thiết kế hệ thống điều khiển duy trì áp suất. ứng dụng trong cung cấp nước sạch

Bộ Giáo dục và Đào tạo
Tr-ờng Đại học S- Phạm Kỹ Thuật H-ng Yên

















Đề tài:



Ng-ời thực hiện: Vũ Tuấn C-ờng
Chu Văn Hải
Đinh Việt Hùng
Nguyễn Thị Thu H-ờng
Đỗ Hoàng Linh
Ng-ời h-ớng dẫn: Nguyễn Phúc Đáo

Phạm Thanh Tùng
Lớp : ĐK1





H-ng Yên 2007
Tham kh />ke-he-thong-dieu-khien-duy-tri-ap-suat-ung-dung-trong-cung-cap-nuoc-sach-
373485

LỜI NĨI 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 cơng 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 ln 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 cơng 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 cơng
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 st
–
–


Chương 3: Biến tần
–
–


Chương 4: Lập trình điều khiển
–
–


Chương 5: Kết luận và khuyến nghị
–
–


Phụ lục: Các bản vẽ
Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của hai thầy Nguyễn Phúc Đáo và Phạm
Thanh Tùng cùng các thầy cô trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡõ để
nhóm em hoàn thành được đề tài này. Tuy nhiên, do trình độ còn hạn

chế, kinh nghiệm còn non kém nên không tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong sự chỉ bảo của thầy cô và các bạn.
Chóng em xin chân thành cảm ơn!

Hưng Yên, ngày 18 tháng 8 năm 2007



NhËn xÐt, ®¸nh gi¸ cña gi¸o viªn h-íng dÉn

Ch÷ ký cña gi¸o viªn





NhËn xÐt, ®¸nh gi¸ cña gi¸o viªn h-íng dÉn

Ch÷ ký cña gi¸o viªn






NhËn xÐt, ®¸nh gi¸ cña gi¸o viªn ph¶n biÖn

Ch÷ ký cña gi¸o viªn





Mục lục
Trang
Lời nói đầu: 2
Ch-ơng I Tổng Quan
1.1 Khảo sát tại khách sạn DEAWOO 8
1.2 Vận dụng vào đề tài 10
1.3 Tính thực tế của đề tài 12
Ch-ơng II Đo áp suất
2.1 Giới thiệu chung 13

2.2 áp suất và đơn vị đo áp suất 14
2.2.1 Định nghĩa áp suất 14
2.2.2 Đơn vị đo áp suất 15
2.3 Các ph-ơng pháp đo áp suất n-ớc (chất l-u) 15
2.3.1 Các ph-ơng pháp đo áp suất tĩnh 15
2.3.2 Ph-ơng pháp đo áp suất động 16
2.4 Cảm biến áp suất 16
2.4.1 Lựa chọn loại cảm biến áp suất trong mô hình đề tài 17
2.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 18
2.4.3 Các đặc tính tĩnh và động của cảm biến 22
2.4.3.1 Độ nhạy 22
2.4.4 Điều kiện có tuyến tính 24
2.5 Kết quả đo tín hiệu ra của cảm biến áp suất 24
2.5.1 Các b-ớc thực hiện 24
2.5.2 So sánh kết quả đo 25
2.6 Sử dụng cảm biến áp suất trong đề tài 26
Ch-ơng III Biến Tần
3.1 Tổng quan về biến tần 27
3.1.1 Cấu tạo chung và nguyên tắc hoạt động 28
3.1.2 Các tính chất 29
3.2 Lắp đặt điện 30
3.2.1 Các thông số kỹ thuật của MM440 30
3.2.2 Cách đấu nối mạch lực 32
3.2.3 Sơ đồ điều khiển 33
3.2.4 Sơ đồ mạch nguyên lý 33
3.2.5 Các đầu dây điều khiển 34
3.3 Cài mặc định 35


3.4 Sử dụng màn hình BOP 36

3.4.1 Các nút và chức năng 37
3.5 Giới thiệu một số thông số của biến tần MM440 38
3.5.1 Các thông số cài đặt nhanh 38
3.5.2 Các thông số cài đặt ứng dụng 43
3.6 ứng dụng biến tần MM440 vào đề tài 52
3.6.1 Các tham số về động cơ 52
3.6.2 Các tham số về giao tiếp nối tiếp USS 53
3.6.3 Các tham số về điều khiển vòng kín PID 54
3.6.4 Các tham số về các đầu vào ADC 54
3.6.5 Các tham số liên quan khác 55
Ch-ơng IV Điều khiển lập trình
4.1 Các giải pháp điều khiển 56
4.1.1 Mạch điều khiển dùng rơle 56
4.1.2 Mạch dùng kỹ thuật vi xử lý 56
4.1.3 Mạch dùng vi điều khiển 57
4.1.4 Mạch điều khiển bằng PLC 57
4.2 Giới thiệu chung về PLC 58
4.2.1 Giới thiệu về PLC 58
4.2.2 Cấu trúc của PLC 59
4.2.3 Phân loại PLC 61
4.2.4 Thiết bị điều khiển PLC S7 200 61
4.3 Các giao thức giao tiếp mạng trong S7 200 65
4.3.1 Chuẩn truyền RS 485 66
4.3.2 Giao thức PPI 67
4.3.3 Giao thức MPI 67
4.3.4 Giao thức free port 68
4.3.5 Giao thức USS 69
4.4 Vòng điều khiển tín hiệu 75
4.5 Kết nối PLC và biến tần 76
4.6 Thiết lập các tham số cho biến tần 77

