Bài giảng điện khí nén nghề điện công nghiệp

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ QUỐC TẾ VABIS HỒNG LAM
Khoa Điện – Điện Lạnh

MÔ – ĐUN : ĐIỆN KHÍ NÉN
MÃ SỐ : MĐ15
NGHỀ : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
Trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp nghề

Vũng Tàu 2013
( Giáo trình lưu hành nội bộ)


Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 2


TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ QUỐC TẾ VABIS HỒNG LAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN LẠNH

MÔ-ĐUN: ĐIỆN KHÍ NÉN
MÃ SỐ: MĐ15
NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
Trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp nghề

Giáo viên soạn

Khoa Điện – Điện lạnh

Trần Diễm

Nguyễn Văn Vụ

Vũng tàu – 2013
Giáo trình lưu hành nội bộ

MỤC LỤC
BÀI 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN 7
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 3

TRANG


1.1 Tổng quan về khí nén và hệ thống khí nén 7
1.1.1 Lịch sử
8
1.1.2 Ứng dụng 9
1.1.3 Ưu và nhược điểm
10
1.2. Cơ sở lý thuyết 10
1.2.1. Đơn vị sử dụng 10
1.2.2. Áp suất 10
1.2.3. Lực12
1.2.4. Lưu lượng 13
1.2.5. Các định luật khí 13
1.3. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển tự động khí nén 17
1.4 Các phương pháp điều khiển tự động trong hệ thống khí nén
1.4.1. Điều khiển bằng khí nén
18

1.4.2. Điều khiển bằng điện 18
1.4.3. Điều khiển bằng PLC 19
1.4.4. Điều khiển bằng IC số 19
1.4.5. Điều khiển bằng Vi điều khiển 20
1.4.6. Điều khiển bằng máy tính
20
1.5 Câu hỏi ôn tập bài 1
21
BÀI 2 :MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ
24
2.1 Máy nén khí
24
2.1.1 Máy nén khí piston
24
2.1.2 Máy nén khí cánh gạt
26
2.1.3 Máy nén khí trục vít
27
2.1.4 Máy nén khí kiểu root 29
2.1.5 Máy nén khí tuabin dạng ly tâm
29
2.2 Thiết bị xử lý khí nén 30
2.2.1 Chức năng của hệ thống xử lý khí nén 30
2.2.2 Bộ sấy khí 32
2.2.3 Các phương pháp xử lý khí nén 32
2.2.3.1 Bình ngưng tụ - làm lạnh bằng không khí 32
2.2.3.2 Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh 33
2.2.3.3 Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ 34
2.2.3.4 Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ 34
2.2.3.5 Hệ thống sấy khô nhiệt độ thấp

35
2.2.4 Bộ lọc
36
2.2.4.1 Van lọc 38
2.2.4.2 Van điều chỉnh áp suất
40
2.2.4.3 Van tra dầu
41
2.3 Câu hỏi ôn tập bài 2
43
BÀI 3 :CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN 45
3.1
Khái niệm 45
3.2
Van đảo chiều
46
3.2.1 Nguyên lý hoạt động
46
3.2.2 Phân loại 46
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 4

18


3.2.3. Ký hiệu van đảo chiều và các loại tín hiệu tác động 47
3.2.4 Các loại van đảo chiều 51
3.2.5 Van chắn 56
3.2.6 Van áp suất

58
3.3
Van điều chỉnh thời gian 61
3.4 Câu hỏi ôn tập bài 3
62
BÀI 4 :CƠ CẤU CHẤP HÀNH 64
4.1
Giới thiệu 64
4.1.1 Phân loại xy lanh khí nén
65
4.1.2 Khái quát về xy lanh khí nén 66
4.2 Xy lanh khí nén 67
4.2.1 Xy lanh tác động một chiều (xy lanh tác dụng đơn)
4.2.2 Xy lanh màng 67
4.2.3 Xy lanh tác động hai chiều (xy lanh tác dụng kép) 68
4.3 Xy lanh quay khí nén 70
4.3.1 Xy lanh quay thanh răng
71
4.4 Động cơ khí nén 72
4.5 Câu hỏi ôn tập bài 4
73
BÀI 5:THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHÍ NÉN 74
5.1
Khái niệm cơ bản 74
5.2 Các mạch khí nén cơ bản
75
5.2.1
Điều khiển xy lanh tác động một chiều
75
5.2.2

