Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển duy trì áp suất Ứng dụng trong cung cấp nước sạch

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Tr­êng §¹i häc S­ Ph¹m Kü ThuËt H­ng Yªn ((( §Ò tµi: Ng­êi thùc hiÖn: Vò TuÊn C­êng Chu V¨n H¶i §inh ViÖt Hïng NguyÔn ThÞ Thu H­êng §ç Hoµng Linh Ng­êi h­íng dÉn: NguyÔn Phóc §¸o Ph¹m Thanh Tïng Líp : §K1 ---- H­ng Yªn 2007 --- LỜI NÓI ĐẦU Trong sự nghiệp giáo dục của nước ta hiện nay mục tiêu là giáo dục và đào tạo ra những con người có đủ đức đủ tài,có văn hóa, có kỹ năng kỹ xảo nghề nghiệp và có thái độ ứng xử tốt phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa - xây dựng nước nhà. Để đạt được mục đích đó thì thế hệ trẻ đặc biệt là sinh viên phải luôn chủ động tìm hiểu nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu khoa học mới, cùng những nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà. Là những sinh viên năm cuối được làm đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho chúng em tìm hiểu thêm về kiến thức thưc tế củng cố những kiến thức đã học, nhóm chúng em đã được nghiên cứu về đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển duy trì áp suất. Ứng dụng trong cung cấp nước sạch”. Đề tài đề cập đến một lĩnh vực đang ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp nhưng lại là kiến thức mới đối với sinh viên. Đề tài chúng em dược chia ra thành 5 chương : Chương 1: Tổng quan Chương 2: §o ¸p suÊt Chương 3: Biến tần Chương 4: Lập trình điều khiển Chương 5: Kết luận và khuyến nghị Phụ lục: Các bản vẽ Nhôø coù söï höôùng daãn taän tình cuûa hai thaày Nguyeãn Phuùc Ñaùo vaø Phaïm Thanh Tuøng cuøng caùc thaày coâ trong khoa ñaõ taïo ñieàu kieän giuùp ñôõõ ñeå nhoùm em hoaøn thaønh ñöôïc ñeà taøi naøy. Tuy nhieân, do trình ñoä coøn haïn cheá, kinh nghieäm coøn non keùm neân khoâng traùnh khoûi nhöõng thieáu soùt, raát mong söï chæ baûo cuûa thaày coâ vaø caùc baïn. Chóng em xin chaân thaønh caûm ôn! Höng Yeân, ngaøy 18 thaùng 8 naêm 2007 NhËn xÐt, ®¸nh gi¸ cña gi¸o viªn h­íng dÉn Ch÷ ký cña gi¸o viªn NhËn xÐt, ®¸nh gi¸ cña gi¸o viªn h­íng dÉn Ch÷ ký cña gi¸o viªn NhËn xÐt, ®¸nh gi¸ cña gi¸o viªn ph¶n biÖn Ch÷ ký cña gi¸o viªn Môc lôc Trang Lêi nãi ®Çu: 2 Ch­¬ng I Tæng Quan 1.1 Kh¶o s¸t t¹i kh¸ch s¹n DEAWOO 8 1.2 VËn dông vµo ®Ò tµi 10 1.3 TÝnh thùc tÕ cña ®Ò tµi 12 Ch­¬ng II §o ¸p suÊt 2.1 Giíi thiÖu chung 13 2.2 ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt 14 2.2.1 §Þnh nghÜa ¸p suÊt 14 2.2.2 §¬n vÞ ®o ¸p suÊt 15 2.3 C¸c ph­¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt n­íc (chÊt l­u) 15 2.3.1 C¸c ph­¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt tÜnh 15 2.3.2 