Ứng dụng PLC Siemens điều khiển hệ thống lạnh

y 8. Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện 4, sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ 1 làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp. 6.2.4. Cặp platin –Rođi Platin Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rođi (10%), cực âm là platin sạch Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 16000C, Eđ=16,77mV Nhiệt độ làm việc dài hạn < 13000C Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0-3000C, thì E xấp xĩ bằng 0 Trong mội trường Si02 có thể hỏng ở 1000 - 11000C Đường kính điện cực thường chế tạo =0,5 mm Do sai khác nhiệt độ khác nhau tương đối nhỏ nên cặp nhiệt này thường làm cặp nhiệt chuẩn. 6.2.5. Cặp nhiệt chromel/alumel Cực dương là chromel, hợp kim gồm 80% niken + 10% Crom + 10% Fe. Cực âm là hợp kim Alumel gồm 95% Niken + 5% (Mn+Cr+Si) Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~11000C, Eđ = 46,16 mV Nhiệt độ làm việc dài hạn < 9000C Đường kính cực : =3 mm - Cặp nhiệt chromel/coben: Cực dương là chromel, cực âm là coben. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 6000C. Nhiệt độ làm việc dài hạn < 3000C. Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo Quan hệ giữa sức điện động và cặp nhiệt được mô tả trong hình vẽ 6.6: Hình 6.6. Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu: E-Chromel/Constantan R_Platin-Rodi(13%)/Platin J-Sắt/Constantan R_Platin-Rodi(10%)/Platin K-Chromel/Alumel B-Platin-Rodi(30%)/Platin-Rodi(6%) 6.2.6. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở hai đầu dây cặp nhiệt ngẫu. Độ chính xác của phép đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố. Muốn nâng cao độ chính xác cần phải: - Giảm thiểu ảnh hưởng của tác động của môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự do - Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của cảm biến và mạch đo. Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế: - Sơ đồ: Hình 6.7:Sơ đồ mạch đo Hình 6.8.Sơ đồ đo vi sai Khi nhiệt độ hai đầu tự do 2 và 3 bằng nhau thì sức điện động trong mạch chính là sức điện động của cặp nhiệt,nếu chúng khác nhau thì trong mạch xuất hiện xuất điện động kí sinh ở các mối nối và làm sai lệch kết quả đo. Để đo trực tiếp hiệu nhiệt độ giữa hai điểm người ta dùng sơ đồ đo vi sai như hình vẽ: Hình 6.9. Sơ đồ mắc nối tiếp Hình 6.10. Hiệu chỉnh nhiệt độ đầu tự do Trong sơ đồ này,cả hai đầu 1 và 2 của cặp nhiệt là đầu làm việc tương ứng với nhiệt độ t1 và t2.Kết quả đo cho phép ta xác định trực tiếp giá trị của hiệu số hai nhiệt độ t1 - t2 Trong trường nhiệt độ môi trường đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt như hình 6.9 Sức điện động tổng của bộ mắc nối tiếp bằng nEAB(t,t0). 6.2.7. Bù nhiệt độ đầu tự do Thông thường cặp nhiệt ngẫu được chuẩn với t0 = 00C EAB(t,t0) = eAB(t) - eAB(t) Nếu nhiệt độ đầu tự do bằng t’0 khác 0 thì giá trị sức điện động đo được: EAB(t,t’0) = eAB(t) - eAB(t’0) Rút ra: EAB(t,t0) = EAB(t,t’0) + Hoặc : EAB(t,t0) = EAB(t,t’0) + EAB(t’0,t0) Giá trị EAB(t,t’0) là lượng hiệu chỉnh xác định của cặp nhiệt ngẫu đã dùng theo giá trị đo ở nhiệt độ đầu tự do t’0 Dưới đây trình bày một số phương pháp bù nhiệt độ đầu tự do: Dùng dây bù: Để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ đối tượng lên đầu tự do có thể dùng dụng cụ đo theo sơ đồ hình vẽ 6.11: E = eAB(t)-eCA(t’0) + eBD(t’0)-eCD(t0) Chọn dây dẫn C và D sao cho eCA(t’0) = eBD(t’0),khi đó E = eAB(t)-eCD(t0) Vì e(t0) = 0 nên E = eAB(t)-eAB(t0) Hình 6.11. Sơ đồ dùng dây bù Dùng cầu bù: Hình 6.12. Cầu bù nhiệt độ đầu tự do Cầu bù gồm điện trở R1.R2,R3 làm bằng manganin (hợp kim chứa 99,4% Cu,0,6% Ni) có hệ số nhiệt điện trở bằng 0, còn Rđ làm bằng đồng có hệ số nhiệt điện trở 4,25 4,28.10-3 0C. Khi nhiệt độ đầu tự do t0 = 0, cầu thang cân bằng UAB = 0. Giả sử nhiệt độ đầu tự do tăng lên t’0, khi đó Rđ tăng lên làm xuất hiện một điện áp Ucđ. Người ta tính toán sao cho điện áp này bù vào sức điện động nhiệt một lượng đúng bằng lượng cần hiệu chỉnh, nghĩa là Ucđ = EAB(t’0,t0). Như vậy trên cửa vào của dụng cụ đo có điện áp: EAB(t,t’0) + Uc đ = EAB(t,t0) Sai số bù của cầu tiêu chuẩn khi nhiệt độ t0 thay đổi trong khoảng 0 - 500C là 30C 6.2.8. Ảnh hưởng của mạch điện trở mạch đo Xét mạch đo dùng milivon kết điện từ: Hình 6.13. Ảnh hưởng của điện trở mạch đo Gọi : R1 là điện trở của cặp nhiệt Rđ là điện trở của dây nối Rv là điện trở trong của milivon kế Khi đó điện áp giữa hai đầu milivon kế xác định bởi công thức: Vm = EAB(t,t0) Rút ra: EAB(t,t0) = Vm(1+) Theo biểu thức thì khi RV >> Rt+Rd thì EAB(t,t0) = Vm - Ảnh hưởng của Rt: đối với cặp nhiệt chromel/alumel hoặc cặp chromel/coben có điện trở Rt khá nhỏ nên nó ít ảnh hưởng tới kết quả đo. Đối với cặp PtRd – Pt có điện trở Rt khá lớn (~15) nên sự thay đổi của nó có ảnh hưởng khá lớn tới kết quả đo Sơ đồ đo mach xung đối dùng điện thế kế: Hình 6.14. Sơ đồ đo dùng phương pháp bù Sơ đồ làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh điện áp cần đo với một điện áp rơi trên một đoạn điện trở Ta có: EX = ICRAB + IP(Rd + Rx + RG) IC = I0 + IP Ex = (I0 +IP)RAB + IP(Rd+Rx+RG) IP= Nếu EX = I0RAB thì IP = 0, tức là điện thế kế chỉ không, khi đó điện áp rơi trên AB bằng giá trị EX cần đo Ta có: RAB = EX = I0 Nếu cố định được I0, L, R ta có EX phụ thuộc đơn vị vào 1 tức là phụ thuộc vào vị trí con chạy của đồng hồ đo. Trên sơ đồ hình vẽ, EM la một pin mẫu, RM là một điện trở mẫu bằng manganin. Khi đóng P vào K thì điện áp rơi trên RM được so sánh với pin mẫu. Nếu kim điện kế chỉ không thì không cần điều chỉnh dòng I0, nếu kim điện kế lệch khỏi không thì dịch chuyển Rdc để kim điện kế về không. Khi đo đóng P vào D và xê dịch biến trở R để kim điện kế chỉ không,khi đó EX = UAB. 6.2.9. Sự thay đổi tính chất của cặp nhiệt điện theo thời gian Ở nhiệt độ khá cao các nguyên tố bên ngoài ví dụ N, S, O2 sẽ khuếch vào cặp nhiệt điện. Qua mô hình cặp nhiệt điện,ta có thể hiểu rằng khi có sự khuếch tán các nguyên tố lạ, lực hút các ion kim loại bị thay đổi đi và do đó các điện áp nhiệt cũng bị thay đổi theo. Người ta gọi đó là sự “lão hoá” hay sự trượt - của kết quả đo đạc” của căp nhiệt điện. Với sự khuêch tán này, sau một năm nhiệt độ chỉ thị thay vì 900°C có thể là 906°C hay 600°C dù rằng máy đo không hề bị hư hỏng. Với