Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản dạng hạt

Để góp phần làm sang tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn “Đolường và cảm biến” chúng em sau một thời gian học tập được các thầy , các cô trong khoa giảng dạy về các kiến

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DÂN : MAI THẾ THẮNG

NHÓM THỰC HIỆN : 9

LỚP : ĐIỆN 7 – K10

THÀNH VIÊN : NGUYỄN QUANG TUẤN

PHAN ANH TUẤN HOÀNG VIẾT VÂN CHU ĐỨC VIỆT NGUYỄN ĐỨC VIỆT ĐỒNG VIẾT VINH

HÀ NỘI, Ngày 6-6-2015

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ.

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH.

2.1- Yêu cầu đề tài

2.2- Các hướng giải quyết

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CẢM BIẾN

3.1- Các kết quả đạt được

3.2- Các hạn chế khi thực hiện

3.3- Biện pháp khắc phục

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN.

4.1- Bản tài liệu lí thuyết

4.2- Bản tài liệu sử dụng cảm biến

có bộ nhớ kết hợp với máy tính điện tử Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy

sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng trừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sang tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn “Đolường và cảm biến” chúng em sau một thời gian học tập được các thầy , các cô trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của cô “MAI THẾ THẮNG” chúng em đã “tìm hiều, phân tích và xây dựng hệ thống

đo và điều khiển nhiệt độ lò xấy nông sản dạng hạt”

Cũng với sự nỗ lực của cả nhóm nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm củachúng em còn có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp và phát triển đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ.

1.1-Tiêu chuẩn sấy các loại hạt.

Khi mới thu hoạch, hạt thường có độ ẩm cao, trung bình 20-22% Một số loại hạt thu hoạch vào mùa mưa ở nước ta, đọ ẩm lúc đầu của chúng có thể tới 34-40%> Những hạt ẩm nếu không sấy kịp thời có thể bị thâm, chua, thối thậm chí có thể hư hỏng hoàn toàn Một số loại hạt như đậu tương, vừng phải sấy tới độ khô nhất định mới tách, lấy hạt ra khỏi vỏ thuận lợi Tất cả các loại hạt trước khi đưa vào kho bảo quản, nhất thiết phải qua sấy tới độ ẩm an toàn

1.1.1 Lúa mì.

Yêu cầu: phải đảm bảo số lượng và chất lượng của gluten

Đặc điểm: bắt đầu ở nhiệt độ từ 50ºC đã có sự thay đổi nhỏ về số lượng và chất lượngcủa gluten Vì vậy nhiệt độ sấy chỉ cho phép đến 50ºC

1.1.2 Lúa, ngô.

Nước thoát ra 200kg/tấn, lúa 33% ẩm độ xuống 16% ẩm độ Lúa khô ráo vỏ khoảng 20-22% ẩm độ, có màu vừa chuyển từ màu nâu đen qua màu vàng sáng, hạt lúa cắn bên trong còn mềm Lúa khô có thể xay chà và tồn trử được khoảng 14-16%

ẩm độ, hạt cắn kêu, dòn

Lúa ướt từ 33% ẩm độ giảm xuống 20-22% ẩm độ có thể giảm nhanh trong vòng

5 đến 8 phút nên có thể dùng nhiệt độ đến 80ºC để sấy

Lúa ướt từ 20-22% ẩm độ giảm xuống 14-16% ẩm độ phải có thời gian nhất định, thường giảm không quá 1,5% ẩm độ/1giờ, nếu giảm nhanh hơn hạt gạo bên trong bị nứt Nên trong thời gian này nhiệt độ sấy không quá 42ºC cho lúa giống, từ 45ºC trở xuống cho lúa ăn Vận tốc gió xuyên qua lớp lúa sấy trung bình 10m/1 phút.Nếu ta biết được đặc tính của quạt, lò đốt, sinh lý của hạt lúa, ta có thể yên tâm sấy ra được chất lượng cao, không bị tro, khói và nứt hạt lúa

1.2- Sơ lược về hệ thống thiết kế.