Ph­¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt ®éng 16 2.4 C¶m biÕn ¸p suÊt 16 2.4.1 Lùa chän lo¹i c¶m biÕn ¸p suÊt trong m« h×nh ®Ò tµi 17 2.4.2 CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng 18 2.4.3 C¸c ®Æc tÝnh tÜnh vµ ®éng cña c¶m biÕn 22 2.4.3.1 §é nh¹y 22 2.4.4 §iÒu kiÖn cã tuyÕn tÝnh 24 2.5 KÕt qu¶ ®o tÝn hiÖu ra cña c¶m biÕn ¸p suÊt 24 2.5.1 C¸c b­íc thùc hiÖn 24 2.5.2 So s¸nh kÕt qu¶ ®o 25 2.6 Sö dông c¶m biÕn ¸p suÊt trong ®Ò tµi 26 Ch­¬ng III BiÕn TÇn 3.1 Tæng quan vÒ biÕn tÇn 27 3.1.1 CÊu t¹o chung vµ nguyªn t¾c ho¹t ®éng 28 3.1.2 C¸c tÝnh chÊt 29 3.2 L¾p ®Æt ®iÖn 30 3.2.1 C¸c th«ng sè kü thuËt cña MM440 30 3.2.2 C¸ch ®Êu nèi m¹ch lùc 32 3.2.3 S¬ ®å ®iÒu khiÓn 33 3.2.4 S¬ ®å m¹ch nguyªn lý 33 3.2.5 C¸c ®Çu d©y ®iÒu khiÓn 34 3.3 Cµi mÆc ®Þnh 35 3.4 Sö dông mµn h×nh BOP 36 3.4.1 C¸c nót vµ chøc n¨ng 37 3.5 Giíi thiÖu mét sè th«ng sè cña biÕn tÇn MM440 38 3.5.1 C¸c th«ng sè cµi ®Æt nhanh 38 3.5.2 C¸c th«ng sè cµi ®Æt øng dông 43 3.6 øng dông biÕn tÇn MM440 vµo ®Ò tµi 52 3.6.1 C¸c tham sè vÒ ®éng c¬ 52 3.6.2 C¸c tham sè vÒ giao tiÕp nèi tiÕp USS 53 3.6.3 C¸c tham sè vÒ ®iÒu khiÓn vßng kÝn PID 54 3.6.4 C¸c tham sè vÒ c¸c ®Çu vµo ADC 54 3.6.5 C¸c tham sè liªn quan kh¸c 55 Ch­¬ng IV §iÒu khiÓn lËp tr×nh 4.1 C¸c gi¶i ph¸p ®iÒu khiÓn 56 4.1.1 M¹ch ®iÒu khiÓn dïng r¬le 56 4.1.2 M¹ch dïng kü thuËt vi xö lý 56 4.1.3 M¹ch dïng vi ®iÒu khiÓn 57 4.1.4 M¹ch ®iÒu khiÓn b»ng PLC 57 4.2 Giíi thiÖu chung vÒ PLC 58 4.2.1 Giíi thiÖu vÒ PLC 58 4.2.2 CÊu tróc cña PLC 59 4.2.3 Ph©n lo¹i PLC 61 4.2.4 ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn PLC S7 – 200 61 4.3 C¸c giao thøc giao tiÕp m¹ng trong S7 – 200 65 4.3.1 ChuÈn truyÒn RS 485 66 4.3.2 Giao thøc PPI 67 4.3.3 Giao thøc MPI 67 4.3.4 Giao thøc free port 68 4.3.5 Giao thøc USS 69 4.4 Vßng ®iÒu khiÓn tÝn hiÖu 75 4.5 KÕt nèi PLC vµ biÕn tÇn 76 4.6 ThiÕt lËp c¸c tham sè cho biÕn tÇn 77 4.7 Ch­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn 79 4.7.1 ThuËt ®iÒu khiÓn 79 4.7.2 Ch­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn 79 Ch­¬ng V KÕt luËn vµ khuyÕn nghÞ 94 Tµi liÖu tham kh¶o 96 Phô lôc 97 Tæng quan 1.1 Kh¶o s¸t t¹i kh¸ch s¹n Daewoo Kh¸ch s¹n daewoo lµ mét trong nh÷ng kh¸ch s¹n hµnh ®Çu cña n­íc ta. Kh¸ch s¹n gåm h¬n 400 phßng. Kh¸ch s¹n víi diÖn tÝch 2000 m2. Lµ mét trong sè nh÷ng kh¸ch s¹n lín vµ hiÖn ®¹i nªn trong kh¸ch s¹n bao gåm rÊt nhiÒu thiÕt bÞ lín nh­ hÖ thèng giÆt lµ, lµm l¹nh vµ lµm Êm (hÖ thèng ®iÒu hoµ, qu¹t giã, hÖ thèng cung cÊp n­íc s¹ch). Nh÷ng thiÕt bÞ ®ã trong kh¸ch s¹n phÇn lín ®Òu dïng biÕn tÇn ®Ó ®iÒu khiÓn. C¸c biÕn tÇn nµy ®Òu lµ lo¹i chuyªn dông, phï hîp víi tõng thiÕt bÞ. Trong ph¹m vi ®Ò tµi nµy ta chØ ®i nghiªn