nghiên cứu nâng cao chất lượng mạch vòng điều chỉnh lưu lượng

ðiều khiển tự ñộng ñã ñược ứng dụng vào nhiều ngành khác nhau và nhiều hệ thống ñiều khiển khác nhau ñã ñược ra ñời, ví dụ như ñiều khiển quá trình trong công nghiệp chế biến, khai thác

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -1-

LỜI CAM ðOAN

Tên tôi là: Nghiêm Thị Hưng

Học viên lớp Cao học khoá 12- Tự ñộng hoá - Trường ðHKTCN Thái Nguyên

Xin cam ñoan: ðề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu lượng” do thầy giáo PGS TS Bùi Quốc Khánh hướng dẫn là công trình

tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi Tất cả những nội dung trong luận văn ñúng như trong ñề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Các tài liệu tham khảo ñều

có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -2-

MỤC LỤC Lời cam ñoan ……….1

Mục lục……… 2

Danh mục chữ viết tắt ………5

Danh mục các hình vẽ và ñồ thị ………6

Danh mục các bảng biểu………9

Chương 1 Vai trò ñiều khiển lưu lượng trong hệ ñiều khiển quá trình 11

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -3-

c ðặc tính lưu lượng của van ñiều chỉnh 40

2.4.3.5 Các thông số của van ñiều khiển 50

2.4.3.7 Servo van nâng cao chất lượng ñiều khiển quá trình 53

Chương 3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu

lượng và giải pháp nâng cao chất lượng

55

3.2 Ảnh hưởng của thiết bị ño lưu lượng tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh 55 3.2.1.Phương pháp ño lưu lượng bằng tần số dòng xoáy 56 3.2.2 Các lưu lượng kế kiểu xoáy hay gặp trong công nghiệp 58 3.2.3 Phương pháp ño lưu lượng bằng cảm ứng ñiện từ 60 3.2.4 Phương pháp ño lưu lượng bằng nghẽn tiêu chuẩn (hay nguyên lý

thay ñổi ñộ giảm áp suất)

64

3.3 Ảnh hưởng của van ñiều khiển tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh 69 3.3.1 Hiện tượng Stiction của van ñiều khiển 69

3.3.1.2 ðề suất ñịnh nghĩa về Stiction 72 3.3.2 Quan sát ảnh hưởng hiện tượng Stiction trong thực tế 73 3.4 Nâng cao chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh bằng phương pháp bù ảnh hưởng 80

3.4.3 Nâng cao chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh 82

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -4-

3.4.3.2 Phương pháp bổ sung thêm mạch vòng bù ảnh hưởng hiện

tượng Stiction của van

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -5-

I DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CV Biến cần ñiều khiển – Controlled Variable

CO Tín hiệu ñầu ra bộ ñiều khiển – Control Output

SP Giá trị ñặt – Set Point

MV Biến ñiều khiển – Manipulated Variable

QO Mở nhanh – Quick Open

EP Phần trăm ñều – Equal percentage

FC Van ñóng an toàn

FO Van mở an toàn

R Dải ñiều chỉnh van - Rangeability

PV ðại lượng ño - Measured Variable, Process Value

PM Tín hiệu ño - Measured Signal, Process Measurement

PID Proportional – Integral – Derivative

PI Proportional - Integral: Sụt áp trên van

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -6-

II DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ

Hình 1.4 Sơ ñồ ñiều khiển nhiệt ñộ của bình chất lỏng 14 Hình 1.5 Sơ ñồ cấu trúc hệ ñiều khiển quá trình 15 Hình 2.1 Một số cấu trúc mạch vòng ñiều khiển lưu lượng 16 Hình 2.2 Mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và áp suất chân không 18

Hình 2.4 (a) Dòng chảy tầng; ( b) Dòng chảy rối 21 Hình 2.5 Mô tả phương trình vật lý quan trọng của Bernoulli 23

Hinh 2.16 Ảnh hưởng của deadband ñến hiệu suất van 38

Hình 2.18 Tóm tắt thời gian ñáp ứng của van 39

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -7-

Hình 2.21 Mô hình lắp van ñiều chỉnh trên ñường ống 43 Hình 2.22 ðặc tính van tuyến tính bị biến dạng do thay ñổi ñộ giảm áp 45 Hình 2.23 ðặc tính lưu lượng thực tế của van cân bằng % 46 Hình 2.24 Tuyến tính hoá ñặc tính ñiều khiển van 47 Hình 2.25 ðặc tính bộ chia với các hệ số ñiều chỉnh z khác nhau 47

Hình 3-2 Phương pháp ño lưu lượng bằng dòng xoáy 56 Hình 3-3 Trị số Strouhal là hàm của trị số Reynolds 57 Hình 3-4 Nguyên lý làm việc của lưu lương kế kiểu xoáy 58 Hình 3-5 Quan hệ giữa trị số Reynolds và trị số Strouhal 59

Hình 3-9 a Nguyên tắc ño lưu lượng bằng hiệu ứng cảm ứng ñiện từ

b Mạch ñiện thay thế

61

Hình 3-11 Cảm biến ño lưu lượng bằng cảm ứng ñiện từ 63 Hình 3-12 Lưu lượng kế chênh áp do Q1=Q2, vận tốc dòng chảy phải tăng tại

A2 và gây ra sự chênh áp giữa P1 và P2

64

Hình 3-13 Biểu ñồ phân bố áp suất dọc ống khi lắp vào ống lưu lượng kế 67 Hình 3-14 ðồ thị ñánh giá ñộ tụt áp suất theo m của các loại ống khác nhau 67

Hình 3-16 ðường ống với vòi thoát cho chất khí và hơi ngưng 68

Hình 3-18 Mô hình Hysteresis, Deadband, và Deadzone 70

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -8-

Hình 3-20 điều khiển mức trong một thiết lập công nghiệp 74 Hình 3-21 Dữ liệu từ một vòng lặp lưu lượng trong một nhà máy lọc dầu 75 Hình 3-22 Dữ liệu từ vòng lặp lưu lượng trong một nhà máy lọc dầu 75 Hình 3-23 Dữ liệu vòng ựiều khiển nhiệt ựộ buồng sấy trong công nghiệp 76 Hình 3-24 đáp ứng vòng lặp mở trong mô hình cơ khắ 78 Hình 3-25 đáp ứng vòng kắn của mô hình cơ khắ 79

Hình 3-27 Sơ ựồ cấu trúc ựiều khiển lưu lượng 81

Hình3-29 Ảnh hưởng của hiện tượng stiction ựến hệ ựiều khiển quá trình 82

Hình 4-4 Sơ ựồ khối mô phỏng matlab/ Simulink ựiều chỉnh lưu lượng 88 Hình 4-5 Sơ ựồ khối mô phỏng matlab/ Simulink ựiều chỉnh mức 88 Hình 4-6 Tắn hiệu ựặt và tắn hiệu thực của ựáp ứng lưu lượng 88 Hình 4-7 Tắn hiệu ựặt và tắn hiệu thực của ựáp ứng mức 89 Hình 4-8 Sơ ựồ khối mô phỏng Stiction valve cho ựiều khiển lưu lượng 89 Hình 4-9 Sơ ựồ khối mô phỏng Stiction valve cho ựiều khiển mức 89 Hình.4-10 Tắn hiệu trước và sau khối stiction trong ựiều khiển lưu lượng 90

