nghiên cứu thiết kế chếtạo hệ thống tự động kiểm tra và xác định khối lượng sản phẩm dạng bột trong các hệ thống si lô hình trụ bằng môttơ cảm biến tom tat

Hệ thống đo mức và xác định khối lượng vật liệu rời trong silô là một đề tài quan trọng và ứng dụng nhiều trong ngành xây dựng, chế biến nông sản.. Ở các nước phát triển như: Đức, Ý, Nhậ

VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP PHÂN VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP TẠI TP.HCM

-o0o -

BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG KIỂM TRA VÀ XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG SẢN PHẨM DẠNG BỘT TRONG CÁC HỆ THỐNG

SI LÔ HÌNH TRỤ BẰNG MÔTƠ CẢM BIẾN.

Cơ quan chủ quản: Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM

Cơ quan chủ trì: PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn Văn Ân

Địa chỉ: 275 Hùng Vương, F9, Q6, Tp Hồ Chí Minh

TP.HỒ CHÍ MINH – 06/ 2007

VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

PHÂN VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP TẠI TP.HCM.

-o0o -

BÁO CÁO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG KIỂM TRA VÀ XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG SẢN PHẨM DẠNG BỘT TRONG CÁC HỆ THỐNG

SI LÔ HÌNH TRỤ BẰNG MÔTƠ CẢM BIẾN.

Cơ quan chủ quản: Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM

Cơ quan chủ trì: PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn Văn Ân

Địa chỉ: 275 Hùng Vương, F9, Q6, Tp Hồ Chí Minh

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

Stt Họ và Tên Học vị/

chức danh khoa học

Ngành chuyên môn

Cơ quan công tác

Ghi chú

máy PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

máy PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

máy PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

máy PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

hoá PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

hoá PHÂN VIỆN MÁY VÀ DCCN

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sử dụng hệ thống đo mức và báo khối lượng ở trên thế giới 4

1.2 Tình hình sử dụng hệ thống đo mức và báo khối lượng ở Việt Nam 6

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .6

Chương 2 ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU RỜI 2.1 Tính chất cơ lý của vật liệu rời 8

2.2 Vật liệu hạt và khối hạt 9

2.3 Tính chất cơ lý của vật liệu ximăng trong silô 16

Chương 3 THỂ TÍCH – KHỐI LƯỢNG VẬT LIỆU TRONG SILÔ 3.1 Các dạng silô thường gặp trong thực tế 20

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số đo khối lượng ximăng trong silô 22

3.3 Giải pháp công nghệ 26

3.4 Xác định thể tích – khối lượng của khối hạt trong silô 26

Chương 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO KHỐI LƯỢNG TRONG SILÔ. 4.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống đo 35

4.2 Tính toán các thiết bị trong hệ thống đo 42

4.3 Bản vẽ kỹ thuật (xem phụ lục) 54

Chương 5 HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH KHỐI LƯỢNG. 5.1 Cấu trúc hệ thống 55

5.2 Chương trình điều khiển thu thập 65

5.3 Bản vẽ và phần mềm điều khiển thu thập: (xem phụ lục) 71

Chương 6 KHẢO NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH.

6.1 Mục đích 72 6.2 Quy trình thực hiện khảo nghiệm 72

Chương 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

7.1 Nội dung nghiên cứu đạt được 78

7.2 Hướng phát triển tiếp theo của đề tài 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC ĐỀ TÀI

1 Bản vẽ thiết kế (bản vẽ phần điện - cơ khí)

2 Hình ảnh thiết bị tại mô hình và công trường sản xuất

3 Phần mềm điều khiển

Chương 1 TỔNG QUAN

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự cạnh tranh của các sản phẩm ngày một gay gắt Những yêu cầu về chất lượng, năng suất và giá thành sản phẩm là nhân tố cơ bản để lựa chọn một sản phẩm nói chung và một hệ thống đo và xác định khối lượng vật liệu rời trong silô nói riêng là phải phù hợp Hệ thống đo mức và xác định khối lượng vật liệu rời trong silô là một đề tài quan trọng và ứng dụng

nhiều trong ngành xây dựng, chế biến nông sản

1.1 Tình hình sử dụng hệ thống đo mức và báo khối lượng ở trên thế giới

Ở các nước phát triển như: Đức, Ý, Nhật, Mỹ thì thiết bị báo mức và đo khối lượng vật liệu rời trong silô là rất cần thiết Những thiết bị mà các nước phát triển đang sử dụng là: thiết bị siêu âm, thiết bị laser, đầu đo lực (loadsell), v.v… Đây là những thiết bị hiện đại Mỗi loại có những ưu nhược điểm và mục đích sử dụng

khác nhau Hai loại thiết bị đang sử dụng phổ biến hiện nay là: thiết bị siêu âm và

thiết bị laser

- Thiết bị siêu âm: là loại thiết bị hiện đại và được sử dụng rấtù phổ biến

trong hệ thống silô chứa xi măng, tro bay, pozolan v.v… Phương pháp đo mức bằng siêu âm là xác định khoảng cách từ đỉnh silô đến mặt thoáng của vật liệu trong silô Từ đó sẽõ xác định thể tích và khối lượng vật liệu chứa trong silô

Hình 1.1 Hệ thống đo mức bằng siêu âm trong silô

1- Đầu đo siêu âm

2- Bộ xử lý tín hiệu và báo kết quả

Các hãng chế tạo thiết bị siêu âm dùng để đo mức trong silô là: PARKER JINYOUNG LTD - Hàn Quốc, VEGASON – Anh Quốc với khoảng cách đo của từ 0,1 ÷ 70 mét