cặp nhiệt điện loại PtRh 10%/Pt người ta có thẻ chống lại sự lão hóa bằng cách chế tạo dây Platin (dây âm) có đường kinh to hơn dây platin-rhodium (dây dương). Theo kinh nghiêm thưc tiễn, dây platin/rhodium rất ít bị lão hoá . Với đương kính khá to của dây platin, con đường khuếch tán lại dài hơn, và như thế sự lão hoá bị chậm lại. với một tỉ lệ đường kính nhất định ta có hiệu số điện thế của hai dây PtRh va Pt do sự lão hoá gây ra gần bằng 0. Cách thức này có thể ứng dụng đối với PtRh 30% - PtRh 6 %. Tuy nhiên đối với loại NiCr-Ni(K) cách thức này không thể thực hiện được vì dây dương lão hoá theo hướng dương và dây am lão hoá nhanh gấp 6 lân theo hướng âm! Cũng giống như thế đối với cặp nhiệt điện Fe – CuNi (TyPJ)! Với cặp nhiệt điện loại platinrhodium - platin, ở nhiệt độ cao và lâu dài rhodium sẽ khuếch tán sang dây platin ròng. đó cũng là lí do lam điện áp nhiệt của cặp nhiệt điện loại này ngày càng giảm đi. Thường thì do sự khuếch tán qua vài giờ, vài ngày…điện áp nhiệt có thể tăng lên do sự khuếch tán qua vài giờ, vài ngày …điện áp nhiệt có thể tăng lên do sự khuếch tán ở hai dây không giống nhau …rồi sau đó khi sự khuêch tán không giống nhau.. rồi sau đó khi sự khuêch tán tiếp tục, điện áp sẽ giảm dần… Với cặp nhiệt điên Fe Cu Ni, dây săt (Fe) rất dẽ bị đứt do bị rỉ sét, và với nhiều lý do khác cặp nhiệt điện typ J (Fe-CuNi) nên được loại bỏ, không nên dùng trong công nghiệp vì nhiều bất tiện. Dưới 2000oC việc đo nhiệt độ với cặp nhiệt điện trong môi trường oxi hóa khử, yếu tố bền bỉ của cặp nhiệt điện đóng vai trò thứ yếu. Lý do hầu hết các cặp nhiệt điện dùng trong công nghiệp đều có vỏ bọc kín đối với môi trường chất lỏng hay khí bên ngoài. Trên 2000oC các cặp nhiệt điện thường phải để trần không có vỏ bọc, vì trên nhiệt độ này vật liệu gốm có độ cách điện rất bé. Thực tế cho thấy vật liệu gốm cách điện loại kém phẩm chất này cũng trở nên dẫn điện khá tốt. Ở phần trên chúng ta đã nói đến vấn đề khuếch tán. Ngoài ra ở nhiệt độ cao khí hydro làm cho cặp nhiệt điện bị mòn đi, dễ gãy. Cho nên khi không có vỏ bọc, cặp nhiệt điện chỉ được làm việc trong một môi trường khí oxy hoá. Cho môi trường khí khử và trên 10000C người ta dùng cặp nhiệt điện loại Wolfram - Rhenium. Loại này thì lại chịu đựng được 02. Khi sử dụng cặp nhiệt điện với vỏ bọc là gốm ta phải hết sức cẩn thận để không có vết nứt. Như ta đã thấy, nguyên tố lạ bên ngoài sẽ khuếch tán vào đầu độc cặp nhiệt điện. Ở nhiệt độ âm, các cặp nhiệt điện dẫn điện tốt hơn. Các electrôn dịch chuyển trong kim loại tự do hơn, dễ dàng hơn. Ảnh hưởng của các ion kim loại đối với electron rất yếu: Electron trong hai dây của cặp nhiệt điện có trạng thái gần giống nhau: điện áp của PtRh/Pt ở - 500C gần như biến mất. Tuy nhiên có vài loại cặp nhiệt điện có thể làm việc đến nhiệt độ -2730C( = 15K). Hai sợi của cặp nhiệt điện có thể được hàn nối lại bằng cách làm nóng chảy hay có thể quấn chặt lại với nhau. Dù với cách nào, tính chất của cặp nhiệt điện ít bị ãnh hưởng. Tuy nhiên kh làm nóng chảy để hai dây của cặp nhiệt điện được hàn dính lại với nhau, mà không bị làm bẩn do khuếch tan của nguyên tố lạ vào cặp nhiệt điện,người ta dùng ngọn lửa hàn trong khí argon. 6.2.10. Nguyên nhân gây ra sai số trong phép đo với cặp nhiệt điện Trường hợp đo ở nhiệt độ cao, khoảng 20000C đến 31000C, hai dây của cặp nhiệt điện Wolfram-Rhenium chỉ cần quấn xoắn chặt với nhau. Với cách này người ta tránh sự căng cơ học của cặp nhiệt điện, dễ dàng làm đứt gãy cặp nhiệt điện.Với cặp nhiệt điện loại NiCr-NiAl trước khi hàn nóng chảy ở đầu, người ta quấn xoắn chặt lại một khúc. Như thế lực căng cơ học vì sự thay đổi nhiệt độ không làm ảnh hưởng đến mối hàn ở đầu. Trong hình vẽ cho ta những sai số khác nhau do nhiều nguyên nhân khác nhau khi dùng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ. Đầu tiên ta có sai số 100% khi có sự đứt đoạn ở đầu dò, sự hở mạch ở điểm nào đó từ cặp nhiệt điện đến máy đo. Khi đầu cặp nhiệt điện nối đất hay điện lưới 220V sai số có thể 10%. Khi đầu đo nối với đất và ở nhiệt độ khá cao, ví dụ 16000C có sự bức xạ electron sai số có thể đến 20%. Ảnh hưởng của tự cảm từ các đường dây hay cuộn dây với dòng điện có cường độ lớn tạo nên điện áp xoay chiều trên cặp nhiệt điện có thể gây ra sai số đến 100%. Trường hợp hai dây của cặp nhiệt điện bị ẩm ướt, một pin điện được hình thành và điện áp có thể lên đến 0,5V. Sai số đo bị ẩm ướt có thể lên đến 20%. Trường hợp cần gặp nhiệt điện là một đường dây cao thế (1000 - 5000V) và cặp nhiệt điện không có vỏ bọc chống nhiễu, nhiễu điện dung có thể sai số đến 2%. Khi máy đo điện được nối đất hay với điện lưới 220 V trực tiếp hay gián tiếp, sai số có thể lên đến 90%. Hiện nay mỗi năm hàng chục triệu cặp nhiệt được sản xuất trên thế giới, một số lớn được chế tạo ra để chỉ dùng một lần. Đó là trường hợp để dùng đo nhiệt độ nóng chảy và thành phần dưỡng khí (O2) trong kim loại nóng chảy. Còn trong những trường hợp khác,cặp nhiệt điện được dùng để đo nhiệt độ trong các lò có nhiệt độ từ 2500C đến khoảng 25000C. Thông thường nhiều người nghĩ rằng khi đo nhiệt độ,chỉ cần cho đầu đo của cặp nhiệt điện (thường được hàn chảy lỏng thành một cục hình cầu) tiếp xúc với môi trường, với bề mặt cần đo. Đây là một sai lầm đưa đến kết quả đo hoàn toàn sai! Nếu cặp nhiệt điện không đủ đút sâu cào môi trường cần đo hay chỉ cho đầu cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo sai số có thể lên đến từ -10K đến -200K. Thông thường theo kinh nghiệm thực tiễn, cặp nhiệt điện cần đút sâu vào môi trường đo cho đến khi nào nhiệt độ không còn tăng hay ít nhất chiều sâu cần đưa cặp nhiệt điện vào cần lớn gấp 5 đến 10 lần đường kính của dây cặp nhiệt điện. Điểm đo nhiệt độ có thể bị chính cặp nhiệt điện làm giảm nhiệt độ đi.Do đó cặp nhiệt điện sẽ cho một nhiệt độ ở một điểm cách xa điểm đo khoảng 1cm về hướng nhiệt độ thấp hơn: Hình 6.15 Và nếu cặp nhiệt điện làm điểm đo nóng lên ta có trường hợp ngược lại. Để khắc phục điều này,từ mối hàn của cặp nhiệt điện,hai dây của cặp nhiệt điện còn được kéo dài khoảng 2 - 5 cm như hình 6.15. Như thế cặp nhiệt điện cho ta chính xác nhiệt độ ở điểm đo, có 2 loại đầu đo: đầu đo đối xứng và loại đầu đo không đối xứng. Loại đầu đo không đối xứng, cặp nhiệt điện cho trị số nhiệt độ đo