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -9-

Hình 4-15 Sơ ñồ khối mô phỏng tín hiệu ra lý tưởng trong ñiều khiển mức 92 Hình 4-16 Mô phỏng tín hiệu ra là lý tưởng trong ñiều khiển lưu lượng 92 Hình 4-17 Mô phỏng tín hiệu ra là lý tưởng trong ñiều khiển mức 93 Hình 4-18 Tín hiệu trước và sau khối stiction trong ñiều khiển lưu lượng 93 Hình 4-19 Tín hiệu trước và sau khối stiction trong ñiều khiển mức 94

III DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1 Hướng dẫn chọn ñặc tính lưu lượng khi ñiều khiển mức 50 Bảng 2-2 Hướng dẫn chọn ñặc tính lưu lượng theo cơ cấu ñiều khiển lưu lượng 50 Bảng 2.3 Các giá trị của Cv ñối với dải thường dùng của một loại van ñiều chỉnh 51 Bảng 3.1 Giá trị ma sát sử dụng trong mô hình vật lý của van 78

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -10-

LỜI MỞ ðẦU

Hệ thống ñiều khiển tự ñộng ngày nay ñã phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực công nghệ và phát triển song song với các kỹ thuật tiên tiến khác như ñiện - ñiện tử và máy tính ðiều khiển tự ñộng ñã ñược ứng dụng vào nhiều ngành khác nhau và nhiều hệ thống ñiều khiển khác nhau ñã ñược ra ñời, ví dụ như ñiều khiển quá trình trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng, v.v Ngày nay, trong mỗi nhà máy công nghiệp hệ thống ñiều khiển giám sát là thành phần không thể thiếu Các hệ thống ñiều khiển và giám sát ñược sử dụng trong những lĩnh vực ñó có một số ñặc thù chung ñược gọi là các hệ thống ñiều khiển quá trình (Process Control System - PCS) Vì vậy, một hệ thống ñiều khiển quá trình bao gồm bốn yếu tố cần thiết: ño lường, ñiều khiển, vận hành và giám sát

Trong hệ thống ñiều khiển quá trình, phần tử cuối cùng chính là các thiết bị chấp hành xác ñịnh bởi ñầu ra của bộ ñiều khiển Các phần tử này có thể là van ñiều khiển, thiết bị chuyển ñổi on - off, nhưng ñược dùng phổ biến trong hầu hết các vòng ñiều khiển công nghiệp chính là van ñiều khiển Van ñiều khiển vẫn là bộ phận quyết ñịnh các hoạt ñộng ñiều khiển có chính xác không Do ñó, có thể nói van ñiều khiển chính là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống ñiều khiển quá trình, cho phép ñiều chỉnh lưu lượng môi chất qua các ñường ống dẫn Thực tế, ñã có nhiều nghiên cứu về van ñiều khiển nhưng ñi sâu giải quyết hiện tượng ma sát tĩnh của van (Stiction

valve) thì còn rất hạn chế Trong phạm vi luận văn với ñề tài: “Nghiên cứu nâng cao

chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu lượng” tập trung nghiên cứu các vấn ñề cơ bản

của van ñiều khiển, hiện tượng Stiction của van và ñưa ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ ñiều khiển quá trình Toàn bộ luận văn ñược trình bày làm 4 chương:

Chương 1 Vai trò ñiều khiển lưu lượng trong hệ ñiều khiển quá trình

Chương 2 Vấn ñề cơ bản của ñiều chỉnh lưu lượng

Chương 3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu lượng và giải pháp nâng cao chất lượng

Chương 4 Mô phỏng ñặc tính van ñiều chỉnh trong hệ ñiều khiển quá trình ðược sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS TS Bùi Quốc Khánh, em

ñã hoàn thành luận văn ñáp ứng ñầy ñủ các yêu cầu của ñề tài Mặc dù ñã có nhiều

cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót nhất ñịnh

Em rất mong nhận ñược sự ñóng góp của các thầy cô và các bạn ñồng nghiệp ñể luận văn của em ñược hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -11-

Chương 1 VAI TRÒ CỦA ðIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

TRONG HỆ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1 Khái quát chung

ðiều khiển lưu lượng ñược sử dụng phổ biến trong sản xuất như ñiều khiển lưu lượng nhiên liệu trong các lò ñốt, ñiều khiển các dung dịch ñể pha trộn lượng chất Trong các hệ ñiều khiển quá trình, lưu lượng ñóng vai trò có thể là ñại lượng ñiều khiển hoặc là biến ñiều khiển Thực tế, người ta hay dùng hai ñơn vị tính lưu lượng: lưu lượng tính theo thể tích F (m3/s), lưu lượng tính theo khối lượng Q (kg/s) Môi chất trong ñiều khiển lưu lượng ở cả ba thể: chất rắn, chất lỏng, chất khí

- Chất lỏng: nước, dung dịch, …

- Chất khí: khí ñốt, hơi nước, bụi bẩn…

- Chất rắn: dạng bột, than, …

Trong phần luận văn này nghiên cứu ñiều khiển lưu lượng môi chất ở dạng chất lỏng

1.2 Vai trò của ñiều khiển lưu lượng:

Trong ñiều khiển lưu lượng, thiết bị chấp hành có thể là van ñiều khiển, thiết

bị chuyển ñổi on - off, nhưng trên thực tế ta thấy có ñến hơn 80% ñược dùng phổ biến trong hầu hết các vòng ñiều khiển công nghiệp chính là van ñiều khiển Nó là thiết bị chấp hành quan trọng nhất trong lĩnh vực ñiều khiển quá trình Van ñiều khiển ñiều chỉnh lưu lượng chất lỏng như gas, hơi nước, nước hoặc hợp chất hoá học ðiều khiển ñộ mở van, sẽ ñiều khiển ñược các biến ñiều khiển như: lưu lượng

áp suất, nhiệt ñộ, nồng ñộ, mức v.v

Van ñiều khiển ñiều khiển lưu lượng môi chất ñi qua các ñường ống dẫn, ñể bù ñắp lại ảnh hưởng của nhiễu và thay ñổi giá trị biến ñiều khiển ñể có ñược ñại lượng cần ñiều khiển như mong muốn

ðặc tính của nó có ảnh hưởng rất lớn tới ổn ñịnh và chất lượng của ñiều khiển quá trình Vì vậy, nghiên cứu mở van ñiều khiển là nhiệm vụ không thể thiếu trong ñiều khiển quá trình

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -12-

Van ñược thiết kế phong phú về chủng loại, kích cỡ, lớp áp suất…Vật liệu chế tạo van là thép, sắt, nhựa, ñồng thau, ñồng hoặc một số hợp kim ñặc biệt Trong công nghiệp, van nhỏ nhất ñược biết ñến có khối lượng 0,45kg và lớn nhất là 10 tấn cùng với chiều cao lên ñến 24ft (6,1m) Hơn 90% van ñược sử dụng trong các hệ thống ñường ống có kích cỡ 4 in, kích cỡ ñường ống nhỏ nhất là 0,5 in và lớn nhất ñược dùng là 48in Van ñược sử dụng trong dải áp suất từ chân không ñến hơn 13000 psi (897bar)

