BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN: xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất, mô tả công nghệ

Bộ công thương
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

Đề tài 2: xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất, mô tả
công nghệ

GV hướng dẫn:

Nguyễn Thu Hà

Nhóm 10 gồm:
1.
2.
3.
4.

Hoàng Minh Tân
Lê Nho Thái
Hoàng Thọ Thành
Nguyễn Chiến Thắng


Đoàn Quang Thái


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

ĐỀ TÀI
Xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất,mô tả công nghệ như
hình vẽ:

Hệ thống gồm : Động cơ kéo băng tải, hai nút khởi động và dừng hệ thống :
Start, Stop, Bồn chứa chất lỏng cần rót, thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa
hang, Van 2 đươc điều khiển để rót chất lỏng vào thùng, Van 1 được điều khiển
để đưa chất lỏng vào bồn chứa.
Các thông số cần giám sát là mức chất lỏng trong bồn chứa và mức chất lỏng
rót vào các thùng, vị trí các thùng trên băng tải. Đối tượng điều khiển là động cơ
kéo băng tải, Van 1, Van 2 và thiết bị đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng tải. Bồn
chứa cao 2m và các thùng cao 0.5m. Chất lỏng cần rót không có tính dẫn điện,
không có tính chất ăn mòn hóa học.

Nhóm 10

Trang 3


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Yêu cầu :
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng.
Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?
Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống.
Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?
Trình bày về loại cảm biến lựa chọn?
Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến và tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến để

7.

tác động đến các đối tượng điều khiển?
Đánh giá về sai số của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân và biện pháp khắc phục)

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ
Ngày nay, cùng với sự phát triển của các nghanh công nghiệp đã đặt ra yêu cầu
đưa các công nghệ mới vào dây truyền sản xuất để nâng cao năng suất, tạo ra nhiều

Nhóm 10

Trang 4


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

sản phẩm hơn, dần dần thay thế sức lao động con người trong dây truyền sản xuất,
tạo ra nhiều sản phẩm hạ giá thành, tăng sức cạnh tranh cho sản phẩm. Một trong
những ứng dụng rộng rãi của công nghệ vào trong sản xuất ta có thể kể tới đó
chính là:”hệ thống chiết rót chất lỏng”. Vậy hệ thống chiết rót chất lỏng là gì ?

Hệ thống chiết rót chiết rót chất lỏng là một hệ thống liên tuc kết hợp giữa băng
truền công nghiệp đưa các thùng rỗng từ kho vào phía dưới bể chứa chất lỏng cần
chiết rót, các van tự động được điều khiển bởi các cảm biến lưu lượng sẽ điều tiết
lượng chất lỏng vừa đủ để rót vào thùng.
Với sự phát triển không ngừng về mặt công nghệ hệ thống chiết rót chất lỏng
càng được hoàn thiện đảm bảo được 3 yếu tố cơ bản của một dây truyền sản xuất
công nghiệp là: Giảm thiểu tối đa sức lao động con người vào quá trình sản xuất,
hoạt động ổn định với sự chình xác cao trong quá trình sản xuất, an toàn với doanh
nghiệp sử dụng công nghệ.
Do chất lỏng không có tính dẫn diện, không có tính ăn mòn hóa học nên trong
tài liệu này chúng em chỉ đè cập tới khâu rót chất lỏng vào thùng, bỏ qua các hao
phí khác trong quá trình sản xuất. Về cơ bản khâu chất lỏng vào thùng bao gồm các
thành phần sau:
-

Động cơ
Băng tải.
Hệ thống điều khiển tự động
Bồn chứa chất lỏng cần rót, các thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa thùng.
Van điện điều khiển để rót chất lỏng vào thùng và đưa chất lỏng vào bồn
chứa.