4.7 Ch-ơng trình điều khiển 79
4.7.1 Thuật điều khiển 79
4.7.2 Ch-ơng trình điều khiển 79
Ch-ơng V Kết luận và khuyến nghị 94
Tài liệu tham khảo 96
Phụ lục 97
Ch-ơng I Tổng Quan
Sinh viên thực hiện: Trang 8
C-ờng Hải Hùng H-ờng - Linh
Tổng quan
1.1 Khảo sát tại khách sạn Daewoo
Khách sạn daewoo là một trong những khách sạn hành đầu của n-ớc ta.
Khách sạn gồm hơn 400 phòng. Khách sạn với diện tích 2000 m
2
. Là một
trong số những khách sạn lớn và hiện đại nên trong khách sạn bao gồm rất
nhiều thiết bị lớn nh- hệ thống giặt là, làm lạnh và làm ấm (hệ thống điều hoà,
quạt gió, hệ thống cung cấp n-ớc sạch). Những thiết bị đó trong khách sạn
phần lớn đều dùng biến tần để điều khiển. Các biến tần này đều là loại chuyên
dụng, phù hợp với từng thiết bị.
Trong phạm vi đề tài này ta chỉ đi nghiên cứu về hệ thống cung cấp n-ớc.
Hệ thống bơm cung cấp cho khách sạn
Số l-ợng bơm: 6
Hệ thống bơm cung cấp 1000m
3
/ngày
Công suất của động cơ: 22kw 380v (động cơ KĐB 3 pha)
Duy trì áp suất 8,5 đến 9 bar
Gồm các công tắc tơ, rơle, VSD, bộ điều khiển
Hệ thống bơn này dùng biến tần của hãng Danfoss (Đan Mạch) để điều

chỉnh tốc độ động cơ. Sở dĩ, khách sạn dùng biến tần của Danfoss mà không
dùng biến tần của Siemens một loại biến tần thông dụng ở Việt Nam là vì:
Biến tần của Danfoss là một loại biến tần chuyên dụng cho bơm và quạt, nh-
thế khi sử dụng biến tần này ta không phải xác định đặc tính tải nữa.
Giá thành của Danfoss ban đầu mua vào tuy đắt hơn 1,2 đến 1,3 lần so với
Siemens, tuy nhiên nó vẫn đảm bảo đ-ợc tính kinh tế vì khả năng tiết kiệm
điện năng của nó mang lại.
Bộ điều khiển là phần mềm chuyên dụng của hãng. Nó rất dễ sử dụng và
thông qua bảng điều khiển. Tại đây, bộ điều khiển sẽ xử lý các tín hiệu đ-a về
và đ-a ra quyết định điều khiển hợp lý.
Bộ điều khiển này chỉ điều khiển 4 bơm trong hệ thống 6 bơm, hai bơm
còn lại đều nối trực tiếp vào biến tần chạy trực tiếp mà không qua bộ điều
Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 9
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
khiển, sở dĩ có điều này bởi vì hai bơm này có tác dụng dự phòng trong tr-ờng
hợp 4 bơm còn lại không chạy hoặc bộ điều khiển bị hỏng.
Cảm biến áp suất đ-ợc đặt ở ngay đầu ra của bơm. áp suất luôn đ-ợc duy
trì trong khoảng 8,5 đến 9 Bar. Hệ thống dùng hai cảm biến áp suất: một đ-a
về bộ điều khiển, một đ-a về để làm tín hiệu cho biến tần dự phòng.
Nguyên tắc hoạt động ở đây:
N-ớc đ-ợc bơm trực tiếp từ bể chứa, qua bể lọc (thông qua bơm trung
gian) sau đó đ-ợc hệ thống bơm đ-a đi đến các đ-ờng ống. Hệ thống bơm có
một bơm đ-ợc nối vào bộ biến tần. Bơm nào đ-ợc nối là do bộ điều khiển
quyết định. Giả sử bơm số một luôn đ-ợc nối, biến tần điều chỉnh tốc độ của
bơm này để duy trì đ-ợc áp suất mong muốn. Khi bơm số một đ-ợc điều
chỉnh dến tốc dộ tối đa mà ch-a đáp ứng đ-ợc áp suất đầu ra thì biến tần điều
chỉnh cho tốc độ bơm này giảm xuống. Bơm số hai đ-ợc đóng vào, d-ới tác
dụng của biến tần bơm số 2 đ-ợc tăng dần tốc độ và điều chỉnh đến khi nào
đáp ứng đ-ợc yêu cầu. Hoạt động của bơm số 3 và bơm số 4 t-ơng tự nh- vậy.