Van ñiều khiển ñược ứng dụng trong các bài toán ñiều khiển mức, nồng ñộ, nhiệt

ñộ và áp suất Ví dụ:

* Hệ thống ñiều khiển mức:

Nguyên lý ñiều khiển: lưu lượng vào phải bằng lưu lượng ra Chỉ cần sai số nhỏ trong giá trị ño lưu lượng hoặc sai số nhỏ trong mô hình van ñiều khiển cũng có thể làm tràn bình hoặc cạn bình

* Hệ thống ñiều khiển nồng ñộ:

Hình 1.1 Sơ ñồ ñiều khiển mức

Hình 1.2 Hệ thống ñiều khiển nồng ñộ

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -13-

Giả thiết: c1và c2 là hằng số - lưu lượng w ra tùy ý (tự chảy)

Phương trình cân bằng :

w1c1 + w2c2 = (w1 + w2) c (1-1) Thay thế c bằng giá trị ñặt (SP):

SP c

c SP w w

2

)(

* Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ:

Như chúng ta ñã biết, nhiệt ñộ là môt trong những thành phần vật lý rất quan trọng Việc thay ñổi nhiệt ñộ của một vật chất ảnh hưởng rất nhiều ñến cấu tạo, tính chất và các ñại lượng vật lý khác của vật chất Ví dụ, sự thay ñổi nhiệt ñộ của một chất khí sẽ làm thay ñổi thể tích, áp suất của chất khí trong bình Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong ñời sống sinh hoạt, thu thập các thông số và ñiều khiển nhiệt ñộ là ñiều rất cần thiết

Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm …thì vấn ñề ño và ñiều khiển nhiệt ñộ là ñặc biệt rất quan trọng vì nó là yếu tố quyết ñịnh ñến chất lượng của sản phẩm Trong các lò nhiệt, máy ñiều hòa, máy lạnh hay cả trong lò viba, ñiều khiển nhiệt ñộ là tính chất quyết ñịnh cho sản phẩm ấy Trong cả trong ngành luyện kim, cần phải ñạt ñến một nhiệt ñộ nào ñó ñể kim loại nóng chảy và cũng cần ñạt một nhiệt ñộ nào ñó ñể ủ kim loại nhằm ñạt ñược tốt các ñặc tính cơ học như ñộ bền, ñộ dẻo, ñộ chống gỉ sét…Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt ñộ nào ñó ñể nướng bánh, ñể nấu

và ñể bảo quản…Việc thay ñổi thất thường nhiệt ñộ không chỉ gây hư hại ñến chính thiết bị ñang hoạt ñộng, còn ảnh hưởng ñến quá trình sản xuất, ngay chính trên sản phẩm ấy

Có nhiều phương pháp ñể ñiều khiển lò nhiệt ñộ, mỗi phương pháp ñiều mang ñến một kết quả khác nhau thông qua những phương pháp ñiều khiển khác nhau

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -14-

Phương trình của hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ:

FT V T F pV

p T F pV

p dt

2 2

2 1 1

=

Quá trình ñiều khiển nhiệt ñộ cho bình chất lỏng:

Dòng chất lỏng nóng và lạnh ñược kết hợp với nhau ở ñầu vào của ống cấp, chảy dọc theo chiều dài của ống trước khi ñổ vào bình Mục ñích ñiều khiển là duy

Hình 1.4 Sơ ñồ ñiều khiển nhiệt ñộ của bình chất lỏng Hình 1.3 Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -15-

1.3 Cấu trúc chung của ñiều khiển quá trình:

Giá trị ñặt: Set Point (SP), Set Value (SV)

Tín hiệu ñiều khiển: Control Signal, Controller Output (CO)

Biến ñiều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV)

Biến ñược ñiều khiển: Controlled Variable (CV)

ðại lượng ño: Measured Variable, Process Value (PV)

Tín hiệu ño: Measured Signal, Process Measurement (PM)

Một hệ thống / thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ bộ ñiều khiển và thực hiện tác ñộng can thiệp tới biến ñiều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van ñiều khiển, ñộng cơ, máy bơm và quạt gió Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống ñiều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình công nghệ

Van ñiều khiển vẫn là bộ phận quyết ñịnh các hoạt ñộng ñiều khiển có chính xác không Do ñó, có thể nói van ñiều khiển là một bộ phận quan trọng trong một hệ thống ñiều khiển quá trình

Kết luận chương 1

Qua chương 1 ta nhận thấy:

- Trong các hệ ñiều khiển quá trình, lưu lượng ñóng vai trò có thể là ñại lượng ñiều khiển hoặc là biến ñiều khiển

- Vai trò của ñiều khiển lưu lượng trong thực tế hay dùng ñó chính là van ñiều khiển

- Van ñiều khiển ñược ứng dụng nhiều trong công nghiệp, nhất là trong các bài toán ñiều khiển mức, nồng ñộ, nhiệt ñộ và áp suất…

Hình 1.5 Sơ ñồ cấu trúc hệ ñiều khiển quá trình

(PV)

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -16-

Chương 2 VẤN ðỀ CƠ BẢN CỦA ðIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG

2.1 Khái quát chung

Trong mạch vòng ñiều khiển lưu lượng thường bao gồm: các ống dẫn môi chất (dung dịch hoặc khí), thiết bị ño lưu lượng, cơ cấu chấp hành là các loại van, bơm, quạt hoặc tấm chắn có ñiều chỉnh

Dưới ñây là một số phương pháp ñiều khiển lưu lượng dùng trong sản xuất:

+ Hình 2.1a: Cơ cấu chấp hành là máy bơm, ñiều chỉnh lưu lượng thông qua

ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñược thực hiện bằng biến tần

+ Hình 2.1b: Cơ cấu chấp hành là van rẽ nhánh ñiều khiển lưu lượng thông qua ñiều khiển dòng ñược thực hiện bằng mở van rẽ nhánh

+ Hình 2.1c: ñiều khiển lưu lượng thông qua van ñiều khiển loại tấm ngăn có ñiều chỉnh

Hình 2.1c: ðiều chỉnh lưu lượng thông qua van ñiều khiển loại tấm ngăn

Hình 2.1 Một số cấu trúc mạch vòng ñiều khiển lưu lượng

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -17-

2.2 Cơ học chất lỏng

Ta có thể mô tả dòng chảy của một chất lỏng nếu biết chuyển ñộng của từng hạt nguyên tố của chất lỏng Tuy nhiên, vì số hạt quá lớn, nên ta không thể tiến hành cách nghiên cứu như vậy ñược

Việc nghiên cứu dòng chảy có thể ñược giới hạn ở chỗ chỉ cần biết chuyển ñộng tập thể của một nhóm hạt nguyên tố cấu thành cái mà ta gọi là một hạt chất lỏng