Ngoài ra, ở mỗi dây truyền sản xuất cần có sự giám sát của con người để dảm
bảo an toàn, sửa chữa các thiết bị khi có sự cố xảy ra để quá trình sản xuất không
bị gián đoạn gây thiệt hại về kinh tế cho cho doanh nghiệp sử dụng dây truyền.Bên
cạnh đó việc tính toán và chọn van điều khiển cũng phải chính xác tuyệt đối không
được xảy ra sai xót. Chính vì vậy người ta thường sử dụng các cảm biến để diều
Nhóm 10

Trang 5

Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

tiết lượng chất lỏng và mức chất lỏng qua các va, như vậy đóng vai trò quan trọng
nhất trong dây truyền chiết rót chất lỏng công nghiệp chính là các cảm biến.
1. Tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót
1.1. Tổng quan về các phương pháp chiết rót
Để có thể rót chính xác mức chất lỏng vào thùng, chai… Hiện nay các xí
nghiệp và nhà máy sử dụng Phương pháp định lượng
QUÁ TRÌNH ĐỊNH LUỢNG - CHIẾT RÓT SẢN PHẨM LỎNG
Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót
vào trong chai, bình, lọ, v.v.. Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng
rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm. Khi định lượng bằng máy thì cải
thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩm
một cách chính xác.
Máy định lượng chiết rót sản phẩm lỏng thường được áp dụng cho những
trường hợp yêu cầu năng suất cao, hoặc các yêu cầu nghiêm ngặt về vệ sinh thực
phẩm. Tùy theo tính chất của chất lỏng, các máy chiết rót sẽ khác nhau ở các bộ
phận làm việc chính, các cơ cấu rót.
Trong công nghiệp thực phẩm, máy định lượng-chiết rót sản phẩm lỏng đựơc áp
dụng cho nước giải khát, nuớc trái cây, bia, rượu, nước giải khát có ga, sữa, mứt,
các loại dung dịch thực phẩm cô đặc, v.v..
Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:
∗
∗

Định lượng bằng bình định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình

định mức trước khi rót vào chai.
Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố định trong
chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai; khi đó mức
lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai có
bằng nhau hay không. Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng đựoc chiết
tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dứng lại. Phương pháp nầy có độ chính xác
không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai.
∗ Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai

Nhóm 10

Trang 6


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không
đổi. phương pháp nầy chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá tri thấp, không yêu cầu
độ chính xác định lượng.
Trong ba phương pháp định lượng cơ bản: theo bình định mức, định lượng theo
mức và định lượng theo thời gian chảy thì phổ biến nhất đối với sản phẩm lỏng là
hai phương pháp đầu.
Có 3 phương pháp chiết sản phẩm:
∗
∗

∗

∗

Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lệch về
độ cao thủy tĩnh. Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với các chất lỏng ít nhớt.
Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không, chất lỏng
sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trong chai. Lượng
chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc
chiết đầy chai.
Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có gas
như bia, nước ngọt.Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển
nhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất lỏng. Với phương pháp rót
đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất
trong chai bằng áp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy
vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao.
Máy định lượng-chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu rót
được bố trí chiết cho 1 chai. Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc
cùng lúc (máy chiết có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần
tự (máy chiết bàn quay)

CÁC CƠ CẤU CỦA MÁY CHIẾT RÓT
Cơ cấu rót kiểu van
Cơ cấu rót kiểu van là một trong các cơ cấu đơn giản nhất, nó gồm có bình lường
có chia vạch, van ba ngã, ống thông hơi có thể dịch chuyển lên xuống được, ống
nối để nạp đầy bình lường và ống để rót thể tích đã đinh lượng vào bao bì chứa.
Thể tích chất lỏng đi vào trong bình lường phụ thuộc vào vị trí đầu bên dưới của
ống thông
Nhóm 10

Trang 7

Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

.