cøu vÒ hÖ thèng cung cÊp n­íc. HÖ thèng b¬m cung cÊp cho kh¸ch s¹n Sè l­îng b¬m: 6 HÖ thèng b¬m cung cÊp 1000m3 /ngµy C«ng suÊt cña ®éng c¬: 22kw – 380v (®éng c¬ K§B 3 pha) Duy tr× ¸p suÊt 8,5 ®Õn 9 bar Gåm c¸c c«ng t¾c t¬, r¬le, VSD, bé ®iÒu khiÓn HÖ thèng b¬n nµy dïng biÕn tÇn cña h·ng Danfoss (§an M¹ch) ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬. Së dÜ, kh¸ch s¹n dïng biÕn tÇn cña Danfoss mµ kh«ng dïng biÕn tÇn cña Siemens – mét lo¹i biÕn tÇn th«ng dông ë ViÖt Nam lµ v×: BiÕn tÇn cña Danfoss lµ mét lo¹i biÕn tÇn chuyªn dông cho b¬m vµ qu¹t, nh­ thÕ khi sö dông biÕn tÇn nµy ta kh«ng ph¶i x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh t¶i n÷a. Gi¸ thµnh cña Danfoss ban ®Çu mua vµo tuy ®¾t h¬n 1,2 ®Õn 1,3 lÇn so víi Siemens, tuy nhiªn nã vÉn ®¶m b¶o ®­îc tÝnh kinh tÕ v× kh¶ n¨ng tiÕt kiÖm ®iÖn n¨ng cña nã mang l¹i. Bé ®iÒu khiÓn lµ phÇn mÒm chuyªn dông cña h·ng. Nã rÊt dÔ sö dông vµ th«ng qua b¶ng ®iÒu khiÓn. T¹i ®©y, bé ®iÒu khiÓn sÏ xö lý c¸c tÝn hiÖu ®­a vÒ vµ ®­a ra quyÕt ®Þnh ®iÒu khiÓn hîp lý. Bé ®iÒu khiÓn nµy chØ ®iÒu khiÓn 4 b¬m trong hÖ thèng 6 b¬m, hai b¬m cßn l¹i ®Òu nèi trùc tiÕp vµo biÕn tÇn ch¹y trùc tiÕp mµ kh«ng qua bé ®iÒu khiÓn, së dÜ cã ®iÒu nµy bëi v× hai b¬m nµy cã t¸c dông dù phßng trong tr­êng hîp 4 b¬m cßn l¹i kh«ng ch¹y hoÆc bé ®iÒu khiÓn bÞ háng. C¶m biÕn ¸p suÊt ®­îc ®Æt ë ngay ®Çu ra cña b¬m. ¸p suÊt lu«n ®­îc duy tr× trong kho¶ng 8,5 ®Õn 9 Bar. HÖ thèng dïng hai c¶m biÕn ¸p suÊt: mét ®­a vÒ bé ®iÒu khiÓn, mét ®­a vÒ ®Ó lµm tÝn hiÖu cho biÕn tÇn dù phßng. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng ë ®©y: N­íc ®­îc b¬m trùc tiÕp tõ bÓ chøa, qua bÓ läc (th«ng qua b¬m trung gian) sau ®ã ®­îc hÖ thèng b¬m ®­a ®i ®Õn c¸c ®­êng èng. HÖ thèng b¬m cã mét b¬m ®­îc nèi vµo bé biÕn tÇn. B¬m nµo ®­îc nèi lµ do bé ®iÒu khiÓn quyÕt ®Þnh. Gi¶ sö b¬m sè mét lu«n ®­îc nèi, biÕn tÇn ®iÒu chØnh tèc ®é cña b¬m nµy ®Ó duy tr× ®­îc ¸p suÊt mong muèn. Khi b¬m sè mét ®­îc ®iÒu chØnh dÕn tèc dé tèi ®a mµ ch­a ®¸p øng ®­îc ¸p suÊt ®Çu ra th× biÕn tÇn ®iÒu chØnh cho tèc ®é b¬m nµy gi¶m xuèng. B¬m sè hai ®­îc ®ãng vµo, d­íi t¸c dông cña biÕn tÇn b¬m sè 2 ®­îc t¨ng dÇn tèc ®é vµ ®iÒu chØnh ®Õn khi nµo ®¸p øng ®­îc yªu cÇu. Ho¹t ®éng cña b¬m sè 3 vµ b¬m sè 4 t­¬ng tù nh­ vËy. Kh«ng cã tr­êng hîp c¶ 6 b¬m cïng ho¹t ®éng. Hai b¬m ®­îc ng¾t ra lµm b¬m dù phßng, bé biÕn tÇn ®iÒu chØnh tèc ®é, hai b¬m ch¹y trùc tiÕp. Trong qu¸ tr×nh cung cÊp n­íc trong ngµy, cã thÓ cã mét sè b¬m kh«ng sö dông ®Õn. §Ó chèng bã cho ®éng c¬, bé ®iÒu khiÓn cho ®éng c¬ ch¹y 10s. Ta còng kh«ng thÓ ®Ó mét b¬m ®­îc nèi vµo biÕn tÇn ch¹y trùc tiÕp qu¸ nhiÒu nªn sau kho¶ng 10 ngµy thay lu©n phiªn b¬m trùc tiÕp.