Điều khiển xy lanh tác động hai chiều 78
5.2.3 Các bước thực hiện giải một bài toán điều khiển khí nén cơ bản
5.2.4
Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo tầng 84
5.3
Câu hỏi ôn tập bài 5
104
BÀI 6:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN KHÍ NÉN 109
6.1 Các phần tử điện khí nén
109
6.1.1 Các phần tử xuất tín hiệu
109
6.1.2 Các phần tử xử lý tín hiệu
117
6.1.3 Các phần tử điều khiển – chuyển đổi tín hiệu 119
6.2 Các phương pháp điều khiển 125
6.2.1 Điều khiển tự động sử dụng công tắc hành trình
125
6.2.2 Điều khiển xy lanh sử dụng rơle thời gian và rơle áp suất
6.2.3 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo tầng
129
6.2.4 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo nhịp
137
6.3 Bài tập áp dụng các phương pháp điều khiển143
6.4 Câu hỏi ôn tập bài 6 153
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
163

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 5

67

81

127


MÔ ĐUN ĐIỆN KHÍ NÉN
Mã mô đun: MĐ 15
I. VỊ TRÍ, Ý NGHĨA,VAI TRÒ VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:
- Vị trí: Mô đun được bố trí học sau các môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở và các
mô đun chuyên môn nghề đặc biệt như kỹ thuật số, trang bị điện-điện tử
- Ý nghĩa : Mô dun cho tao có cái nhìn thực tế hơn về lĩnh vực điều khiển dùng
khí nén trong công nghiệp và dân dụng
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 6


- Vai trò : đóng vai trò quan trọng sản xuất công nghiệp đặt biệt những nước có
nền công nghiệp phát triển và đang phát triển.
- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề điện tự động hóa
II. MỤC TIÊU MÔ ĐUN:
+ Về kiến thức
- Mô tả được cấu tạo của tất cả các vale khí nén, động cơ khí nén, xy lanh khí
nén
- Trình bày được các phương pháp điều khiển khí nén
- Đọc được các bản vẽ khí nén trong công nghiệp

- Thiết lập các mạch điện điều khiển điện khí nén trong công nghiệp
+ Về kỹ năng
- Kết nối các thiết vale, xylanh khí nén.
- Viết và kết nối chạy thực tế các phần tử khí nén
- Viết và giám sat chương trình trên phần mềm Festo Fluidsim 3.6
- Xác định và xử lý được một số vấn đề đơn giản
+ Về thái độ:
- Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập.
III. NỘI DUNG MÔ ĐUN:
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
STT
1
2
3
4
5
6
7
8

Nội dung mô đun

Tổng
số

Bài 1: Giới thiệu tổng quan về điện khí nén
và các định luật về điện khí nén
Bài 2: Máy nén khí, nguyên lý hoạt động và
các thiết bị máy nén khí
Bài 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển

khí nén
Bài 4 : Cơ cấu chấp hành trong hệ thống khí
nén
Bài 5 : thiết kế mạch, mạch điều khiển máy
khoan
Bài 6 : thiết kế mạch, mạch điều chạy tuần tự
theo tầng
Bài 7 : thiết kế mạch, mạch cho máy khoan
doa tự động.
Cộng

10

Thời gian
Lý
Thực
thuyế
hành
t
10
0

Thực
hành
0

10

10

0

0

15

13

0

2

10

9

0

1

10

0

9

1

22

0

19

3

13

0

10

3

90

42

38

10

+ Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành được tính
bằng giờ thực hành.
IV. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH:
Vật liệu:
 Dây điện tín hiệu 1.5mm2.
 Ống dẫn khí.
 Bơm khí nén.
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 7


Vale khí nén, xy lanh khí nén.
Khí cụ điện ( relay, contractor, timer…)
Dụng cụ kiềm điện, kiềm cắt dây…
Một số vật liệu cần thiết khác.
Dụng cụ và trang thiết bị:
 Bộ đồ nghề cơ khí cầm tay.
 Kìm điện các loại: kìm B (kìm răng), kìm nhọn, kìm cắt, kìm tuốt dây, kìm
bấm cốt.
 Tuốc-nơ-vít các loại (dẹp, bake): từ 2mm đến 6mm.
 Các loại máy đo (AC & DC): ampe kế, volt kế, Ohm kế, watt kế, tần số kế…
V. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG ĐÁNH GIÁ:
 Bài kiểm tra 1: 60 phút: bài kiểm tra giấy về nguyên lý cấu tạo của vale và các
thiết bị ngoại vi về khí nén.
 Bài kiểm tra 2: 140 phút : Thực hành thiết kế mạch khí nén chạy theo nhịp
bằng phần mềm Festo fluidsim 3.6
 Bài kiểm tra 3: 200 phút: Đấu dây vận hành mạch máy khoan chấm bài sản
phẩm làm được của học sinh
 Bài kiểm tra 4: 200 phút: Đấu dây cho mạch chạy tuần tự chấm bài sản phẩm
làm được của học sinh
VI. HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TRÌNH :
1. Phạm vi áp dụng chương trình:
Chương trình mô-đun này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Trung cấp
nghề và Cao đẳng nghề.
2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy mô đun:
Cần tập trung cả lớp để hướng dẫn ban đầu: Phần này giáo viên cần thao tác
mẫu cho học sinh quan sát.