Không có tr-ờng hợp cả 6 bơm cùng hoạt động.
Hai bơm đ-ợc ngắt ra làm bơm dự phòng, bộ biến tần điều chỉnh tốc độ,
hai bơm chạy trực tiếp.
Trong quá trình cung cấp n-ớc trong ngày, có thể có một số bơm không sử
dụng đến. Để chống bó cho động cơ, bộ điều khiển cho động cơ chạy 10s. Ta
cũng không thể để một bơm đ-ợc nối vào biến tần chạy trực tiếp quá nhiều
nên sau khoảng 10 ngày thay luân phiên bơm trực tiếp.
VSD
Water supply
pipe
Press
sensor
Water Tank
A B C
Motor
To control
center

Hình 1.1: Sơ đồ sử dụng biến tần điều khiển cho một bơm
Ch-ơng I Tổng Quan
Sinh viên thực hiện: Trang 10
C-ờng Hải Hùng H-ờng - Linh
1.2 Vận dụng vào đề tài
1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống
Từ yêu cầu của đề tài là: Sử dụng biến tần - PLC để điều khiển, điều chỉnh
tốc độ hai động cơ bơm để ổn định áp suất trên đ-ờng ống của hệ thống bơm
n-ớc, sau khi đi khảo sát hệ thống bơm n-ớc tại khách sạn DAEWOO chúng
em xây dựng sơ đồ tổng quát của hệ thống nh- hình 1.3.
2. Cách đặt cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất đ-ợc đặt ở ngay đầu ra của hệ thống bơm nh- trong hình

1.3. Cảm biến này sẽ đo áp suất đầu vào của hệ thống đ-ờng ống, áp suất này
luôn đ-ợc duy trì trong một khoảng giá trị nào đó sao cho cuối đ-ờng ống áp
suất vẫn đủ cung cấp theo yêu cầu.
3. Cách thức điều khiển hệ thống
Đầu tiên cho động cơ bơm 1 khởi động bằng cách đóng điện cho V1.
Động cơ bơm sẽ khởi động và bơm n-ớc vào đ-ờng ống. Biến tần sẽ lấy tín
hiệu phản hồi về từ cảm biến áp suất để điều chỉnh tốc độ động cơ, duy trì áp
suất trên đ-ờng ống. Khi tốc độ động cơ bơm 1 đã đạt định mức mà áp suất
trên đ-ờng ống ch-a đủ, khối điều khiển (PLC) sẽ ngắt điện V1 và đóng điện
cho L1 đồng thời đóng điện cho V2. Lúc này động cơ bơm đ-ợc ngắt điện
cung cấp từ biến tần và đ-ợc cấp điện trực tiếp từ l-ới (tốc độ động cơ bơm 1
vẫn duy trì đ-ợc giá trị định mức). Động cơ bơm 2 đ-ợc cấp điện và đ-ợc điều
chỉnh qua biến tần để bù thêm l-ợng

P cho đ-ờng ống. Nếu áp suất trên
đ-ờng ống v-ợt quá giá trị đạt biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ bơm 2 để
giảm áp suất. Tr-ờng hợp áp suất giảm tới một giá trị giới hạn nào đó mà áp
suất trên đ-ờng ống vẫn cao hơn giá trị đặt, PLC sẽ ngắt điện động cơ bơm 2
bằng cách ngắt điện V2. Đồng thời cấp điện cho động cơ bơm 1 qua biến tần
bằng cách ngắt điện L1 sau đó đóng điện cho V1, biến tần sẽ điều chỉnh tốc
độ động cơ bơm 1 để duy trì áp suất trên đ-ờng ống.
ở sơ đồ này vai trò của động cơ bơm 1 và 2 là t-ơng đ-ơng, chúng có thể
thay phiên nhau hoạt động th-ờng trực tránh tr-ờng hợp một động cơ hoạt
động liên tục trong thời gian dài. Trong quá trình cung cấp n-ớc trong ngày,
có thể một động cơ bơm sẽ không đ-ợc sử dụng đến sẽ có thể gây ra hiện
Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 11
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
t-ợng bó động cơ. Để chống bó cho động cơ, ta có thể đóng điện cho động cơ
chạy trong một thời gian ngắn trong ngày.

Water Tank
VSD
A B C
Press
sensor
L1
V1
L2
V2
L3
V3
L1
V1
L2
V2
L3
V3
Command Control
Central Control
Pump 1
Pump 2
Pump 3
Water supply
pipe

Hình 1.2: Sử dụng biến tần cho nhiều bơm

B nc
Bin

Tn
A B C
Cm bin
ỏp sut
L1
V1
L2
V2
L1
V1
L2
V2
PLC
Bm 1
ng ng
cung cp
nc
Bm 2

Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát hệ thống



Ch-¬ng I Tỉng Quan
Sinh viªn thùc hiƯn: Trang 12
C-êng – H¶i – Hïng – H-êng - Linh
1.3 TÝnh thùc tÕ cđa ®Ị tµi
* Việc mong muốn có một sản phẩm tốt đáp ứng được nhu cầu công
nghệ, tiết kiệm năng lượng, hiệu năng cao, độ tin cậy lớn, nhỏ gọn, và
gi¸ thành hợp lý luôn là cái đích hướng tới của khoa học công nghệ

