Điều khiển quá trình Đề tài tìm hiểu các loại cảm biến thông dụng

Cảm biến, với vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ tự động hóa công nghiệp đế

Hà Nội,ngày… tháng… năm 2024

Sinh viên thực hiện: BÙI VĂN THẮNG

MSV: 21104900201 LỚP: DHCD15A4HN

Giảng viên hướng dẫn: THÂN THỊ THƯƠNG

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU CÁC LOẠI CẢM BIẾN

THÔNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

KHOA CƠ KHÍ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ-KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BỘ CÔNG THƯƠNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1: Đặt vấn đề

- Trong thời đại công nghệ 4.0, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ thuật đã làm thay đổi căn bản cách chúng ta sống và làm việc Cảm biến, với vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ tự động hóa công nghiệp đến cuộc sống hàng ngày Các loại cảm biến như cảm biến nhiệt độ, cảm biến mức, cảm biến áp suất thông dụng

và chuyển động không chỉ giúp chúng ta theo dõi và kiểm soát các yếu tố môi trường mà còn nâng cao hiệu quả và tính chính xác trong nhiều lĩnh vực

Việc tìm hiểu về các loại cảm biến thông dụng, nguyên lý hoạt động, cũng như ứng dụng của chúng trong các hệ thống thông minh, sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách mà công nghệ có thể cải thiện chất lượng cuộc sống

Đề tài này không chỉ mang tính lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao, góp phần vào việc phát triển các giải pháp công nghệ hiệu quả và bền vững trong tương lai

1.2: Mục tiêu báo cáo

- Thực hiện các kiến thức đã học tại trường, để nâng cao kiến thức bản thân

- Nhận diện và sử dụng được các loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến mức

1.3: Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết đề tài

- Đọc hiểu các tài liệu có liên quan

- Thảo luận nhóm để thống nhất ý kiến

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1: Cảm biến nhiệt độ ( Nhiệt bức xạ )

1.1.1: Giới thiệu chung

- Cảm biến nhiệt độ bức xạ (pyrometer): Được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để đo nhiệt độ của các vật thể nóng mà không cần tiếp xúc, thường áp dụng trong sản xuất thép, kim loại và các ngành công nghiệp nhiệt độ cao

1.1.2: Cấu tạo

a: Phần thu bức xạ

- Ống kính: Giúp thu thập bức xạ hồng ngoại từ vật thể cần đo và tập

trung vào cảm biến Ống kính thường được làm từ vật liệu trong suốt với bức xạ hồng ngoại, như thạch anh hoặc các loại nhựa chuyên dụng

- Vật liệu cảm biến: Đây là phần nhạy cảm của cảm biến, nơi bức xạ

hồng ngoại được chuyển đổi thành tín hiệu điện Vật liệu này có thể là các hợp kim bán dẫn, như thermopile hoặc photodiode

b: Mạch điện

- Mạch khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu từ vật liệu cảm biến để có thể

xử lý dễ dàng hơn

- Mạch xử lý tín hiệu: Chuyển đổi tín hiệu điện thành dữ liệu nhiệt độ bằng cách áp dụng các công thức toán học hoặc các phương pháp nội suy

c: Hệ thống truyền dẫn

- Cổng xuất dữ liệu: hường có thể là cổng USB, RS-232 hoặc giao tiếp

không dây (như Bluetooth, Wi-Fi)

d: Vỏ bảo vệ

- Bảo vệ các thành phần bên trong khỏi bụi bẩn, độ ẩm và các yếu tố môi trường khác

e: Nguồn điện

- Cảm biến cần nguồn điện để hoạt động Nguồn này có thể là pin, nguồn điện lưới hoặc nguồn năng lượng tái tạo

1.1.3: Nguyên lý hoạt động

- Cảm biến điện trở hoạt động dựa trên cơ sở: Sự thay đổi điện trở của thanh kim loại cảm biến so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội

1 sức điện động V xuất hiện phát sinh tại đầu lạnh Chất liệu đầu lạnh ảnh hưởng đến khả năng đo sự thay đổi của nhiệt độ Chính vì vậy, cảm biến có

các cặp nhiệt độ với sức điện động khác nhau.