được không phải ở đầu đo M mà ở một điểm ảo V. Với đầu đo loại đối xứng điểm ảo V và đầu đo M trùng nhau. Khi cần tiến hành phép đo chính xác, đặc biệt đo nhiệt độ ở những điểm khác nhau của một cấu trúc để biết được sự phân bố nhiệt độ, ta nên dùng loại đầu đo đối xứng, cách đo này chỉ được áp dụng trong một trường hợp nhiệt không đồng nhất nhưng tuyến tính. Trong một số lỗi thường gặp trong lúc dùng cặp nhiệt điện trong công nghiệp đó là quên hay chọn dây thay thế (dây bù) sai. Ta có thể kiểm tra cặp nhiệt điện trong công nghiệp điện bằng một máy đo ohm đơn giản. Điện trở của cặp nhiệt điện khoảng vài miliohm. Cần chú ý điện trở của vài loại dây thay thế với hợp kim constantan (40% Ni và 60% Cu) như Fe-CuNi, Cu-CuNi, NiCr-CuNi đến vài Ohm. Hợp kim constantan có điện trở suất cao, hệ số nhiệt thấp được dùng làm điện trở. Do đó điện trở ở hai cực của máy đo hay bộ hiệu chỉnh có thể lên đến vài Ohm (từ 0,05 m-1 cho dây đồng đến 4m-1 cho NiCr). Ngoài ra ta có thể mô phỏng cặp nhiệt điện bằng một nguồn milivolt nối trực tiếp vào máy đo. So sánh điện áp của cặp nhiệt điện bảng biểu và nhiệt độ được chỉ thị, ta có thể biết khoảng đo, độ tuyến tính được chọn có đúng không… Sau đây là một số lỗi thường gặp phải: - Chỉ thị nhiệt độ phòng: cặp nhiệt điện hay dây dẫn bị đứt - Chỉ thị đúng trị số nhưng dấu âm: cực điện bị đánh tráo - Chỉ thị nhiệt độ quá cao, chỉ thị bị trôi. Cực điện của dây thay thế bị nối lộn cực với cặp nhiệt điện (như thế sẽ tạo thêm 2 cặp nhiệt điện) Sử dụng dây bù sai. - Chỉ thị nhiệt độ quá cao hay quá thấp. Nhiệt độ ở điểm so sánh sai. - Chỉ thị đúng nhưng trôi dần đi: Nhiệt độ ở điểm so sánh không ổn định hay không đo được. - Khi để hở một nhánh của cặp nhiệt điện vẫn chỉ thị một trị số nào đó. + Nhiễu điện từ ở ngõ vào máy đo. + Sự cách điện trong lò tối. + Phần cách điện của dây thay thế bị ẩm. - Lỗi thông thường nhất trong nước ta, vì do thiếu hiểu biết hay không tìm ra dây bù thích hợp, người ta dùng dây dẫn điện bình thường bằng đồng để nối giữa cặp nhiệt điện và máy đo.Sai số đo rất lớn và thay đổi liên tục. Thành phần Typ ANSI Dùng liên tục Dùng ngắn hạn Dây + Dây - PtRh10% (13%)Pt S/(R ) 14000 17720 Cam Trắng NiCr-Au -273,050 =0.1K PtRh30% PtRh6% B 15000C 18100C Xám Trắng NiCr-Ni K 12600C 13500 Xanh lá cây Trắng Fe-CuNi T 3000C 3710 Nâu Trắng Cu-CuNi J 7600C 12000 Đen Trắng NiCr-CuNi E 871 0C 10000 Tím Trắng WRe 5%-Wre 26% 25000C 31000 NiCrSi-NiSi N 12000C 13000 Hồng Trắng Bảng 6.1 Bảng các cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện NiCr-NiAl còn gọi là “Chromel-alumel”, trong dây nickel một ít nhôm được thêm vào.Lớp Al2O3 bảo vệ Nikel, như một lớp sơn. Kế bên loại này ta có cặp nhiệt điện loại Nicrosil-Nisil (NiCrSi-NiSi),Typ “N”. khác với loại NiCr-Ni (Typ “K”), loại này có thành phần Chrom ở dây dương cao hơn (14,2 % thay vì 10%) và thành phần silic ở hai dây. Lớp SiO2 bảo vệ bề mặt của cặp nhiệt điện. Theo cách đặt tên cho cặp nhiệt điện, dây có tên đầu tiên là dây dương.Mã màu cho cặp nhiệt điện cũng có giá trị cho dây thay thế (hay dây bù-Compensating Cable). Thường dây cặp nhiệt điện được bọc bởi một lớp cách điện bằng tơ thủy tinh có nhuộm màu theo qui định. Nếu dây cặp nhiệt điện được bọc bởi một lớp cách điện bằng tơ thủy tinh có nhuộm màu theo qui định. Nếu dây cặp nhiệt điện không có nhuộm màu, ta có thể phân biệt theo vài đặc điểm sau: Fe-CuNi: dây dương có từ tính Cu-CuNi: dây dương màu đồng NiCr-Ni: dây âm có từ tính PtRh-Pt: dây âm mềm hơn Cặp nhiệt điện NiCr-CuNi (Typ E) có điện áp nhiệt cao nhất. Ngược lại điện áp nhiệt của cặp nhiệt điện loại Platin có điện áp nhiệt thấp nhất. Trị số điện áp trong bảng biểu được tính bởi nhưng đa thức cấp 2 đến cấp 4. Trị số luôn luôn được tính so với trị số ở nhiệt độ 00C. Thường thì nhiệt độ điểm so sánh không ở 00C, như thế nhiệt độ đo được phải tính từ điện thế đã được trừ bớt điện thế ở điểm so sánh. Ví dụ: Cặp nhiệt điện Fe-CuNi,Typ “J” Nhiệt độ đo 3000C Nhiệt độ điểm so sánh 200C Điện áp nhiệt ở 3000C:16,325 mV Điện áp nhiệt ở 200C :1,019 mV Điện áp nhiệt cuối cùng:15,305 mV 15,305 tương ứng với 280,15 0C Trong thực tế vì không có sự tuyến tính giữa điện áp nhiệt và nhiệt độ, cho nên nếu ta lấy nhiệt độ tương úng với điện áp nhiệt đo được trừ đi nhiệt độ ở điểm so sánh, ta có kết quả sai. Ta cần phải lấy điện áp nhiệt đo được trừ đi điện áp nhiệt ở điểm so sánh, từ kết quả này ta mới có nhiệt độ ở điểm đo chính xác. Điện áp nhiệt sinh ra ở điểm so sánh thường được mạch điện tử bù trừ tự động. 6.3. CẢM BIẾN ÁP SUẤT 6.3.1. Giới thiệu về cảm biến áp suất Trước đây người ta dùng các loại sensor áp suất hoàn toàn bằng cơ học. Hiện nay và trong tương lai người ta đã phát hiện ra các loại sensor áp suất với vật liệu bán dẫn rẻ tiền hơn, bền bỉ hơn, chính xác hơn cho các công việc kiểm soát và điều khiển từ xa, công việc tự động hoá trong toàn bộ hệ thống máy móc dây chuyền sản xuất của nhà máy. Một số lớn sensor áp suất hiện nay được chế tạo từ vật liệu silic với hiệu ứng điện trở áp điện (Piezoresistive Effect). Khác vơí các loại máy áp suất cơ học dùng lò xo và chỉ thị trực tiếp qua một hệ thống truyền động cơ học, các loại sensor áp suất bán dẫn biến đại lượng vật lý “áp suất” thành tín hiệu điện. Trong hầu hết các sensor áp suất đều có 1 phần tử biến đổi trị số đo - từ năng lượng cơ học thành năng lượng điện - gắn trên một màng đàn hồi. Màng đàn hồi này có thể được chế tạo với vật liệu kim loại, silic hay gốm (Al2O3)… 6.3.2. Sensor áp suất với màng sọc co giãn kim loại (Strain Gauge) Màng sọc co giãn là loại sensor rất quan trọng dùng để đo áp suất, lực…đã được phát triển đầu tiên ở Mỹ trong những năm cuối thập niên 40. Lợi điểm của màng sọc co giãn là có trị số đo chính xác, kích thước bé. Mạch đo hầu như được dùng với cầu Wheatstone. Để có độ chính xác cao mạch điện cần nhiều điện trở bù trừ và sửa sai. Nguyên tắc: khi 1 sợi dây điện bị kéo căng ra, nó trở nên dài hơn và ốm hơn: điện trở của nó gia tăng, khi nó bị nén co lại, nó trở nên ngắn hơn và mập hơn: điện trở của nó giảm đi. Nếu ta giữ nó trong ranh giới đàn hồi, sau khi co giãn nó vẫn giữ nguyên kích thước và trị số điện trở như cũ. Nếu ta gắn chặt dây điện này trên 1 phần tử cần đo đạt (ví dụ dán dính…), chiều dài của dây điện thay đổi theo chiều