Tùy vào thiết bị có của từng đơn vị để phân chia số lượng học sinh thực tập
trong mỗi nhóm (Mỗi nhóm nên tối đa là 3 học sinh): Phần này giáo viên nên quan
sát từng nhóm và sửa sai tại chỗ (nếu có).
Tập trung cả lớp để rút kinh nghiệm sau mỗi ca thực tập: Phần này giáo viên
cho học sinh nêu lên những vướng mắc trong ca thực tập và đưa ra phương pháp
khắc phục.
3. Những trọng tâm chương trình cần chú ý:
Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài học để
chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy.
Thời gian thực hành bao gồm thời gian thực hành, thời gian giải/làm bài tập và
thời gian kiểm tra.
4. Tài liệu cần tham khảo:
Giáo trình lý thuyết MĐ15
Phiếu thực hành.





Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 8


1.1

BÀI 1: CƠ SỞ VỀ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN
Thời gian: 10,0 giờ (Thời gian học: 10,0 giờ, kiểm tra: 0 giờ)
A. Mục tiêu của bài:
Sau khi học xong bài này người học sẽ có khả năng:

- Áp dụng đúng các vấn đề lý thuyết khí nén một cách chắc chắn trong công nghiệp.
- Thiết kế mô hình dựa trên các định luật khí nén.
- Đổi các đại lượng và đơn vị đo lường trong hệ thống khí nén.
- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình thực hành.
- Thực hiện tốt công tác an toàn lao động và vệ sinh công nghiệp.
B. Nội dung của bài:
Tổng quan về khí nén và hệ thống khí nén
Từ khí nén trong tiếng Anh là Pneumatics được xuất phát từ tiếng Hy Lạp là
Pneuma có nghĩa là khí, gió hoặc hơi thở. Khí nén được xem như là một nhánh của khoa
học kỹ thuật đề cập đến áp suất và lưu lượng của khí. Khí nén là một phần của lưu chất với
không khí hoặc các loại khí khác được nén lại sử dụng để truyền động và điều khiển các cơ
cấu chấp hành.
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 9


Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích hướng dòng chảy của khí nén theo
các mạch để điều khiển cơ cấu chấp hành. Các dòng chảy dưới dạng năng lượng khí nén sẽ
điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tịnh tiến hay quay.
Năng lượng khí nén được đề cập ở trên là chỉ các dòng năng lượng khí có áp suất để
tạo nên các chuyển động cơ học như các cơ cấu chấp hành tịnh tiến và quay. Không chỉ có
khí nén mà thủy lực được nhóm thành một nhóm gọi là lưu chất. Không khí được nén lại
gọi là khí nén và dầu được nén lại gọi là thủy lực.
Tuy hai lĩnh vực này có những vấn đề cơ bản giống nhau nhưng cũng có một số vấn đề
khác nhau:
- Mức độ áp suất: Áp suất thường sử dụng trong các hệ thống khí nén khoảng từ 5
đến 10 bar (75 đến 150 psi), còn các hệ thống thủy lực làm việc với áp suất khá cao lên đến
200 bar (3000 psi) hoặc cao hơn. Lý do có sự khác nhau này là không khí có khả năng nén
được. Nếu hệ thống khí nén làm việc với áp suất 200 bar, khí nén này có thể tích trữ một