* Tĩnh học chất lỏng:

Trong nghiên cứu về truyền nhiệt ñối lưu chúng ta chủ yếu quan tâm tới hiệu ứng của chất lỏng ở trạng thái chuyển ñộng Tuy nhiên, chúng ta cũng phải phân tích tĩnh học chất lỏng (chất lỏng ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển ñộng với vận tốc không ñổi) ñể hiểu các tình huống dòng chảy

* ðịnh luật Pascal

Áp suất tại một ñiểm trong chất lưu ở trạng thái tĩnh hoặc chuyển ñộng ñều bằng nhau ở tất cả các hướng ðịnh luật Pascal cũng ñúng cho chất lỏng tăng tốc không ma sát

* Thủy tĩnh học:

Hiệu áp suất, p2-p1, giữa hai ñiểm trong chất lỏng ở trạng thái tĩnh hoặc chuyển ñộng với vận tốc không ñổi tỉ lệ với sự khác nhau về chiều cao giữa hai ñiểm, y2-y1, mật ñộ chất lỏng ρ, và gia tốc cục bộ của lực hấp dẫn g

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -18-

Thông thường sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng áp suất gauge, áp suất trên áp suất của khí quyển, ρ-ρatm, do rất nhiều thiết bị ño áp suất chỉ ra áp suất tương ứng với xung quanh Hình 2.2 chỉ ra mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và

áp suất chân không

* ðộng học chất lỏng:

Tương tự như các dòng nhiệt của các chương trước là các dạng khí ñộng học của chất lỏng Hình 2-3 chỉ ra một dòng khí ñộng học là một dòng ảo, lấy tại một thời ñiểm trong trường dòng, sao cho vận tốc chất lỏng tại mọi ñiểm của dòng tiếp tuyến với nó Do sự dịch chuyển chỉ xảy ra chỉ theo hướng của vector vận tốc, không

có khối lượng ñi qua dòng khí ñộng học

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và áp suất chân không

Hình 2.3 Dòng chảy tầng

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -19-

Một họ các dòng tạo thành một hình trụ của mặt phẳng cắt vi phân là một sợi dòng Một ống dòng là mặt phẳng hữu hạn, ñược tạo bởi số lượng vô hạn các sợi dòng, dọc theo ñó không có dòng chảy Khái niệm của một ống dòng ñơn giản việc phân tích dòng chảy chất lỏng do chất lỏng ñi vào ống dòng phải rời ñi, giả thiết không tạo ra hoặc phá hủy của khối bên trong Bằng cách chú ý rằng các thành phần vận tốc theo các hướng x và y là:

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -20-

Do ñó, ñối với một hạt chuyển ñộng, u=dx/dt, v=dy/dt và w=dz/dt, (2-9) có thể viết lại thành:

* Các loại chuyển ñộng:

Khi gia tốc cục bộ bằng không, ∂V/∂ =t 0chuyển ñộng là ổn ñịnh Thậm chí tốc ñộ có thể thay ñổi tương ứng với không gian, nó không thay ñổi tương ứng với thời gian Streamline ñược cố ñịnh trong dòng chảy ổn ñịnh Một dòng chảy phụ thuộc thời gian ∂V/∂ ≠t 0là không ổn ñịnh

Dòng chảy ñều xảy ra khi gia tốc ñối lưu bằng không Vector vận tốc là xác ñịnh tại mọi ñiểm trong trường dòng chảy Dòng chảy có thể không ổn ñịnh nhưng tốc ñộ phải thay ñổi xác ñịnh tại mọi ñiểm Streamline là thẳng Một ví dụ là dòng chảy dễ cháy không ma sát qua ống chảy thẳng dài, dòng chảy thay ñổi phụ thuộc vào khoảng cách Một chất dễ cháy không ma sát sẽ chảy không ñồng ñều trong chỗ gấp khúc của ống (dòng chảy rối)

Trong dòng chảy tầng, các thành tố hay thay ñổi di chuyển rất trôi chảy thành ñường song song với nhau Một dòng chảy có màu ñược ñưa vào các dòng chảy tầng

sẽ di chuyển trong một dòng chảy nhỏ Gia tốc thấp trong các kênh phẳng có thể sản sinh ra dòng chảy tầng Tuy nhiên, ở gia tốc cao, dòng chảy thay ñổi bất thường, ñược miêu tả bởi sự di chuyển ngẫu nhiên của các thành tố hay thay ñổi xuất hiện Màu sắc ñược ñưa vào dòng chảy sẽ phá vỡ và khuếch tán qua trường chảy Dòng chảy bất thường - dòng chảy rối luôn không ổn ñịnh trong chiều tuyệt ñối Tuy nhiên, chúng ta thi thoảng nghĩ về dòng chảy bất thường, ñược minh hoạ trên hình 2-

5 cũng chỉ ra dòng chảy tầng không ổn ñịnh Trong khi tìm ra sự khác nhau giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối vào năm 1883, Orborne Reynolds chú ý ñến loại dòng chảy phụ thuộc vào tham số vô hướng VD/v, nơi mà V là gia tốc hay thay ñổi

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -21-

trong ống của ñường kính D và

Hình 2.4 (a) Dòng chảy tầng; ( b) Dòng chảy rối

Vận tốc trong dòng chảy bất thường bao gồm giá trị bình quân V và phần dao

Vdt t

ví dụ, sự thay ñổi bất thường xoá bỏ số hạng cao Bất kỳ ñặc tính chất lưu nào, tạo ra tính dính µ có thể tương tự giống thời gian bình quân:

µ µ

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -22-

Thay ñổi bất thường:

= µ ρ

Tính dính xoáy không phải là ñặc tính chất lưu như tính dính tuyệt ñối M

Một chất lưu hoàn hảo có tính dính bằng 0 hoặc không ñáng kể Chất lưu dính

là 1 chất lưu thật sự

* Sự bảo toàn của khối lượng:

ðể có dòng chảy ổn ñịnh, khối lượng ñi vào ống chảy bằng với khối lượng ñi

ra Vì thế, nếu m chỉ ra tỷ lệ khối lượng vận chuyển thông qua 1 phần chéo

m. = ρ1A1V1= ρ2A2V2 =hằng số (2-17)

Trong ñó, V là vận tốc bình quân ñược ño tới mặt cắt ngang A, và ρ là tỷ trọng, ñồng dạng qua mặt cắt ngang Phép tính này ñược biết như là phép tính liên tục Vận tốc khối lượng, G ≡ ρV, thường ñược sử dụng trong các phép tính truyền nhiệt, cho ta:

Trong ñó, Q ñược gọi là tốc ñộ dòng thể tích

Hình thức khác của phép tính liên tục giữ cho dòng bất biến hay không bất biến ñược tìm thấy trong vấn ñề trên Trong toạ ñộ Dêcacdơ, nó là:

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

z

w dy

v x

u t

ρ ρ

∂

∂ +

v x u

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -23-

* Phương trình chuyển ñộng dọc theo trục tung:

Trong vấn ñề số (2-19), nguyên tắc thứ 2 của Newton ñược sử dụng ñể chuyển một phương trình của bất kỳ chất lỏng nào dọc theo trục hoành

