Xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế 2 I. Tổng quan về hệ thống 3 II. Nguyên lý vận hành của hệ thống 4 Chương 2: Nội dung thực hiện 5 I. Yêu cầu của đề tài 5 II. Các hướng giải quyết 5 a) Cảm biến quang 6 b) Cảm biến tiệm cận 8 c, Cảm biến lưu lượng 11 c, Cảm biến lưu lượng 11 III. Thiết kế vị trí lắp đặt 20 Tính chọn thiết bị 20 Chương 3: Kết luận 32 I. Các kết quả đạt được 32 II. Các hạn chế khi thực hiện 32

Bài tập lớn môn đo lường và cảm biến

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế

Error: Reference source not found I Tổng quan về hệ thống Error: Reference source not found II Nguyên lý vận hành của hệ thống 4

Chương 2: Nội dung thực hiện 5

I Yêu cầu của đề tài 5

II Các hướng giải quyết 5

a) Cảm biến quang 6

b) Cảm biến tiệm cận 8

c, Cảm biến lưu lượng 9

c, Cảm biến lưu lượng 9

III Thiết kế vị trí lắp đặt 20

Tính chọn thiết bị 20

Chương 3: Kết luận 32

I Các kết quả đạt được 32

II Các hạn chế khi thực hiện 32

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG I.Tổng quan hệ thống

Hệ thống chiết rót chất lỏng là một hệ thống liên tục, kết hợp giữabăng truyền công nghiệp đưa các thùng rỗng từ kho vào phía dưới bểchứa chất lỏng cần chiết rót, các van tự động được điều khiển bởi cáccảm biến lưu lượng sẽ điều tiết lượng chất lỏng vừa đủ để rót vào thùng

Hệ thống này được ứng dụng vào rất nhiều các dây chuyền chiết róthiện nay vì nó có khả năng tăng năng suất lao động, hạ giá thành sảnphẩm, giảm nhẹ sức lao động cho người lao động, nâng cao hiệu quả kinh

tế, chất lượng sản phẩm Đối với một đất nước đang trong thời kì pháttriển của sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa thì vai trò của nó làkhông thể thiếu

Về cơ bản các khâu để chiết rót chất lỏng vào thùng gồm cácthành phần sau:

 Hệ thống khởi động gồm 2 nút start, stop

 Động cơ kéo băng tải

 Bồn chứa chất lỏng cần rót, các thùng rỗng được đẩy ra từkho chứa thùng

 Hai van điều khiển để rót chất lỏng vào thùng và đưa chấtlỏng vào bồn chứa

Như vậy, các thông số cần giám sát ở đây là : mức chất lỏng trongbồn chứa , lượng chất lỏng được rót vào thùng chứa và vị trí các thùng

trên băng truyền Ngoài ra, ở mỗi dây truyền không thể thiếu sự giámsát của con người để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục , an toàn vàsửa chữa khi hệ thống gặp sự cố Việc tính toán và chọn lựa cảm biếnphải chính xác và phù hợp với hệ thống vì yếu tố quan trọng nhấttrong dây chuyền này là các cảm biến.

II.Nguyên lý hoạt động của hệ thống.

Khi ta ấn nút khởi động start động cơ kéo băng tải bắt đầu làmviệc, các thùng rỗng được đưa từ kho chứa thùng đặt lên băng tải đưa tớiphía dưới bồn chứa chất lỏng và van 2 mở để điều chỉnh lượng chất lỏngvừa đủ (đã được cài đặt mặc định từ trước) vào thùng chứa, nếu lượngchất lỏng ở bồn chứa không đủ van 1 sẽ mở để đưa thêm chất lỏng vàothùng bồn chứa

Hình ảnh về khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp mà chúng

ta đang xét tới:

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN

I Yêu cầu của đề tài

 Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng

 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?

 Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống

 Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?

 Trình bày về loại cảm biến lựa chọn?

 Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán xử lý tín hiệu đầu racủa cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển?

 Đánh giá về sai số của hệ thống

II Các hướng giải quyết

Đối với hệ thống chiết rót chất lỏng này, chúng em sử dụng:

4 cảm biến:

 1 cảm biến quang loại phản xạ để phát hiện và đẩy thùng rỗngxuống khi không có thùng rỗng nào trên băng chuyền dưới khochứa thùng

 1 cảm biến tiệm cận điện dung để phát hiện sự có mặt của thùngrỗng ở phía dưới van 2 để dừng băng tải

 1 cảm biến siêu âm ở đầu van 2 để đo lưu lượng chất lỏng được rótvào thùng rỗng và điều khiển sự đóng mở của van 2

 1 cảm biến siêu âm bên trong bồn chứa để đo lượng nước trong bồnchứa và điều khiển sự đóng mở của van 1

a) Cảm biến quang

Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES) nói một cáchnôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành.Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang,chúng sẽ thay đổi tính chất Tín hiệu quang được biến đổi thành tínhiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi

có 1 lượng ánh sáng chiếu vào

 Cảm biến quang loại thu phát độc lập:

Là loại cảm biến có phần phát và phần thu ở trong 2 bộ phận độc lậpnhau và được đặt đối diện nhau:

Khi không có đối tượng xuất hiện ở vị trí trên đường đi của tia sángthì trạng thái ngõ ra của bộ phận nhận ở mức thấp “ mức 0”, khi đốitượng xuất hiện trên đường đi của tia sáng từ bộ phận phát đến bộphận nhận thì trạng thái ngõ ra ở bộ phận nhận sẽ ở mức cao “ mức1”

 Đặc điểm cảm biến quang thu phát độc lập:

 Độ tin cậy cao

 Thích hợp với việc dùng để phát hiện các đối tượng mờ đục,không trong suốt hay các đối tượng có tính phản chiếu.

 Không thích hợp để phát hiện các đối tượng trong suốt

 Tầm hoạt động xa nhất so với 2 loại còn lại Một số có thể hoạtđộng đến cự li 274m

 Khoảng cách phát hiện xa

 Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt đối tượng

Cảm biến quang loại phản xạ:

Cảm biến quang loại phản xạ có bộ phát và nhận tích hợp chung trong

1 vỏ hay còn gọi là 2 trong 1 Vị trí 2 bộ phận này song song nhau:

Ánh sáng được chiếu đến bộ phận phản xạ và quay trở lại bộ phận tiếpnhận Khi có đối tượng chặn ánh sáng, ngõ ra của cảm biến thay đổitrạng thái Các đối tượng được nhận biết khi ánh sáng bị ngắt khôngphản xạ lại

 Đặc điểm cảm biến quang loại phản xạ:

 Độ tin cậy cao

 Giảm bớt dây dẫn

 Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng

Do các thùng chứa chất lỏng có thể làm bằng thuỷ tinh trong suốt nên

ta dùng cảm biến quang loại phản xạ Cảm biến quang ít chịu ảnhhưởng của chất lỏng, tần số hoạt động cao, chính xác, lắp đặt đơn giản

nên ta chọn CB quang loại phản xạ

b) Cảm biến tiệm cận

Là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vậtthể với cảm biến điện từ không tiếp xúc Cảm biến tiệm cận có 1 vaitrò quan trọng trong thực tế Tín hiệu ngõ ra của cảm biến thường làdạng logic

Đặc điểm:

 Phát hiện vật không cần tiếp xúc ( nên tuổi thọ cao)

 Tốc độ đáp ứng nhanh

 Led hiển thị trạng thái Out

 Đạt tiêu chuẩn IP67 ( tiêu chuẩn IEC)

 Đầu sensor nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi, nhiều vị trí, khônggian hạn chế

 Có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt mà các loạicảm biến khác khó có thể hoạt động ổn định được

Có 3 loại cảm biến tiệm cận: điện từ, điện dung và siêu âm.

Cảm biến tiệm cận điện dung:

- Nguyên lý hoạt động:

Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện

từ dao động quanh nó Trường điện từ này được mộtmạch bên trong kiểm soát

Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo radòng điện (dòng điện xoáy) trong vật

Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế,

do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và daođộng giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi

Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau

đó thay đổi đầu ra vật đã được phát hiện

- Ưu điểm:

 Khả năng chống chịu với môi trường tốt

 Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc

- Nhược điểm:

 Chỉ phát hiện được vật thể là kim loại

Cảm biến tiệm cận siêu âm:

- Nguyên lý hoạt động: : Cảm biến siêu âm sử dụngnguyên lý phản xạ sóng siêu âm Thời gian sóng âmthanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệtrực tiếp đến chiều dài quãng đường

- Ưu điểm:

 Đo được khoảng cách của vật di chuyển

 Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt

 Không ảnh hưởng bởi màu sắc

 Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách

 Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoảng cách xa

- Nhược điểm:

 Sóng phản hồi chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh tạpâm.

 Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi

 Khoảng cách tỉ lệ nghịch với tần số

Ta chọn cảm biến tiệm cận điện dung để đo mực nước trong thùng

chứa do cảm biến điện dung có thể phát hiện được mọi vật liệu (cảmbiến điện cảm chỉ có thể phát hiện được kim loại), giá thành hợp lý và

do thùng chứa luôn ở vị trí cố định

c Cảm biến lưu lượng chất lỏng qua van

Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chấtkhí, chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp Cáccảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạtđộng của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất,cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưulượng siêu âm

 cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất.

Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức là

sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy,dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy Cảm biến

lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture Hình

2.1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng

chảy Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng,vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏngđến lỗ đó Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặtvào cao hơn áp suất mặt ra Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất nàycho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy Dựa vào vận tốcdòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy

Hình 2.1: Cảm biến lưu lượng chênh

lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice): chênh lệch áp suất trước và sau lỗ tròn

là Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Qp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thức Q2=KΔp=p1-p2; lưu lượng thể tích Qp Trong đó :( p1 - áp suất trước tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K là hệ số phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính).

Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứngdụng công nghiệp cần lưu ý các điểm sau:

 Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổnđịnh-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng

 Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp

 Độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ

 Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vìvậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm.

 Yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo ápsuất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy

Vì độ chính xác của loại cảm biến này rất thấp ở dãi lưu lượng nhỏ và

làm ảnh hưởng tới dòng chảy nên ta không chọn cảm biến loại này cho hệ

thống chiết rót chất lỏng công nghiệp

 Cảm biến lưu lượng điện từ.

Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từFaraday và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện.Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ốngdẫn chất lỏng (hình2.2) Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy quađường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng Điện áp này được lấy ra bởi haiđiện cực đặt ngang đường ống Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên

độ điện áp cảm ứng đo được

Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AChoặc DC Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kíchthích bằng tín hiệu xoay chiều Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụnhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC Tuy nhiên phươngpháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do đó, nó có thể gây rasai số tín hiệu đo Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường là vấn đề lớnđối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được Bởi vậy,phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây trường là giảipháp mang lại hiệu quả cao Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ cácvấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC

Hình 2.2: Cảm biến lưu lượng điện từ: điện áp cảm ứng E=KDBv (B - từ trường, D - chiều dài chất dẫn điện (khoảng cách 2 điện cực đo điện áp cảm ứng), v - vận tốc dòng chảy, K - hệ số).

Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ýđến các điểm sau:

 Chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện

 Sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện,cấu tạo đường ống và cách lắp đặt

 Không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưulượng thấp

 Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như ximăng, thạch cao, …vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắpđặt phía trong ống dẫn

 Độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng

 Giá thành cao hơn

Cảm ứng loại này chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện nên ta

không chọn cảm ứng loại này cho dây truyền chiết rót chất lỏng

 Cảm biến lưu lượng Coriolis

Đây là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến Chúng thựchiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ốngdẫn Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạncong (hình 2.3) Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắpđặt và bảo trì - bảo dưỡng nhưng thiết bị đo loại này rất nhạy cảmvới nhiễu và tác động bên ngoài Cấu trúc của ống đôi cong cho phép loại bỏđược nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống dẫn dòng chảy dao độngngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu được nhiễu

Hình 2.3: Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta.

Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài Khi chất lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis Dao động rung của các ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên các ống dẫn này Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịch với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy trong ống dẫn đến phương chuyển động thẳng đứng Các sensor điện cực đặt cả phía dòng chảy vào (Inlet pickoff) và phía dòng chảy

ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Qt) của tín hiệu vào (Inlet pickoff signal) và tín hiệu ra (Outlet pickup signal) Sự

dịch pha này (Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Qt) được dùng để xác định trực tiếp lưu tốc khốilượng dòng chảy qua ống

Hình2 4 minh họa hoạt động của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng đứng im (No flow)

và chất lỏng di chuyển (Flow)

Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau:

 Đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, ápsuất, hình dạng dòng chảy đến phép đo

 Độ chính xác cao

 Cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọngbởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chấtlỏng chảy qua ống

 Không đo được lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ nhưchất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt)bởi vì các hạt/vật chất đặc biệt này làm giảm sự dao động của ốngdẫn, gây ra sai số phép đo

 Cảm biến lưu lượng siêu âm

Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vàohiệu ứng Doppler được thể hiệntrên hình 2.5 Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu Bộ phát thựchiện lan truyền sóng siêu âm với tần số f=0.5-10MHz vào trong chất

lỏng với vận tốc là v Giả sử rằng hạt vật chất hoặc các bọt trong chất

lỏng di chuyển với cùng vận tốc Những hạt vật chất này phản xạ sóng lantruyền đến bộ thu với một tần số f2 Sai lêch giữa tần số phát ra và tần số thu

về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc dòng chảy Bởi vì loại cảmbiến lưu lượng siêu âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của hạt vậtchấttrong chất lỏng, nên nó không làm việc được với các chất lỏng một pha, tinhkhiết

Hình 2.5: Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa trên hiệu ứng Doppler: lưu lượng thể tích Q=KΔp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q(f1,f2) (f1 - tần số sóng phát, f2 -tần số sóng thu về, K - hệ số phụ thuộc góc tới/phản xạ, vị trí vật chất phản xạ, mặt cắt ngang)

Cảm biến siêu âm xuyên thẳng (transit-time) Cảm biến loại này(hình2.6) có thể cho phép đo lưu lượng đối với chất lỏng/khí rất sạch (khônglẫn tạp chất) Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bị biến đổi sóngsiêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm vớitrục của dòng chảy một góc xác định trước Mỗi thiết bị biến đổi baogồm bộ thu và bộ phát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau (thiết

bị này phát thì thiết bị kia thu) Dòng chảy trong ống gây ra sự sai