năng lượng thế năng khá lớn, lúc này mức độ nguy hiểm và mất an toàn khá cao. Dầu được
xem như là một dòng lưu chất không nén được. Vì vậy khi hệ thống thủy lực nổ sẽ giảm áp
xuống ngay lập tức, không gây ra nguy hiểm.
- Lực tác động: Bởi vì áp suất làm việc thấp, nên cơ cấu chấp hành khí nén tạo ra lực
nhỏ hoặc trung bình. Còn hệ thống thủy lực thích hợp cho các hệ thống đòi hỏi lực lớn.
Nếu chúng ta cần tải một khối lượng thì chúng ta cần dùng một xy lanh khí nén có đường
kính lớn hơn nhiều đường kính của xy lanh thủy lực.
- Giá thành các phần tử: Van và xy lanh thủy lực có giá gấp từ 5 đến 10 lần các phần
tử khí nén có kích thước tương tự. Điều này có thể giải thích vì với các thiết bị thủy lực
đòi hỏi gia công và làm tinh tốt hơn. Còn hệ thống khí nén có thể có rò rỉ nhỏ, do đó gây
nên khí nén bị tiêu hao tuy nhiên hệ thống sẽ tiếp tục thực hiện các chức năng. Còn hệ
thống thủy lực thì khác, đòi hỏi không được rò rỉ vì dầu thủy lực tương đối đắt, vì vậy nếu
có rò rỉ sẽ làm tăng giá thành sản xuất. Ngoài ra, rò rỉ dầu gây ra mất an toàn vì hầu hết các
loại dầu sử dụng có thể cháy và làm cho các bề mặt trơn trượt. Trong nhiều hệ thống công
nghiệp (thực phẩm, dệt nhuộm) rò rỉ dầu có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Khi
hệ thống thủy lực làm việc với áp suất cao, bề mặt làm việc của các chi tiết của hệ thống
phải được chế tạo với độ chính xác cao và chất lượng bề mặt làm việc phải tốt cũng như
tránh trường hợp rò rỉ làm cho hệ thống có giá thành cao. Các phần tử khí nén thường sử
dụng vòng chữ O để làm kín, còn hệ thống thủy lực phải làm kín bằng vòng trượt nên giá
thành rẻ hơn và linh hoạt hơn.
- Điều khiển tốc độ: Bởi vì khí có thể nén được, rất khó để điều khiển tốc độ xy lanh
hay động cơ khí nén một cách chính xác. Nếu hệ thống vận hành với tốc độ không đổi khi
tải thay đổi thì hệ thống thủy lực sẽ được chọn hoặc chúng ta sẽ chọn kết hợp hai hệ thống
này.
- Tốc độ chấp hành: Khí nén giãn ra rất nhanh vì vậy vận tốc khí nén thường rất cao.
Trong hệ thống thủy lực vận tốc piston thường thấp, có thể tính toán bằng cách xác định
lưu lượng của bơm.
Hệ thống khí nén thường được sử dụng trong các hệ thống tự động công nghiệp vì
giá thành thấp tuy nhiên tải nhẹ và tốc độ không điều khiển được chính xác. Ngược lại hệ
thống thủy lực thích hợp cho các ứng dụng tải trọng cao (như máy nâng chuyển, máy dập,

máy công nghiệp… ) hoặc chúng ta đòi hỏi hệ thống điều khiển tốc độ chính xác hoặc xác
định vị trí chính xác như máy điều khiển theo chương trình số (CNC), Robot …
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 10


Hình 1.1: Ứng dụng của hệ thống điều khiển thủy khí trong máy ép nhựa

Hình 1.2. Hệ thống thuỷ -khí trong máy dập và sản xuất ô tô
1.1.1 Lịch sử
Cuối thế kỷ XVII, Torricelli, Mariotte và sau đó là Bernoulli đã tiến hành nghiên
cứu các lý thuyết và ứng dụng liên quan đến áp suất và lực đi ra từ các lỗ trên các thùng
chứa nước và các đường dẫn. Blaise Pascal đưa ra các định luật nền tảng của khoa học lưu
chất.
Tuy nhiên để định luật Pascal được áp dụng vào thực tế có hiệu quả cần phải có một
piston "lắp chính xác". Thời điểm lúc Pascal đưa ra lý thuyết trên thì chưa chế tạo được
mãi cho đến 100 năm sau thì điều này mới được thực hiện và được ứng dụng rộng rãi trong
các máy dập thủy lực và được sử dụng khá hiệu quả ở nước Anh.
Cuối những năm 1930 và đặc biệt là trong khoảng thời gian chiến tranh thứ II, các
hệ thống điều khiển bằng lưu chất được sử dụng rộng rãi và phát triển khá mạnh, được ứng
dụng rộng rãi trong các máy móc sản xuất.
Vào năm 1951 các ứng dụng trong công nghiệp tăng rất nhanh, các hội nghị được tổ
chức như Detrit, Michigan với mục đích hình thành nên một tiêu chuẩn cho các thiết bị khí
nén và thủy lực. Các tiêu chuẩn này được hình thành với sự tham khảo của các nhà sản
xuất thiết bị thủy lực, thiết bị khí nén, các nhà sản xuất máy công cụ, các công ty chuyên
chế tạo hệ thống sản xuất tự động, máy dập, các nhà sản xuất ống, đầu nối và các công ty
tiêu dùng các sản phẩm này.
Vào năm 1966, một hệ thống ký hiệu được đưa ra bởi Viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ
(United States America Standards Institute). Khi chúng ta sử dụng các ký hiệu này, người