0 1

2 1

=

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

dt

V g

V s g pR s

z g

g s p

c c

h c

=

∂

Trong phần này, chúng tôi sẽ giả sử nó ñược ñưa ra dưới dạng tích hợp, hL,

và dùng dữ liệu thực nghiệm ñể tính giá trị của nó trong việc tính toán kỹ thuật

Giả sử a là một giá trị trọng lực (g là một hằng số) và cố ñịnh, ñường cong bị bóp lại (∂ = 0;

dt

V ρ là một hằng số) chúng ta có thể tích hợp dọc theo trục hoành từ s’=s1 ñến s=s2, kết quả là cố ñịnh:

2

2 1 2 2 1 2 1

c c

h g V V z z g

g p

p

Hình 2.5 Mô tả phương trình vật lý quan trọng của Bernoulli

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -24-

Trong ñó tổng ñược ño bằng giá trị tương ñối ñến trạm 1 Nếu ñường cong (hL=0) (2-25) giảm xuống ñến phương trình Bernoulli:

= + +

= + +

g

V z p g

V z p

2 2

2 2 2 2 1 1

* Bảo toàn năng lượng

Phương trình Bernoulli giới thiệu năng lượng cơ học sở hữu bởi chất lỏng dựa vào áp suất, vị trí và vận tốc Khái niệm về Năng lượng ñộ dốc phản ánh ñiều này Tại (2-25) khái niệm tổng thiếu hụt ñược sinh ra bởi năng lượng mất ñi (tiêu tan vào trong năng lượng bên trong) trong quy trình của dòng chảy Nếu bên cạnh các khái niệm về năng lượng trên, công nhận năng lượng ñược thêm vào ñể hoặc chiết xuất từ 1 chuỗi, một phương trình cân bằng năng lượng:

(2-27) Nơi ”năng lượng ñược thêm” và ” năng lượng chiết xuất” có ý nghĩa khi năng lượng ñược chuyền ngang qua ñường biên của hệ thống Nhiệt phát sinh ”q” ở phần trước là một ví dụ về năng lượng bổ sung

Trong hàm số (2-27) có thể biểu hiện dưới dạng:

≠

−

− +

c c L

c

V g

gz p w h q g

V g

gz p

2 2

2 2 2 2 2

1 1 1

ρ

Khi ”q” là nhiệt truyền dẫn xác ñịnh, khi ñược thêm vào hệ thống, và ”w” là chuyển giao việc xác ñịnh khi ñược làm ở hệ thống

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -25-

2.3 ðộng học ñường ống

Trong thực tế sản xuất, các quá trình công nghiệp rất phong phú ña dạng, hơn nữa các ñặc tính ñộng học của chúng thường rất phức tạp do tính phi tuyến mạnh, có cấu trúc và tham số biến ñổi ðể có thể thiết kế ñược bộ ñiều khiển quá trình ñảm bảo yêu cầu về chất lượng, tính ổn ñịnh thì việc xác ñịnh ñặc tính làm việc của các phần tử cũng như các quá trình là ñiều kiện mẫu chốt, trên cơ sở ñó ta mới có chiến lược tổng hợp xây dựng ñược những thuật ñiều khiển hợp lý

2.3.1 Sơ ñồ ñường ống:

2.3.2 Mô tả toán học của hệ thống

ðộng học mạch vòng ñiều chỉnh lưu lượng gồm:

- ðộng học ñường ống dẫn: Gp

- ðộng học cơ cấu chấp hành: Gv

- ðộng học cơ cấu ño lường: GT

ðộng học ñường ống dẫn môi chất: lưu lượng môi chất chảy ổn ñịnh trong ñường ống ñược tính thông qua vận tốc dòng chảy

Trong ñó: F: lưu lượng (m3/s); ω: tốc ñộ dòng chảy (m/s)

A: diện tích mặt ống (m2) Vận tốc dòng chảy ñược tính

ρA

dM

Trong ñó: M: Khối lượng môi chất (Kg)

ρ : Khối lượng riêng môi chất (kg/m3

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -26-

Khi dòng chảy môi chất ổn ñịnh, ta có phương trình cân bằng lực ñược tính

qua áp lực: P p = Pρ + P g + P m + P TT (2-31)

Trong ñó: - P: là áp lực ñược tính theo ñơn vị N/m2

- Pρ : Áp suất cần có ñể duy trì dòng chảy ổn ñịnh theo chiều ngang

- Pg: Áp suất cần có ñể thắng trọng lực của môi chất

- Pm: Áp suất cần có ñể khắc phục ma sát

- PTT : Áp suất tổn thất do các ñường ống uốn gấp khúc gây nên

- Áp suất cần có ñể duy trì dòng chảy ổn ñịnh theo chiều ngang:

d+Σξ = aω2ρ

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -27-

dω

Trong ñó: M = l.A.ρ ; ω = F

A l: chiều dài ñường ống; ρ: khối lượng riêng; A: diện tích Thay M và ω vào biểu thức (2-40) ta có phương trình ñộng học của lưu lượng:

Phương trình (2-41) là phương trình phi tuyến

Viết dưới dạng hàm truyền:

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -28-

- Hằng số thời gian và hệ số khuếch ñại tỷ lệ nghịch với λ lưu lượng làm việc

- Hằng số thời gian phụ thuộc kích thước hình học ñường ống dẫn

2.4 Các phần tử trong ñiều chỉnh lưu lượng

Trong ñiều chỉnh lưu lượng bao gồm các phần tử sau: van ñiều khiển, máy bơm, ñộng cơ, quạt gió Trong phần luận văn này nghiên cứu chủ yếu về van ñiều khiển bởi vì có ñến hơn 80% van ñược sử dụng nhiều trong công nghiệp, nhất là công nghiệp hoá chất và công nghiệp nhiệt ñiện

2.4.1 Máy bơm:

Là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, ñiện năng, thủy năng vv ) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy ñưa chất lỏng lên một ñộ cao nhất ñịnh hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống ñường ống

Ngày nay bơm ñược ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: hóa chất, thực phẩm, công nghiệp nhẹ, công nghiệp ñiện, cơ khí, mỏ…ñể vận chuyển chất lỏng lên cao, ñể thắng trở lực trên ñường ống dẫn và ñôi khi ñể thắng hiệu số áp suất ở hai ñầu ñường ống

Vai trò của bơm trong các hệ thống thiết bị công nghệ vô cùng quan trọng Bơm cần phải làm việc tốt, không gây va ñập, tiếng ñộng trong ñường ống và trong thiết bị ñồng thời phải tiêu hao năng lượng ñúng mức

2.4.2 Quạt gió: Có hai loại quạt phổ biến là quạt ly tâm và quạt hướng trục

*Quạt ly tâm: Các bộ phận chủ yếu của quat:

Guồng ñộng: ñể tạo nên áp lực và ñể chuyển khí vào trong mạng, guồng

thường ñược chế tạo bằng thép tấm, hàn hoặc tán ñinh

Vỏ: dùng ñể tập trung dòng khí và biến ñổi ñộng năng tĩnh năng nên biên

dạng của vỏ là ñường xoắn ốc và có ống vào ñể dẫn không khí ñi vào guồng ñộng với tổn hao thủy tĩnh nhỏ nhất Vỏ ñược hàn từ thép tấm, ñôi khi tán ñinh hoặc ñúc

Trục: làm bằng thép tốt, ở những quạt nhỏ trục ñược gắn ngay trên ñộng cơ

Giá máy: ñúc hoặc hàn

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -29-

*Quạt hướng trục:

- Quạt hướng trục có cấu tạo ñơn giản nhất: gồm 2 thành phần cơ bản:

Guồng: có cánh ñặt nghiêng Guồng gồm bạc có ñường kính tương ñối lớn có

gắn các cánh Hình dạng hiện ñại nhất của guồng là dạng không ñối xứng giống cánh quạt máy bay Khi có hình dạng ñối xứng quạt không thể làm việc với hướng quay bất kỳ, muốn chuyển hướng chuyển ñộng của dòng khí chỉ cần biến ñổi hướng quay Nếu dạng không ñối xứng thì các cánh ñặt ñể phía cong của cánh hướng theo chiều quay của ñộng cơ Cánh có thể dập bằng thép tấm, khi có kích thước lớn có thể làm rỗng Bạc có thể ñúc hoặc hàn Các cánh hàn vào bạc hoặc ghép vào nhờ các trục nhỏ, số cánh giảm khi năng cao áp suất trục

Vỏ: khi guồng quay không khí vào cửa hút ñi qua giữa các cánh theo phương

chiều trục rồi ñi ra cửa ða số trường hợp guồng mắc trực tiếp lên trục của ñộng cơ, còn ñộng cơ ñược bọc kín bằng vỏ bọc và ñặt bên trong quạt

2.4.3 Van ñiều khiển:

Van ñiều khiển là một phần thiết yếu của mạch vòng ñiều khiển Nó là phần quan trọng nhất trong mạch vòng, mạch vòng ñiều khiển như là một chuỗi các thiết

bị, toàn bộ chuỗi như là một liên kết

2.4.3.1 ðịnh nghĩa và cấu tạo của van:

Phần thân van cùng các phụ kiện ñược gắn với ñường ống, ñóng vai trò là phần tử ñiều khiển ðộ mở van và lưu lượng qua van ñược xác ñịnh bởi hình dạng và

vị trí chốt van

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -30-

Nhiều loại van ñiều khiển bằng tay có thể lắp thêm cơ cấu dẫn ñộng vào thân van ñể trở thành van ñiều khiển

Cơ cấu dấn ñộng: là một thiết bị dùng trong van ñiều khiển ñể dẫn ñộng cần van ứng với tín hiệu phát ra từ thiết bị ñiều khiển

Thiết bị ñiều khiển: là thiết bị tự ñộng ñiều chỉnh vị trí của van ñiều khiển Thiết bị ñiều khiển sử dụng năng lượng không khí nén, áp suất thuỷ lực hay năng lượng ñiện ñể truyền tín hiệu tới cơ cấu dẫn ñộng

Cơ cấu ñịnh vị: là thiết bị trợ giúp cho cơ cấu dẫn ñộng di chuyển cần van vào ñúng vị trí

2.4.3.2 Phân loại van ñiều khiển

a Phân loại theo chức năng:

- Van ñóng cắt (on- off)

Dùng ñể ñóng mở không liên tục, sử dụng ñể bắt ñầu hoặc ngăn chặn dòng chảy của môi chất thông qua quá trình ñóng mở van, cho phép dòng môi chất di chuyển thẳng qua thân van với yếu tố ñóng cửa van hoàn toàn mà sự suy giảm áp lực là ít hoặc không có Van On – Off có hai trạng thái là mở hoàn toàn hoặc ñóng hoàn toàn Van ñược ứng dụng sử dụng ñể ñảm bảo an toàn hệ thống như dùng ñể xả Một phần lớn các van on – off ñược vận hành bằng tay, mặc dù

họ có thể ñiều khiển tự ñộng bằng việc bổ sung một thiết bị truyền ñộng Các loại van On – Off thường có các loại thủy khí, ñiện và khí nén nhưng phổ biến nhất là van khí nén

Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của van ñiều khiển

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -31-

- Van servo:

ðược sử dụng phổ biến trong các hệ thống thủy lực, ñiều khiển bởi một tín hiệu ñiện Cũng giống như van tỷ lệ, ñộ mở van servo cho phép thay ñổi từ 0÷100%, nhưng van servo ñược dùng trong các vòng ñiều khiển phản hồi yêu cầu ñộ chính xác cao, tần suất ñóng cắt lớn, trong những hệ thống thủy lực công suất lớn với dải tín hiệu vào van nhỏ Có hai loại phản hồi

có sẵn với các loại van Thứ nhất ñó là các cảm biến ñịnh vị bên ngoài như bộ mã hóa và phân giải; thứ hai là các cảm biến trực tiếp bên trong van ñể xác ñịnh vị trí cần hay chốt van

Ví dụ: van servo ñược dùng trong các robot thủy lực, ñiều khiển vận tốc nhựa phun vào khuôn trên các máy ép nhựa…

b Phân loại theo tính chất chuyển ñộng cơ học

Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cũng cấp năng lượng và tạo ra chuyển ñộng cho chốt van thông qua cần van (ñối với chuyển ñộng trượt) hoặc trục van (chuyển ñộng xoay)

- Van trượt (linear valve)

Cần van (stem) chuyển ñộng thẳng, trượt ðây là thiết kế van phổ biến hiện nay với thiết kế ñơn giản, dễ bảo trì, linh hoạt với nhiều kích cỡ, áp lực

- Van xoay (rotary valve)

Trục van (shaft) chuyển ñộng xoay Loại van này sử dụng yếu tố ñóng cửa xoay quanh ¼ trong phạm vi xoay Van xoay thường bị hạn chế bởi sự giảm áp lực hay dễ có sự cố bởi ảnh hưởng của khe hở Tuy nhiên hiện tượng này ñang dần ñược khắc phục và tỷ lệ sử dụng van xoay cũng ñang tăng

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -32-

Hình 2.8 Van trượt và van xoay

c Phân loại theo thiết kế chốt van

- Van cầu (globe valve):

Là loại van chuyển ñộng thẳng và là loại van thông dung nhất trong số các loại van nêu trên khi ñiều khiển các quá trình công nghệ ðĩa van có dạng hình cầu, ñiều khiển dòng chảy theo hình chữ S

Chốt trượt có ñầu hình cầu/hình nón, chuyển ñộng lên xuống Van cầu rất linh hoạt, phổ biến trong công nghiệp, thiết kế cần van dạng trượt (linear valve) Với phong cách thiết kế van kiểu trượt này cho phép phạm vi ñiều chỉnh rộng hơn

ðặc ñiểm của van cầu: là trở lực ñối với dòng chảy lớn (là cho dòng chảy không

phẳng), cần nhiều năng lượng hơn ñể ñóng/mở van (không phù hợp với kích thước lớn)