* Khoa học công nghệ ngày càng phát triển vượt bậc nhất là việc ứng
dơng của công nghệ điện tử vi mạch - điện tử công suất có thể tạo ra được
những sản phẩm có chức năng xử lý trọn vẹn một quá trình, một khâu,
thậm chí cả hệ thống… việc tiếp cận những công nghệ mới cũng như công
nghệ của nước ta còn nhiều hạn chế. PLC – BIẾN TẦN hiện nay vẫn đang
là nhữùng công nghệ hiện đại hàng đầu với tính năng nổi trội là điều khiển
chính xác, dải điều chỉnh rộng (tần số 0 – 650 Hz), tiết kiệm được năng
lượng đến 40%, độ tin cậy cao… Vậy nên với một sinh viên học ngành tự
động hóa công nghiệp sắp ra trường việc được tiếp cận một công nghệ mới
là một may mắn cho nhóm chúng em.
* Qua qu¸ tr×nh kh¶o s¸t thùc tÕ t¹i kh¸ch s¹n DAEWOO cđa nhãm,
chóng em thÊy r»ng trong c¸c hƯ thèng b¬m n-íc ë nh÷ng nhµ cao tÇng,
kh¸ch s¹n hay viƯc cung cÊp n-íc s¹ch cho c¶ thµnh phèviƯc duy tr× ¸p st
kh«ng ®ỉi trong ®-êng èng lµ mét vÊn ®Ị ®Ỉt ra. §Ĩ gi¶i qut vÊn ®Ị nµy, ta
kh«ng thĨ dïng ph-¬ng ph¸p b¬m th«ng th-êng nh-: ®ãng m¸y trùc tiÕp b»ng
tay, hay hĐn giê. Bëi v× thùc tÕ viƯc sư dơng n-íc ë nh÷ng giê kh¸c nhau
trong ngµy, ¸p st 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 qut vÊn ®Ị trªn. Trong biÕn tÇn tÝch hỵp
s½n bé ®iỊu khiĨn PID cïng víi c¸c ®Çu vµo, ®Çu ra t-¬ng tù vµ sè do ®ã cã
kh¨ n¨ng kÕt hỵp víi c¸c phÇn tư kh¸c t¹o nªn mét hƯ thèng ®iỊu khiĨn tù
®éng hoµn toµn. BiÕn tÇn cã thĨ ®iỊu chØnh ®Ĩ thay ®ỉi tèc ®é ®éng c¬ 3 pha
rÊt réng vµ tr¬n do ®ã nã ®-ỵc øng dơng réng r·i trong c«ng nghiƯp còng nh-
trong c¸c hƯ thèng ®iỊu khiĨn tù ®éng.
Ch-ơng II Đo áp suất
Sinh viên thực hiện: Trang 13
Chu Văn Hải
Ch-ơng II
đo áp suất
2.1 Giới thiệu chung

áp suất tác động nh- một biến số trong các hiện t-ợng liên quan đến chất
lỏng hoặc chất khí, do vậy nó là một thông số quan trọng trong nhiều lĩnh vực
nh- nhiệt động học, khí động học, âm học, cơ học chất lỏng, sinh lýáp suất
là thông số quan trọng can thiệp vào việc kiểm tra các bộ phận máy móc, các
hệ thống tự động hoặc do con ng-ời điều khiển.
Trong các ngành công nghiệp khác nhau, cảm biến áp suất đ-ợc ứng dụng
nhiều và rộng rãi trong các lĩnh vực, đặc biệt là trong tự động hoá, trong lĩnh
vực công nghiệp năng l-ợng. Đó là vì trong các thiết bị cung cấp năng l-ợng
thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân, cần phải đo và theo dõi áp suất một cách liên tục,
nếu áp suất v-ợt quá giới hạn ng-ỡng nó sẽ làm hỏng bình chứa và đ-ờng ống
dẫn, thậm chí có thể gây nổ làm thiệt hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và
tính mạng con ng-ời.
Tr-ớc đây ng-ời ta dùng các loại sensor áp suất hoàn toàn bằng cơ học.
Hiện nay và trong t-ơng lai ng-ời ta đã phát triển các loại sensor áp suất với
vật liệu bán dẫn rẻ tiền hơn, bền bỉ hơn, chính xác hơn cho các công việc đo
đạc, kiểm soát và điều khiển tự động. Một số l-ợng lớn sensor áp suất hiện
nay đ-ợc chế tạo từ vật liệu silic với hiệu ứng trở áp điện.
Trên thực tế, các nhu cầu đo áp suất rất đa dạng đòi hỏi các cảm biến đo
áp suất phải đáp ứng một cách tốt nhất cho từng tr-ờng hợp cụ thể. Chính vì
vậy các cảm biến đo áp suất chất l-u cũng rất đa dạng, một nguyên nhân khác
dẫn đến sự đa dạng này là độ lớn của áp suất cần đo nằm trong một dải rất
rộng. Độ lớn của áp suất đ-ợc biểu diễn bằng giá trị tuyệt đối (so với chân
không ) hoặc giá trị t-ơng đối (so với khí quyển). Nó cũng có thể đ-ợc biểu
diễn bằng sự khác nhau giữa 2 áp suất.
Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 14
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
2.2 áp suất và đơn vị đo áp suất
2.2.1 Định nghĩa áp suất
Nếu cho một chất lỏng hoặc khí (gọi chung là chất l-u) vào trong một bình

chứa nó sẽ gây nên lực tác dụng lên thành bình gọi là áp suất. áp suất này phụ
thuộc vào bản chất của chất l-u, thể tích mà nó chiếm tr-ớc và sau khi đ-a vào
bình và vào nhiệt độ.
áp suất p của chất l-u đ-ợc xác định từ lực dF tác dụng vuông góc lên
diện tích ds của thành bình
p =
ds
dF