- Thiết bị laser: Về cơ bản, nguyên lý đo khoảng cách vật liệu rời trong

silô bằng laser giống như nguyên lý đo khoảng cách vật liệu rời trong silô bằng

siêu âm nhưng khác nhau là thiết bị sử dụng

Hình 1.2 Mô hình và thiết bị đo mức bằng laser

1: Thiết bị đo nhiệt độ

2: Thiết bị đo độ ẩm

3: Thiết bị đo mức bằng laser

Các hãng chế tạo thiết bị laser dùng để đo mức trong silô là: Acuity - USA, Tool-UP – Anh Quốc với khoảng cách đo có thể đạt 60 mét

1.2 Tình hình sử dụng hệ thống đo mức và báo khối lượng ở Việt Nam

Trong tình hình hiện nay ở Việt Nam, hệ thống silô chứa vật liệu rời như: tro bay, ximăng được sử dụng rất nhiều ở các công trình xây dựng Hệ thống báo mức và xác định khối lượng vật liệu rời trong silô chủ yếu là có hai loại: đó là thiết bị đo mức bằng siêu âm và thiết bị đo mức bằng laser nhưng được sử dụng rất ít vì: phải nhập ngoại với giá thành rất đắt, chi phí sử dụng cao, bảo trì bảo quản khó khăn đặt biệt là ở khí hậu Việt Nam v.v… Trong các silô chứa hiện nay, mô tơ cảm biến đang được sử dụng đo mức của vật liệu rời trong silô rất rộng rãi và đã được thương mại hoá ở nhiều nước trong đó có Việt Nam Tuy nhiên mô tơ cảm biến hiện nay chỉ báo mức đầy và mức hết

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu của đề tài:

Hiện nay môtơ cảm biến chỉ dùng để đo được hai mức là: mức đầy và mức hết Trong tình hình phát triển khoa học như hiện nay thì vấn đề này không còn phù hợp Mặc khác, hầu như chưa có đơn vị nào đầu tư nghiên cứu đưa vào sử dụng trong khi nhu cầu sử dụng rất cao

Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động xác định mức và khối lượng vật liệu rời bên trong silô tại các

vị trí và thời điểm bất kỳ mà người sử dụng cần bằng mô tơ cảm biến

1.3.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài:

Mô hình mà chúng tôi dự định nghiên cứu là: Động cơ hộp số truyền động làm trục tang quay, encoder được lắp đồng trục với trục tang Mô tơ cảm biến được đặt trong hộp bảo vệ kín Khi trục tang quay thì mô tơ cảm biến được nâng lên và hạ xuống theo yêu cầu thông qua sự điều khiển của máy tính

Hiện nay có rất nhiều loại vật liệu rời, do nhu cầu cấp bách của thực tế nên đề tài giới hạn nghiên cứu với vật liệu rời điển hình là ximăng Đề tài nghiên cứu bao gồm các nội dung sau:

- Tính chất cơ lý của vật liệu rời

- Quá trình cấp và thoát vật liệu silô, v.v… để xác định đường cong phân bố của mặt thoáng (tức là mặt trên cùng của vật liệu trong silô)

- Các kết cấu cơ bản của silôâ gồm: các dạng nắp, thân và đề xuất cách lắp đặt thiết bị có tính khả thi

- Nghiên cứu các dạng mặt thoáng của vật liệu ở các vị trí trong silô

- Xác định công thức tính khối lượng ximăng còn lại trong silô ở các thời điểm bất kỳ

- Nghiên cứu các phương án thiết kế hệ thống đo bằng mô tơ cảm biến

- Xây dựng phần mềm và giao diện điều khiển, hiển thị các thông số về mức, khối lượng v.v… và các tiện ích khác trong quá trình hoạt động của hệ thống đo này

- Nghiên cứu tích hợp bộ điều khiển toàn thiết bị

Chương 2 ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU RỜI

2.1 Tính chất cơ lý của vật liệu rời [9]

2.1.1 Khối lượng riêng: là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu không

có lỗ rỗng (đơn vị là: Tấn/m3 ;kg/dm3 hoặc g/cm3)

Tuỳ từng loại vật liệu mà có những phương pháp xác định khối lượng riêng khác nhau Đối với những vật liệu hoàn toàn đặc được xác định bằng

cách cân và đo so với vật chuẩn Đối với những vật liệu rỗng thì phải nghiền

nhỏ < 0,2mm hoặc những hạt vật liệu bé hơn thì được xác định bằng phương

pháp bình tỉ trọng

Người ta có thể dùng khối lượng riêng để phân biệt những loại vật liệu khác nhau, phán đoán một số tính chất của vật liệu và tính toán thành

phần của một số loại vật liệu

2.1.2 Khối lượng thể tích

Khối lượng thể tích là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả lỗ rỗng)

Dựa vào khối lượng thể tích của vật liệu có thể phán đoán một số tính chất của nó như: cường độ chịu lực, độ rỗng v.v , để lựa chọn phương tiện

vận chuyển , tính toán trọng lượng bản thân kết cấu v.v

Khối kượng riêng và khối lượng thể tích của một số vật liệu rời xây dựng:

Vật liệu Khối lượng riêng (Kg/m3) Khối lượng thể tích (Kg/m3)