Phương pháp sấy kiểu vỉ ngang

Hệ thống thiết kết được trang bị cảm biến đo nhiệt độ kết hợp với vi sử lí để điều khiển nhiệt độ và tốc độ quạt gió trong lò, cũng thông qua bảng điều khiển tự động toàn bộ hoạt động của lò được giám sát trực quan bằng hệ thống đèn báo

1.2.1 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ

B,Vai trò tác dụng của các khối:

 Khối nguồn: làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến luôn là +5V nguồn nuôi cảm biến

 Cảm biến: đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh, khuếch đại, vào ADC

 Mạch khuếch đại: khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu cầu bài toán

 Chỉ thị: là các Ampmeter hoặc Volmeter hiển thị dòng hoặc áp vị trí cần đo và trước sau chuẩn hóa

 Mạch so sánh: so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt,

để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường

 Còi báo: báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị đặt

 Mạch nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong chế độ nhiệt độ bình thường, tắt khi vượt quá nhiệt theo yêu cầu bài toán

 Hiển thị mã BCD

1.2.2 Ưu nhược điểm của hệ thống

A, Ưu điểm

- Lò sấy được thiết kế dựa theo nguyên lí sấy đối lưu cưỡng bức thiết bị có kết cấu đơn giản dễ lắp đặt được ứng dụng rộng rãi để sấy các loại nông sản dạng hạt như ngô, lúa, đậu…

- Có hệ thống còi cảnh báo khi quá thời gian sấy

- Chi phí lắp đặt thấp,dễ vận hành và bảo trì

- Dễ thao tác phù hợp với trình độ lao động của các địa phương

- Tỉ lệ hao hụt thấp, sản phầm đầu ra chất lượng tốt

- Thân thiện với môi trường

B, Nhược điểm

- Thời gian sấy lâu

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

- Thành lò được làm bằng vật liệu cách nhiệt

để đảm bảo cho nhiệt độ sấy được ổn định Ngoài ra còn đảm bảo yếu tố cơ khí chịu lực với một khối lượng nông sản lớn

2.2 Vật liệu gia nhiệt

Nhiệt của lò sấy được cung cấp theo nhiều cách thức khác nhau như : Than ,củi, trấu , khí ga, điện… Nhưng tất cả các phưng pháp đều tạo ra nhiệt trong 1 lò đốt, sau đó nhiệt độ sẽ truyền tải tới buồng sấy

Nguyên liệu gia nhiệt :

- Nguồn điện được cấp vào dây mayso với bản chất là 1 hợp kim Ni-Cr dây mayso

sẽ dẫn điện kém Dòng điện đi vào sẽ gây ra tác dụng nhiệt làm nóng dây Dây bị làm nóng sẽ không bị oxy hóa do tính chất của hợp kim

2.3 Quạt thông gió:

Sau khi gia nhiệt thành công trong lò đốt một hệ thống sây cần 1 hệ thống quạt thông gió Có tác dụng thỏi hơi nóng vào trong buồng sấy đồng thời lưu thông dòng không khí nóng để sấy nông sản một cách đều hơn

Hình ảnh một số hệ thống thông gió:

Trong một hệ thống quạt thông gió có 2 bộ phận chính:

êm, không rung hay kêu to

- Động cơ :

Động cơ kéo quạt công suất phải lớn hơn 16kw mã lực, có thể dùng động cơ 1 phahoặc 3 pha sử dụng điện áp 220V quay với tốc độ cao nhằm đẩy nhiệt đi khắp buống sấy và xuyên qua lớp lúa dày Đồng thời cần kết hợ điều khiển tốc độ động

cơ để tạo đối dòng đối lưu khi cần thiết

2.4 Hệ thống vào ra nông sản:

- Đưa nông sản vào buồng sấy: Bước đầu tiên đặt ra trong hệ thống sấy nông

sản là việc đưa nông sản vào buồng sấy với yêu cầu bài toán là khối lượng 100kg Đồng thời nông sản đưa vào buồng sấy cần được cán đều để đảm bảochất lượng cho quá trình sấy Trong hệ thống tự động nông sản được đổ vào một thùng chứa có chứa cảm biến lực treo Sau khi đáp ứng đủ 100kg nông sản yêu cầu ngắt nguồn cấp nông sản vào đồng thời rải đều nông sản lên toàn bộ buồng sấy

- Đưa nông sản ra khỏi buồng sấy: Sau quá trình sấy nông sản ta cần cho

nông sản ra và tiếp tục quá trình sấy những mẻ khác nên yêu cầu tính chất tựđộng kết hợp với cấu tạo đơn giản để thực hiện một cách nhanh chóng tiện lợi Để đáp ứng những yêu cầu trên ta sử dụng một máng ra kết hợp sự nâng