dài, sự biến dạng của phần tử này. Sự thay đổi điện trở của dây điện tương úng với lực, áp suất làm biến dạng phần tử mà ta cần khảo sát.. Vật liệu để làm màng sọc co giãn có thể là kim loại hay vật liệu bán dẫn - thường là silic. Dưới tác dụng của áp suất màng sọc co giãn bị biến dạng. Sự thay đổi điện trở của nó gồm 2 phần: hình học và tính chất vật liệu của nó. Sự thay đổi thành phần sau là do điện trở suất của nó bị thay đổi. Sensor áp suất với màng sọc co giãn kim loại được chia làm 3 loại tuỳ theo phương pháp chế tạo: - Màng sọc co giãn lá kim loại - Màng sọc co giãn màng mỏng - Màng sọc co giãn màng dầy. Màng sọc co giãn lá kim loại: Màng sọc co giãn loại thông thường là những đường dẫn điện bằng kim loại rất mịn nằm trên một nền bằng chất dẻo. Người ta thực hiện bằng phương pháp in lụa hay quang khắc. Vì sự thay đổi chiều dài trong thực tế rất bé, cho nên đường dẫn điện này được chế tạo thành đường uốn khúc để có chiều dài khá lớn nằm trong một diện tích bé, từ đó ta có sự thay đổi điện trở đáng kể. Đường dẫn điện phình ra ở các điểm uốn để làm giảm sai số đo với sự giãn nở ngang. Thường người ta chế tạo nhiều màng sọc co giãn trên cùng 1 nền để đo được cùng 1 lúc nhiều sự co giãn khác nhau. Điện trở định mức từ vài chục đến vài trăm . Điện trở của màng sọc ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Để giải quyết vấn đề này người ta nối hai hay bốn màng sọc này thành một nửa hay một cầu điện trở, nhưng chỉ hai hay trong số đó chịu sự tác động của lực. Nhờ thế sự ảnh hưởng của nhiệt độ bị loại bỏ 1 phần lớn. Một số đặc trưng kỹ thuật tiêu biểu của sensor áp suất màng sọc co giãn lá kim loại: Áp suất làm việc: 10…5.103 bar Tín hiệu đo 1….2 mV/V Sai số tuyến tính 0,1..0,3% Sự ảnh hưởng nhiệt cho mỗi 10k 0,05…0,3% Dải nhiệt độ hoạt động -400C..+1200C Quá tải 200…1000% áp suất làm việt Tần số riêng 73…200kHz Nguồn điện 0,8..18V Khả năng chống lại sự ăn mòn Tốt Màng sọc co giãn loại màng mỏng: Ngày nay các màng sọc co giãn kỹ thuật màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp bốc hơi chân không hay công nghệ phun. Qua hai phương pháp này cầu điện trở có độ nhạy cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Với phương pháp bốc hơi chân không,chất rắn cần bốc hơi được nung nóng chảy trong một bầu chân không. Khi năng lượng nhiệt vượt quá năng lượng liên kết của các nguyên tử ta có sự bốc hơi của chất rắn. Hơi này gồm từng nguyên tử riêng lẻ hay từng khối nguyên tử không liên kết. Để có được lớp nguyên tử mỏng và mịn nguồn bốc hơi và mục tiêu cần cách nhau khoảng 60m. Hình 6.16. Cấu tạo của thiết bị bốc hơi chân không 1-Dây nung lớp nền; 2-Lớp nền; 3-Mặt nạ; 4-Lớp bốc hơi; 5-Vật liệu nóng chảy; 6-Lò Với phương pháp phun bụi(sputtering) - thường được hiểu tự động là phun bụi catot các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị phun ra từ bản mặt catot trong chân không do có sự va chạm của các ion nặng. Với cách thức nay người ta có thể phủ một lớp mỏng kim loại lên trên thuỷ tinh, nhựa, kim loại hoặc các bề mặt khác trong chân không. Với phướng pháp phun bụi các ion Argon đạt năng lượng cần thiết do các xung điện có định hướng và với hiệu ứng phóng điện phát sáng có kiểm soát. Các ion Argon bắn phá bề mặt catot và làm cho các nguyên tử ở bề mặt này bị đánh văng ra,bị bốc bụi. Để hiệu ứng phóng điện phát sáng hoạt động liên tục, điều kiện áp suất khí trong bầu chân không cần được giữ ở một trị số nhất định. Vì thế độ dài tự do của các nguyên tử từ vật liệu catôt ngắn hơn so sánh với phương pháp bốc hơi trong chân không siêu cao. Đó là lý do khoảng cách giữa catot và nền phun chỉ cần có 5…10cm. Với phương pháp phun bụi các phần tử bị bốc bụi có động năng khoảng 5eV, cao hơn so với phương pháp bốc hơi chân không gấp 10 lần. Do có độ thẩm thấu vào lớp nền qua phương pháp phun bụi cao hơn. Khi catot là vật liệu dẫn điện,người ta dùng điện một chiều. Nhưng nếu là chất cách điện, ví dụ: SiO2, người ta dùng một nguồn điện cao tần với công suất vài KW. Với phương pháp bốc hơi chân không nguồn bốc hơi có hình dạng điểm thường hay đường thẳng. Trong khi đó với công nghệ phun bụi mặt catot có kích thước giống như mặt cần phun phủ. Với công nghệ phun bụi catôt người ta đạt được nhiều lợi điểm hơn so với phương pháp bốc hơi chân không. Với những công đoạn phức tạp qua công nghệ phun bụi catôt lớp phun phủ được tối ưu hoá theo ý muốn. Đầu tiên là tính chất của vật liệu catôt. Sự tinh khiết của bụi nguyên tử được phun ra và cả áp suất hơi trong buồng chân không xác định sự tinh khiết và vận tốc phun phủ của lớp phun phủ. Chỉ cần một thành phần nhỏ khí O2, lớp phun phủ của màng sọc co giãn bị oxit hoá. Thông số nhiệt và điện của nó hoàn toàn bị sai lệch và không thể phục hồi được. Tuy nhiên nếu lớp phun phủ là lớp cách điện, với thành phần khí 02 được cho thêm ta có những thuận lợi. Vận tốc và phẩm chất của lớp phun phủ còn được xác định bởi công suất và sự phát điện phát sáng, nhiệt độ của lớp nền dưới sự phun phủ, bắn phá của “bụi catốt”. Khi lớp nền bị bám bụi quá nhanh, lớp phun phủ có thể bị nứt nẻ vì sự căng cơ học và trở nên vô dụng. Hình 6.17. Cấu tạo của thiết bị phun bụi 1 - Chuông chân không; 2 - Mục tiêu catot; 3 - Anot nền; 4 - Máy đó chân không; 5 - Hơi vào; 6 - Bơm chân không; 7 - Nước làm nguội; 8 - Cao thế. Khi lớp phun phủ trên lớp nền theo thời gian dày hơn, khoảng cách giữa catốt và lớp nền có màng sọc co giãn trở nên ngắn hớn. Điều này làm ảnh hưởng tới tổng trở của sự phóng điện phát sáng xung điện…và dĩ nhiên đến phẩm chất của màng sọc co giãn. Trước khi thực hiện việc phun phủ, bề mặt của lớp nền cần được chà láng. Độ nhám cao nhất cho phép là 0,1m. Tất cả các công đoạn như thay đổi catốt, đưa lớp nền vào các vị trí khác nhau, phun phủ lớp cách điện SiO2 và màng sọc co giãn đều phải thực hiện trong điều kiện siêu sạch. Màng sọc co giãn bề mặt có bề dày khoảng 60mm. Công đoạn sau cùng có tầm quan trọng quyết định, đó là việc gia nhiệt cho lớp phun phủ. Qua công đoạn bắn phá với ion để hình thành lớp phun phủ, các lớp vật liệu này chứa đựng các lỗ trống, sự lệch của mạng nguyên tử… Trong quá trình gia nhiệt có kiểm soát thực chính xác các nguyên tự khuếch tán trở về vị trí cân bằng nhiệt của nó. Toàn bộ việc thực hiện màng sọc co giãn được thực hiện trong phòng siêu sạch với áp suất cao hơn áp suất khí quyển để tránh sự xâm nhập của bụi. Nhiệt độ của nơi sản xuất đựơc giữ ổn định ở 200C với độ ẩm luôn dưới 40%. Với phương pháp phun bụi catôt đặc trưng kỹ thuật của một màng sọc co giãn có thể đạt các thông số sau: Độ chính xác(ảnh hưởng do 0,15% toàn thang đo không tuyến tính và sự trễ Khoảng bù trừ nhiệt độ -54..