H×nh 1.1: S¬ ®å sö dông biÕn tÇn ®iÒu khiÓn cho mét b¬m 1.2 VËn dông vµo ®Ò tµi 1. S¬ ®å tæng qu¸t cña hÖ thèng Tõ yªu cÇu cña ®Ò tµi lµ: Sö dông biÕn tÇn - PLC ®Ó ®iÒu khiÓn, ®iÒu chØnh tèc ®é hai ®éng c¬ b¬m ®Ó æn ®Þnh ¸p suÊt trªn ®­êng èng cña hÖ thèng b¬m n­íc, sau khi ®i kh¶o s¸t hÖ thèng b¬m n­íc t¹i kh¸ch s¹n DAEWOO chóng em x©y dùng s¬ ®å tæng qu¸t cña hÖ thèng nh­ h×nh 1.3. 2. C¸ch ®Æt c¶m biÕn ¸p suÊt C¶m biÕn ¸p suÊt ®­îc ®Æt ë ngay ®Çu ra cña hÖ thèng b¬m nh­ trong h×nh 1.3. C¶m biÕn nµy sÏ ®o ¸p suÊt ®Çu vµo cña hÖ thèng ®­êng èng, ¸p suÊt nµy lu«n ®­îc duy tr× trong mét kho¶ng gi¸ trÞ nµo ®ã sao cho cuèi ®­êng èng ¸p suÊt vÉn ®ñ cung cÊp theo yªu cÇu. 3. C¸ch thøc ®iÒu khiÓn hÖ thèng §Çu tiªn cho ®éng c¬ b¬m 1 khëi ®éng b»ng c¸ch ®ãng ®iÖn cho V1.§éng c¬ b¬m sÏ khëi ®éng vµ b¬m n­íc vµo ®­êng èng. BiÕn tÇn sÏ lÊy tÝn hiÖu ph¶n håi vÒ tõ c¶m biÕn ¸p suÊt ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬, duy tr× ¸p suÊt trªn ®­êng èng. Khi tèc ®é ®éng c¬ b¬m 1 ®· ®¹t ®Þnh møc mµ ¸p suÊt trªn ®­êng èng ch­a ®ñ, khèi ®iÒu khiÓn (PLC) sÏ ng¾t ®iÖn V1 vµ ®ãng ®iÖn cho L1 ®ång thêi ®ãng ®iÖn cho V2. Lóc nµy ®éng c¬ b¬m ®­îc ng¾t ®iÖn cung cÊp tõ biÕn tÇn vµ ®­îc cÊp ®iÖn trùc tiÕp tõ l­íi (tèc ®é ®éng c¬ b¬m 1 vÉn duy tr× ®­îc gi¸ trÞ ®Þnh møc). §éng c¬ b¬m 2 ®­îc cÊp ®iÖn vµ ®­îc ®iÒu chØnh qua biÕn tÇn ®Ó bï thªm l­îng
P cho ®­êng èng. NÕu ¸p suÊt trªn ®­êng èng v­ît qu¸ gi¸ trÞ ®¹t biÕn tÇn sÏ ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ b¬m 2 ®Ó gi¶m ¸p suÊt. Tr­êng hîp ¸p suÊt gi¶m tíi mét gi¸ trÞ giíi h¹n nµo ®ã mµ ¸p suÊt trªn ®­êng èng vÉn cao h¬n gi¸ trÞ ®Æt, PLC sÏ ng¾t ®iÖn ®éng c¬ b¬m 2 b»ng c¸ch ng¾t ®iÖn V2. §ång thêi cÊp ®iÖn cho ®éng c¬ b¬m 1 qua biÕn tÇn b»ng c¸ch ng¾t ®iÖn L1 sau ®ã ®ãng ®iÖn cho V1, biÕn tÇn sÏ ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ b¬m 1 ®Ó duy tr× ¸p suÊt trªn ®­êng èng. ë s¬ ®å nµy vai trß cña ®éng c¬ b¬m 1 vµ 2 lµ t­¬ng ®­¬ng, chóng cã thÓ thay phiªn nhau ho¹t ®éng th­êng trùc tr¸nh tr­êng hîp mét ®éng c¬ ho¹t ®éng liªn tôc trong thêi gian dµi. Trong qu¸ tr×nh cung cÊp n­íc trong ngµy, cã thÓ mét ®éng c¬ b¬m sÏ kh«ng ®­îc sö dông ®Õn sÏ cã thÓ g©y ra hiÖn t­îng bã ®éng c¬. §Ó chèng bã cho ®éng c¬, ta cã thÓ ®ãng ®iÖn cho ®éng c¬ ch¹y trong mét thêi gian ng¾n trong ngµy.