đỡ sàn buồng sấy tạo ra độ nghiên và cho nông sản ra ngoài

2.5 Hệ thống cảm biến nhiệt :

Cảm biến nhiệt là thiết bị thu giữ liệu nhiệt độ từ bên ngoài buồng sấy rồi gửi tín hiệu về bộ vi sử lí để hoạt động Đây là thành phần không thể thiếu trong một hệ thống lò sấy tự động và hiện đại Nếu không có cảm biến nhiệt thu thập giữ liệu thì không thể kiểm soát để điều chỉnh nhiệt độ phù hợp với nhiệt độ của nông sản

Hình ảnh cảm biến LM35

Hình ảnh của cảm biến PT100

2.6 Một số linh kiện trong mạch đo và điều khiển nhiệt độ.

2.6.1 Giới thiệu về IC 7805 (IC ổn áp 5V)

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC

ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản Các loại ổn

áp thường được sử dụng là IC 78xx,với xx là điện áp cần ổn áp Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7912 ổn áp -12V

2.6.2 Giới thiệu về IC 555

Đây là IC loại 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn ổn, mạchdao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ,… Nhưng trong mạch này, IC 555 được sử dụng làm bộ phát xung

2.6.3 Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804

Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800, nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian

chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển mộtđầu vào tương tự thành một số nhị phân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs

Hình 2.6.3: IC chuyển đổi tương tự - số 8 bit ADC0804

2.6.4 Khuếch đại thuật toán LM358.

Hình 2.6.4 Sơ đồ khối LM358

- LM358 cấu tạo gồm có 2 kênh khuếch đại thuật toán

Kênh 1: chân 2, chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra

Kênh 2: chân 5, chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra

Chân 4 là chân nối với nguồn âm, chân 8 là chân nối nguồn dương

2.6.5 IC 7447

IC dùng để giải mã tín hiệu rồi đưa tín hiệu đã được giải mã hiển thị qua LED

7 thanh

2.6.6 Điện trở, tụ điện.

Hình 2.6.6: Điện trở và tụ điện.

- Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt

sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu

- Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượngđiện trường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT CẢM BIẾN

3.1 Tính toán lựa chọn cảm biến.

3.1.1Cảm biến lực:

Như đã nêu ở phần trên để đảm bảo cho khối lượng nông sản vào lò sấy là 100 kg theo yêu cầu bài toán Thì ta sẽ sử dụng kết hợp một thùng chưa treo trên một cảmbiến lực treo Có công dụng xác định khối lượng nông sản bật tắt thiết bị cấp nông sản đồng thời trải đều nông sản ra buồng sây khi đã đủ khối lượng yêu cầu

Có rất nhiều các loại cảm biến lực treo trên thị trường như :

Đây là hình ảnh một số cảm biến treo thông dụng có thể ứng dụng trong hệ thống cân nông sản đầu vào lò sấy Cảm biến này cũng là sản phẩm của nhiều hãng nổi tiếng như Simen, Delta,DC Box, Misubishi, Fuji… và cũng được phân phối bởi nhiều nhà phân phối nởi tiếng như: TQM, Etex,ATC …

Chúng em xin lựa chọn cảm biến trọng tải thanh ngang chữ S được phân phối bởi công ty cân Đông Đô :

Cảm biến trọng tải này là sản phẩm của nhà sản xuât Metter Toledo là loại cảm biến trọng tải nhỏ TSC có giới hạn đo lớn nhất là 300Kg có các tính năng:

3.1.2 Tín hiệu vào ra của cảm biến

-Tín hiệu vào: Trọng lực của nguyên liệu sấy

-Tín hiệu ra: tín hiệu điện được biến đổi từ tín hiệu vào ban đầu để đưa về bộ điều khiển

3.1.3 Vị trí lắp đặt cảm biến

- Tác dụng chính của cảm biến lực trong hệ thống sấy này là kiểm soát trọng lượngcủa nguyên liệu đầu vào Nguyên liệu vào sẽ dược đưa vào bồn cân treo bởi cảm biến lực trên, hệ thống cân này được treo phía trên của hệ thống buồng sấy để sau khi cảm biến cân chạm đến mức khối lượng nguyên liệu cài đặt trước sẽ truyền tín hiệu về hệ thống điều khiển để mở van phía dưới bồn cân và cho nguyên liệu chảy vào buồng sấy