Hình 2.9 Van cầu

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -33-

Hình 2.11 Van bướm

- Van bướm (butterfly valve):

ðược sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng ñóng- mở lưu lượng Chốt xoay hình ñĩa, nằm ở trung tâm thân van Van bướm là loại van chuyển ñộng xoay thông dụng nhất Phần tử ñóng của van có hình dạng giống con bướm Van ñóng khít và có thể sử dụng làm van ñiều chỉnh

ðặc ñiểm của van: là trở lực ñối với dòng chảy thấp (dòng chảy phẳng), tối

ưu với trường hợp momen vận hành thấp, góc mở vận hành là 900

Van có kết cấu: gọn, nhẹ, ñược chế tạo với các kích thước từ vài chục milimét ñến vài mét ðối với những ống có ñường kính rất lớn, ñể ñiều khiển lượng môi chất thì chỉ có giải pháp sử dụng van bướm là cho hiệu quả kinh tế nhất

Hình 2.10 Các bộ phận & phụ kiện của van cầu

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -34-

Tỷ lệ dòng chảy ñược ñiều chỉnh bằng việc thay ñổi góc của cửa van

Van bướm có thể ñược vận hành bằng tay quay hay tay vặn Trong cả hai trường hợp này ñều cần có thang chỉ vị trí của cửa van trong vận hành

- Van nút (plug valve):

Phần ñiều chỉnh dòng chảy (cửa van) của loại van này có dạng nút, hình trụ hoặc một phần hình trụ Cửa van ñược chế tạo bằng kim loại và có khe hở xuyên suốt cửa van cho dòng chảy ñi qua Vị trí của van ñược ñiều chỉnh bằng việc vặn tay quay

- Van bi (ball valve):

Là loại van chuyển ñộng xoay, phần tử ñóng của van có dạng viên bi với ñường thông bên trong Van thường ñược sử dụng rộng rãi trong chế ñộ ñóng/mở ñối với các quá trình mẻ (không phù hợp là van ñiều chỉnh)

ðặc ñiểm của van là trở lực ñối với dòng chảy thấp khi mở hết (dòng chảy phẳng), góc vận hành là 900, ñòi hỏi công nghệ nâng cao ñể chế tạo bi và vật liệu chèn kín

Hình 2.13 Van bi Hình 2.12 ðiều chỉnh góc mở cửa van

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -35-

Ngoài các loại van trên, trong ựiều khiển quá trình ựôi khi còn sử dụng một loại van nữa gọi là van màng Van màng là loại van chuyển ựộng thẳng với màng mềm dẻo là phần tử ựóng của van Van màng chủ yếu sử dụng ựối với những chất lỏng có tắnh ăn mòn hoặc dạng bùn, vữa Thân van có thể ựược lót một lớp thuỷ tinh, chất dẻo, cao su hoặc teflon

d Phân loại dựa theo năng lượng truyền ựộng

- Van khắ nén: Loại phổ biến nhất, truyền ựộng khắ nén sử dụng màng chắn/lò

so hoặc piston Tắn hiệu ựầu vào có thể là khắ nén, dòng ựiện hoặc tắn hiệu số (bus trường) Nếu tắn hiệu ựiều khiển là dòng ựiện, ta cần bộ chuyển ựổi dòng ựiện - khắ nén (I/P) tắch hợp bên trong hoặc tách riêng bên ngoài

- Van ựiện: Cơ chế chấp hành sử dụng ựộng cơ servo hoặc ựộng cơ bước,

ựược ựiều khiển trực tiếp từ tắn hiệu ra bộ ựiều khiển, thông thường là dòng ựiện tương tự 4ọ20mA hoặc tắn hiệu số Van ựiện ựược sử dụng trong những ứng dụng công suất nhỏ ựòi hỏi ựộ chắnh xác cao

- Van thuỷ lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng

chắn hoặc piston, bơm dầu ựược ựiều khiển bởi tắn hiệu ra từ bộ ựiều khiển Van thuỷ lực ựược sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn

- Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò so, lực nén yếu và ựộ chắnh

xác kém, chỉ phù hợp với các bài toán ựơn giản

2.4.3.3 đặc tắnh của van ựiều khiển

a Kiểu tác ựộng của van

- đóng an toàn (fail closed - FC): màng chắn của van dịch chuyển ựến vị trắ

ựóng khi nguồn năng lượng của cơ cấu chấp hành mất

- Mở an toàn (fail open - FO): màng chắn của van dịch chuyển ựến vị trắ mở

khi nguồn năng lượng của cơ cấu chấp hành mất

- Dự phòng an toàn (fail-safe):ựặc tắnh của van và cơ cấu chấp hành của nó:

năng lượng cung cấp cho cơ cấu chấp hành bị mất sẽ dẫn ựến màng chắn của van ựược ựóng hoàn toàn, mở hoàn toàn hoặc giữ lại ở vị trắ trước ựó ựược xác ựịnh cần

ựể bảo vệ quá trình Dự phòng an toàn có thể liên quan ựến việc sử dụng kết nối ựiều khiển phụ ựến cơ cấu chấp hành

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -36-

Sự lựa chọn kiểu tác ñộng của van ñiều khiển ảnh hưởng tới việc lựa chọn hệ số khuyếch ñại của bộ ñiều khiển phản hồi Van ñóng an toàn có ñộ mở van lớn hơn khi tín hiệu ñiều khiển tăng, trong khi van mở an toàn có ñộ mở an toàn nhỏ hơn khi tín hiệu ñiều khiển tăng Chiều tác ñộng thuận ñược ñịnh nghĩa là ñộ mở van giảm khi tín hiệu ñiều khiển tăng (nghĩa là cần van chuyển ñộng theo chiều thuận từ trên xuống dưới ñối với van trượt) Chiều tác ñộng nghịch ñược ñịnh nghĩa là ñộ mở van tăng lên khi tín hiệu ñiều khiển tăng (nghĩa là cần van chuyển ñộng theo chiều nghịch từ dưới lên trên ñối với van trượt)

b ðặc tính thời gian của van

♣ Hiện tượng dải chết (Deadband) của van

Deadband là nguyên nhân chủ yếu dẫn ñến sự dư thừa của biến quá trình Các nguyên nhân gây ra hiện tượng Deadband là: ma sát, khe hở, dải chết,

Deadband là hiện tượng mà ở ñó một khoảng giá trị ñầu ra của bộ ñiều khiển (CO) không ñúng ñể tạo ra sự thay ñổi trong quá trình (PV) khi tín hiệu ñầu vào ñổi phương Khi có nhiễu tải, biến quá trình (PV) chệch khỏi giá trị ñặt Sự lệch lạc này khởi ñầu một diễn biến ñúng qua bộ ñiều khiển và quá trình ngược lại Tuy nhiên, một sự thay ñổi trong ñầu ra của bộ ñiều khiển có thể tạo ra sự thay ñổi tương ứng không chính xác trong biến quá trình Chỉ khi ñầu ra bộ ñiều khiển thay ñổi một lượng ñủ ñể qua dải chết thì mới có sự thay ñổi tương ứng trong biến quá trình