bảo trì dễ dàng thay thế và sửa chữa các thiết bị trong hệ thống, dễ dàng phán đoán các lỗi
hư hỏng của hệ thống bằng cách tham khảo các catalogue của nhà sản xuất. Điều này sẽ tiết
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 11


kiệm thời gian đặc biệt đối với những hệ thống khá phức tạp. Ngày nay, khi bán các hệ
thống sản xuất tự động, các nhà sản xuất thường đính kèm với các sơ đồ mạch hệ thống khí
nén hay thủy lực cùng với mạch điều khiển.
1.1.2. Ứng dụng
Truyền động và điều khiển bằng khí nén đang trở nên phổ biến và được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp. Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống tự động hoá,
hệ thống kẹp, giữ nâng hạ và di chuyển…
Hệ thống khí nén sử dụng khí áp suất để tạo nên sự chuyển động. Do hiệu suất làm
việc của hệ thống không cao và nguy hiểm khi chứa khí nén áp suất cao nên giới hạn áp
suất làm việc hệ thống thường thấy trong công nghiệp chỉ tới 7 bar, một số hệ thống đặc
biệt có thể làm việc với áp suất cao hơn khoảng 10 bar. Việc sử dụng khí nén như là nguồn
năng lượng cho các thiết bị công nghiệp khá phát triển trong những thập nei6n gần đây và
nó được sử dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp.





Hình 1.3. Máy cắt giấy và hệ thống cấp dung dịch vào chai bằng hệ thống khí nén
1.1.3 Ưu và nhược điểm
Ưu điểm:
- Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản.
- Độ tin cậy làm việc cao.

- Độ an toàn làm việc cao trong môi trường dễ cháy nổ và có thể làm việc trong
môi trường khắc nghiệt như phóng xạ hoặc hoá chất.
- Dễ dàng tự động hoá.
- Giá thành thiết kế hệ thống rẻ.
- Thời gian đáp ứng nhanh, tác động nhanh và có thể làm việc từ xa.
Nhược điểm:
- Kích thước lớn hơn so với hệ thống thủy lực có cùng công suất.
- Tính nén được của khí ảnh hưởng tới chất lượng làm việc của hệ thống.
- Do vận tốc của các cơ cấu chấp hành khí nén lớn nên dễ xảy ra va đập ở cuối
hành trình.
- Do khí xả ra qua các cửa tạo nên âm thanh khá ồn.
- Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng lại ở vị trí trung gian
cũng khó thực hiện được chính xác như đối với các hệ thống khác.
Mặc dù còn có những hạn chế tuy nhiên các hệ thống khí nén cũng được sử dụng
khá rộng rãi khi mà những nhược điểm trên không phải mang tính quyết định.
1.2. Cơ sở lý thuyết
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 12


1.2.1. Đơn vị sử dụng
Hiện nay có rất nhiều hệ thống đơn vị sử dụng trên thế giới. Nhưng có 3 hệ thống
đơn vị thường được sử dụng là: hệ thống đơn vị Metric với thông số sử dụng như mét,
kilôgram và giây; hệ thống Imperial System với các thông số hay sử dụng là foot, pound,
giây; hệ thống đơn vị SI sử dụng mét, newton, giây. Bảng 1.1 biểu diễn các hệ thống đơn
vị hay sử dụng là SI và Metric.

Bảng 1.1. Hệ thống đơn vị sử dụng SI và Metric
1.2.2. Áp suất

Áp suất khí quyển: Đây là áp suất tạo ra trên bề mặt trái đất bằng khối lượng không
khí bao quanh trái đất là 14,7 psi (Pound/inch). Áp suất khí quyển là áp suất không khí bao
quanh chúng ta. Chúng ta thường coi áp suất này là gần bằng 1 bar. Nếu chúng ta trèo lên
đỉnh núi cao thì áp suất tại đỉnh núi sẽ nhỏ hơn và khi chúng ta đi sâu vào hầm mỏ thì áp
suất sẽ tăng. Và giá trị áp suất cũng có thể thay đổi theo điều kiện áp suất.
Áp suất dư (Áp suất tương đối): Bởi vì áp suất khí quyển tồn tại xung quanh chúng
ta mà không thay đổi nhiều do đó chúng ta không cần chú ý. Áp suất tương đối còn được
gọi là áp suất dư (Pg), ở đây áp suất sẽ được đo với mức chuẩn là áp suất khí quyển. Áp
suất dư bằng 0 chính là áp suất khí quyển.
Áp suất tuyệt đối: Áp suất tuyệt đối = Áp suất dư + Áp suất khí quyển. Áp suất khí
quyển có thể đo bằng chiều cao của cột dung dịch trong chân không. Áp suất khí quyển
thường được lấy 1013 mbar ( Hoặc lấy nhanh là 1000 mbar)
Áp suất khí nén: Áp suất khí nén là lực tác động trên một đơn vị diện tích.
P=