Cơ cấu rót kiểu van
Ở vị trí nạp, nút van ba ngã xoay nối ống dẫn chất lỏng trong bình chứa chảy
vào bình lường, đẩy không khí trong bình ra qua ống thông hơi. Khi đầu dưới của
ống ngập dưới mực chất lỏng thì không khí không thoát ra được nữa, chất lỏng
dâng lên cao hơn miệng ống một đoạn nhỏ, rồi dừng lại. Khoảng dâng cao hơn
miệng ống thông hơi phụ thuộc vào mực chất lỏng ở trong thùng chứa. Khi đó áp
suất không khí trong bình bị nén tới áp suất bằng với áp suất chất lỏng có độ sâu
tính từ mặt thoáng trong thùng chứa và mặt thoáng trong bình lường, chất lỏng
không chảy vào bình lường được nũa. Chất lỏng trong ống thông hơi sẽ dâng lên
và theo quy tắc bình thông nhau đến bằng mực chất lỏng ở trong thùng chứa.
Ðể tháo chất lỏng vào bao bì chứa, xoay van ba ngã tới vị trí tháo. Chất lỏng
trong bình định lượng sẽ theo ống dẫn chảy xuống bao bì chứa bên dưới.
Thể tích chất lỏng trong bình có thể điều chỉnh bằng cách nâng hoặc hạ ống
thông hơi xuống.Tùy theo cách quay van mà những máy dùng cơ cấu rót này thuộc
loại quay tay, bán tự động và tự động. Chất lỏng chảy ra càng nhanh thì năng suất
máy càng lớn
Cơ cấu rót tới định mức
Cơ cấu rót tới mức định trước: giai đoạn chuẩn bị, đang rót và hoàn tất rót

Nhóm 10

Trang 8

Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Cơ cấu rót có bình lường và van trượt

Cơ cấu rót có bình lường và van trượt được dùng trong ngành sữa, rượu, rượu
vang, và trong nhiều lãnh vực công nghiêp thực phẩm khác để rót sản phẩm thực
phẩm lỏng ít nhớt.
Trong thùng rót có bình lường, đáy bình vặn chặt với van trượt. Phần bên trên
của van trượt rỗng còn phần bên dưới đặc. Bên phần rỗng của van trượt có lỗ. Van
trượt di chuyển lên xuống được bên trong một ống lót lắp cố định dưới đáy thùng.
Ống lót có lỗ nối với ống dẫn sản phẩm vào bao bì.
Một lò xo lắp ở đáy bình chứa luôn luôn giữ cho van trượt ở vị trí thấp nhất.
Khi đó miệng của bình lường nằm bên dưới mặt thoáng chât lỏng trong bình chứa.
Khi nâng van trượt lên một khoảng (chu kỳ rót) thì bình lường chứa chất lỏng được
đưa lên cao hơn mặt thoáng trong bình chứa, đồng thời xảy ra sự trùng khít các lỗ
của van trượt và ống lót, nhờ đó chất lỏng ở trong bình lường chảy vào vào bao bì
chứa. Sau khi chảy hết chất lỏng thì bình lường được hạ xuống, chất lỏng lại chảy
vào đầy bình lường và chu trình làm việc sẽ lặp lại.
Lượng chất lỏng chảy vào trong bao bì bằng thể tích của bình lường, do đó khi
cần thay đổi định lượng phải thay đổi bình lường khác có thể tích thích hợp.

Nhóm 10

Trang 9


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Cơ cấu rót chính xác có bình lường-van trượt

Cơ cấu rót đẳng áp để rót chất lỏng có nạp khí
Ðể tránh tổn thất khi rót chất lỏng có nạp ga CO2 người ta sử dụng loại cơ cấu
rót đẳng áp. Chu trình làm việc của cơ cấu rót đẳng áp gồm:
nạp đầy khí vào bao bì, áp suất của khí bằng áp suất của chất lỏng đã nạp khí; mở
lỗ nạp chất lỏng;

