Môn học kỹ thuật đo lường và lý thuyết đktđ trong cn thực phẩm bài 1 đo lường và điều khiển nhiệt độ môi chất lỏng

- Thiết bị gia nhiệt: Thanh gia nhiệt - Bộ điều khiển và hiển thị: Thiết bị điều kiển theo chế độ ON/OFF + Nguyên lý hoạt động - Sau khi cấp nước ổn định về thể tích thì tiến hành thí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

 -

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Mã lớp học lý thuyết: 133698

Môn học: Kỹ thuật đo lường và lý thuyết ĐKTĐ trong CN Thực phẩm

Mã học phần: BF3534

Học kỳ: 20212

Sinh viên thực hiện: Trần Thị Tuyết - 20190604

Nhóm thí nghiệm: N05

Hà Nội, 7/2022

MỤC LỤC

BÀI 1: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT LỎNG 1

I Mục đích thí nghiệm 1

II Cơ sở lý thuyết 1

III Kết quả tính toán 2

1 Vẽ đặc tính quá độ của đối tượng 3

2 Tính toán hàm truyền đối tượng 3

VI Tổng kết 4

BÀI 2: ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ 5

I Mục đích thí nghiệm 5

II Cơ sở lý thuyết 5

1 Khái niệm 5

2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo trong của đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học 6

3 Đặc điểm hình dạng bên ngoài và lưu ý lắp đặt của cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp điện học 8

III Kết quả thí nghiệm 11

1 Tính toán xử lý số liệu: 12

2 Đồ thị lượng ẩm theo thời gian 12

3 Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ và lượng ẩm 13

IV Tổng kết 14

BÀI 3: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG VÀ ĐO ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM 15

I Mục đích bài thí nghiệm 15

II Cở sở lý thuyết 15

III Kết quả thí nghiệm 16

IV Tổng kết 17

BÀI 1: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT LỎNG

Ngày thực hiện: 02/05/2022

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Tuấn Linh

I Mục đích thí nghiệm

- Nắm được cơ sở lý thuyết về nguyên lý thay đổi điện trở suất của kim loại khi thay đổi nhiệt độ và mạch đo của thiết bị đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở

- Kiểm tra khả năng bám nhiệt độ đặt

- Quan sát thiết bị đo, biết cách làm thí nghiệm, tính toán và xử lý số liệu

II Cơ sở lý thuyết

Thiết bị và nguyên lý hoạt động

- Cảm biến: PT 100 được cấu tạo từ kim loại Platinum, được quấn tùy theo hình

dạng của đầu dò nhiệt, có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ

- Thiết bị gia nhiệt: Thanh gia nhiệt

- Bộ điều khiển và hiển thị: Thiết bị điều kiển theo chế độ ON/OFF

+) Nguyên lý hoạt động

- Sau khi cấp nước ổn định về thể tích thì tiến hành thí nghiệm

- Chọn nhiệt độ muốn cấp cho nước Tsp = 63oC rồi bật máy ở chế độ AUTO

- Thông tin về nhiệt độ của nước sẽ thông qua cảm biến truyền đến bộ điều khiển

và hiển thị

C

Bộ điều khiển và hiển thị

A

Thiết bị gia nhiệt

ĐTĐK

Nước

S

Cảm biến

T SP

-y

+ Nếu nhiệt độ nước ra không đạt: Tpy < Tsp cảm biến sẽ báo cấp nhiệt → bộ điều khiển bật nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → thanh gia nhiệt truyền nhiệt cho nước

+ Nếu nhiệt độ nước vượt xa Tpy >Tsp cảm biến sẽ báo ngừng cấp nhiệt → bộ điều khiển sẽ ngừng cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → thanh gia nhiệt ngừng truyền nhiệt cho nước

Kết luận:

Yêu cầu điều khiển:

- Cảm biến phải có dải đo lớn hơn hoặc bằng dải đo của bài thí nghiệm

- Cảm biến có khả năng truyền xa để đưa thông tin về bộ điều khiển

- Bộ điều khiển tự động nhận tín hiệu từ cảm biến và thực hiện bật/ tắt nguồn

- Bộ điều khiển có một rơ – le thường mở Khi cần cấp nhiệt thì rơ – le đóng, thiết

bị gia nhiệt được nối với nguồn, thanh gia nhiệt cấp nhiệt Khi đủ nhiệt thì rơ –

le trở về trạng thái mở, mạch của thiết bị gia nhiệt với nguồn hở, thanh gia nhiệt ngừng cấp nhiệt