F
A (N/m2)

(1.1)

Chúng ta có rất nhiều đơn vị dùng để đo áp suất như sau:
- 760 mmHg = 1013,9 mbar.
- Để đo lường áp suất thấp sử dụng đơn vị milibar (mbar) với: 1000 mbar = 1 bar.
- 1 bar = 100000 N/m2.
- 1 bar = 10 N/cm2.
- 1 bar = 100 kPa.
- 1 bar = 10197 kgf/m2.
- 1 bar = 14.50 psi.
- Ống đo bằng chiều cao cột nước có thể có chiều cao 10 m. Thủy ngân có trọng
lượng riêng của nước. Đo lường trong chân không 1 mmHg = 1 Torr.

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 13


-

760 Torr = 0 bar (áp suất dư).
0 Torr = Chân không tuyệt đối.
Để đo lường đơn vị áp suất với đơn vị pound trên inch ta sử dụng đơn vị: 1psi =
68,95 mbar.
1 mm Hg = 1.334 mbar áp suất dư.
1 mm H2O = 0.0979 mbar áp suất dư.
1 Torr = 1mmHg tuyệt đối (dành cho chân không).

Bảng 1.2. Chuyển đổi giữa các đơn vị đo áp suất

Hình 1.4. Các khoảng áp suất thường sử dụng
1.2.3. Lực
Khí nén tạo thành lực với giá trị bằng áp suất tác dụng lên bề mặt nhân với diện tích
tác dụng.
Dung dịch trong bình được cung cấp áp suất và chuyển thành lực.

F = P.A

(1.2)
Như vậy lực đẩy ra của pittông sinh ra bởi áp suất khí được tính bằng cách nhân
diện tích hiệu dụng với áp suất.
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 14


F=

π .D 2 .P
4

(1.3)

Với:
F : Lực đẩy ra của piston (N).
D : Đường kính piston (m).
P : Áp suất khí nén cấp lên xy lanh (N/m2).
1.2.4. Lưu lượng
Lưu lượng được đo là một thể tích không khí tự do đi qua trong một đơn vị thời
gian. Đơn vị thường sử dụng:
Lít hoặc dm3 trên giây: l/s hoặc dm3/s.
Thể tích trên phút : m3/ph.
Thể tích đo trên đơn vị feet trên 1 phút : scfm.
- 1 m3/s = 35.31 scfm.
- 1 dm3/s = 2.1 scfm.
- 1 scfm = 0.472 l/s.
- 1 scfm = 0.0283 m3/phút.
- Lưu lượng thường được tính bằng lít khí tự do trên một đơn vị thời gian.

Hình 1.5. Mối tương quan giữa áp suất và thể tích khí
1.2.5. Các định luật khí
Định luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ. Khi
áp dụng các định luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ tuyệt đối.

PV
1 1T2 = PV
2 2T1

Đẳng áp :

(1.4)

V
= const
T

(1.5)

P
= const
T



Đẳng tích :
(1.6)
P.V = const
Đẳng nhiệt :
(1.7)
Đẳng nhiệt
Định luật Boyle: Tích của áp suất tuyệt đối và thể tích của khối khí luôn là hằng số
nếu nhiệt độ của khí không thay đổi.

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 15


Hình 1.6. Quá trình đẳng nhiệt
Quá trình này gọi là quá trình đẳng nhiệt (nhiệt độ không thay đổi). Quá trình này
phải đủ chậm để quá trình truyền nhiệt được thực hiện và không khí được nén lại hoặc giãn
ra.

Hình 1.7. Biểu đồ đẳng nhiệt


Đẳng tích
Từ định luật Boyle và Charles chúng ta có thể nhận thấy rằng nếu thể tích của một
khối khí được giữ ở một giá trị không đổi thì áp suất sẽ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối 0K.
Định luật Gay-Lussac: Áp suất tuyệt đối của khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối
của nó (thể tích khí không đổi V = const).
00C = 2730K.

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 16


Hình 1.8. Biểu đồ đẳng tích


Đẳng áp

Hình 1.9. Biểu đồ đẳng áp

Định luật Charles: Với một khối khí ở áp suất không đổi thì thể tích sẽ tỷ lệ với
nhiệt độ tuyệt đối.