+1200C Sự trượt do nhiệt độ 0,01% toàn thang/K Sự ổn định của điểm Zero 0,1% toàn thang cho 13000 giờ Màng sọc co giãn được thực hiện với công nghệ màng mỏng đạt được những tính chất ưu việt như: - Sự ổn định lâu dài với thời gian rất tốt. - Độ chính xác cao. - Điểm zero và tín hiệu toàn thang đo ổn định đối với nhiệt độ. - Chịu đựng tốt đối với độ run. - Thích hợp cho việc đo áp suất tĩnh và động. - Tiêu hao ít năng lượng Một số ứng dụng của màng sọc co giãn - Dùng trong việc thử nghiệm các động cơ. - Kiểm soát áp suất bên trong buồng máy bay. - Kiểm soát sức nén liên tục của động cơ phản lực. Đặc trưng kỹ thuật của các loại sensor áp suất màng sọc co giãn với kỹ thuật màng mỏng: Dải đo 2.10-1…3.103 bar Trị số đo 1….3mV/V Sai số tuyến tính 0,2…0,5 % Độ chính xác cao 0,1…0,5% Tần số riêng 4..>100kHz Sự ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10k 0,2..0,3% Dải nhiệt độ làm việc -400C…5000C Quá tải 200…1000% áp suất làm việc Khả năng chống lại sự ăn mòn Tốt Sensor áp suất loại màng sọc co giãn với kỹ thuật màng dầy trên nền gốm: Sensor loại này không được dùng rộng rãi so với loại kỹ thuật màng mỏng. Màng sọc co giãn được chế tạo trên một nền gốm (Al2O3) với kỹ thuật in lụa.Lợi điểm của kỹ thuật màng dầy: ta có thể chế tạo sensor áp suất và mạch khuếch đại với kỹ thuật mạch hỗn hợp (Hybrid technology). Một số đặc trưng kỹ thuật: Áp suất làm việc 1…2.102bar Trị số đo 2…10 mV/V Sai số tuyến tính 0,3..0,5% Ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10k 0,1…0,3% Dải nhiệt độ làm việc -500C….+1500C Quá tải 130% áp suất làm việc Khả năng chống lại sự ăn mòn Tốt Tần số riêng 1…20kHz 6.3.3. Sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện Ngoài việc đo áp suất với cảm biến màng sọc co giãn kim loại, thời gian sau này loại cảm biến loại cảm biến áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện bán dẫn được sản xuất nhiều cho việc đo áp suất và hiệu áp. Với kỹ thuật bán dẫn người ta có thể chế tạo màng đo áp suất hoàn toàn bằng vật liệu silic. Điều này đưa tới việc toàn bộ kỹ thuật để chế tạo một cảm biến áp suất có thể thực hiện trên cùng một chip silic. 6.3.4. Hiệu ứng điện trở áp điện trong bán dẫn Dưới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể, các nguyên tử bị đẩy lệch đi đối với nhau. Điều này làm thay đổi các hằng số mạng và cả cấu trúc các vùng năng lượng:vùng dẫn và vùng hoá trị. Các ứng suất nén và kéo làm thay đổi điện trở suất của bán dẫn silic p như sau: - Ứng suất thấp sẽ hạ thấo các điểm cực đại của năng lượng vùng hoá trị và vì thế ta có sự gia tăng các điện tích theo hướng nén trong tinh thể. - Và ngược lại, ứng suất kéo sẽ tác động sự nâng lên các điểm cực đại của năng lượng theo hướng của nó, do đó làm giảm đi các điện tích, điện trở gia tăng. Trong một sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện, sự thay đổi điện trở do sự thay đối kích thước hình học dưới tác dụng của áp suất chỉ đóng vai trò thứ cấp (chiếm 2% sự thay đổi điện trở). Hiệu ứng được dùng ở đây là sự thay đổi điện trở suất theo các ứng suất cơ học(mechanical stress) trong tinh thể. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện trở áp điện được mô tả như trên và được viết với phương trình như sau: = (1) :Hệ số điện trở áp điện p: điện trở suất :Ứng suất cơ học Hệ số điện trở áp điện tùy thuộc vào hướng tinh thể và điều kiện đo đạc. Các điện trở được đặt ở các điểm cực đại của ứng suất nén và kéo. Tướng ứng với các hướng tương đương đối với các thành phần của ứng suất cơ học, điện trường E và mật độ dòng điện j người ta phân biệt: Màng hình tròn Màng hình khăn Hình 6.18. Hiệu ứng điện trở áp điện. - Hiệu ứng dọc: E // j // - Hiệu ứng ngang E // j - Hiệu ứng trượt: (E j) // Chỉ số cho cường độ của hiệu ứng áp điện là hệ số K tuỳ thuộc vào vật liệu. Đó là hệ số tỉ lệ của sự thay đổi điện trở và độ dài một cách tương đối: = K. (2) Với phương trình (1),(2) và = = Hệ số K được viết với phương trình: K = . là hệ số điện trở áp điện E là modun đàn hồi của vật liệu K có trị số bằng 2 cho kim loại và lớn gấp 50 đến 100 lần cho bán dẫn tùy độ pha tạp. Các sensor áp suất với kỹ thuật bán dẫn có những lợi điểm so với màng sọc co giãn như sau: Độ nhạy cao hơn Sự tuyến tính tốt Sự trễ (hysteresis) của áp suất và nhiệt độ đều bé Độ tin cậy cao sau khi làm trơ (passivation) Thời gian hồi đáp ngắn Chịu đựng sự thay đổi tải cao do không có sự mỏi (fatigue free) của màng silic đơn tinh thể Cấu trúc nhỏ gọn Rẻ tiền do sự sản xuất rất kinh tế với công nghệ planar của kỹ thuật bán dẫn 6.3.5. Cầu bán dẫn và biện pháp hiệu chỉnh thông số Tế bào đo áp suất của một cảm biến áp suất loại điện trở áp điện là một chip silic vuông vức khoảng 6mm2 và có bề dày sau khi được ăn mòn khoảng vài m Màng silic tác dụng như một mặt phẳng được căng ra, khi bị uốn cong trên bề mặt nó xuất hiện những nơi bị căng và nơi bị co vào. Ở những nơi này qua công nghệ khuếch tán hay cấy ion các điện trở được cấy vào. Các điện trở này cũng bị căng ra hay co vào một cách tương ứng. Ngoài ra các điện trở để bù trừ nhiệt độ cũng được hình thành trên cùng 1 chip. Các điện trở này được nối với nhau thành 1 cầu điện trở. Nhờ đó điện thế của cầu điện trở được khuếch đại ngay trên cảm biến. Hình 6.19. Mặt cắt cảm biến điện trở áp điện 1 - Màng thép; 2 - Dầu; 3 - Chip silic; 4 - Nối dây điện Hình 6.20. Cầu điện trở Trong hình ta có cầu điện trở của cảm biến với 4 điện trở giống nhau khi màng silic bị úôn cong R1 và R3 gia tăng trị số.Trong khi đó trị số điện trở R2 và R4 giảm đi. Do đó độ nhạy của cầu đựơc gia tăng. Điện áp ra của cầư được tính như sau: UA = Ucc Với: Ri(P) = Ri + Ri(P) Với một kỹ thuật thích ứng người ta có thể chế tạo sao cho các điện trở Ri có trị số giống nhau và sự thay đổi Ri cũng bằng nhau. Phương trình cho UA có thể được rút gọn như sau: UA = Ucc. = K.