Th-ơng số này không phụ thuộc vào định h-ớng của bề mặt ds mà chỉ
phụ thuộc vào vị trí của nó trong chất l-u.
Để đo áp suất ng-ời ta sử dụng một nguyên tắc giống nhau, áp suất đ-ợc
đo tác dụng lên một bề mặt xác định, nh- vậy đầu tiên áp suất đ-ợc đo biến
thành lực. Việc đo áp suất đ-ợc đ-a về đo lực. Tất cả lực tác dụng lên một mặt
phẳng xác định là th-ớc đo áp suất. Ta có: p = F / A
áp suất khí quyển: áp suất đ-ợc ghi nhận cho biết là áp suất trên hay d-ới
áp suất khí quyển.
áp suất chân không: áp suất đ-ợc ghi nhận cho biết là áp suất tuyệt đối.
Một số áp suất khác: áp suất đ-ợc ghi nhận cho biết do việc đo hiệu số áp
suất giữa hai áp suất ta gọi tắt là hiệu áp.
0
1
2
3
bar
p sut tuyi
p sut
quyn
Chõn khụng
0

1
2
bar
p sut trờn
(p sut
quyn)
p sut di
(p sut
quyn)
Hiu p
p1
p2
12 ppp

Hình 2.1: Các thang áp suất
Ch-ơng II Đo áp suất
Sinh viên thực hiện: Trang 15
Chu Văn Hải
2.2.2 Đơn vị đo áp suất
Có nhiều đơn vị th-ờng đ-ợc dùng để đo áp suất nh-: Pascal , bar , kg/
cm
2
, atmosphe, cm cột n-ớc, mmHg, mbar. Nh-ng Uỷ ban quốc tế chọn
Pascal (Pa) = Newton/m
2
là đơn vị áp (ISO 1000; DIN 1301). Th-ờng việc
phân chia thang đo của máy đo áp suất đ-ợc dùng với bội của đơn vị Pascal.

1 mbar = 10
2
Pa




1 bar = 10
5
Pa
2.3 Các ph-ơng pháp đo áp suất n-ớc (đo áp suất của chất l-u)
2.3.1 Các ph-ơng pháp đo áp suất tĩnh
Việc đo áp suất của chất l-u không chuyển động dẫn đến phép đo lực F
tác dụng lên diện tích s của thành bình phân chia 2 môi tr-ờng, trong đó một
môi tr-ờng chứa chất l-u là đối t-ợng cần đo áp suất. Có thể chia ra 3 tr-ờng
hợp chính:




Đo áp suất lấy qua một lỗ có tiết diện hình tròn đ-ợc khoan trên thành
bình.




Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên.

Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào (là áp suất)
thành tín hiệu điện đầu ra chứa thông tin liên quan đến giá trị của áp
suất cần đo và sự thay đổi của nó theo thời gian.
Trong cách đo trích lấy áp suất qua một lỗ nhỏ phải sử dụng một cảm biến
đặt gần sát thành bình. Sai số của phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết
của kênh dẫn và của cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng
của chất l-u cần đo áp suất.
Trong tr-ờng hợp đo trực tiếp, ng-ời ta gắn lên thành bình các cảm biến đo
ứng suất để đo biến dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất.
Ngoài ra, có thể dùng một ống đặc biệt có khả năng biến dạng d-ới tác
dụng của áp suất để làm vật trung gian. Khi đo áp suất trong một đ-ờng ống
dẫn chất l-u, ng-ời ta đặt một áp kế dạng ống nối tiếp với đ-ờng dẫn khảo sát.
Bằng cách chọn vật liệu thích hợp, có thể sử dụng ống trong tr-ờng hợp có
biến dạng lớn và tăng độ nhạy của áp kế.
Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 16
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
Trong tr-ờng hợp đo bằng cảm biến áp suất, vật trung gian th-ờng là các
phần tử đo lực có một thông số, ví dụ thông số hình học có khả năng thay đổi
d-ới tác dụng của lực F = p. s, cảm biến áp suất có trang bị thêm bộ chuyển
đổi điện để chuyển những thay đổi kích th-ớc của ống d-ới tác dụng của áp
suất cần đo (đại l-ợng cơ trung gian) thành tín hiệu điện.
2.3.2 Ph-ơng pháp đo áp suất động
Khi nghiên cứu chất l-u chuyển động cần phải tính đến ba dạng áp suất
cùng tồn tại: áp suất tĩnh ( p
s
) của chất l-u không chuyển động, áp suất động
(p

d
) do chuyển động với vận tốc v của chất l-u gây lên và áp suất tổng cộng Pt
là tổng của hai áp suất trên:
Pt = p
s
+ p
d