H×nh 1.2: Sö dông biÕn tÇn cho nhiÒu b¬m
H×nh 1.3: S¬ ®å tæng qu¸t hÖ thèng 1.3 TÝnh thùc tÕ cña ®Ò tµi * Vieäc mong muoán coù moät saûn phaåm toát ñaùp öùng ñöôïc nhu caàu coâng ngheä, tieát kieäm naêng löôïng, hieäu naêng cao, ñoä tin caäy lôùn, nhoû goïn, ...vaø gi¸ thaønh hôïp lyù luoân laø caùi ñích höôùng tôùi cuûa khoa hoïc coâng ngheä * Khoa hoïc coâng ngheä ngaøy caøng phaùt trieån vöôït baäc nhaát laø vieäc öùng dông cuûa coâng ngheä ñieän töû vi maïch - ñieän töû coâng suaát coù theå taïo ra ñöôïc nhöõng saûn phaåm coù chöùc naêng xöû lyù troïn veïn moät quaù trình, moät khaâu, thaäm chí caû heä thoáng… vieäc tieáp caän nhöõng coâng ngheä môùi cuõng nhö coâng ngheä cuûa nöôùc ta coøn nhieàu haïn cheá. PLC – BIEÁN TAÀN hieän nay vaãn ñang laø nhöõùng coâng ngheä hieän ñaïi haøng ñaàu vôùi tính naêng noåi troäi laø ñieàu khieån chính xaùc, daûi ñieàu chænh roäng (taàn soá 0 – 650 Hz), tieát kieäm ñöôïc naêng löôïng ñeán 40%, ñoä tin caäy cao… Vaäy neân vôùi moät sinh vieân hoïc ngaønh töï ñoäng hoùa coâng nghieäp saép ra tröôøng vieäc ñöôïc tieáp caän moät coâng ngheä môùi laø moät may maén cho nhoùm chuùng em. * Qua qu¸ tr×nh kh¶o s¸t thùc tÕ t¹i kh¸ch s¹n DAEWOO cña nhãm, chóng em thÊy r»ng trong c¸c hÖ thèng b¬m n­íc ë nh÷ng nhµ cao tÇng, kh¸ch s¹n hay viÖc cung cÊp n­íc s¹ch cho c¶ thµnh phè…viÖc duy tr× ¸p suÊt kh«ng ®æi trong ®­êng èng lµ mét vÊn ®Ò ®Æt ra. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy, ta kh«ng thÓ dïng ph­¬ng ph¸p b¬m th«ng th­êng nh­: ®ãng m¸y trùc tiÕp b»ng tay, hay hÑn giê. Bëi v× thùc tÕ viÖc sö dông n­íc ë nh÷ng giê kh¸c nhau trong ngµy, ¸p suÊt ë c¸c vÞ trÝ trªn ®­êng èng cung cÊp lµ kh¸c nhau. BiÕn tÇn víi kh¶ n¨ng nh­: kÕt nèi víi m¸y tÝnh, giao tiÕp víi PLC, kÕt nèi m¹ng...do ®ã nã hoµn toµn cã kh¶ n¨ng gi¶i quyÕt vÊn ®Ò trªn. Trong biÕn tÇn tÝch hîp s½n bé ®iÒu khiÓn PID cïng víi c¸c ®Çu vµo, ®Çu ra t­¬ng tù vµ sè do ®ã cã kh¨ n¨ng kÕt hîp víi c¸c phÇn tö kh¸c t¹o nªn mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng hoµn toµn. BiÕn tÇn cã thÓ ®iÒu chØnh ®Ó thay ®æi tèc ®é ®éng c¬ 3 pha rÊt réng vµ tr¬n do ®ã nã ®­îc øng dông réng r·i trong c«ng nghiÖp còng nh­ trong c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng. Ch­¬ng II ®o ¸p suÊt 2.1 Giíi thiÖu chung ¸p suÊt t¸c ®éng nh­ mét biÕn sè trong c¸c hiÖn t­îng liªn quan ®Õn chÊt láng hoÆc chÊt khÝ, do vËy nã lµ mét th«ng sè quan träng trong nhiÒu lÜnh vùc nh­ nhiÖt ®éng häc, khÝ ®éng häc, ©m häc, c¬ häc chÊt láng, sinh lý…¸p suÊt lµ th«ng sè quan träng can thiÖp vµo viÖc kiÓm tra c¸c bé phËn m¸y mãc, c¸c hÖ thèng