- Cảm biến lực có tín hiệu đầu vào là lực mà nguyên liệu vào buồng sấy tác dụng lên và tín hiệu đầu ra là tín hiệu điện truyền về hệ thống điều khiển Vị trí lắp đặt cảm biến sẽ là trên giá treo với bồn cân ngay phía trên buồng sấy

3.2 Cảm biến nhiệt độ.

3.2.1 Tính toán lựa chọn cảm biến

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị quan trọng bậc nhất trong hệ thống lò sấy nông sản.Nhiệt độ quá cao hay quá thấp , độ nhạy cao thấp ảnh hưởng thời gian sấy đều làcác yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của nông sản sau quá trình sấy

Ngoài ra để lựa chọn được loại cảm biến thích hợp trong lò sấy còn đòi hỏi rấtnhiều yếu tố kĩ thuật

Theo nguyên lí hoạt động cảm biến nhiệt được chia ra làm nhiều loại :

- Cảm biến nhiệt điện trở:

- Cảm biến nhiệt điện :

Cấu tạo của cảm biến Lm 35 gồm có 3 chân :

- Chân 1 cấp nguồn nuôi Vcc

- Chân 2 là điện áp đầu ra cảm biến

- Chân 3 nối đất

LM 35 có dải nhiệt độ là từ -55 - 150℃ Phù hợp với nhiệt độ sấy nông sản(lúa) trong khoảng t= (0℃ -45℃)

Cứ 10mV tương ứng với 1℃ nên :

+ Tại 0℃ thì giá trị đầu ra của LM35 thì điện áp 0V

Mà với LM35 nhiệt độ Max là 150˚C thì điện áp đầu ra là 1,5V

+Vậy tại 45℃ thì giá trị đầu ra của LM35 là : 45*0,01=0.45V

Ta thấy giá trị đầu ra rất nhỏ so với giá trị max là 10V Điện áp tương ứng là 0.45V

mà LM35 thay đổi trong 10mV

Ngoài việc dễ dàng đấu nối và các thông số nổi bật Thi Lm 35 còn có đặc điểm làgiá thành rẻ từ 20.000vnđ tới 50.000vnđ ta có thể dẽ dàng lựa chọn nhà cung cấp và hãng sản xuất khác nhau trong trường hợp này nhóm em xin lựa chọn cảm biến của hang ACI được phân phối bởi PGTECH

3.2.2 Tín hiệu vào ra cảm biến

-Tín hiệu vào: Nhiệt độ trong buồng sấy

-Tín hiệu ra: Điện áp 1 chiều lấy ra từ chân 2 cảm biến

3.2.3 Vị trí đặt cảm biến

- Cảm biến nhiệt trong hệ thống sấy này có chức năng thu nhận tín hiệu nhiệt của sản phẩm sấy trong buồng sấy và biến đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện truyền

về hệ thống điều khiển Vì vậy ví trí lắp đặt cảm biến nhiệt là phía trong buồng sấy, tại cả bốn phía của buồng sấy để thu được thông số nhiệt độ chính xác nhất.

3.3 Còi báo và động cơ làm mát

3.3.1 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo và động cơ chạy làm mát.

Tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép của nông sản để thự hiện điều chỉnh giảm nhiệt độ cấp cho hệ thống

Ta chọn mức cảnh báo khi nhiệt độ bằng 45°C

=>điện áp so sánh là +0,45V

Khi nhiệt độ vượt quá45°C thì mạch trừ tích hợp so sánh điện áp cấp nguồn cho động cơ và còi cảnh báo sẽ hoạt động

3.3.2 Vị trí lắp đặt còi báo

Còi báo được lắp đặt ở vỏ của máy sấy để đảm bảo tín hiệu còi phát ra to và rõ

3.3Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp

Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V

=>Biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

Tính chọn máy biến áp: Ở đây chúng ta có hai nguồn đó: +5V, +12V/-12V, như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở để chỉnh xuống 5V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp Mộtphương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra thay đổi Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp 1 chiều

+ Biến áp : Do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra là 12V

+ Mạch chỉnh lưu : do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cânbằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 2 nửa chu kỳ

+ Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc bằng tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao Nên ta dùng tụ điện.+ Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra +5V, +12V/-12V Ta sẽ dùng IC7812/IC7912 và 7805