(p) là độ uốn cơ học,K là hệ số tỉ lệ Hàm số (p) cho độ uốn cơ học của màng silic theo tính gần đúng bậc một có sự tuyến tính, do đó giữe điện áp ra và áp suất cũng có sự liên hệ tuyến tính: UA = Ucc.K. (p) Khi độ uốn gia tăng khá cao ta không còn sự tuyến tính nữa. Với hai điện trở do sự gia tăng của độ uốn, một có trị số gia tăng và một có trị số giảm đi (hiệu ứng quả bóng - balloon Effect). Với sự chọn lựa trị số Ri hơi khác một tí, hiệu ứng này có thể được triệt tiêu một phần nào. Các hiệu ứng nhiệt độ và nguồn điện thích ứng Các cầu điện trở loại bán dẫn đều bị ảnh hưởng của nhiệt độ khá mạnh. Do đó việc bù trừ nhiệt độ cho cảm biến áp suất loại điện trở áp điện là rất cần thiết. Trong hình… cho ta thấy rõ ràng: - Sư thay đổi tương đối của điện trở đối với nhiệt độ.Sư thay đổi này tương ứng với sự gia tăng điện áp qua cầu điện trở và tương ứng với sự thay đổi trị số của từng điện trở. - Với một điện thế không đổi,hiệu thế của cầu điện trở (độ nhạy) giảm mạnh khi nhiệt độ gia tăng. Độ nhạy được định nghĩa là điện thế định mức ở ngã ra (mV) cho mỗi Volt của nguồn điện cấp cho cầu điện trở và từng đơn vị áp suất. Độ nhạy có hệ số nhiệt độ âm, trị số của nó giảm khi nhiệt độ tăng. - Khi cầu điện trở được cấp điện với một nguồn điện có cường độ dòng điện cố định, ta có sự triệt tiêu lẫn nhau của hai hiệu ứng a và b ta được đường biễu diễn c. Do đó để cấp điện cho các sensor áp suất điện trở áp điện nguồn dòng cố định, ta có sự triệt tiêu lẫn nhau của hai hiệu ứng a và b ta được đường biểu diễn. Do đó để cấp điện cho các sensor áp suất điện trở áp điện nguồn dòng cố định là 1 giải pháp khá tốt để bù trừ sự ảnh hưởng của nhiệt độ nhờ hiệu ứng bù trừ tự động nêu trên. ` Hình 6.21 6.3.6. Chỉnh điểm zero và khoảng đo Khi 2 bên màng đo áp suất có áp suất giống nhau, cảm biến áp suất loại điện trở áp điện vẫn có một điện thế offset cần phải được hiểu chỉnh về zero. Điện thế offset t này còn được gọi là điện thế offset-zero. Điện thế này gia tăng khi nhiệt độ tăng. Tùy theo điện thế âm hay dương mà biến trở P1 hay P2 trong hình 6.22 được dùng đến: Hình 6.22 Độ nhạy của mạch đo được chỉnh với P3. Vì khi chỉnh điểm zoro, độ nhạy cũng bị ảnh hưởng, nhưng không ngược lại. Do đó độ nhạy cần được chỉnh sau hết. CHƯƠNG 7: NGUYÊN LÝ VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LẠNH TRỮ ĐÔNG DÙNG PLC S7 – 200 7.1. SƠ ĐỒ HỆ THỐNG LẠNH TRỮ ĐÔNG Hình 7.1: Sơ đồ hệ thống lạnh trữ đông 7.2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN 7.2.1. Tự động hóa máy nén lạnh công nghiệp Máy nén là thiết bị quan trọng nhất của máy lạnh. Các thông số cần kiển tra và tự động điều khiển là: áp suất hút p0, áp suất đầu đẩy pk, nhiệt độ đầu đẩy t2, nhiệt độ dầu td, hiệu áp dầu rP, chế độ làm mát máy nén. 7.2.1.1. Tự động giảm tải máy nén khi khởi động bằng đổi nối sao – tam giác Trong các máy nén lạnh thường sử dụng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ rotor lồng sóc, có thể 3 pha hoặc 1 pha. Các máy nén có công suất từ 3HP trở lên được sử dụng động cơ 3 pha có 3 hoặc 6 đầu dây ra, điều quan trọng là phải làm sao cho dòng điện khởi động không vượt quá giá trị cho phép. Nếu các máy có công suất trung bình và lớn nếu ta chọn phương án khởi động không thích hợp, thì làm cho dòng điện khởi động tăng cao. Điều này làm cho sụt áp lưới điện, quá tải đường dây và quá nhiệt dây quấn động cơ làm cho tuổi thọ máy nén giảm. Vì thế chọn phương án khởi động là rất quan trọng. Phương pháp khởi động bằng đổi nối sao – tam giác được áp dụng khi động cơ máy nén có 6 đầu dây ra. Khi máy nén được tiếp điện, lúc này động cơ máy nén được đấu sao (Y), sau một khoảng thời gian 5 ÷ 10 giây động cơ máy nén tự động chuyển sang đấu tam giác (r). Phương pháp này cho dòng điện khởi động máy nén giảm đi 3 lần. 7.2.1.2. Tự động bảo vệ máy nén lạnh: Bảo vệ áp suất nén Pk quá cao Khi áp suất nén quá cao sẽ làm cho dòng điện làm việc máy nén tăng, hệ thống làm việc không hiệu quả, gây nguy hiểm cho các thiết bị trong hệ thống. Để khống chế không cho áp suất nén quá cao, trong hệ thống lạnh ta sử dụng cảm biến áp suất lấy tín hiệu từ thiết bị ngưng tụ, bình chứa cao áp, hoặc tại các khoan đẩy của máy nén đưa về PLC. Nếu áp suất cao hơn giá trị cài đặt PLC sẽ tác động ngừng máy nén. Bảo vệ áp suất thấp P0 Khi hệ thống lạnh hoạt động, vì một lý do nào đó như: tắt đường ống, rò rỉ đường ống, thiếu môi chất lạnh, … làm cho áp suất hút của hệ thống quá thấp gây ảnh hưởng đến năng suất lạnh của hệ thống, bôi trơn và làm mát máy nén. Để khống chế không cho áp suất hút quá thấp, trong hệ thống lạnh ta sử dụng cảm biến áp suất thấp lấy tín hiệu từ đường hút hoặc khoan hút của máy nén đưa về PLC. Nếu áp suất thấp hơn giá trị cài đặt PLC sẽ tác động ngừng máy nén. Bảo vệ hiệu áp dầu Bảo vệ hiệu áp dầu được sử dụng cho các máy nén có hệ thống bôi trơn cưỡng bức bằng dầu. Áp suất dầu không là yếu tố quyết định, mà hiệu áp dầu mới là thông số quan trọng để đánh giá chất lượng của quá trình bôi trơn. rP = Poil – P0. Poil: áp suất bơm dầu; P0: áp suất cácte Nếu khi máy nén hoạt động mà không có áp lực dầu, có nghĩa hệ thống bơm dầu bị sự cố hoặc thiếu dầu trong cacste, … khi đó quá trình bôi trơn không đảm bảo, làm cho các chi tiết bị mòn và hư hỏng. Do đó người ta lấy tín hiệu áp suất của bơm dầu và áp suất cacaste đưa về PLC để xử lý và bảo vệ máy nén tránh hư hỏng. 7.2.2. Tự động hóa thiết bị ngưng tụ Trong hệ thống lạnh, thiết bị ngưng tụ là một thiết bị chính và rất quan trọng. Vì thế cần phải vận hành, điều khiển thiết bị ngưng tụ hợp lý sẽ giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và tiết kiệm được chi phí. Trong quá trình hoạt động, nếu áp suất ngưng tụ hoặc nhiệt độ ngưng tụ quá cao sẽ làm năng suất lạnh giảm, tiêu tốn điện năng. Điều đó dẫn tới hệ thống làm việc không kinh tế và gây quá tải cho động cơ máy nén. Ngược lại nếu áp suất ngưng tụ quá thấp sẽ ảnh hưởng đến việc cấp lỏng cho thiết bị bay hơi làm năng suất lạnh hệ thống giảm. Ở hệ thống lạnh trong đồ án này sử dụng dàn ngưng làm mát bằng không khí. Khi áp suất ngưng tụ cao hơn giá trị cài đặt, cảm biến áp suất lấy tín hiệu đưa về PLC xử lý tác động ngừng máy nén, phần này đã được được trình bày ở phần bảo vệ áp suất cao cho máy nén. 7.2.3. Tự động hóa thiết bị bay hơi Dàn bay hơi có thể tự động hóa cấp lạnh, tan băng. Cấp lỏng cho dàn bay hơi từ bên dưới đối