Nhóm 10

Trang 10


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

chất lỏng chảy vào bao bì chứa không có chênh lệch áp suất mặt thoáng, chỉ chảy
nhờ chênh lệch cột áp;
nạp vào đầy bao bì đến mức chất lỏng đã định trước hoặc theo thời gian (thông
thường thì không có thiết bị định lượng ); đóng lỗ nạp chất lỏng.
Cơ cấu rót đẳng áp
Với qui trình nạp như vậy, sản phẩm trong chai còn giữ được hàm lượng khí
CO2 cần thiết. Thông thường quá trình rót đẳng áp được tiến hành ở nhiệt độ thấp
để giảm thiểu sự thoát CO2 ra khỏi sản phẩm lỏng.
Cơ cấu rót chân không
Trong cơ cấu rót chân không hiện nay dùng van bi hoặc van trượt. Trong thân

của cơ cấu rót có hai rãnh. Một trong hai rãnh đó được nối với bơm chân không,
rãnh còn lại nối với bình chứa sản phẩm.
Ở vị trí đóng, van trượt (hoặc van bi) đóng cả hai đường thông với bơm chân
không và sản phẩm. Khi có chai đưa vào, van được nâng lên và quá trình rót bắt
đầu. Không khí trong chai được bơm chân không hút làm áp suất giảm. Khi đó sản
phẩm từ bình chứa sẽ chảy vào trong chai. Quá trình diễn ra liên tục đến khi chai
được nạp đầy sản phẩm. Khi đó đường ống hút khí sẽ bị ngắt khỏi bơm chân
không, bên trong chai được thông áp và sản phẩm ngừng chảy vào trong chai. Tuy
nhiên sẽ có một lượng nhỏ sản phẩm bị hút theo không khí, phần sản phẩm nầy sẽ
được tách ra ờ bình tách lỏng đặt trước máy hút chân không. Thông thường người
ta điều chỉnh lượng sản phẩm trong chai bằng cách sử dụng ống thông áp có thể
dịch chuyển được hoặc thay đổi thời gian hút chân không
Cơ cấu rót chân không được dùng để rót các sản phẩm dễ hư hỏng hoặc giảm
chất lượng khi tiếp xúc với không khí, hoặc được sử dụng trong các trường hợp các
sản phẩm dễ rót và yêu cầu năng suất rót lớn, thời gian rót cho một chai nhanh.

Nhóm 10

Trang 11


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Máy chiết dạng băng chuyền thẳng

Máy chiết chai kiểu bàn quay
1.2 mục đích và phương pháp đo
a. mục đích

Mục đích việc đo và phát hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối
lượng chất lưu trong bình chứa.

Nhóm 10

Trang 12


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.
Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn
lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị
phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không.

b. phương pháp đo
Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:
- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện.
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.
- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
∗ Phương pháp thuỷ tĩnh

Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa. Trên hình
20.20 giới thiệu một số sơ đồ đo mức bằng phương pháp thuỷ tĩnh.

Hình 1.1: Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh
a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai
Nhóm 10

Trang 13


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Trong sơ đồ hình 1.1a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5)
bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1)
nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục
quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu.
Trong sơ đồ hình 1.1b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên
được treo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động
của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu:

Trong đó:
P - trọng lượng phao.
h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao.
S - tiết diện mặt cắt ngang của phao.
ρ - khối lượng riêng của chất lưu.
g - gia tốc trọng trường.
Trên sơ đồ hình 1.1c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát
đáy bình chứa. Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:

Nhóm 10

Trang 14

Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh
bình chứa. Chênh lệch áp suất p - p 0sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến
làm nó biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình
chứa được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.
∗ Phương pháp điện

Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động theo nguyên tắc
chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất
điện của chất lưu. Các cảm biến thường dùng là cảm biến dộ dẫn và cảm biến điện
dung.
∗ Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi
trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có
nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh.
Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt
ở hai phía của bình chứa. Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ
(nguồn 60Co hoặc 137Cs), bộ thu là một buồng ion hoá. Ở chế độ phát hiện mức
ngưỡng (hình 20.21a), nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức
ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song. Tuỳ
thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ
thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng
thái so với mức ngưỡng.
Ở chế độ đo mức liên tục (hình 1.2b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một
góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra và bộ thu.