Độ rỗng vật liệu dao động trong phạm vi rộng từ 0 đến 98% Dựa vào độ rộng có thể phán đoán một số tính chất của vật liệu như: độ chịu lực, tính chống thấm, các tính chất liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm, cách âm v.v

2.2 Vật liệu hạt và khối hạt [9]

Hạt vật liệu rời được đặc trưng bằng kích thước, hình dạng và khối lượng riêng của chúng Các hạt vật liệu đồng chất có khối lượng riêng bằng khối lượng riêng trong toàn khối

2.2.1 Hình dạng hạt

Hình dạng của một hạt vật liệu rời được biểu diễn bằng đại lượng gọi là thừa số hình dạng λ độc lập với kích thước hạt Thừa số λ liên hệ đến các kích thước chính của hạt như sau: đặt chiều dài của một kích thước được chọn tương đối là Dh, gọi là đường kính hạt Hình khối Dh là cạnh và hình cầu Dh là đường kính, thì thể tích và diện tích bề mặt của hình khối là Dh3 và 6Dh2, của hình cầu là (π/6)Dh3 và πDh2 Với hai hình dạng này tỉ số diện tích bề mặt và thể tích đều bằng 6/Dh

Thể tích của một hạt có hình dạng bất kỳ là:

vh = aDh3

và diện tích bề mặt là:

sh = 6bDh2

với a, b là các hằng số hình học chỉ tuỳ thuộc vào hình dạng hạt

Ta có tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt là:

λ

6 ) / ( 6

h h

h

a b

D s

h

h td

h

D s

v

Theo quy ước, đường kính hạt biểu diễn theo các đơn vị khác nhau tùy thuộc vào cỡ hạt Với hạt thô là cm, hạt mịn (ximăng) là kích thước rây, hạt

rất mịn là micron hoặc milimicron, hạt siêu mịn thường được biểu diễn theo diện tích bề mặt cho một đơn vị khối lượng hạt, m2/g

2.2.3 Tính chất của khối hạt:

Một khối hạt vật liệu rời, đặc biệt khi hạt khô và không dính, có nhiều tính chất giống như một lưu chất Khối hạt tạo nên áp suất ở các phía và lên vách thùng chứa, có thể chuyển động qua khe hở hoặc máng nghiêng Tuy nhiên, khi khối hạt và lưu chất có những điểm khác nhau như sau: các hạt có thể lồng vào nhau dưới tác động của áp suất và không thể trượt lên nhau cho đến khi lực tác động đạt đến một giá trị đáng kể Hạt và khối hạt thường chống lại sự biến dạng, nhưng khi lực tác động đủ lớn thì lớp hạt này sẽ trượt lên lớp hạt khác xuất hiện sự ma sát đáng kể

Khối hạt có tính chất sau:

+ Áp suất không bằng nhau về mọi phía

+ Ứng suất tác động lên bề mặt khối hạt sẽ được truyền đi khắp khối hạt tĩnh trừ khi khối hạt bị rỗng

+ Mật độ khối hạt thay đổi theo độ nén chặt của khối hạt (tính chất này thể hiện trong các silô chứa)

- Áp suất trong khối hạt:

Áp suất trong khối hạt theo phương pháp tuyến với áp suất tác động thì có giá trị cực tiểu Trong một khối hạt đồng nhất tỉ số giữa áp suất pháp tuyến và áp suất tác động bằng hằng số K’, đó là một thông số đặt trưng cho vật liệu K’ tuỳ thuộc vào hình dạng và khuynh hướng lồng vao nhau của các hạt, vào tính kết dính giữa các bề mặt các hạt và mật độ nén chặt của khối hạt K’ gần như độc lập với kích thước hạt trừ khi hạt rất nhỏ và không còn lưu chuyển tự do

K’ là tỉ số giữa áp suất pháp tuyến với áp suất tác động

1

1 sin

sin 1

'

+

−

=

- Các góc đặc trưng:

Góc hợp bởi mặt phẳng cụ thể nghiêng so với mặt nằm ngang tại đó hạt bắt đầu trượt gọi là góc ma sát trong của vật liệu Kí hiệu: αm Tang

αm gọi là hệ số ma sát trong của vật liệu

Khi hạt được đổ đóng trên mặt phẳng sẽ tạo nên khối hình nón, góc tạo bởi đường sinh và mặt phẳng nằm ngang gọi là góc nghiêng tự nhiên

ở trạng thái tĩnh (αr)

Góc nghiêng đo ở điều kiện động học gọi là góc nghiêng động học

2.2.4 Tồn trữ vật liệu rời

a Tồn trữ dạng đống:

Cách tồn trữ này thường dùng cho các hạt khô, không hút ẩm, không tan trong nước v.v Việc tính toán khối lượng vật liệu dựa vào việc ước tính thể tích đống thường có dạng hình chóp rồi nhân với khối lượng thể tích của vật liệu

b Tồn trữ trong bồn, silô:

Các vật liệu rắn có giá trị hoặc dễ bị phân huỷ khi chứa ngoài trời đều phải được chứa trong bồn chứa Các bồn chứa có thể có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật, làm bằng bêtông hoặc bằng thép, có kích thước lớn nhỏ tuỳ yêu cầu Các thùng chứa được cấp liệu từ đỉnh bằng một phương tiện vận chuyển vào và tháo liệu thường từ đáy

- Áp suất trong bồn chứa:

Khi các hạt được chứa trong bồn, khối hạt sẽ tạo nên các áp suất tác động lên thành bồn chứa có giá trị thường nhỏ hơn giá trị tính toán Ngoài ra còn có sự ma sát giữa tường và hạt vật liệu, và do hiện tượng các hạt lồng vào nhau, nên sự ma sát này như truyền khắp khối hạt Lực ma sát tại tường có khuynh hướng làm giảm trọng lượng hạt

trường hợp lực ma sát này đạt đến một độ lớn nhất định nó sẽ tạo thành vòm, hay cầu nối trong khối hạt để phần khối hạt bên trên không rơi xuống dù phần khối hạt bên dưới hạt được lấy ra

Các công thức tính áp suất tác động [9]:

+ Aùp suất tác động lên đáy bồn:

) 1

( ' ' 2

/ ' '

2 K Z r b

K

g r

p = ρgZT (N/m2) Trong đó:

K’: Hệ số r: Bán bính bồn (m)

ρb: Khối lượng thể tích vật liệu trong bồn (Kg/m3)

g: Gia tốc trọng trường (m/s2)

µ’: Hệ số ma sát

ZT: Chiều cao khối hạt trong bồn (m)

- Chuyển động của vật liệu ra khỏi bồn chứa:

Vật liệu rời có khuynh hướng chuyển động ra khỏi bồn chứa qua cửa tháo liệu ở gần đáy bồn, tuy nhiên tốt nhất là qua đáy bồn Áp suất thân bồn luôn nhỏ hơn áp suất đáy bồn ở cùng một độ sâu trong lớp vật liệu, ngoài ra khi vật liệu chuyển động ra ở thân bồn sẽ làm tăng đáng kể áp suất tác động lên các phía khác của thân bồn

Thông thường đáy bồn chứa là hình côn được điều tiết bằng một van hoặc bộ phận tháo liệu quay Áp suất tại đáy bồn trong trường hợp này nhỏ hơn giá trị tính toán

Dòng chuyển động của vật liệu ra khỏi bồn chứa theo hai dạng:

+ Dạng chuyển động cả khối: nghĩa là cả khối vật liệu chuyển động cả khối vật liệu ra khỏi bồn từ dưới lên trên (hình 2.1.a)

+ Chuyển động dạng phễu: nghĩa là khối hạt tại trục chuyển động (đường tâm của bồn chứa) ra trước và từ trên xuống dưới (hình 2.1.b)

Hình 2.1 (a) Chuyển động cả khối [13] (b) Chuyển động dạng phễu [13]

(c) Chuyển động có rung [10]

Dòng chuyển động cả khối (hình 2.1.a) giúp cho vật liệu tháo dễ dàng mà không cần dụng cụ hỗ trợ Với dòng chảy dạng phễu dòng vật liệu có thể bị tắc và cần dụng cụ hỗ trợ để khôi phục dòng chảy Một yếu tố quan trọng để thiết kế bồn chứa là góc nghiêng tự nhiên của vật liệu, giá trị này dùng để xác định góc côn của đáy bồn chứa Công thức xác định dòng chảy cả khối:

2

45o αm

β ≥ +

Với αm: Góc ma sát trong của vật liệu (với ximăng αm = 50 – 55o)

Việc tháo liệu ra khỏi bồn chứa theo thứ tự là vật liệu ở giữa bồn ra trước, sau đó mới đến lớp vật liệu trên mặt bên thân bồn (hình 2.1.b) Trên bề mặt lớp vật liệu sẽ tạo hình côn Lớp vật liệu sát đáy và thân bồn sẽ ra sau cùng Vật liệu sẽ trượt vào giữa thùng theo góc gần bằng góc ma sát trong của vật liệu Nếu vật liệu bổ sung thêm vào ở phía trên bồn bằng với lượng vật liệu tháo ra ở đáy thì lớp vật liệu nằm gần thân bồn sẽ không ra được bất kể thời gian tháo liệu là bao lâu Công thức xác định dòng chảy dạng phễu:

2

45o αm

β ≤ + Trong sản xuất hiện nay, khi tháo liệu ra khỏi silô đôi khi liệu bị kẹt không ra được Nguyên nhân là tại cửa thoát liệu bị tạo vòm, để khắc phục hiện tượng này người ta tiến hành rung (hình2.1.c)

Một số tiêu chuẩn khác cho hai dạng dòng chảy:

Dòng chảy cả khối Dòng chảy dạng phễu

1 Các hạt bị phân cách nhưng sẽ

giảm đi tháo liệu

1 Các hạt bị phân cách và duy tuỳ sự phân cách này

2 Dòng vật liệu đồng nhất

3 Mật độ không đổi

4 Không có vùng chết trong khối

hạt

5 Dòng vật liệu đều

6 Các loại bột đã loại khí sẽ không

bốc lên khi tháo liệu

7 Bồn chứa có thể thiết kế để

không phân cách vật liệu hoặc

hoạt động như một thiết bị trộn

8 Dụng cụ chỉ thị lượng vật liệu

trong bồn hoạt động tốt, tin cậy

2 Phần vật liệu đầu tiên sẽ ra cuối cùng

3 Vật liệu có thể bị giữ lại trong vùng chết cho đến khi vật liệu được tháo hết hoàn toàn

4 Vật liệu có thể tạo vòm trong khối hạt và lỗ hổng khi tháo liệu

5 Dòng vật liệu không đều

6 Mật độ có thể thay đổi

7 Bồn chứa hoạt động tốt với hạt to, chuyển động tự do

8 Dụng cụ chỉ thị phải đặt ở vị trí thích hợp

2.3 Tính chất cơ lý của vật liệu ximăng trong silô

Hiện nay có rất nhiều loại ximăng như:

+ Ximăng la mã

+ Ximăng pooclăng

+ Ximăng pooclăng rắn nhanh

+ Ximăng pooclăng bền sunfat

+ Ximăng có phụ gia hữu cơ

+ Ximăng pooclăng có phụ gia vô cơ

+ Ximăng pooclăng trắng và màu

+ Ximăng aluminat

+ Ximăng nở

+ Ximăng không co ngót

+ v.v

Tuy nhiên, ximăng pooclăng vẫn là ximăng sử dụng nhiều nhất

2.3.1 Khái niệm chung

Ximăng pooclăng là chất dính kết vô cơ rắn trong nước, chứa khoảng 70-80% silicat canxi Nên còn có tên gọi là ximăng silicat Nó là sản phẩm nghiền mịn của clinke với phụ gia thạch cao (3-5%) Clinke ở dạng hạt được sản xuất bằng cách nung cho đến kết khối hỗn hợp chứa cacbonat canxi và alumosilicat

2.3.2 Tính chất của ximăng pooclăng:

- Độ nhỏ: Ximăng có độ nhỏ (mịn) cao sẽ dễ tác dụng với nước, rắn chắc

nhanh Độ nhỏ có thể xác định bằng cách sàng trên sàng No008 (4900 lỗ/cm2) và đo tỉ diện tích của bề mặt ximăng (cm2/g) Đối với ximăng bình thường yêu cầu lượng sót trên sàng không quá 15%(có nghĩa là hơn 85% hạt có kích thước nhỏ hơn 80µK), tương ứng với tỉ diện tích là 2500-

3000 cm2/g

- Khối lượng riêng: khối lượng riêng của ximăng (không có phụ gia

khoáng) là 3,05-3,15 g/cm3 Còn khối lượng thể tích tuỳ theo độ lèn chặt: đối với ximăng xốp là 1100 Kg/m3; đối với ximăng lèn chặt trung bình là

1300 Kg/m3; đối với ximăng lèn chặt mạnh là 1600 Kg/m3

- Tính ổn định thể tích: Khi ximăng rắn chắc thể tích của nó thường thay

đổi Điều đó chủ yếu là là do sự trao đổi nước giữa hồ ximăng và môi trường (nước tự do và nước trong các gen) Thông thường nếu rắn chắc trong không khí thì ximăng bị co, còn trong môi trường nước có thể không

co hoặc nở chút ít

2.3.3 Một số ximăng đặc biệt:

Để chế tạo ximăng đặc biệt người ta dùng những biện pháp sau:

+ Điều chỉnh thành phần khoáng vật và cấu trúc của clinke ximăng

+ Dùng phụ gia vô cơ và hữu cơ để điều chỉnh tính chất và tăng hiệu quả kinh tế

+ Điều chỉnh độ mịn và thành phần hạt của ximăng

- Ximăng pooclăng rắn nhanh: Ximăng rắn nhanh có hàm lượng C3S và

C3A không nhỏ hơn 60-65% và tỷ diện tích phải đạt đến 3500 – 4000

cm2/g

- Ximăng pooclăng bền sunfat: Nó được sản xuất như ximăng thường nhưng

thành phần khoáng vật được quy định chặt chẽ hơn, đặt biệt phải hạn chế thành phần C3S Để sản xuất ximăng pooclăng bền sunfat có thể sử dụng phụ gia bền sufat như : xỉ, puzolan v.v

- Ximăng có phụ gia hữu cơ: Phụ gia hoạt động bề mặt có tác dụng làm

tăng độ dẻo cho bêtông và vữa, hoặc làm giảm lượng nước nhào trộn và giảm lượng dùng ximăng từ 10-20% Ngoài ra, nó còn làm tăng độ đặc và tính chống thấm cho bêtông Các phụ gia hữu cơ bề mặt dùng cho

ximăng như: chủ yếu là nhóm chất dầu và chất nhựa

- Ximăng pooclăng có phụ gia vô cơ: Phụ gia vô cơ hoạt tính là phụ gia sau

khi nhào trộn với vôi trắng trong không khí và nước thì tạo ra một loại hồ có khả năng rắn chắc trong không khí thì rắn chắc được cả trong nước Phụ gia vô cơ hoạt tính có thể có sẵn trong thiên nhiên như các đá trầm

tích điatômít, trepen, đá có nguồn gốc núi lửa v.v

- Ximăng pooclăng trắng và màu: Clinke của ximăng trắng được sản xuất

từ đá vôi và đất sét sạch, nung bằng nhiên liệu không có tro, khi nghiền tránh để lẫn bụi sắt Ximăng màu được chế tạo bằng cách nghiền chung các chất tạo màu vô cơ với clinke ximăng trắng Ximăng pooclăng trắng

và màu được dùng trong vữa và bêtông trang trí

- Ximăng aluminat: Ximăng aluminat có đặt tính là có cường độ cao và

rắn chắc nhanh Nó được sản xuất bằng cách nghiền clinke chứa aluminat canxi thấp kìm Để sản xuất ximăng aluminat thường dùng đá vôi và đá vôi giàu nhôm như quặng bauxit

- Ximăng nở và ximăng không co ngót: Ximăng nở là loại chất dính kết

tổng hợp của một số chất kết dính hoặc của nhiều loại ximăng Có nhiều thành phần gây nở, nhưng hiệu quả nhất là 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O