tù ®éng hoÆc do con ng­êi ®iÒu khiÓn. Trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c nhau, c¶m biÕn ¸p suÊt ®­îc øng dông nhiÒu vµ réng r·i trong c¸c lÜnh vùc, ®Æc biÖt lµ trong tù ®éng ho¸, trong lÜnh vùc c«ng nghiÖp n¨ng l­îng. §ã lµ v× trong c¸c thiÕt bÞ cung cÊp n¨ng l­îng thuû lùc, nhiÖt, h¹t nh©n, cÇn ph¶i ®o vµ theo dâi ¸p suÊt mét c¸ch liªn tôc, nÕu ¸p suÊt v­ît qu¸ giíi h¹n ng­ìng nã sÏ lµm háng b×nh chøa vµ ®­êng èng dÉn, thËm chÝ cã thÓ g©y næ lµm
thiÖt h¹i nghiªm träng ®Õn c¬ së vËt chÊt vµ tÝnh m¹ng con ng­êi. Tr­íc ®©y ng­êi ta dïng c¸c lo¹i sensor ¸p suÊt hoµn toµn b»ng c¬ häc. HiÖn nay vµ trong t­¬ng lai ng­êi ta ®· ph¸t triÓn c¸c lo¹i sensor ¸p suÊt víi vËt liÖu b¸n dÉn rÎ tiÒn h¬n, bÒn bØ h¬n, chÝnh x¸c h¬n cho c¸c c«ng viÖc ®o ®¹c, kiÓm so¸t vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng. Mét sè l­îng lín sensor ¸p suÊt hiÖn nay ®­îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu silic víi hiÖu øng trë ¸p ®iÖn. Trªn thùc tÕ, c¸c nhu cÇu ®o ¸p suÊt rÊt ®a d¹ng ®ßi hái c¸c c¶m biÕn ®o ¸p suÊt ph¶i ®¸p øng mét c¸ch tèt nhÊt cho tõng tr­êng hîp cô thÓ. ChÝnh v× vËy c¸c c¶m biÕn ®o ¸p suÊt chÊt l­u còng rÊt ®a d¹ng, mét nguyªn nh©n kh¸c dÉn ®Õn sù ®a d¹ng nµy lµ ®é lín cña ¸p suÊt cÇn ®o n»m trong mét d¶i rÊt réng. §é lín cña ¸p suÊt ®­îc biÓu diÔn b»ng gi¸ trÞ tuyÖt ®èi (so víi ch©n kh«ng ) hoÆc gi¸ trÞ t­¬ng ®èi (so víi khÝ quyÓn). Nã còng cã thÓ ®­îc biÓu diÔn b»ng sù kh¸c nhau gi÷a 2 ¸p suÊt. 2.2 ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt 2.2.1 §Þnh nghÜa ¸p suÊt NÕu cho mét chÊt láng hoÆc khÝ (gäi chung lµ chÊt l­u) vµo trong mét b×nh chøa nã sÏ g©y nªn lùc t¸c dông lªn thµnh b×nh gäi lµ ¸p suÊt. ¸p suÊt nµy phô thuéc vµo b¶n chÊt cña chÊt l­u, thÓ tÝch mµ nã chiÕm tr­íc vµ sau khi ®­a vµo b×nh vµ vµo nhiÖt ®é. ¸p suÊt p cña chÊt l­u ®­îc x¸c ®Þnh tõ lùc dF t¸c dông vu«ng gãc lªn diÖn tÝch ds cña thµnh b×nh p =
Th­¬ng sè nµy kh«ng phô thuéc vµo ®Þnh h­íng cña bÒ mÆt ds mµ chØ phô thuéc vµo vÞ trÝ cña nã trong chÊt l­u. §Ó ®o ¸p suÊt ng­êi ta sö dông mét nguyªn t¾c gièng nhau, ¸p suÊt ®­îc ®o t¸c dông lªn mét bÒ mÆt x¸c ®Þnh, nh­ vËy ®Çu tiªn ¸p suÊt ®­îc ®o biÕn thµnh lùc. ViÖc ®o ¸p suÊt ®­îc ®­a vÒ ®o lùc. TÊt c¶ lùc t¸c dông lªn mét mÆt ph¼ng x¸c ®Þnh lµ th­íc ®o ¸p suÊt. Ta cã: p = F / A ¸p suÊt khÝ quyÓn: ¸p suÊt ®­îc ghi nhËn cho biÕt lµ ¸p suÊt trªn hay d­íi ¸p suÊt khÝ quyÓn. ¸p suÊt ch©n kh«ng: ¸p suÊt ®­îc ghi nhËn cho biÕt lµ ¸p suÊt tuyÖt ®èi. Mét sè ¸p suÊt kh¸c: ¸p suÊt ®­îc ghi nhËn cho biÕt do viÖc ®o hiÖu sè ¸p suÊt gi÷a hai ¸p suÊt – ta gäi t¾t lµ hiÖu ¸p.