đến các bộ phận khác, giúp vận hành hệ thống

1.1.4: Bước sóng nhiệt bức xạ thay đổi theo nhiệt độ

- Tuân theo các quy luật sau

1: Quy luật Planck:

- Theo quy luật Planck: cường độ bức xạ nhiệt phát ra từ một vật thể đen hoàn hảo (black body) ở một nhiệt độ nhất định sẽ được mô tả bằng một công thức toán học Công thức này cho biết cường độ bức xạ ở các tần số khác nhau

- Khi nhiệt độ tăng, cường độ bức xạ ở mọi tần số cũng tăng theo, và đặc biệt, có sự chuyển dịch về phía tần số cao hơn

2: Quy luật Wien

- Quy luật Wien cho biết rằng bước sóng tối ưu (bước sóng tại đó cường

độ bức xạ là lớn nhất) của bức xạ nhiệt sẽ giảm khi nhiệt độ của vật thể tăng Cụ thể, bước sóng tối ưu (λ_max) được tính bằng công thức:

λ max =T b

Trong đó:

-b: là hằng số Wien (khoảng 2898 μm·K)

-T: là nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin)

3: Quy luật Stefan-Boltzmann:

- Quy luật này cho biết tổng năng lượng bức xạ phát ra từ một vật thể hoàn hảo tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối:

E =σ T4

Trong đó:

- E là tổng năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích

- σ là hằng số Stefan-Boltzmann (khoảng 5.67 × 10 ⁸ W/m²·K⁴).⁻

1.1.5: Ví dụ hỏa kế bức xạ ( Pyrometer )

E =σ T4

Trong đó:  σ  là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối K

- Hỏa kế bức xạ (Pyrometer) áp dụng cho đo nhiệt độ cao quá trình đốt cháy

1.1.6: Ưu, nhược điểm

+ Ưu điểm: Tốc độ đáp ứng nhanh, có thể đo các đối tượng chuyển

động

- Không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách từ hỏa kế đến đối tượng đo

+ Nhược điểm: Không tuyến tính, độ nhạy kém, Cấu tạo đơn giản nhưng giá thành , chi phí lắp đặt cao

1.2: Các loại cảm biến áp suất thông dụng

1.2.1: Cảm biến đo chân không

1.2.1.1: Chân không kế Pirani (Pirani gauge)

a: Định nghĩa

- Chân không kế Pirani là một loại thiết bị được sử dụng để đo áp suất trong khoảng chân không thấp đến trung bình, thường trong khoảng từ

10 ² đến 10 ³ Torr Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi⁻ ⁻ nhiệt độ của một dây tóc (hoặc ống) khi áp suất khí xung quanh thay đổi

b: Nguyên lý hoạt động

- hoạt động dựa trên đặc tính dẫn nhiệt của chất khí Áp kế Pirani bao gồm một dây tóc kim loại (thường là platinum), treo lơ lửng bên trong một cái ống được đưa vào môi trường chân không cần đo Dây tóc bên trong đầu đo là một phần của cầu điện trở Wheatstone Điện áp đặt vào dây tóc làm cho nó nóng lên

c: Cấu tạo

- Dây tóc nhiệt: Vật liệu dẫn điện, có khả năng chịu nhiệt cao.

- Mạch điện: Để cung cấp dòng điện cho dây tóc và đo điện trở.