Ximăng nở chống thắm nước là chất kết dính rắn nhanh Nó

được sản xuất bằng cách trộn lẫn ximăng aluminat (70%), thạch cao (20%) và hyđroaluminat canxi cao kìm (10%)

Ximăng pooclăng nở là chất dính kết rắn trong nước được chế

tạo bằng cách nghiền chung clinke của ximăng pooclăng (58-63%), xỉ hoặc clinke aluminat (5-7%), thạch cao (7-10%) hoặc các phụ gia hoạt tính khác (23-28%) Nó có độ đặc và tính chống thắm nước cao, có khả năng nở trong nước và trong không khí

Chương 3 THỂ TÍCH – KHỐI LƯỢNG VẬT LIỆU TRONG SILÔ

3.1 Các dạng silô thường gặp trong thực tế

Hiện nay, trong thực tế có rất nhiều dạng silô khác nhau Dưới đây là một số dạng silô thường gặp:

1 Bộ lọc (Thường là dạng lọc túi)

Hình 3.1 Silô hình trụ kích thước lớn Hình 3.2 Silô hình trụ kích thước nhỏ

Hình 3.3 Silô hình chữ nhật Trong đó, các kích thước: L, D,R, a, thường làm theo yêu cầu thực tế (mặt bằng, không gian công tác, lưu trữ, kết cấu, v.v ) Khi thiết kế silô nên thiết kế silô có hướng thoát liệu chính tâm và ở đáy vì tận dụng được góc chảy tự nhiên của vật liệu

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số đo khối lượng ximăng trong silô

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng thể tích ximăng trong silô,

khối lượng ximăng trong silô phụ thuộc vào: nhiệt độ, độ ẩm, khối lượng thể

tích, quy luật phân bố mặt thoáng, chiều sâu đo

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đo như sau:

a Xét ảnh hưởng của nhiệt độ (T) đến khối lượng ximăng trong silô

Nhiệt độ trong lòng silô (ở giữa khối lượng ximăng trong silô) nằm trong khoảng từ 48 – 55OC (số liệu thực nghiệm) và nhiệt độ này luôn luôn

không đổi Vì vậy, ta coi như ảnh hưởng của nhiệt độ đến khối lượng ximăng

trong silô là không đáng kể

b Xét ảnh hưởng của độ ẩm (ψ) đến khối lượng ximăng trong silô

Độ ẩm tương đối trong lòng silô (ở giữa khối ximăng trong silô) nằm trong khoảng từ 2,5-3,5% Độ ẩm tăng thì khối lượng ximăng tăng và khối

lượng thể tích giảm Tuy nhiên, trong khoảng độ ẩm từ 2,5-3,5% thì khối

lượng thể tích ximăng thây đổi không đáng kể Vì vậy, ta coi như ảnh hưởng

của độ ẩm đến khối lượng ximăng trong silô bằng không

c Xét ảnh hưởng của khối lượng thể tích ximăng theo chiều cao:

Khối lượng thể tích của ximăng trong silô được phân bố theo chiều cao của ximăng trong silô Chiều cao càng lớn thì khối lượng thể tích càng

lớn Tuy nhiên với nhiều loại vật liệu rời, khi chiều cao lớp vật liệu gấp ba

lần đường kính thì thêm vật liệu vào không làm ảnh hưởng đến áp suất tại

đáy bồn [9 - tr.25] Vì các hạt ở đáy đã lèn chặt vào nhau (độ xốp rất nhỏ)

Bằng số liệu thực nghiệm (Phòng KCS - Công ty MêKông) ta thấy khối lượng thể tích theo chiều sâu trong silô như sau:

ρđ = 1,10 -ρc = 1,60

9000

d Xét quy luật phân bố của mặt thoáng:

Quy luật phân bố mặt thoáng trong silô khá phức tạp Quy luật phân bố mặt thoáng phụ thuộc vào chiều cao, quá trình cấp và thoát, thời gian lưu trữ, tính đồng nhất của ximăng, v,v…

Trong thực tế có một số dạng silô như sau: 60Tấn, 80Tấn, 90Tấn Qua thí nghiệm ta thấy các dạng mặt thoáng ở silô 80Tấn và kích thước cụ thể của từng vị trí mặt thoáng như sau:

Ở đây có nhiều vị trí mặt thoáng, nhưng chúng tôi chỉ đưa ra ba vị trí mặt thoáng cụ thể:

+ Vị trí mặt thoáng trên cùng: Là vị trí mặt thoáng mà tại đó cấp đầy ximăng vào

Hình 3.4 Kích thước mặt thoáng ở gần đỉnh silô

+ Vị trí mặt thoáng ở giữa silô: (các đỉnh khoảng 5mét)

Hình 3.5 Kích thước mặt thoáng ở giữa silô

+ Vị trí mặt thoáng ở đáy silô: (ở gần phần côn)

Hình 3.6 Kích thước mặt thoáng ở gần đáy silô

Ta thấy rằng, quy luật phân bố mặt thoáng thây đổi theo chiều cao ximăng trong silô dẫn đến vị trí điểm đo thây đổi nên chiều sâu đo (chiều sâu H) khác nhau và khối lượng thể tích ximăng khác nhau

e Xét ảnh hưởng của quá trình rãi dây đo

Khi quá trình đo được thực hiện thì tang quấn dây đo sẽ quay, tang quay làm cho dây đo di chuyển dọc theo tang nên điểm cần đo sẽ thay đổi Điểm cần đo thay đổi dẫn đến quá trình đo khối lượng ximăng trong silô sẽ thay đổi Vì vậy phép đo không chính xác

