khái quát về công nghệ chiết rót chất lỏng trong công nghiệp và một số công nghệ về cảm biến được sử dụng trong hệ thống • Xây dựng một hệ thống chiết rót chất lỏng với đầy đủ các công nghệ thiết yếu 3.2 Các hạn chế khi thực hiện • Do kiến thức còn hạn chế nên bài làm không được đầy đủ, sơ sài về nội dung. Bố cục bài làm còn nhiều thiếu xót • Chưa có đầy đủ kiến thức từ thực tế nên bài làm còn nhiều sai sót 3.3 Biện pháp khắc phục • Chúng em đã tìm hiểu nhiều nguồn tài liệu khác nhau để bổ xung vào bài làm • Chúng em đã làm hết sức mình để hệ thống sát với thực tế nhất 28 Chúng em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ thầy cô để hoàn thiện thêm về đề tài này. MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ...1 1.1 Tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chấtlỏng......1 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống.... 2 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN .3 2.1 Yêu cầu của đề tài . 3 2.2 Hướng giải quyết ........................4 2.2.1 Các cảm biến dùng trong hệ thống 4 2.2.2 Các phương án lựa chọn cảm biến.....4 2.2.2.1 Cảm biến lưu lượng chất lỏng qua van .4 2.2.2.2 Cảm biến mức chất lỏng trong bể chứa ..........11 2.2.2.3 Cảm biến quang xác định vị chí các thùng..........14 2.3 Lý do lựa chọn cảm biến .16 2.3.1 Cảm biến lưu lượng ..................16 2.3.2 Cảm biến mức chất lỏng16 2.3.3 Cảm biến quang xác định vị chí các thùng..16 2.4 Vị trí lắp đặt và tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến.......17 29 2.4.1 Vị trí lắp đặt17 2.4.2 Tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến..............17 Chương 3: KẾT LUẬN ...28 3.1 các kết quả đạt được ..28 3.2 Các hạn chế khi thực hiện .....28 3.3 Biện pháp khắc phục 28 30