H×nh 2.1: C¸c thang ¸p suÊt 2.2.2 §¬n vÞ ®o ¸p suÊt Cã nhiÒu ®¬n vÞ th­êng ®­îc dïng ®Ó ®o ¸p suÊt nh­: Pascal , bar , kg/ cm2, atmosphe, cm cét n­íc, mmHg, mbar. Nh­ng Uû ban quèc tÕ chän Pascal (Pa) = Newton/m2 lµ ®¬n vÞ ¸p (ISO 1000; DIN 1301). Th­êng viÖc ph©n chia thang ®o cña m¸y ®o ¸p suÊt ®­îc dïng víi béi cña ®¬n vÞ Pascal. 1 mbar = 102 Pa 1 bar = 105 Pa 2.3 C¸c ph­¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt n­íc (®o ¸p suÊt cña chÊt l­u) 2.3.1 C¸c ph­¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt tÜnh ViÖc ®o ¸p suÊt cña chÊt l­u kh«ng chuyÓn ®éng dÉn ®Õn phÐp ®o lùc F t¸c dông lªn diÖn tÝch s cña thµnh b×nh ph©n chia 2 m«i tr­êng, trong ®ã mét m«i tr­êng chøa chÊt l­u lµ ®èi t­îng cÇn ®o ¸p suÊt. Cã thÓ chia ra 3 tr­êng hîp chÝnh: §o ¸p suÊt lÊy qua mét lç cã tiÕt diÖn h×nh trßn ®­îc khoan trªn thµnh b×nh. §o trùc tiÕp sù biÕn d¹ng cña thµnh b×nh do ¸p suÊt g©y nªn. §o b»ng mét c¶m biÕn ¸p suÊt ®Ó chuyÓn tÝn hiÖu ®Çu vµo (lµ ¸p suÊt) thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ®Çu ra chøa th«ng tin liªn quan ®Õn gi¸ trÞ cña ¸p suÊt cÇn ®o vµ sù thay ®æi cña nã theo thêi gian. Trong c¸ch ®o trÝch lÊy ¸p suÊt qua mét lç nhá ph¶i sö dông mét c¶m biÕn ®Æt gÇn s¸t thµnh b×nh. Sai sè cña phÐp ®o sÏ nhá víi ®iÒu kiÖn lµ thÓ tÝch chÕt cña kªnh dÉn vµ cña c¶m biÕn ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ so víi thÓ tÝch tæng céng cña chÊt l­u cÇn ®o ¸p suÊt. Trong tr­êng hîp ®o trùc tiÕp, ng­êi ta g¾n lªn thµnh b×nh c¸c c¶m biÕn ®o øng suÊt ®Ó ®o biÕn d¹ng cña thµnh b×nh. BiÕn d¹ng nµy lµ hµm cña ¸p suÊt. Ngoµi ra, cã thÓ dïng mét èng ®Æc biÖt cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng d­íi t¸c dông cña ¸p suÊt ®Ó lµm vËt trung gian. Khi ®o ¸p suÊt trong mét ®­êng èng dÉn chÊt l­u, ng­êi ta ®Æt mét ¸p kÕ d¹ng èng nèi tiÕp víi ®­êng dÉn kh¶o s¸t. B»ng c¸ch chän vËt liÖu thÝch hîp, cã thÓ sö dông èng trong tr­êng hîp cã biÕn d¹ng lín vµ t¨ng ®é nh¹y cña ¸p kÕ. Trong tr­êng hîp ®o b»ng c¶m biÕn ¸p suÊt, vËt trung gian th­êng lµ c¸c phÇn tö ®o lùc cã mét th«ng sè, vÝ dô th«ng sè h×nh häc cã kh¶ n¨ng thay ®æi d­íi t¸c dông cña lùc F = p. s, c¶m biÕn ¸p suÊt cã trang bÞ thªm bé chuyÓn ®æi ®iÖn ®Ó chuyÓn nh÷ng thay ®æi kÝch th­íc cña èng d­íi t¸c dông cña ¸p suÊt cÇn ®o (®¹i l­îng c¬ trung gian) thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. 2.3.2 Ph­¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt ®éng Khi nghiªn cøu chÊt l­u chuyÓn ®éng cÇn ph¶i tÝnh ®Õn ba d¹ng ¸p suÊt cïng tån t¹i: ¸p suÊt tÜnh ( ps) cña chÊt l­u kh«ng chuyÓn ®éng, ¸p suÊt ®éng (pd) do chuyÓn ®éng víi vËn tèc v cña chÊt l­u g©y lªn vµ ¸p suÊt tæng céng Pt lµ tæng cña hai ¸p suÊt trªn: Pt = ps + pd ¸p suÊt tÜnh ps ®­îc ®o b»ng mét trong c¸c ph­¬ng ph¸p võa tr×nh bµy. ¸p suÊt ®éng t¸c dông lªn mÆt ph¼ng ®Æt vu«ng gãc víi dßng ch¶y sÏ lµm t¨ng ¸p suÊt tÜnh vµ cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi b×nh ph­¬ng vËn tèc, nghÜa lµ: pd =