áp suất tĩnh p
s
đ-ợc đo bằng một trong các ph-ơng pháp vừa trình bày.
áp suất động tác dụng lên mặt phẳng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ làm
tăng áp suất tĩnh và có giá trị tỉ lệ với bình ph-ơng vận tốc, nghĩa là:
p
d
=
2
2
v

trong đó

là khối l-ợng riêng của chất l-u.
Việc đo áp suất này trong chất l-u chuyển động có thể đ-ợc thực hiện
bằng việc nối với hai đầu ra của ống Pitot hai cảm biến, một cảm biến đo áp
suất tổng cộng và một cảm biến đo áp suất tĩnh. Khi đó áp suất động sẽ là hiệu
của áp suất tổng cộng và áp suất tĩnh : P
d
= P
t

- P
s
.
Trong đề tài này ta sử dụng cảm biến áp suất và đo áp suất tĩnh bằng
ph-ơng pháp lấy một lỗ nhỏ của ống dẫn n-ớc sau đó lắp cảm biến vào thông
qua cơ cấu lắp đặt để hạn chế sự ảnh h-ởng của áp suất động, tránh sự tác
động trực tiếp của chất l-u lên cảm biến sẽ tạo ra áp suất động gây lên sự bất
ổn tín hiệu ra của cảm biến. Đó cũng là ph-ơng pháp đo áp suất n-ớc trong hệ
thống cung cấp n-ớc và duy trì áp suất ở khách sạn Deawoo.
2.4 Cảm biến áp suất
Cảm biến là phần tử cơ bản của bộ biến đổi áp suất, nó xác định đặc
tính làm việc của thiết bị.
Ch-ơng II Đo áp suất
Sinh viên thực hiện: Trang 17
Chu Văn Hải
Các bộ biến đổi áp suất hoạt động dựa trên cơ sở 3 loại cảm biến chính.
Đó là cảm biến điện trở tenxơ, điện dung và điện cảm.
2.4.1 Lựa chọn loại cảm biến áp suất sử dụng trong mô hình đề tài
Từ những số liệu có tr-ớc nh- áp suất n-ớc cần duy trì là 0.5 bar, biến
tần sử dụng trong mô hình là loại MM440 của Siemens có 2 đầu vào t-ơng tự
là:




0 tới 10 V, 0 tới 20mA và -10

+10V

0 tới 10 V, 0 tới 20mA
Cũng nh- căn cứ vào những thiết bị trong khoa sẵn có, ta lựa chọn loại
cảm biến áp suất của Siemens có những thông số sau:




Dải áp suất: 0.6 bar/ Pmax 12 bar




Đầu ra t-ơng tự : 4.20 mA




Nguồn cung cấp: 10.36 VDC




Ký hiệu chân trên thân cảm biến: 1(+) 2(-) chân còn lại ký hiệu mass.
Có 3 đầu ra:

1( +) là dây có màu nâu ta nối với nguồn cấp cho cảm biến.




2( -) là chân có màu xanh sẫm ta nối với đầu vào t-ơng tự của biến tần.




Và đầu còn lại có màu vàng sọc xanh nhạt nối mass bảo vệ.

Hình 2.2: Sơ đồ chân của cảm biến
Đây là loại cảm biến có đầu ra là dòng điện tỉ lệ thuận với sự tăng dần của
áp suất chất l-u.
Sơ đồ khối của thiết bị đo áp suất:

Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 18
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
09999
3






4
2

1

Hình 2.3: Sơ đồ khối của thiết bị đo áp suất
Trong đó:




1: Là phần tử cảm biến áp suất.




2: Là phần tử nhận áp suất.




3: Là bộ biến đổi áp suất đo.




4: Là thiết bị đo áp suất.
2.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện bán dẫn đ-ợc sản
xuất nhiều cho việc đo áp suất và hiệu áp. Với kỹ thuật bán dẫn ng-ời ta chế
tạo màng đo áp suất hoàn toàn bằng vật liệu silic. Điều này đ-a tới việc toàn
bộ kỹ thuật để chế tạo một cảm biến áp suất có thể thực hiện trên cùng một
chip silic.

Hinh 2.4: Sơ đồ bên hoạt động bên trong của cảm biến
2.4.2.1 Hiệu ứng điện trở áp điện trong bán dẫn
D-ới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể, các nguyên tử bị
lệch đi đối với nhau. Điều này làm thay đổi các hằng số mạng và cả cấu trúc
các vùng năng l-ợng: vùng dẫn và vùng hoá trị.
Các ứng suất nén và kéo làm thay đổi điện trở suất của bán dẫn silic p
nh- sau:
Ch-ơng II Đo áp suất
Sinh viên thực hiện: Trang 19
Chu Văn Hải




ứng suất nén sẽ hạ thấp các điểm cực đại của năng l-ợng, vùng hoá trị
và vì thế ta có sự gia tăng các điện tích theo h-ớng nén trong tinh thể.




Và ng-ợc lại, ứng suất kéo sẽ tác động sự nâng lên các điểm cực đại của
năng l-ợng theo h-ớng của nó, do đó làm giảm đi các điện trở, 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 đổi kích th-ớc hình học d-ới tác dụng của áp suất chỉ đóng
vai trò thứ cấp (chiếm 2% sự thay đổi điện trở). Hiệu ứng đ-ợc dùng ở đây là
sự thay đổi điện trở suất theo các ứng suất cơ học trong tinh thể. Hiệu ứng này
đ-ợc gọi là hiệu ứng điện trở áp điện đ-ợc mô tả nh- trên và đ-ợc viết với
ph-ơng trình nh- sau:

trong đó:





: Hệ số điện trở áp điện.