Hình1.10. Quá trình đẳng áp
Như vậy theo định luật Charles: Thể tích của khí trong bình chứa sẽ thay đổi tỷ lệ
thuận với nhiệt độ tuyệt đối ( áp suất không thay đổi ).
Giả sử không ma sát, thể tích sẽ thay đổi để đảm bảo áp suất không đổi.
00C = 2730K
 Định luật khí tổng quát
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 17


Định luật khí tổng quát là sự kết hợp giữa các định luật Boyle và Charles với áp
suất, thể tích và nhiệt độ có thể thay đổi giữa các trạng thái khí và chúng có mối liên hệ với
giá trị hằng số.
P1.V1 P2 .V2
=
= const
T1
T2

(1.8)

Đoạn nhiệt
- Trong lý thuyết, khi thể tích khí được nén tức thì, quá trình này là quá trình đoạn
nhiệt (không có thời gian truyền nhiệt ra vỏ xy lanh).
- Quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt: P V n = c với khí n = 1.4.
- Trong xy lanh của khí nén thì quá trình sẽ nhanh nhưng nhiệt sẽ mất xuyên qua

vỏ xy lanh mặc dù giá trị n sẽ nhỏ hơn 1,3 dành cho máy nén tốc độ cao.

Hình 1.11. Biểu đồ biểu diễn định luật khí tổng quát
- Trong thực tế như ứng dụng làm bộ phận giảm chấn sẽ có hiện tượng mất mát
nhiệt trong quá trính nén.
- Các đặc tính nén sẽ diễn ra vài nơi giữa đoạn nhiệt và đẳng nhiệt.
- Giá trị của n sẽ ít hơn 1,4 phụ thuộc vào tốc độ nén. Thường P.V 1.2= c có thể
sử dụng trong quá trình.
Định luật Pascal: Áp suất tác dụng lên dòng chảy sẽ được chuyền đi theo mọi hướng
với lực bằng nhau.
Với A là diện tích bề mặt tác dụng, P là áp suất và F là lực tạo ra.

Hình 1.12. Lực tạo ra ở pittông khí nén
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 18


1.3. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển tự động khí nén
Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển hở (open loop
control system). Một mạch điều khiển khí nén gồm các phần tử như sau:

Hình 1.13. Sơ đồ cấu tạo chức năng của hệ thống điều khiển khí nén- điện
Phần tử nhận tín hiệu: nhận những giá trị của đại lượng vật lý như là đại lượng đưa
vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển. Ví dụ: công tắc, nút nhấn, công tắc hành
trình, cảm biến …
Phần tử xử lý tín hiệu: xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác định, làm
thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ: van một chiều, van tiết lưu, van logic OR
hoặc AND, bộ định thời ….
Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng) theo yêu cầu, thay đổi

trạng thái của cơ cấu chấp hành. Ví dụ: van đảo chiều, ly hợp…
Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lựơng ra của
mạch điều khiển. Ví dụ: xy lanh, động cơ khí nén…
Những hệ thống điều khiển phức tạp bao gồm nhiều phần tử, nhiều mạch điều khiển
khác nhau.
1.4 Các phương pháp điều khiển tự động trong hệ thống khí nén
Có các phương pháp điều khiển hệ thống tự động khí nén thường được sử dụng là:
khí nén, điện - khí nén, PLC ngoài ra còn có phương pháp điều khiển bằng các mạch số, vi
điều khiển và bằng máy tính. Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà sẽ lựa chọn phương pháp điều
khiển cho phù hợp.
1.4.1. Điều khiển bằng khí nén
Hệ thống điều khiển bằng khí nén là điều khiển hoàn toàn bằng các thiết bị sử dụng
tín hiệu khí nén và cơ khí để điều khiển các thiết bị khí nén. Ở hệ thống điều khiển này
ngoài cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động bằng khí nén thì các thông tin điều khiển

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 19


cũng hoàn toàn bằng khí nén. Các thiết bị xử lý, điều khiển cũng dựa trên thông tin của
dòng khí nén để thực hiện các chuyển động thích hợp theo yêu cầu.

Hình 1.14. Ví dụ minh hoạ hệ thống điều khiển bằng khí nén
Các loại mạch điều khiển hành trình:
 Mạch điều khiển tuần tự.
 Mạch điều khiển theo tầng.
 Mạch điều khiển theo nhịp.
1.4.2. Điều khiển bằng điện
Hệ thống điều khiển tự động khí nén điều khiển bằng điện sử dụng các van điện từ

(solenoid) để điều khiển chuyển động của các cơ cấu chấp hành bằng khí nén. Các van
solenoid này được thiết kế tuỳ theo các nhà sản xuất với các chức năng khác nhau. Cơ sở
thiết kế mạch điều khiển hành trình là vị trí các phần tử đưa tín hiệu vào (công tắc, cảm
biến...).