III Kết quả tính toán

Nhiệt độ đặt: 63°C

Nhiệt độ bình trước khi khởi động hệ thống điều khiển: 31°C

Bảng kết quả thí nghiệm

STT

Thời gian

t (s)

Nhiệt độ T

Thời gian

t (s)

Nhiệt độ T ( o C)

Sau 10 phút, nhiệt độ không thay đổi

1 Vẽ đặc tính quá độ của đối tượng

Hình a: Đáp ứng quá độ của đối tượng quán tính bậc nhất có trễ

2 Tính toán hàm truyền đối tượng

− Giá trị xác lập của đáp ứng bước: y (∞) = 63

− u0 là độ lớn của xung bậc thang đầu vào Chọn u0 =1

− Hệ số truyền:

63 63 1

o

y K u



− Hệ số quán tính: T= Ta= AC = 929-25 = 904

− Thời gian trễ: τ = 25 (s)

➔ Mô hình quán tính bậc nhất trễ có dạng:

25

( )

O s



− −

VI Tổng kết

− Qua bài biết các thực hiện các thao tác thí nghiệm, xử lý và tính toán số liệu và

từ đồ thị biết được đặc tính đối tượng có trễ hay không có trễ

BÀI 2: ĐO LƯỜNG ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ

Ngày thực hiện: 09/05/2022

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Tuấn Linh

I Mục đích thí nghiệm

- Nắm được cơ sở lí thuyết vê các khái niệm cơ bản liên quan đến độ ẩm không khí và nguyên lí hoạt động, cấu tạo của đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học

- Tìm hiểu tương quan nhiệt độ, độ ẩm tương đổi và lượng ẩm

II Cơ sở lý thuyết

1 Khái niệm

Quá trình bay hơi: Ở một nhiệt độ bất kỳ trên bề mặt các chất lỏng luôn luôn

xảy ra hiện tượng một số phần tử có động năng lớn thắng được lực hút giữa các

phân tử và thoát khỏi khối chất lỏng và “bay hơi” khỏi khối chất lỏng Cường độ

bay hơi phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và các thông số trạng thái của chất lỏng:

áp suất và nhiệt độ Quá trình nảy ra ở mọi nhiệt độ trên bề mặt thoáng của khối chất lỏng

Quá trình sôi: Quá trình sôi là quá trình hóa hơi xảy ra trong toàn bộ khối chất

lỏng (không chỉ ở bề mặt) Nó xảy ra ở một nhiệt độ nhất định phụ thuộc vào áp suất và bản chất chất lỏng (nhiệt độ sôi tăng với áp suất lớn: Ts = f(p) có đạo hàm dương) Nhiệt độ ứng với trạng thái lúc chất lỏng sôi tại những áp suất nhất định gọi là nhiệt độ sôi

Quá trình ngưng tụ: Quá trình ngưng tụ là quá trình ngược lại với quá trình

bay hơi, trong đó hơi nước nhả nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng Trong quá trình ngưng tụ nếu duy trì áp suất không đổi thì nhiệt độ môi chất cũng không thay đổi

Trạng thái bão hòa Khi chất lỏng ở trong một không gian nào đó có nhiệt độ

và áp suất của chúng đạt đến giá trị nhất định (ts; ps) thì đồng thời với quá trình bay hơi có quá trình ngưng tụ Nếu tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ, thì hỗn hợp hai pha (lỏng và hơi) đó sẽ ở trạng thái cân bằng động Trạng thái đó gọi

là trạng thái bão hòa

Độ ẩm: Độ ẩm là đại lượng đặc trưng cho lượng hơi nước tồn tại trong không

khí, có hai loại độ ẩm là độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm được biểu diễn dưới dạng độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm tuyệt đối ρ (kg/ m3) là khối lượng hơi nước (kg) có trong một không khí có thể tích V=1m3, với công thức ước lượng dưới đây:

Trong đó: Gh là khối lượng hơi nước hòa tan trong 1m3 không khí,

Trong đó: Gmax là lượng hơi nước cực đại có thể hòa tan trong 1m3 không khí có

cùng nhiệt độ T xác định

Khi ấy, ta có công thức sau:

Với trạng thái độ ẩm tương đối đạt 100%, không khí bão hòa hơi nước: nước không thể bốc hơi tiếp vào trong khối không khí Nếu nhiệt độ không khí tk < 100

oC thì khi tăng nhiệt độ lên, khả năng hòa tan hơi nước vào không khí tăng lên (Pmax tăng lên) Như vậy khi tk < 100oC thì khi tăng nhiệt độ có thể chuyển trạng thái không khí bão hòa hơi nước sang không bão hòa Ngược lại khi giảm nhiệt

độ thì có thể chuyển trạng thái không khí không bão hòa hơi nước sang trạng thái bão hòa hơi nước

2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo trong của đầu đo độ ẩm theo phương pháp điện học

Nguyên tắc cơ bản của các phép đo điện học là dựa trên sự biến đổi các thông

số điện học của đầu đo khi độ ẩm thay đổi, các thông tin đo khi ấy sẽ biến đổi theo

và phản ánh sự biến đổi trên Tuy nhiên, hầu hết các thông số điện học của các cảm biến này cũng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của không khí cần đo độ ẩm Chính vì vậy, các dụng cụ đo hoạt động theo phương pháp này luôn được tích hợp

thêm các dụng cụ đo nhiệt độ như Hình 2.1 dưới đây Các tín hiệu gửi về các bộ

hiển thị và bộ điều khiển thường gửi kèm cả tín hiệu nhiệt độ để xác định các thông số khác như độ chứa ẩm của khối không khí, độ ẩm tuyệt đối,

Hình 2.1 Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm tích hợp trên cùng một phiến

Các cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp này có hai loại phổ biến:

Cảm biến đo có điện trở biến thiên theo độ ẩm hay còn được gọi là ẩm kế điện trở có nguyên lý sau: điện trở của vật liệu cách điện sẽ xác định được độ ẩm của nó, mà độ ẩm của vật liệu lại trực tiếp phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường không khí bao quanh nó Mối quan hệ giữa điện trở với độ ẩm tương đối thường

có dạng hàm mũ với hệ số mũ âm như ở trên hình dưới đây (Hình 2.2)

Đặc trưng của mối quan hệ là sự suy giảm nhanh chóng của điện trở khi độ

ẩm vật liệu tăng lên do độ ẩm không khí môi trường tăng lên

Có thể sử dụng nguyên lý tạo sự cân bằng áp suất hơi nước trong khí quyển

và áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt chất hút ẩm bằng cách thay đổi nhiệt độ của chất hút ẩm

Hình 2.2 Quan hệ điện trở với độ ẩm tương đối

Hình 2.3 Quan hệ điện dung với độ ẩm tương đối

Cảm biến có điện dung biến thiên theo độ ẩm hay còn được gọi là ẩm kế tụ điện polyme Ẩm kế tụ điện sử dụng điện môi là một màng mỏng polyme có khả

năng hấp thụ phân tử nước Hằng số điện môi tương đối εr của lớp polyme thay đổi theo độ ẩm, do đó điện dung của tụ điện polyme phụ thuộc vào giá trị độ ẩm này Điều này hoàn toàn dễ hiểu và có thể giải thích thông qua công thức tính điện dung C của tụ điện như sau:

Trong đó: εr là hằng số điện môi màng polyme, ε0 là hằng số điện môi chân không, A là diện tích bản cực, còn L là chiều dày của màng polyme

Quan hệ giữa điện dung và độ ẩm tương đối được biểu thị như trên Hình 1.3 Quan hệ trên có thể được xấp xỉ hồi qui thành dạng quan hệ tuyến tính với hệ

số biến thiên của điện dung theo độ ẩm tương đối phụ thuộc vào nhiệt độ

Hình 2.4 So sánh cấu tạo phân lớp của hai loại cảm biến

Hình 2.4 thể hiện sự khác biệt về mặt cấu tạo (lỗ trống và hình chữ U nối tiếp: cài

răng lược) của hai loại cảm biến đo độ ẩm

Hai loại cảm biến này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong nội dung dưới đây

về hình dạng, lắp đặt, cấu tạo theo yêu cầu đo cụ thể

3 Đặc điểm hình dạng bên ngoài và lưu ý lắp đặt của cảm biến đo độ ẩm theo phương pháp điện học