- Vỏ bảo vệ: Bảo vệ các thành phần bên trong khỏi bụi bẩn và tác động

bên ngoài

- Thiết bị hiển thị: Thể hiện giá trị áp suất.

d: Ưu, nhược điểm

+ Ưu điểm: Đo chính xác trong khoảng chân không thấp, dễ sử dụng và có chi phí hợp lý

+ Nhược điểm: Không thích hợp để đo ở áp suất cao hoặc trong môi trường có hơi ẩm, có thể bị ảnh hưởng bởi sự ô nhiễm bề mặt

e: Ứng dụng

- Trong chân không công nghiệp: Được sử dụng trong các quy trình sản

xuất và nghiên cứu, chẳng hạn như chân không trong các buồng chân không, thiết bị chế tạo bán dẫn và hệ thống hút chân không

1.2.1.2: Chân không kế ion hóa (lonisation gauge)

a: Định nghĩa

- Chân không kế ion hóa (Ionization Gauge) là thiết bị được sử dụng để

đo áp suất trong khoảng chân không cao, thường từ 10 đến 10 ³ Torr.⁻⁹ ⁻ Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý ion hóa khí khi nó tiếp xúc

với một bức xạ điện từ hoặc dòng điện.

b: Nguyên lý hoạt động

- Khi áp suất khí trong buồng chân không cao hơn một mức nhất định, các phân tử khí có thể bị ion hóa khi tiếp xúc với một bức xạ điện từ hoặc dòng điện, Sự ion hóa này tạo ra các ion dương và electron tự do Các ion dương sẽ được hút về phía điện cực âm (cathode) trong buồng

đo Dòng điện do các ion dương di chuyển về điện cực được đo và tương ứng với mật độ khí trong buồng Dựa vào dòng điện này, thiết bị

có thể xác định áp suất khí hiện tại

c: Cấu tạo

- Buồng ion hóa: Nơi diễn ra quá trình ion hóa, thường được làm từ kim

loại hoặc vật liệu chịu áp lực

- Điện cực: Bao gồm điện cực dương (anode) và điện cực âm (cathode)

để thu thập ion

- Nguồn ion hóa: Có thể là một dây tóc nóng hoặc bức xạ điện từ.

- Mạch đo: Để đo dòng điện và chuyển đổi thành giá trị áp suất.

d: Ưu nhược điểm

+ Ưu điểm: Đo chính xác ở áp suất rất thấp, nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ trong mật độ khí

+ Nhược điểm: Có thể bị ảnh hưởng bởi các loại khí khác nhau (khí khác nhau có khả năng ion hóa khác nhau), cần bảo trì định kỳ và có thể tốn kém

e: Ứng dụng

- Trong ngành công nghiệp: Sử dụng trong sản xuất thiết bị bán dẫn,

chế tạo màng mỏng, và nghiên cứu chân không

1.3: Cảm biến mức

1.3.1: Phương pháp đo khối lượng

1: Nguyên lý hoạt động

- Cảm biến mức bằng phương pháp đo khối lượng hoạt động dựa trên nguyên lý đo trọng lượng của chất lỏng hoặc chất rắn trong bồn chứa Khi mức chất lỏng hoặc chất rắn thay đổi, trọng lượng của chúng cũng thay đổi Cảm biến sẽ đo sự thay đổi này và chuyển đổi thành tín hiệu điện để xác định mức chất lỏng hoặc chất rắn

2: Cấu tạo

- Loadcell

- Bộ chuyển đổi tín hiệu (ADC)

- Vi điều khiển

- Màn hình hiển thị (tùy chọn)

- Nguồn điện

- Dây nối và phụ kiện

3:Ưu,nhược điểm

- Độ chính xác cao: Cảm biến đo khối lượng có thể cung cấp kết quả đo lường chính xác, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao

+ Nhược điểm

- Chi phí cao: Thiết bị cảm biến đo khối lượng thường có giá thành cao hơn so với các loại cảm biến khác

4:Ứng dụng

- Công nghiệp hóa chất: Đo mức chất lỏng trong các bồn chứa hóa chất

- Xử lý nước thải: Giám sát mức nước trong các bể chứa nước thải

1.4: Cơ cấu chấp hành ( Actuators )

1.4.1: Phân loại theo kiểu tác động kép ( Double-acting)

1.4.1.1:Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

a: Cấu tạo

- Piston: Là bộ phận chính, di chuyển trong xy lanh.