3.3 Giải pháp công nghệ

Chúng ta thấy rằng có rất nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả đo Nguyên nhân gây ra sai số đo nhiều nhất là mặt thoáng vì: Mặt thoáng là yếu tố luôn thay đổi và là quyết định đến điểm đo Chính vì vậy, chúng tôi đề

xuất giải pháp công nghệ là sử dụng đầm rung để tạo mặt thoáng thành

mặt phẳng Lúc này các yếu tố gây ra sai số đo như: yếu tố mặt thoáng, yếu

tố chọn điểm đo bằng không, chỉ còn một yếu tố là sai số về phân bố khối lượng thể tích theo chiều cao ximăng trong silô

3.4 Xác định khối lượng của ximăng trong silô

3.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng ximăng trong silô

Mđ ∈(ρ, S, hdo)

Trong đó:

Mđ: Tổng khối lượng ximăng trong silô (lúc silô đầy ximăng)

ρ: Khối lượng thể tích của ximăng trong silô

S: Diện tích silô

hdo: Chiều sâu đo (Chiều sâu đo là khoảng các từ vị trí O đến vị trí cần đo của vật liệu trong silô)

Hình 3.7 Ximăng trong silô ở vị trí đầy và lấy ra

Ở hình 3.7 ta thấy:

- Với hình 3.7a:

• Mđ: là tổng khối lượng ximăng trong silô, bao gồm cả khối lượng phần hình trụ và hình côn Mđ là khối lượng đã biết trước, nghĩa là: trước khi cấp ximăng vào silô thì ximăng này đã được cân từ nhà cung cấp Ứng với mỗi loại silô thì ta có Mđ khác nhau Ví dụ: Silô 100Tấn: khi bơm ximăng tới vị trí O thì Mđ là 100Tấn

• L: là khoảng dự trữ an toàn, nghĩa là: khi bơm ximăng tới vị trí O (Mđ = 100Tấn) nhưng trong xe Boom còn khoảng 1 đến 2 tấn thì ta có thể bơm luôn mà không ảnh hưởng gì đến silô

(b)(a)

- Với hình 3.7b:

• Mr: là khối lượng ximăng trong silô lấy ra để phục vụ cho sản xuất Khối lượng Mr khi lấy ra sẽ được cân, vì từng yêu cầu sản xuất cụ thể mà ta cần Mr khác nhau

• Mcl: là khối lượng ximăng còn lại trong silô Khi ta lấy ra một khối

Mr thì khối lượng còn lại chính là Mcl

• Nếu ta bơm ximăng vào trong silô với một khối lượng nhỏ hơn mức

O (hình 3.8) ta tiến hành đo thì:

rong đ

cl M M

Mrong: Khối lượng rỗng, là khối lượng còn thiếu để đạt tới Mđ Nhưng kết quả cuối cùng ta cần là Mcl, vì vậy ta không quan tâm tới Mrong (ta có thể coi Mrong là Mr)

Hình 3.8 Ximăng trong silô khi cấp ximăng vào silô nhỏ hơn mức O

3.4.2 Công thức tính khối lượng thể tích ximăng trong silô

Khối lượng ximăng trong silô nằm ở hai phần (hình 3.9):

Hình 3.9 Ximăng trong silô

Công thức tính khối lượng ximăng trong silô:

c tr

Mcl: Khối lượng ximăng còn lại trong silô

Mr: Khối lượng ximăng lấy ra khỏi silô

Mtr: Khối lượng ximăng ở phần hình trụ trong silô

Mc: Khối lượng ximăng ở phần côn của silô

• Xét phần thể tích V 1 ta có:

Ta thấy rằng ρH thây đổi theo chiều sâu đo (hdo), giả sử ρH và hdo có mối

+ V1: thể tích phần hình trụ

+ V2: thể tích phần hình nón cụt

m H

H

H

9

;6,1

9);

6,11,1(

ρ

ρ

Khối lượng thể tích ximăng trong silô được phân bố tăng đần từ vị trí đỉnh tới

vị trí đáy (hình 3.10a), càng về đáy độ nén càng cao Khi lấy ximăng ra khỏi silô thì ximăng ở phần đáy silô ra trước Điều này có nghĩa là: khối lượng thể tích ρH lớn (đáy) ra trước còn phần ρH nhỏ (đỉnh) sẽ ra sau (hình 3.10b) ρH được xác định như sau:

Hình 3.10 Sơ đồ tính hdo và ρH ximăng trong silô

• Xét trường hợp: hdo> H – 9mét hay (H > 9mét)

Hình 3.11 Đồ thị tính ρH ximăng trong silô khi hdo> H – 9mét

Phương trình đường thẳng ρH có dạng: ρH = 1,6 với hdo∈[9; ∝) Lúc này Mr được tính như sau:

do

h h

H

M

do do

6 , 1 ) ( 6

, 1 ) (

• Xét trường hợp: hdo ≤ H – 9mét hay (H ≤ 9mét)

Hình 3.12 Đồ thị tính ρH ximăng trong silô khi hdo≤ H – 9mét

Phương trình đường thẳng ρH có dạng: ρH = a.hdo + b với hdo∈(0;9]

Gọi A là tọa độ điểm tại hdo = 0, ρH = 1,6 ⇒ A (0; 1,6)

Gọi B là tọa độ điểm tại hdo = 9, ρH = 1,1 ⇒ B(9; 1,1)

Phương trình của chiều sâu đo hdo và ρH có dạng như sau:

ρH = a.hdo + b

hdo = 0; ρH = 1,6 ⇒ 1,1 = a.0 + b ⇒ b = 1,6

hdo = 9; ρH = 1,1 ⇒ 1,1 = a.9 + 1,6 ⇒ a = -1/18 Vậy phương trình của ρH theo chiều sâu đo hdo là:

)366

,1()

366

,1(

)186,1()

186,1(

2 2

2 2

0

2 0

do do

h do do

h

do

h

do r

h h R

h h R

dh

h R

dh

h S

M

do

do do

π

Vậy công thức để tính khối lượng ximăng phần hình trụ Mr trong silô là:

+ Trường hợp H ≤ 9mét ta có:

, 1 (

2

do đ

cl

h h R

M

+ Trường hợp H > 9mét có 2 trường hợp:

- Với H – hdo > 9 mét ta có:

do đ

,145,2

6,1)

366

,1(

)(.)

(.)

(

2

9 2

9 2 2

9 9

đ

H h

H đ

H H h

H

H đ

H

h H

H đ

cl

h H h

M

h R

h h R

M

dh h S

dh h S

M dh h S

M

M

do

do do

π π

ρ ρ

ρ

• Xét phần thể tích V 2 ta có:

Khối lượng ximăng ở phần côn (Mc) ta thấy:

- ρH bố trí rất phức tạp, thường ρH không tuyến tính theo đường thẳng vì áp lực của ρH tác động lên mặt nghiêng

- Khi ta đo vượt qua phần côn Mc lúc này phép đo không còn độ chính xác

Vì vướng phải bộ lọc trên đỉnh silô

- Trong thực tế sản xuất, để đảm bảo kế hoạch sản xuất thì các nhà sản xuất không cần xét đến phần côn Vì ximăng chưa đến phần côn thì phải cấp vào

- Mc có thể tính theo công thức sau:

r: bán kính cửa thoát ximăng của silô

ρTB:Khối lượng thể tích trung bình, (có thể chọn cho từng loại silô)

Như vậy: khối lượng ximăng trong silô còn lại được tính như sau:

r đ

)) 36 6

, 1 ( (

2

do đ

cl

h h R

M

Công thức (4) là công thức dùng để tính khối lượng còn lại ximăng trong silô Trong công thức (4) ta thấy rằng chỉ còn một biến số thay đổi là hdo Nghĩa là: chiều sâu hdo thay đổi thì khối lượng ximăng còn lại trong silô sẽ thay đổi

3.4.3 Công thức tính chiều dài h do

π

β

2

= β

π

Cos R

h do = 2

+ Trường hợp (b): Ứng với α góc quay của tang, ta có:

R K

×

= 2

Trong đó:

β: Là góc nghiêng của ren trên tang

t: Bước ren trên tang;

R : Bán kính tang

α: Góc quay của tang (rad)

X: số xung đếm được từ Encoder

E: Số xung trên một vòng quay của Encoder

X K E

X Cos

R Cos

R

h do = = × π = ×

ββ

Chương 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO KHỐI LƯỢNG XI

MĂNG TRONG SILÔ.

4.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống đo

4.1.1 Phân tích lựa chọn phương án đo:

Trong các silô chứa hiện nay mô tơ cảm biến đang được sử dụng rất rộng rãi, rất thích hợp khi đo vật liệu rời và đã được thương mại hoá ở nhiều nước trong đó có Việt Nam

Hình 4.1 Mô tơ cảm biến

Mặc dù mô tơ cảm biến dùng trong đo mức hiện nay được sử dụng rất nhiều Trong thực tế hiện nay mô tơ cảm biến chỉ dùng để:

+ Chỉ báo được ở mức đầy

+ Chỉ báo được ở mức hết

+ Không xác định được khối lượng trong silô

(1) - Mô tơ báo mức đầy

(2) – Silô

(3) – Liệu trong silô

(4) - Mô tơ báo mức hết

Hình 4.2 Mô hình đo mức bằng mô tơ cảm biến hai mức

Với kết quả kiểm tra như vậy chỉ mang tính định tính nên không chính xác Trước tình phát triển khoa học công nghệ như hiện nay thì việc kiểm tra như vậy là không phù hợp Mặc khác, yêu cầu của khách hàng là phải có một hệ thống báo mức và xác định khối lượng trong silô được thực hiện hoàn toàn tự động tại mọi thời điểm bất kì thông qua sự điều khiển của máy tính

mà người sử dụng cần

Căn cứ vào ưu nhược điểm của thiết bị đo mức bằng mô tơ cảm biến đã giới thiệu ở trên chúng tôi tiến hành phân tích lựa chọn hệ thống đo dự định nghiên cứu và chế tạo mô hình đảm bảo các chỉ tiêu sau:

9 Thiết bị phải gọn nhẹ

9 Đo và xác định khối khối lượng vật liệu rời tại các mức bất kỳ

9 Đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu (± 2%)

9 Giá thành phù hợp với thị trường Việt Nam

9 Sử dụng được với các vật liệu khác nhau

9 Hệ thống được điều khiển hoàn toàn tự động với sự hổ trợ của máy tính

Qua quá trình nghiên cứu, chúng tôi chọn mô hình đo là: Hệ thống đo sử dụng môtơ cảm biến để đo khối lượng

Mô hình hệ thống đo trong được mô tả trên hình 4.3 như sau:

1 Động cơ hộp số (có phanh)

2 Trục tang

3 Encoder

4 Mô tơ cảm biến