trong ®ã
lµ khèi l­îng riªng cña chÊt l­u. ViÖc ®o ¸p suÊt nµy trong chÊt l­u chuyÓn ®éng cã thÓ ®­îc thùc hiÖn b»ng viÖc nèi víi hai ®Çu ra cña èng Pitot hai c¶m biÕn, mét c¶m biÕn ®o ¸p suÊt tæng céng vµ mét c¶m biÕn ®o ¸p suÊt tÜnh. Khi ®ã ¸p suÊt ®éng sÏ lµ hiÖu cña ¸p suÊt tæng céng vµ ¸p suÊt tÜnh : Pd= Pt - Ps. Trong ®Ò tµi nµy ta sö dông c¶m biÕn ¸p suÊt vµ ®o ¸p suÊt tÜnh b»ng ph­¬ng ph¸p lÊy mét lç nhá cña èng dÉn n­íc sau ®ã l¾p c¶m biÕn vµo th«ng qua c¬ cÊu l¾p ®Æt ®Ó h¹n chÕ sù ¶nh h­ëng cña ¸p suÊt ®éng, tr¸nh sù t¸c ®éng trùc tiÕp cña chÊt l­u lªn c¶m biÕn sÏ t¹o ra ¸p suÊt ®éng g©y lªn sù bÊt æn tÝn hiÖu ra cña c¶m biÕn. §ã còng lµ ph­¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt n­íc trong hÖ thèng cung cÊp n­íc vµ duy tr× ¸p suÊt ë kh¸ch s¹n Deawoo. 2.4 C¶m biÕn ¸p suÊt C¶m biÕn lµ phÇn tö c¬ b¶n cña bé biÕn ®æi ¸p suÊt, nã x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh lµm viÖc cña thiÕt bÞ. C¸c bé biÕn ®æi ¸p suÊt ho¹t ®éng dùa trªn c¬ së 3 lo¹i c¶m biÕn chÝnh. §ã lµ c¶m biÕn ®iÖn trë tenx¬, ®iÖn dung vµ ®iÖn c¶m. 2.4.1 Lùa chän lo¹i c¶m biÕn ¸p suÊt sö dông trong m« h×nh ®Ò tµi Tõ nh÷ng sè liÖu cã tr­íc nh­ ¸p suÊt n­íc cÇn duy tr× lµ 0.5 bar, biÕn tÇn sö dông trong m« h×nh lµ lo¹i MM440 cña Siemens cã 2 ®Çu vµo t­¬ng tù lµ: 0 tíi 10 V, 0 tíi 20mA vµ -10
+10V 0 tíi 10 V, 0 tíi 20mA Còng nh­ c¨n cø vµo nh÷ng thiÕt bÞ trong khoa s½n cã, ta lùa chän lo¹i c¶m biÕn ¸p suÊt cña Siemens cã nh÷ng th«ng sè sau: D¶i ¸p suÊt: 0….6 bar/ Pmax 12 bar §Çu ra t­¬ng tù : 4….20 mA Nguån cung cÊp: 10….36 VDC Ký hiÖu ch©n trªn th©n c¶m biÕn: 1(+) 2(-) ch©n cßn l¹i ký hiÖu mass. Cã 3 ®Çu ra: 1( +) lµ d©y cã mµu n©u ta nèi víi nguån cÊp cho c¶m biÕn. 2( -) lµ ch©n cã mµu xanh sÉm ta nèi víi ®Çu vµo t­¬ng tù cña biÕn tÇn. Vµ ®Çu cßn l¹i cã mµu vµng säc xanh nh¹t nèi mass b¶o vÖ.
H×nh 2.2: S¬ ®å ch©n cña c¶m biÕn §©y lµ lo¹i c¶m biÕn cã ®Çu ra lµ dßng ®iÖn tØ lÖ thuËn víi sù t¨ng dÇn cña ¸p suÊt chÊt l­u. S¬ ®å khèi cña thiÕt bÞ ®o ¸p suÊt:
H×nh 2.3: S¬ ®å khèi cña thiÕt bÞ ®o ¸p suÊt Trong ®ã: 1: Lµ phÇn tö c¶m biÕn ¸p suÊt. 2: Lµ phÇn tö nhËn ¸p suÊt. 3: Lµ bé biÕn ®æi ¸p suÊt ®o. 4: Lµ thiÕt bÞ ®o ¸p suÊt. 2.4.2 CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng C¶m biÕn ¸p suÊt víi m¹ch tæ hîp ®iÖn trë ¸p ®iÖn b¸n dÉn ®­îc s¶n xuÊt nhiÒu cho viÖc ®o