- Xy lanh: Có hai buồng, mỗi buồng có thể nhận áp suất từ một nguồn

khác nhau

- Van điều khiển: Điều chỉnh lưu lượng và hướng của chất lỏng hoặc

khí

- Hệ thống cấp và xả: Cung cấp áp lực cho xy lanh

b: Nguyên lý hoạt động

- Khi áp suất được cấp vào buồng đầu tiên, piston sẽ di chuyển theo hướng đó

- Khi áp suất được chuyển sang buồng còn lại, piston sẽ quay trở lại vị trí ban đầu

- Quá trình này cho phép cơ cấu thực hiện công việc liên tục và hiệu quả.

1.4.1.2:Ưu điểm

- Tăng tính linh hoạt trong các ứng dụng cần di chuyển liên tục

- Có khả năng điều chỉnh tốc độ và lực tác động một cách dễ dàng

1.4.1.3:Ứng dụng

- Trong các máy móc công nghiệp, hệ thống tự động hóa, robot, và các thiết bị cần điều khiển chính xác

1.5: Van điều khiển

1.5.1: Phân loại van điều khiển

-Van bi: Sử dụng một viên bi để mở hoặc đóng dòng chảy.

- Van bướm: Dùng một đĩa bướm để điều khiển dòng chảy.

- Van cổng: Mở hoặc đóng bằng cách di chuyển một cổng vào hoặc ra

khỏi dòng chảy

- Van cầu: Sử dụng một tấm chắn để điều chỉnh lưu lượng

1.5.2: Van bướm

a: khái niệm

-  là một thiết bị quan trọng trong hệ thống đường ống, được sử dụng để

điều tiết luồng chất lỏng Thường có kích thước lớn, từ 40A đến 500A, van bướm hoạt động bằng cách xoay cánh bướm tại cửa van 90 độ để

mở hoặc đóng nó hoàn toàn, hoặc ở các góc độ khác nhau

b: Cấu tạo

- Thân van: Được làm từ các vật liệu như Inox, nhựa, gang và có các lỗ

để siết bu lông hoặc ốc Thân van cũng là phần có tiếp xúc trực tiếp với đường ống

- Đĩa van: Đôi khi còn được gọi là cánh van, được đúc từ gang, gang

dẻo, thép, inox hoặc nhựa Đĩa van tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng và phải chịu áp lực và ma sát Đĩa van có khả năng xoay ở nhiều góc độ trong phạm vi của gioăng làm kín

- Bộ phận làm kín: Bao gồm gioăng làm kín được làm từ các vật liệu

như cao su, tép lông, PDEM và TEFLON

- Các bộ phận khác: Bao gồm tay quay, tay gạt và vô lăng, các bộ phận

này tác động trực tiếp lên trục van và các bộ phận khác như bánh răng định hướng và bulong

c: Nguyên lý hoạt động

1: Mở van

- Khi trục van quay theo chiều mở (thường là 90 độ), đĩa bướm sẽ xoay sang ngang với dòng chảy

- Đĩa bướm mở ra cho phép lưu lượng chất lỏng hoặc khí đi qua van, tạo

ra một đường dẫn

2: Đóng van

- Khi trục van quay theo chiều đóng, đĩa bướm sẽ xoay trở lại vị trí vuông góc với dòng chảy

- Đĩa bướm sẽ chặn lại dòng chảy, ngăn không cho chất lỏng hoặc khí đi qua

d: Phân loại

1: Phân loại theo chức năng

- Van bướm có thể được phân loại dựa trên chức năng sử dụng:

- Van bướm tay gạt

- Van bướm tay quay

- Van bướm tay quay điều khiển khí nén hoặc điện

2: Phân loại theo nguồn điều khiển

- Van bướm có thể được phân loại dựa trên nguồn điều khiển:

- Van bướm điều khiển khí nén

- Van bướm điều khiển điện

e: Ưu điểm

- Thiết kế gọn nhẹ, dễ lắp đặt

- Thao tác nhanh chóng, có thể mở và đóng chỉ với một chuyển động nhỏ

- Tổn thất áp suất thấp khi mở hoàn toàn

f: Ứng dụng

Van bướm được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng

- Hệ thống cấp nước và xử lý nước thải

- Ngành công nghiệp hóa chất