Nhóm 10

Trang 15


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

a) Cảm biến phát hiện ngưỡng

Đo lường và cảm biến

b) Cảm biến đo mức liên tục

Hình 1.2: Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ

1) Nguồn phát tia bức xạ
2) Bộ thu
3) Chất lưu
Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu
(2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo. Mức độ suy giảm của
chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa
1.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống
Khi nhấn nút Start, hệ thống hoạt động. Thùng rỗng được đẩy từ kho xuống
băng tải. Động cơ kéo băng tải chuyển động. Các thùng rỗng đươc chuyển đến vị
trí rót dưới bồn chứa nhờ có cảm biến được lắp đặt trước ở đó. Khi cảm biến vị trí
phát hiện đối tương ở vị trí rót nó sẽ tác động lên động cơ kéo băng tải làm cho
băng tải dừng lại đồng thời tác động đến Van 2 làm Van 2 mở, chất lỏng được rót
Nhóm 10

Trang 16

Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

vào thùng với mức được xác định bằng cảm biến. Khi thùng rỗng đầy, cảm biến
mức tác động đến Van 2 làm nó đóng lại đồng thời tác động đến động cơ làm băng
tải tiếp tục chuyển động đẩy thùng đã rót đi và đẩy thùng rỗng kế tiếp tới vị trí rót.
Khi bồn chứa gần cạn, cảm biến mức sẽ tác động làm Van 1 mở, Chất lỏng
được rót cho đến khi đầy bồn chứa thì Van 1 đóng lại. Quá trình trên được lặp đi
lặp lại nhờ một hệ thống điều khiển ( vi điều khiển, PLC…). Muốn dừng hệ thống
ta ấn nút Stop.

Nhóm 10

Trang 17


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

CHƯƠNG 2:NỘI DUNG THỰC HIỆN
2.1 Yêu cầu của đề tài
-

Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống
Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống
Trình bày về loại cảm biến chọn lựa

Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến và tính toán sử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến để

-

tác động đến các đối tượng được điều khiển?
Đánh giá về sai số của hệ thống( giới hạn, nguyên nhân, biejn pháp khắc phục)
2.2 các hướng giải quyết.
2.2.1 Các loại cảm biến dùng trong hệ thống
Qua tìm hiểu hệ thống trên thì nhóm chúng em đã lựa chọn rõ một số loại cảm
biến phù hợp với hệ thống chiết rót chất lỏng như:
-

Cảm biến siêu âm
Cảm biến quang , mức quang
Cảm biến tiệm cận
Cảm biến điện dung
Cảm biến mức dạng phao

2.2.2 chi tiết về các loại cảm biến
2.2.2.a Cảm biến quang và đo mức bằng cảm biến quang
Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES) nói một cách nôm na, thực
chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng thích hợp
chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang
được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot

Nhóm 10

Trang 18

Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

(Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.

Hiện nay, có các loại cảm biến quang như:
-Cảm biến quang thu phát.
-Cảm biến quang phản xạ gương.
-Cảm biến quang khuếch tán.

Nhóm 10

Trang 19


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Công dụng và vai trò của cảm biến quang
Công dụng chủ yếu của cảm biến quang là dùng để phát hiện nhiều dạng vật thể
khác nhau, từ việc phát hiện một chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem
tay robot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa.
Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự động
hóa. Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa , giống như
làm việc mà không nhìn được vậy.
Cấu trúc thiết kế
Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:

1. Bộ Phát sáng
Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting
Diode). Ánh sáng được phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến
phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh
nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng). Các loại LED thông dụng nhất là LED
đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED
trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng.
2. Bộ Thu sáng
Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang). Bộ phận này
Nhóm 10

Trang 20


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay nhiều loại cảm
biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application
Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại,
mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC). Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng
trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại
từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán).
3. Mạch xử lý tín hiệu ra
Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON /
OFF được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được
xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Mặc dù một số loại cảm biến thế
hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn khá
phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn

(PNP/NPN). Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng
dụng đo đếm.