Hình 2.15 Hiện tượng deadband Hình 2.14 Kiểu tác ñộng của van

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -37-

Bất kì khi nào ñầu ra của bộ ñiểu khiển thay ñổi phương, tín hiệu bộ ñiều khiển phải vượt qua dải chết trước bất kì sự thay ñổi tương thích trong biến quá trình diễn ra

Sự có mặt của dải chết trong quá trình ñể bảo ñảm biến quá trình chệch khỏi giá trị ñặt

sẽ tăng ñến khi ñủ lớn ñể vượt qua dải chết Chỉ sau ñó một quá trình ñúng diễn ra

Dải chết có nhiều nguyên nhân như ma sát và khe hở trong van ñiều khiển ñi kèm với sự cuộn trục trong van quay và trễ vùng chết là một vài dạng chung nữa Bởi vì hầu hết các hoạt ñộng ñiều khiển cho ñiều chỉnh chứa sự thay ñổi nhỏ (1% hoặc nhỏ hơn), một van ñiều khiển với dải chết quá rộng thậm chí không ñáp ứng những sự thay ñổi này Một van kỹ thuật tốt sẽ ñáp ứng tín hiệu 1% hoặc nhỏ hơn ñể ñưa sự giảm có hiệu quả trong biến quá trình Tuy nhiên, thường ít gặp cho một số van ñưa ra dải chết như 5% hoặc hơn Trong cuộc khảo sát gần ñây, 30% các van có dải chết lớn hơn 4% Trên 65% mạch vòng ñược kiểm nghiệm có dải chết lớn hơn 2% ðể có chất lượng tốt nhất trong giảm biến quá trình, toàn bộ dải chết trong tổ hợp van phải là 1% hoặc nhỏ hơn Lý tưởng nó phải thấp như 0.25%

Hình 2-15 chỉ ra làm thế nào ñể kết hợp ảnh hưởng của Deadband nếu có thể Một

mô hình vòng lặp mở ñưa ra kiểm tra trên 3 van khác nhau dưới ñiều kiện bình thường Dải tín hiệu vào van thay ñổi từ 0,5% ñến 10% Các bước kiểm tra van dưới ñiều kiện dòng chảy như vậy là cần thiết Cả 3 van ñều có ñáp ứng với sự thay ñổi từ tín hiệu vào, tuy nhiên khả năng ñáp ứng với sự thay ñổi từ tín hiệu vào trên từng van khác nhau

Với van A, ñại lượng cần ñiều khiển ñáp ứng tốt với tín hiệu vào là 0.5

Van B yêu cầu tín hiệu ñầu vào thay ñổi lớn nhất là 5% trước khi có ñáp ứng từ ñại lượng cần ñiều khiển, còn với van C, tín hiệu ñầu vào thay ñổi lớn nhất là 10%

Dải chết có nhiều nguyên nhân, nhưng bản chất là do ma sát, do khe hở giữa

các thành phần cơ khí

ðể giảm ma sát, người ta thường dùng dầu bôi trơn chốt van, các phần tiếp xúc cơ khí Tuy nhiên, sau một vài trăm chu kỳ, chất lượng dầu bôi trơn mất Cùng với áp lực của tải, ma sát có thể tăng ñến 400% hoặc hơn với một số thiết kế van

Van B, C minh họa cho ảnh hưởng của ma sát cao ñến van, tín hiệu vào van thay dổi một lượng lớn trước khi ñáp ứng từ ñại lượng cần ñiều khiển ổn ñịnh với sự thay ñổi của tín hiệu vào

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -38-

Hinh 2.16 Ảnh hưởng của deadband ñến hiệu suất van

♣ Thời gian ñáp ứng của van (Valve respostion time)

ðể kiểm soát tối ưu của nhiều quy trình, ñiều quan trọng là các van ñạt ñược một vị trí cụ thể một cách nhanh chóng Phản ứng nhanh với thay ñổi một tín hiệu nhỏ (1% hoặc ít hơn) là một trong những yếu tố quan trọng trong việc tối ưu ñiều khiển quá trình Tốc ñộ ñáp ứng của van nhanh thì chất lượng của quá trình ñược cải thiện ñáng kể

Thời gian ñáp ứng của van ñược ño bởi tham số T63

Thời gian ñáp ứng của van bị ảnh hưởng bởi những khâu thiết kế bộ ñịnh vị,

cơ cấu truyền ñộng và các yếu tố phụ khác, do ñó ñể nâng cao tốc ñộ ñáp ứng của van thì phải nâng cao tốc ñộ ñáp ứng ở những khâu trên

- ðặc tính thời gian của van T63: là hằng số thời gian τν của van Là một thước ño ñáp ứng của thiết bị T63 ñược ño từ khi bắt ñầu có tín hiệu vào van ñến khi van ñạt 63% giá trị xác lập

- Thời gian chết Td của van ( Deadtime): Là một trong những ñặc tính của hệ thống vật lý, không phụ thuộc ñặc tính tín hiệu vào Do ma sát của van, phụ thuộc cơ

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -39-

cấu chấp hành của van Là khoảng thời gian không nhận ñược ñáp ứng từ van khi ñã

có tín hiệu vào, nó cũng chính là sai số của van, thường từ 0,25 % ñến 5%

Thời gian chết càng nhỏ càng tốt Nói chung thời gian chết nên không nhiều hơn một phần ba của tổng thời gian phản ứng của van

Hình 2.17 Thời gian T d và τ ν của van

Nghiên cứu trên 3 van A, B, C ở trên, ta quan sát ñược sự khác biệt ñáng kể trong tổng thời gian T63 và thời gian chết Td

Hình 2.18 Tóm tắt thời gian ñáp ứng của van

Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -40-

c ðặc tính lưu lượng của van ñiều chỉnh

Hình 2.19 Cấu trúc van ñiều khiển

Trong ñó: m: là tín hiệu ñiều khiển, ñầu vào cơ cấu chấp hành

I/P: bộ chuyển ñổi tín hiệu ñiện khí nén, tích hợp bên trong hoặc tách riêng bên ngoài

α : ñộ mở van, hay sự thay ñổi của chốt van

Chuẩn tín hiệu:

- ðiện: 0-20mA, 4-20mA, 10-50mA, 0-5V, 1-5V,

- Khí nén: 0.2-1bar (3-15 psig) Van ñiều khiển gồm hai thành phần chính là thân van và cơ cấu chấp hành van Trong ñó cơ cấu chấp hành quyết ñịnh quan hệ giữa tín hiệu ñiều khiển và ñộ

mở van còn thân van quyết ñịnh quan hệ giữa ñộ mở van và lưu lượng qua van

ðịnh nghĩa: ðặc tính lưu lượng của van ñiều chỉnh: Là mối quan hệ giữa lưu

lượng tương ñối của môi chất ñi qua van ñiều chỉnh và ñộ mở tương ñối của van (α) khi ñộ mở này thay ñổi từ 0 ñến 100%, tức là:

là ñộ mở tương ñối của cửa van, là tỷ số giữa

hành trình của trục van ở một ñộ mở nào ñó so với toàn bộ hành trình của van (tính theo %)