: Điện trở suất.

:ứng suất cơ học.
Hệ số điện trở áp điện tuỳ thuộc vào h-ớng tinh thể và điều kiện đo đạc.
Các điện trở đ-ợc đặt ở điểm cực đại của ứng suất nén và kéo. T-ơng ứng
với các h-ớng t-ơng đối của các thành phần của ứng suất cơ học., điện
tr-ờng E và mật độ dòng điện j ng-ời ta phân biệt:




Hiệu ứng dọc: E // j //






Hiệu ứng ngang: E // j








Hiệu ứng tr-ợt : (E

j) //

2.4.2.2 Cầu điện trở
Tế bào đo áp suất của một cảm biến áp suất loại điện trở áp điện là một
chíp silic vuông vức khoảng 6 mm
2
và có bề dày sau khi đ-ợc ăn mòn khoảng
vài

m.
Chíp silic với điện trở R1, R2, R3, R4 có dạng sau:
Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 20
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
1
4
3
2
R1
R4
R2
R3

Hình 2.5: Chíp silic với điện trở R1R4
Màng silic tác dụng nh- một mặt phẳng đ-ợc 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 đ-ợc cấy vào. Các điện trở này
cũng bị căng ra hay co vào một cách t-ơng ứng. Ngoài ra các điện trở để bù
trừ nhiệt độ cũng đ-ợc hình thành trên cùng một chíp. Các điên trở này đ-ợc
nối với nhau thành một cầu điện trở có hình sau:
R1
R2

R3
R4
p
p
p
p
Ucc
U A

Hình 2.6: Cầu điện trở
Hình trên ta có cầu điện trở của cảm biến với 4 điện trở giống nhau khi
màng silic bị uốn 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 đ-ợc gia tăng. Điện áp ra U
A
của cầu
đ-ợc tính nh- sau:
Ch-ơng II Đo áp suất
Sinh viên thực hiện: Trang 21
Chu Văn Hải
U
A
= Ucc.
)RR)(RR(
R.RR.R
4321
4231



Với Ri (p) =Ri +

Ri(p)
Với một kỹ thuật thích ứng ng-ời ta có thể chế tạo sao cho các điện trở Ri
có trị số giống nhau và sự thay đổi

Ri cũng bằng nhau. Ph-ơng trình của U
A

có thể đ-ợc rút gọn nh- sau:
U
A
= Ucc.
R
R

R
R
= 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 phép tính gần đúng
bậc 1 có sự tuyến tính, do đó giữa điện áp ra và áp suất cũng có sự liên hệ
tuyến tính:
U
A
= Ucc. K.

)p(

Khi độ uốn gia tăng khá cao ta không còn sự tuyến tính nữa. Với 2 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 đ-ợc triệt tiêu một phần nào.
Nh- vậy thông qua cầu điện trở này sự thay đổi của lực (áp suất n-ớc) sẽ
cho ra tín hiệu áp của cảm biến và thông qua biến đổi U/ I ta sẽ đ-ợc đầu ra
dòng t-ơng ứng là tín hiệu ra của cảm biến.
2.4.2.3 Những -u điểm của sensor áp suất với kỹ thuật bán dẫn




Độ nhạy cao.




Sự tuyến tính tốt.




Sự trễ của áp suất và nhiệt độ đều bé.




Thời gian hồi đáp ngắn.

Chịu đựng sự thay đổi tải cao do không có sự mỏi của màng silic đơn
tinh thể.




Cấu trúc nhỏ ngọn.




Rẻ tiền do sự sản xuất rất kinh tế với công nghệ planar của kỹ thuật bán
dẫn.
Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 22
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
2.4.3 Các đặc tính tĩnh và động của cảm biến
2.4.3.1 Độ nhạy
a) Định nghĩa
Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi m
i
của đại l-ợng cần kiểm
tra đ-ợc xác định bởi tỷ số biến thiên

s của đại l-ợng ở đầu ra và biến
thiênm t-ơng ứng của đại l-ợng kiểm tra đầu vào:

S =








m
s
m=mi

Thông th-ờng cảm biến đ-ợc sản xuất có những độ nhạy S t-ơng ứng với
những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Điều này cho phép lựa chọn
đ-ợc cảm biến thích hợp để sao cho mạch kiểm tra thoả mãn các điều kiện đặt
ra.
Đơn vị đo độ nhạy biến phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và
các đại l-ợng liên quan.
b) Độ nhạy trong chế độ tĩnh
Chuẩn cảm biến ở chế độ tĩnh là dựng lại các giá trị s
i
của đại l-ợng
điện ở đầu ra t-ơng ứng với các giá trị không đổi m
i
của đại l-ợng đo khi đại
l-ợng này đạt giá trị làm việc danh định (ứng với giá trị cực đại tức thời). Đặc
tr-ng tĩnh của cảm biến chính là dạng chuyển đổi đồ thị của việc chuẩn đó và
điểm làm việc Q
i