Điều chỉnh độ nhạy
Các loại cảm biên quang tiêu chuẩn thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:
Nhóm 10

Trang 21


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

1. Chỉnh ngưỡng

Người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng, là mức ánh sáng đủ để kích hoạt
đầu ra. Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra.
Trong thực tế, thay đổi ngưỡng sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện.
Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ
hơn hoặc các vật trong mờ. Một vài nhãn hiệu cảm biến quang có một biến trở vặn
vít để điều chỉnh ngưỡng. Một số khác còn có nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng
thích hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể.
2.

Công tắc chuyển Light-On/Dark-On
Công tắc L-On/D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến.
Đối với cảm biến xác định vị trí và dịch chuyển thì nhóm em lựa chọn cảm
biến quang phản xạ gương.Vì loại cảm biến này lắp ráp đơn giản,làm việc ổn
định.Qua tìm hiểu thị trường một số dòng sản phẩm của hãng Omron đã được sử

dụng tại Việt Nam có E3E, EZT66.....Nhưng chúng em lựa chọn cảm biến EZ3, và
E3Z-R61.
CẢM BIẾN QUANG EZ3

Nhóm 10

Trang 22


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

Đặc điểm
•

Kích Thước : 40x12x21 (mm)
Chọn kiểu đầu ra tác động theo sáng/tối

•

Chức năng đèn báo hiệu sự ổn định; điều chỉnh được độ nhạy
Hình khối nhỏ gọn 31x20x11mm ,Nguồn cấp 10~30VDC.

•

Nhiều chế độ: thu phát chung, phản xạ gương, thu phát riêng tối đa 30m

•

Ngỏ ra transistor Open Collector PNP, PNP-NO 100mA

•

Chế độ làm việc Light-ON/Dark-ON lựa chọn qua switch chọn

•

Bảo vệ ngắn mạch ngõ ra, cấp nguồn ngược cực

•

Hình trụ Ø18, dài 65mm, nhiệt độ làm việc -25~550C

•

Sử dụng LED hồng ngoại bước sóng 660nm, thời gian đáp ứng 2.5ms

•

Tia sáng nhỏ, góc nhìn hẹp thích hợp cho các ứng dụng chính xác

•

Vỏ bọc bằng PBT (polybutylene terephthalate), độ kín đạt IEC IP67

•

Kiểu đấu nối: dây dài 2m hoặc connecter
Nhóm 10

Trang 23


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

Đo lường và cảm biến

CẢM BIẾN QUANG E3Z-R61

Ưu điểm
•

Lắp đặt dễ hơn

•

Chỉnh định dễ dàng

•

Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được,

có thể dùng kính lọc phân cực.
•

Giá cả phải chăng

Nhược điểm:
•

Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m).

•

Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương

•

Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật

ở một số khoảng cách ngắn nhất định.
3.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nhóm 10

Trang 24


Khoa Điện – Trường đại học công nghiệp

•
•
•

Đo lường và cảm biến

Sensor sợi quang nhằm phát hiện sự di chuyển của vật mờ đục (chắn sáng)

Một photodiode tạo ra tín hiệu dẫn (pilot signal).
Tín hiệu này được truyền qua sợi quang tới vật và bị phản xạ tại bề mặt của

vật.
•

Quang thông phản xạ truyền ngược trở lại qua sợi quang thu tới một

photodiode khác.
•
•

Dòng điện tương ứng với khoảng cách từ cuối sợi quang tới vật được tạo ra.
Biến đổi dòng điện thành photon; truyền photon qua môi trường khúc xạ;

phản xạ; biến đổi ngược photon thành dòng điệnquá trình cảm biến gồm 2 bước
biến đổi năng lượng và sử dụng tín hiệu quang.

Nhóm 10

Trang 25