Xét ở góc độ lắp đặt cảm biến, hai loại cảm biến này có phương pháp lắp đặt khá giống nhau với đặc trưng về tính chất tích hợp trên mạch điện tử và đưa ra tín hiệu chuẩn Các mạch điện tử cũng như đầu cảm biến thường được bảo vệ bằng

vỏ nhựa

Trong một số trường hợp, đầu cảm biến và mạch điện tử được tách ra với các yêu cầu đo độ ẩm của môi trường có nhiệt độ cao hoặc có đặc trưng về hóa chất

(ăn mòn) hoặc yêu cầu lắp đặt (nhỏ gọn) Hình 2.5 dưới đây thể hiện đặc điểm của

cảm biến có đầu đo (phần tử nhạy cảm) tách rời (2 chân) hoặc tích hợp với mạch điện tử (4 chân)

Hình 2.5 Cảm biến đo độ ẩm cỡ nhỏ

Dạng cảm biến có chân cắm được thò ra luôn đòi hỏi kỹ sư lắp đặt thiết kế các bộ cắm phù hợp Nhằm thuận tiện trong kết nối với hệ thống công nghiệp cũng như ứng dụng dân dụng, các cảm biến thường có các dạng điển hình như sau:

Hình 2.6 Cảm biến đi kèm đầu bảo vệ dạng tròn (tiện lắp đặt)

với dây kéo dài (tiện đấu nối)

Hình 2.7 Cảm biến có hiển thị tại chỗ với dạng treo tường hoặc kết nối với quá trình công nghệ quai đầu đo dạng tròn đi kèm hoặc tách biệt với mạch xử lý tín hiệu (truyền xa hoặc không truyền tín hiệu đi xa - điều khiển tại chỗ)

Việc lắp đặt các thiết bị đo nhiệt ẩm cần hết sức chú ý việc tiếp xúc trực tiếp đầu đo với môi trường dầu nhớt, dịch đường, có thể làm đầu đo bị hỏng hoàn toàn Trong các trường hợp đầu đo kém nhạy, cần vệ sinh lại đầu đo và tách bụi

ra khỏi bộ phận chống bụi

4 Mô tả thiết bị thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm

Tương tự như cảm nhiệt độ, các cảm biến đo độ ẩm trong công nghiệp có kết cấu chống ẩm và thoát nước thường được kết nối tới các bộ điều khiển công nghiệp có hệ

số bảo vệ công nghiệp (IP) nhất định (ví dụ IP65, IP67 )

Thiết bị thí nghiệm có hình dáng và cấu tạo của đầu đo tương tự hình 2.6 và hệ thống hiển thị và điều khiển tại chỗ tương tự trên hình 2.7

Hình 2.8 Hình ảnh mô tả đầu đo và bộ hiển thị - điều khiển độ ẩm trong BTN

III Kết quả thí nghiệm

Phương pháp thí nghiệm: Lấy dữ liệu về nhiệt độ (t: oC) và độ ẩm tương đối (φ:

%) của không khí tại các điểm đo và so sánh sự thay đổi của lượng chứa ẩm (d: g ẩm/kg KKK) trong các trường hợp khác nhau

Kết quả

Nhiệt độ ban đầu : 29.9°C

Độ ẩm ban đầu : 81.1%

Bảng số liệu:

Thời

gian

𝑡1 (oC)

𝜑1 (%)

𝑃𝑏ℎ1 (bar)

𝑑1 (g/kg)

𝑡2 (oC)

𝜑2 (%)

𝑃𝑏ℎ2 (bar)

𝑑2 (g/kg)