với NH3 và từ phía trên đối với hệ freon. Sở dĩ hệ freon cấp lỏng phía trên do dầu bôi trơn hòa tan trong môi chất, nhưng ở nhiệt độ thấp mức hòa tan bị hạn chế. Ở thiết bị bay hơi khối lượng riêng của dầu nặng hơn của môi chất nên khi cấp lỏng phía trên dầu bắt buộc bị đẩy ra khỏi dàn lạnh, trong trường hợp cần thiết phải làm bẩy dầu để đưa dầu về cácte máy nén. Ở đồ án này hệ thống trữ đông dùng môi chất R22 nên chọn phương án cấp lỏng từ trên. 7.2.3.1. Tự động cấp dịch dàn bay hơi bằng van tiết lưu nhiệt Khi tải nhiệt tăng, môi chất lạnh vào dàn lạnh ít, dẫn đến độ quá nhiệt hút tăng, khi đó đầu cảm biến nhiệt sẽ lấy tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu áp suất tác động đến ty van làm cho cửa van mở rộng cấp lỏng vào dàn bay hơi nhiều hơn. Khi môi chất lạnh vào nhiều, độ quá nhiệt giảm, khi đó áp suất trong bầu cảm biến nhiệt giảm làm cho của van đóng bớt lại, môi chất lạnh lỏng vào dàn bay hơi ít hơn. Hình 7.2: Cấp lỏng dàn bay hơi bằng van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài. 7.2.3.2. Tự động bảo vệ dàn bay hơi bằng không khí không bị tràn lỏng Để khống chế dàn bay hơi, trước van tiết lưu lắp một van điện từ. Khi máy nén hoạt động sau khoảng thời gian thì van điện từ hoạt động, máy nén dừng thì van điện từ dừng ngừng cấp lỏng tránh lỏng tràn vào dàn bay hơi. Van điện từ được nối với PLC để thực thi công việc này. 7.2.4. Quá trình xả băng Khi băng bám nhiều trên dàn lạnh, hiệu quả trao đổi nhiệt giảm, mô tơ quạt có thể bị quá tải và cháy, vì vậy ta cần xả băng cho dàn lạnh. Quá trình xả băng thực hiện qua 3 giai đoạn và hoạt động hoàn toàn tự động. Thời gian thực hiện một giai đoạn được đặt sẵn trong chương trình của PLC. Quá trình xả băng thực hiện theo các giai đoạn sau : - Giai đoạn 1: Rút dịch khỏi dàn lạnh Thực hiện trong khoảng 5 phút, thời gian này được khống chế trong chương trình của PLC. Trong giai đoạn này van điện từ (SV) mất điện và ngừng cấp dịch cho dàn lạnh, hệ thống lạnh vẫn chạy nên hút dịch ra khỏi dàn lạnh. - Giai đoạn 2: Giai đoạn xả băng Sau thời gian đã định (5 phút), PLC tác động ngừng máy nén, đồng thời cấp điện cho điện trở xả băng. Thời gian tùy thuộc vào hệ thống (khoảng 15 phút). - Giai đoạn 3: Giai đoạn kết thúc Sau thời gian xả băng (15 phút), dàn lạnh đang bám nước. Nếu khởi động lại ngay màng nước này sẽ bám trở lại trên bề mặt dàn lạnh. Vì vậy cần phải có thời gian chờ để bề mặt dàn lạnh được khô ráo. Thời gian khoảng 5 – 6 phút Ghi chú: Trong quá trình vận hành xả băng, nếu phát hiện sau một thời gian ngắn hơn qui định băng ở dàn lạnh đã được xả tan hết, lúc đó có thể dừng xả băng để giảm tổn thất nhiệt, không cần duy trì đúng thời gian qui định. Ở đồ án này sử dụng phương thức xả băng bằng điện trở dựa vào độ chênh áp suất giữa đầu vào và đầu ra dàn lạnh rt để tiến hành xả băng. rt = ts – tt. Với ts nhiệt độ sau dàn lạnh, tt nhiệt độ trước dàn lanh. 7.3. TRÌNH TỰ VẬN HÀNH TỰ ĐỘNG Tổng hợp những điều nói trên, khi thiết bị làm việc, trình tự vận hành hệ thống tiến hành theo sơ đồ khối như hình 7.3. Máy nén chạy động r Ngừng máy Máy nén hoạt động bình thường Nhiệt độ kho lạnh đạt yêu cầu chưa? Mở VĐT cấp dịch dàn lạnh Máy nén khởi động Y Ngừng máy sự cố Pk bình thường không? P0 bình thường không? T2 bình thường không? rt vượt mức chưa? Đóng VĐT cấp dịch dàn lạnh Ngừng máy Điện trở xả băng hoạt đông Điện trở xả băng ngừng hoạt động Khởi động quạt dàn lạnh Kho cần giảm nhiệt độ không? Nguồn điện chính Khởi động quạt dàn ngưng Sự cố Hình 7.3: Sơ đồ khối trình tự tự động điều khiển hệ thống lạnh 7.4. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LẠNH TRỮ ĐÔNG DÙNG PLC S7 – 200 Xem ở phần mô hình thí nghiệm. CHƯƠNG 8: THI CÔNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 8.1. THIẾT BỊ SỬ DỤNG Sử dụng mô hình máy điều hòa không khí 2 cục. PLC CPU 224 Màn hình TD200 Module analog EM231, EM235. Cảm biến nhiệt thermocouple loại K Cảm biến áp suất. Bảng sơ đồ hệ thống lạnh. 8.2. MÁY ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ 2 CỤC Model Pha điện Điện áp Tần số Năng suất lạnh Dòng điện Công suất LS – C096QMA3 1 pha 220 50 Hz 9200 Btu/h 4,1A 900 W Mô hình 8.3. PLC CPU 224 S7-200 là PLC thuộc họ Micro Automation của hãng SIEMENS,có thể điều khiển hàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hoá.Với cấu trúc nhỏ gọn, có khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh SIMATIC mạnh. 8.3.1. Giới thiệu Hình dạng bên ngoài Kích thước (mm) : 120.5 x 80 x 62 Bộ nhớ chương trình : 4096 words Bộ nhớ dữ liệu : 2560 words Cổng logic vào : 14 Cổng logic ra : 10 Modul mở rộng : 7 Digital I/O cực đại : 128/128 Analog I/O cực đại : 32/32 Bộ đếm (Counter) : 256 Bộ định thì ( Timer) : 256 Khả năng lưu trữ khi mất điện : 190 giờ 8.3.2. Cấu tạo Đèn hiển thị vào/ra Led trạng thái Bộ nhớ Run/Stop Hiệu chỉnh tương tự Cổng mở rộng Cổng giao tiếp Kết nối đầu vào Sơ đồ nối thiết bị ngoại vi với PLC 8.4. Module analog 8.4.1. Module analog EM231 4AI×TC Cấu tạo 8.4.2. Module analog EM235 Cấu tạo Lắp đặt CPU và module Sơ đồ kết nối PLC với module mở rộng Hình 8.1. Hình kết nối plc với EM231 4AI×TC Thermocouple 8.5. CHUẨN BỊ KHI LẬP TRÌNH 8.5.1. Chuẩn bị - PLC S7-200 CPU 224. - Máy tính - Phần mềm lập trình STEP7- MicroWin - Cáp truyền thông PC/PPI 8.5.2. Lập trình và điều khiển Nguyên lý làm việc Nguyên lý hoạt động của hệ thống trữ đông: chạy ở 2 chế độ CHẾ ĐỘ AUTO Nhấn nút Power On cấp nguồn, chuyển sang chế độ AUTO. Nhấn nút Start, quạt dàn ngưng tụ và quạt dàn bay hơi chạy khoảng 10 phút thì máy nén chạy. Khi máy nén chạy thì cấp điện cho van điện từ. Hệ thống bắt đầu hoạt động. Khi nhiệt độ phòng tf = -180C thì tác động tắt van điện từ ngừng cấp dịch cho dàn bay hơi, sau thời gian 30 giây khi máy nén hut hết dịch trong dàn bay hơi thì tác động ngừng máy nén và quạt dàn ngưng tụ. Khi tf = -160C thì bật máy nén và quạt dàn ngưng tụ chạy. Khi náy nén chạy thì cấp điện cho van điện từ. Hệ thống hoạt động trở lại. Xả băng: Khi ∆t = 80C thì tắt van điện từ ngừng cấp dịch dàn bay hơi sau một thời gian 30 giây thì tác động ngừng máy nén, quạt dàn bay hơi và quạt dàn ngưng tụ. Khi máy nén, quạt dàn bay hơi và quạt dàn ngưng tụ ngừng bắt đầu cấp điện cho Điện Trở để xả băng. Lúc này Timer bắt đầu đếm khoảng 10 phút sau thì ngừng cấp