của cảm biến chính là đặc tr-ng tĩnh t-ơng ứng với các giá
trị s
i
, m
i
.
Độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc tr-ng tĩnh ở điểm
làm việc. Nếu đặc tr-ng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ
tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc.
Với đặc tr-ng tĩnh (đ-ờng cong chuẩn) của cảm biến thể hiện mối quan
hệ giữa đối t-ợng tác động m và đại l-ợng đầu ra là tuyến tính thì độ nhạy của
cảm biến phụ thuộc vào độ dốc của đặc tr-ng tĩnh đó. Nếu độ dốc của nó càng
lớn thì độ nhạy càng tăng, tức là với một sự biến thiên

m rất nhỏ cũng cho ta
một đại l-ợng đầu ra

s t-ơng đối lớn. Đ-ợc mô tả trên hình vẽ sau.

Ch-ơng II Đo áp suất
Sinh viên thực hiện: Trang 23
Chu Văn Hải

Hình 2.7: Sự phụ thuộc của độ nhạy S vào độ dốc của đặc
tr-ng tĩnh
c) Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động đ-ợc xác định khi đại l-ợng kiểm tra là hàm
tuần hoàn của thời gian. Trong điều kiện nh- vậy, đại l-ợng đầu ra s ở chế độ
làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn theo thời gian giống nh- đại l-ợng
kiểm tra.

Giả sử đại l-ợng kiểm tra có dạng:
m(t) = m
0
+m
1
cos

t
Trong đó:
m
0 :
là giá trị không đổi
m
1
: là biên độ
f =

/2

là tần số biến thiên của đại
l-ợng kiểm tra.
Vậy đầu ra của cảm biến ta thu đ-ợc đại l-ợng s có dạng:
s(t)= s
0
+ s
1
cos(

t+

)
Trong đó:




s
0
: là đại l-ợng không đổi t-ơng ứng với m
0
xác định điểm Q
0
trên
đ-ờng cong chuẩn ở chế độ tĩnh.




s
1
: là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại l-ợng
kiểm tra m
1
gây nên.





: là độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra của cảm biến

đặc tr-ng
tĩnh 2
đặc tr-ng
tĩnh 1

S

S2
m

1S

m
Đồ án tốt nghiệp Lớp ĐK1K
Giáo viên h-ớng dẫn: Trang 24
Nguyễn Phúc Đáo Phạm Thanh Tùng
Độ nhạy trong tr-ờng hợp này đ-ợc xác định nh- sau: S=
0
1
1
Q
m
s

Ngoài ra trong chế độ động độ nhạy của cảm biến còn phụ thuộc vào tần
số của đại l-ợng đo m và ta có S(f) xác định đặc tính tần số của cảm biến
2.4.4 Điều kiện có tuyến tính
Một cảm biến đ-ợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu
trong dải đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại l-ợng đo. Nếu nh-
cảm biến không phải là tuyến tính hoá, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỉ lệ
với sự thay đổi của đại l-ợng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc
tuyến tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào các thay đổi của
đại l-ợng kiểm tra còn ở trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự phụ thuộc của độ nhạy ở chế
độ tĩnh S(0) vào đại l-ợng đo m, đồng thời các thông số quyết định (nh- tần
số riêng f
0
của dao động không tắt, hệ số tắt dần

) cũng không phụ thuộc vào
đại l-ợng đo.
2.5 Kết quả khi đo tín hiệu ra của cảm biến áp suất của thiết bị tạo
môi tr-ờng đo
2.5.1 Các b-ớc thực hiện




Kiểm tra n-ớc trong thùng chứa.

Lắp cảm biến, đồng hồ chỉ thị áp suất .




Kiểm tra xem n-ớc có bị rò rỉ không.




Kiểm tra cách điện.




Cấp nguồn 24 VDC cho cảm biến.




Cấp nguồn cho biến tần .




Nhấn nút khởi động động cơ.

Tiến hành đo, lấy chân ra của cảm biến đ-a vào que d-ơng của đồng hồ
và que âm của đồng hồ nối 0V.
Ch-ơng II Đo áp suất
Sinh viên thực hiện: Trang 25
Chu Văn Hải
2.5.2 Kết quả đo trên thiết bị tạo môi tr-ờng đo với cơ cấu đo mới và kết
quả đo trên mô hình

Kết quả đo trên thiết bị tạo môi tr-ờng đo
với cơ cấu đo mới
Kết quả đo trên mô hình
Bar
mA
Hz
Bar
mA
0.00
3.5
00
0.00
4.1
0.25
5.5
28
0.25
5.5
0.50
5.9
33
0.50

6.2
0.75
6.5
37
0.75
6.9
1.00
7.0
42
1.00
7.5
1.25
7.6
46
1.25
8.0
1.50
8.2
50


1.75
9.0
50


2.00
9.5
50

2.25
10
50



Đồ thị bar - m A :
0
1
2
3
4
5
6
mA
0.25
0.5
0.75
1.25
1.5
1.75
2.25
Bar
5
10
15
20
3.5
5.5 5.9 6.5 7 7.6 8.2

9
9.5