Δd =

𝑑2− 𝑑1

0 29,9 81,1 0,042 22 29,9 81,1 0,042 22 0

3 29,9 81,1 0,042 22 29,9 82,4 0,042 22,4 0,4

6 29,9 81,1 0,042 22 30 81,8 0,0422 22,35 0,35

9 29,9 81,1 0,042 22 30,3 80,6 0,043 22,45 0,45

12 29,9 81,1 0,042 22 30,6 79,4 0,0437 22,48 0,48

15 29,9 81,1 0,042 22 30,9 78,3 0,0444 22,52 0,52

18 29,9 81,1 0,042 22 31,2 77,1 0,0452 22,58 0,58

21 29,9 81,1 0,042 22 31,4 76,4 0,0457 22,62 0,62

24 29,9 81,1 0,042 22 31,6 75,6 0,0462 22,63 0,63

27 29,9 81,1 0,042 22 31,8 75 0,0467 22,7 0,7

30 29,9 81,1 0,042 22 32 74,4 0,0473 22,81 0,81

33 29,9 81,1 0,042 22 32,1 73,8 0,0475 22,71 0,81

36 29,9 81,1 0,042 22 32,3 73,3 0,048 22,8 0,8

39 29,9 81,1 0,042 22 32,4 73 0,0483 22,85 0,85

42 29,9 81,1 0,042 22 32,5 72,7 0,0486 22,9 0,9

45 29,9 81,1 0,042 22 32,5 72,2 0,0486 22,7 0,7

48 29,9 81,1 0,042 22 32,6 71,9 0,0489 22,79 0,79

51 29,9 81,1 0,042 22 32,7 71,7 0,049 22,77 0,77

54 29,9 81,1 0,042 22 32,7 71,2 0,049 22,6 0,6

57 29,9 81,1 0,042 22 32,7 70,6 0,049 22,4 0,4

60 29,9 81,1 0,042 22 32,7 70,3 0,049 22,31 0,31

1 Tính toán xử lý số liệu:

Áp suất hơi bão hòa tương ứng với nhiệt độ tính theo công thức:

𝑃𝑏ℎ1 = 𝑒12 −

4026,42 235,5+𝑡1 = 𝑒12 −

4026,42 235,5+29,9 = 0.042 (bar) Lượng chứa ẩm d:

d1 = 0.621× 𝜑1.𝑃𝑏ℎ1

𝑃−𝜑1𝑃𝑏ℎ1 = 0,621 × 7450,811.0,042

750 – 0,811.0,042 = 0,022 (𝑘𝑔/𝑘𝑔) = 22 (𝑔

𝑘𝑔) Tương tự tính 𝑃𝑏ℎ2 và d2 điền vào bản số liệu trên

𝑃𝑏ℎ2 = 𝑒12−

4026,42 235,5+𝑡2 (𝑏𝑎𝑟)

𝑑2 = 0,621 × 𝜑2.𝑃𝑏ℎ2

𝑃−𝜑2.𝑃𝑏ℎ2 (𝑔

𝑘𝑔)

2 Đồ thị lượng ẩm theo thời gian

Hình 3.1 : Đồ thị lượng ẩm theo thời gian

Nhận xét:

Đồ thị biểu diễn lượng ẩm theo thời gian Về tổng thể thì lượng ẩm tăng lên theo thời gian, ban đầu tăng khá nhanh sau đó tăng từ từ, đến một số thời điểm lại có

xu hướng giảm dần

3 Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ và lượng ẩm

Hình 3.2: Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ và lượng ẩm

21

21.3

21.6

21.9

22.2

22.5

22.8

23.1

Thời gian (phút)

Đồ thị lượng ẩm theo thời gian

69 72 75 78 81 84

21

21.3

21.6

21.9

22.2

22.5

22.8

23.1

Nhiệt độ (độ C)

Đồ thị tương quan độ ẩm tương đối, nhiệt độ và

lượng ẩm

Nhận xét:

- Đồ thị biểu diễn mối tương quan của độ ẩm tương đối và lượng ẩm theo nhiệt

độ

- Từ đồ thị ta thấy khi nhiệt độ tăng, độ ẩm tương đối giảm dần ngay cả khi nhiệt

độ ổn định không tăng nữa, còn đối với lượng ẩm về cơ bản tăng khi nhiệt độ tăng tuy nhiên ở một số điểm nhiệt độ thì giảm đáng kể đặc biệt là khi về gần cuối khi nhiệt độ đạt ổn định là 32.7oC

- Nguyên nhân có thể do sai số dụng cụ, thao tác thực hành đo chưa chuẩn, hay

một số yếu tố tác động từ môi trường…

IV Tổng kết

Qua bài thí nghiệm, biết cách thực hiện các thao tác thí nghiệm cũng như biết cách

xử lý kết quả thí nghiệm, nhận biết được tương quan giữa độ ẩm không khí, nhiệt

độ và lượng ẩm