điện cho Điện Trở và bật quạt dàn bay hơi và quạt dàn ngưng tụ và máy nén hoạt động trở lại. Khi máy nén chạy thì cấp điện cho van điện từ. Bảo vệ cao áp: Khi pk ³ 25 bar thì tắt van điện từ và máy nén. Đồng thời Đèn và Còi sự cố báo động. Bảo vệ thấp áp: Khi po £ 1.5 bar thì tắt van điện từ, máy nén và quạt dàn bay hơi. Đồng thời Đèn và Còi sự cố báo động. Bảo vệ t2: Khi t2 ³ 1250C thì tắt van điện từ và máy nén. Đồng thời Đèn và Còi sự cố báo động. Stop bình thường: Nhấn nút Stop thì van điện từ ngắt sau 30 giây thì tắt quạt dàn bay hơi và sau 5 giây thì tắt máy nén. Quạt dàn ngưng tụ chạy khoảng 10 phút thì ngừng hẳn. Stop sự cố: Nhấn nút Sự Cố thì hệ thống tắt hoàn toàn. CHẾ ĐỘ MAN Nhấn nút Power On cấp nguồn, chuyển sang chế độ Man Cấp điện cho quạt dàn ngưng tụ, quạt dàn bay hơi khoảng 10 phút thì cấp điện cho máy nén (nếu quạt dàn ngưng tụ tắt thì máy nén tắt theo), khi máy nén chạy thì cấp điện cho van điện từ. Hệ thống bắt đầu hoạt động. Khi nhiệt độ phòng tf = -180C thì tác động tắt van điện từ ngừng cấp dịch cho dàn bay hơi, sau thời gian 30 giây khi máy nén hut hết dịch trong dàn bay hơi thì tác động ngừng máy nén và quạt dàn ngưng tụ. Khi tf = -160C thì bật máy nén và quạt dàn ngưng tụ chạy. Khi náy nén chạy thì cấp điện cho van điện từ. Hệ thống hoạt động trở lại. Xả băng: có thể xả bằng tự động hoặc bằng tay. Bằng tự động: Khi ∆t = 80C thì tắt van điện từ ngừng cấp dịch dàn bay hơi sau một thời gian 30 giây thì tác động ngừng máy nén, quạt dàn bay hơi và quạt dàn ngưng tụ. Khi máy nén, quạt dàn bay hơi và quạt dàn ngưng tụ ngừng bắt đầu cấp điện cho Điện Trở để xả băng. Lúc này Timer bắt đầu đếm khoảng 10 phút sau thì ngừng cấp điện cho Điện Trở và bật quạt dàn bay hơi và quạt dàn ngưng tụ và máy nén hoạt động trở lại. Khi máy nén chạy thì cấp điện cho van điện từ. Bằng tay: Khi muốn xả băng bằng tay thì ta tắt hết các thiết bị như quạt dàn ngưng tụ, quạt dàn bay hơi, van điện từ và máy nén. Nhấn nút Xả băng thì cấp điện cho Điện Trở bắt đầu Xả băng. Lúc này ta bắt đầu canh thời gian khi nào trong dàn lạnh băng tan hết thì ngừng cấp điện cho Điện Trở và bật quạt dàn ngưng tụ, quạt dàn bay hơi và máy nén hoạt động trở lại. Khi máy nén chạy thì cấp điện cho van điện từ. Bảo vệ cao áp: Khi pk ³ 25 bar thì tắt van điện từ và máy nén. Đồng thời Đèn và Còi sự cố báo động. Bảo vệ thấp áp: Khi po £ 1.5 bar thì tắt van điện từ, máy nén và quạt dàn bay hơi. Đồng thời Đèn và Còi sự cố báo động. Bảo vệ t2: Khi t2 ³ 1250C thì tắt van điện từ và máy nén. Đồng thời Đèn và Còi sự cố báo động. Stop: tắt từng thiết bị. Xác định số lượng vào/ra STT Ngõ vào Ngõ ra 1 AUTO QUẠT DNT 2 MAN QUẠT DBH 3 START MÁY NÉN 4 STOP VAN ĐIỆN TỪ 5 F.COM ĐIỆN TRỞ XẢ BĂNG 6 F.EVA ĐÈN, CÒI BÁO SỰ CỐ 7 F.COND 8 SV 9 FLAME 10 STOP BUZZ 11 EMER GENCY 12 RESET AUTO Sơ đồ khối N N BEGIN START Y F.DBH=1 F.DNT=1 TON=600s Y MN = 1 VĐT = 1 Tf £ -180 VĐT = 0 Y N TON=30s MN = 0 F.DNT=0 N Tf ³ -160 Y VĐT = 1 F.DNT=1 MN = 1 N ∆t = 80C Y MN=0 VĐT=0 F.DNT=0 F.DNT=0 N N N MN=0 VĐT=0 MN=0 VĐT=0 Pk ³ 25 Pk £ 1.5 MN=0 VĐT=0 T2 ³ 1250 Y Y Y STOP END Kết nối sơ đồ mạch điều khiển và mạch động lực Mạch động lực Thiết kế mạch điều khiển điện Sơ đồ kết nối thiết bị với PLC (xem phụ luc) CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 9.1. KẾT LUẬN Qua quá trình thực hiện đồ án tôt nghiệp, dưới sự hướng dẫn tận tình của Giáo viên hướng dẫn, sự giúp đỡ của quý thầy cô trong bộ môn đã giúp nhóm chúng em hoàn thành được đề tài của đồ án. Nhóm đã nghiên cứu nguyên lý điều khiển tự động hệ thống lạnh và đã chọn ra đề tài điều khiển tự động hệ thống lạnh bằng PLC SIEMEMS S7 – 200 để nghiên cứu. Nhóm đã tính toán, thiết kế mạch điều khiển dựa vào các tài liệu chuyên ngành và các tài liệu liên quan. Qua việc nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển tự động cho hệ thống lạnh nhóm đã sử dụng mô hình điều hòa 2 cục tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật Tp. HCM để thí nghiệm. Việc ứng dụng PLC S7-200 vào điều khiển hệ thống lạnh còn khá mới mẻ đối với sinh viên, kỹ sư mới ra trường, trong giai đoạn đầu của quá trình nghiên cứu với khoảng thời gian ngắn nhóm thực hiện đề tài chỉ tiến hành nghiên cứu các nội dung cơ bản về lý thuyết của PLC và ứng dụng để viết chương trình điều khiển hệ thống lạnh nhỏ. Với việc ứng dụng PLC trong điều khiển tự động hệ thống lạnh mang lại tính an toàn và độ chính xác cao, vận hành dễ dàng, mạch điều khiển đơn giản. Trong quá trình thực hiện nhiều ý tưởng, nhiều giải pháp mới nảy sinh, tìm giải pháp tối ưu là điều mong muốn của nhóm thực hiện. Với những hạn chế về mặt khách quan và chủ quan một số vấn đề không được tìm hiểu quan tâm đầy đủ. Vì vậy sự thiếu xót của đề tài là điều không thể tránh khỏi trong quá trình thực hiện đề tài. 9.2. KIẾN NGHỊ Trước sự phát triển của khoa học công nghệ và nhất là trong lĩnh vực tự động hóa cũng như yêu cầu tự động hệ thống lạnh ngày càng cao, việc ứng dụng PLC vào điều khiển hệ thống lạnh là rất cần thiết. Với việc nghiên cứu thành công đề tài ứng dụng PLC điều khiển hệ thống lạnh nhóm chúng em xin đưa ra một số kiến nghị: - Mong quý thầy cô bộ môn đưa PLC vào trong chương trình giảng dạy của ngành. - Sử dụng mô hình này vào điều khiển kho lạnh tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh. PHẦN 3: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Lợi. Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội - 2005. [2] Phạm Công Ngô. Lý thuyết điều khiển tự động- NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội -1996. [3] Nguyễn Ngọc Cẩn. Điều khiển tự động- Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM- 1988. [4] Nguyễn Thị Phương Hà (chủ biên), Huỳnh Thái Hoàng. Lý thuyết điều khiển tự động – NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM- 2005. [5] Nguyễn Tấn Đời. Điều khiển lập trình 1 – Trường Đại học Sư Phạm kỹ Thuật Tp. HCM – 2007. [6] Nguyễn Văn Mạnh. Lý thuyết điều chỉnh tự động quá trình nhiệt - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1993. [7] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Quốc. Bộ điều khiển lập trình vận hành và ứng dụng – NXB Khoa học và kỹ thuật [8].Trang web Đại học Bách Khoa Đà Nẵng www.dut.edu.vn [9].Trang web www.nhietlanhvietnam.net [10].Trang web www.siesmes.com