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 20


Hình 1.9. Ví dụ minh hoạ hệ thống điều khiển bằng điện - khí nén
1.4.3. Điều khiển bằng PLC
Các phuơng pháp trên có nhược điểm là thay đổi không được linh hoạt. Để có thể
thay đổi được linh hoạt các dây chuyền sản xuất, một phương thức điều khiển mới đã ra
đời ở thập kỷ 70. Đó là hệ điều khiển theo chương trình có nhớ (PLC).

Hình 1.10. Ví dụ minh hoạ hệ thống điều khiển bằng PLC
1.4.4. Điều khiển bằng IC số

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 21


Hình 1.11. Hệ thống điều khiển khí nén bằng IC số
Hệ thống bằng rơle được thay thế bằng các IC số với kích thước nhỏ hơn và giá
thành rẻ. Các IC số là những mạch tích hợp với các cổng logic để thực hiện các chức năng
của hệ thống điều khiển.
1.4.5. Điều khiển bằng Vi điều khiển
Tính linh hoạt trong các hệ thống điều khiển ngày càng đòi hỏi cao hơn, đồng thời

phải giảm giá thành vì vậy hiện nay vi điều khiển được sử dụng khá nhiều trong các quá
trình tự động. Vi điều khiển có thể sử dụng để thực hiện hầu hết các chức năng. Các vi điều
khiển có giá thành tương đối rẻ, nhỏ, dễ dàng sử dụng và điều quan trọng hơn là vi điều
khiển có khả năng thay thế các hệ thống tương tự để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, các
bộ điều khiển có kích thước lớn và đòi hỏi việc bảo trì.
1.4.6. Điều khiển bằng máy tính
Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật điều khiển được ứng dụng từ khá lâu và đạt
được nhiều kết quả rất khả quan. Với hệ thống máy tính ghép nối với các hệ thống điều
khiển có độ chính xác cao, thời gian điều khiển và đáp ứng ngắn và dễ dàng trong việc thu
thập và xử lý dữ liệu. Ngoài việc chúng ta sử dụng các IC số hay vi điều khiển ghép nối với
máy tính, chúng ta còn phải cần soạn thảo một chương trình để điều khiển với một ngôn
ngữ lập trình nào đó với các dữ liệu và dữ kiện đề ra.

Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 22


Hình 1.12. Hệ thống điều khiển khí nén bằng máy tính
1.5 Câu hỏi ôn tập bài 1
Câu 1 : Khí nén là gì? Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích gì? Hãy nêu một số
ứng dụng của hệ thống điều khiển khí nén?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Câu 2 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển khí nén bao gồm bao nhiêu phần tử? Cho

ví dụ cụ thể trong từng phần tử?
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
Câu 3 : Một vật có khối lượng 500kg, sử dụng áp suất p = 10 bar. Hỏi cần sử dụng xylanh
có đường kính bao nhiêu để nâng được vật đó?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Câu 4 : Xylanh có đường kính 5 cm, sử dụng áp suất P=8bar, Hỏi xylanh đó có thể nâng
vật nặng bao nhiêu kg?
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 23


.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................
Câu 5: Có bao nhiêu phương pháp điều khiển tự động trong hệ thống điều khiển khí nén,
hãy kể ra chi tiết từng phương pháp cụ thể?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Câu 6: Lưu lượng hút của một máy nén khí là Vn=3.5m3/phút. (không khí hút và là tiêu
chuẩn : Tn = 273K, Pn = 1.013 bar). Phải cần thời gian bao lâu để làm đầy bình chứa với
thể tích V = 2m3, có áp suất p = 8 bar và nhiệt độ khí nén trong bình chứa T = 298K?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Câu 7: Hãy nêu ưu và nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng khí nén?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Câu 8: Với điều kiện công nghiệp hiện đại hóa hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động
hóa ngày càng hiện đại thì hệ thống điều khiển tự động khí nén có trở nên lạc hậu hay

không? Tại sao?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 24


BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ – THIẾT BỊ XỬ LÝ
Thời gian: 10,0 tiết (Thời gian học: 10,0 tiết, kiểm tra: 0 tiết)
A. Mục tiêu của bài:
Sau khi học xong bài này người học sẽ có khả năng:
- Giải thích được nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại máy nén.
- Phân tích được các quá trình xử lý khí nén.
- Nhận biết và vận hành được thiết bị phân phối khí nén.
- Phân loại được các loại máy nén khí thường dùng trong công nghiệp.
- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình thực hành.
- Thực hiện tốt công tác an toàn lao động và vệ sinh công nghiệp.
B. Nội dung của bài:
2.1 Máy nén khí
Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện
hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng.
Biên Soạn : Trần Diễm

Trang 25