Tài liệu Nghiên cứu nâng cao chất lượng mạch vòng điều chỉnh lưu lượng

.. Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -1LỜI CAM ðOAN Tên tôi là: Nghiêm Thị Hưng Học viên lớp Cao học khoá 12- Tự ñộng hoá - Trường ðHKTCN Thái Nguyên Xin cam ñoan: ðề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu lượng” do thầy giáo PGS. TS. Bùi Quốc Khánh hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả những nội dung trong luận văn ñúng như trong ñề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Các tài liệu tham khảo ñều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm1S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -2- MỤC LỤC Lời cam ñoan ……………………………………………………………………….1 Mục lục……………………………………………………………………………...2 Danh mục chữ viết tắt ………………………………………………………………5 Danh mục các hình vẽ và ñồ thị ……………………………………………………6 Danh mục các bảng biểu……………………………………………………………9 Nội dung Trang LỜI MỞ ðẦU 10 Chương 1. Vai trò ñiều khiển lưu lượng trong hệ ñiều khiển quá trình 11 1.1. Khái quát chung 11 1.2. Vai trò của ñiều khiển lưu lượng: 11 1.3. Cấu trúc chung của ñiều khiển quá trình 15 Chương 2. Vấn ñề cơ bản của ñiều chỉnh lưu lượng 16 2.1. Khái quát chung 16 2.2. Cơ học chất lỏng 17 2.3. ðộng học ñường ống 25 2.3.1. Sơ ñồ ñường ống 25 2.3.2. Mô tả toán học của hệ thống 25 2.4. Các phần tử trong ñiều chỉnh lưu lượng 28 2.4.1. Máy bơm 28 2.4.2. Quạt gió 28 2.4.3. Van ñiều khiển 29 2.4.3.1. ðịnh nghĩa và cấu tạo của van 29 2.4.3.2. Phân loại van ñiều khiển 30 2.4.3.3. ðặc tính của van ñiều khiển 35 a. Kiểu tác ñộng của van 35 b. ðặc tính thời gian của van 36 bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm2S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -3- c. ðặc tính lưu lượng của van ñiều chỉnh 40 d. ðặc tính ñộng học của van 48 2.4.3.4. Lựa chọn van ñiều khiển 49 2.4.3.5. Các thông số của van ñiều khiển 50 2.4.3.6. Bộ ñịnh vị van - Servo van 52 2.4.3.7. Servo van nâng cao chất lượng ñiều khiển quá trình 53 Chương 3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu 55 lượng và giải pháp nâng cao chất lượng. 3.1. Giới thiệu chung: 55 3.2. Ảnh hưởng của thiết bị ño lưu lượng tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh 55 3.2.1.Phương pháp ño lưu lượng bằng tần số dòng xoáy 56 3.2.2. Các lưu lượng kế kiểu xoáy hay gặp trong công nghiệp. 58 3.2.3. Phương pháp ño lưu lượng bằng cảm ứng ñiện từ. 60 3.2.4. Phương pháp ño lưu lượng bằng nghẽn tiêu chuẩn (hay nguyên lý 64 thay ñổi ñộ giảm áp suất) 3.3. Ảnh hưởng của van ñiều khiển tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh 3.3.1. Hiện tượng Stiction của van ñiều khiển 69 69 3.3.1.1. Giới thiệu chung 69 3.3.1.2. ðề suất ñịnh nghĩa về Stiction 72 3.3.2. Quan sát ảnh hưởng hiện tượng Stiction trong thực tế 3.4. Nâng cao chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh bằng phương pháp bù ảnh hưởng 73 80 3.4.1. Khái quát chung 80 3.4.2. Cấu trúc ñiều khiển lưu lượng 81 3.4.3. Nâng cao chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh 82 3.4.3.1. Phương pháp knocker bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm3S ha Thị Hưng 82 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -4- 3.4.3.2 Phương pháp bổ sung thêm mạch vòng bù ảnh hưởng hiện 83 tượng Stiction của van. Chương 4. Mô phỏng ñặc tính van ñiều chỉnh trong hệ ñiều khiển quá trình 86 4.1. Tham số mô phỏng 86 4.2. Kết quả mô phỏng 86 4.2.1. Mô phỏng ñặc tính Stiction valve ñiều khiển 86 4.2.2. Mô phỏng hệ ñiều khiển quá trình với mô hình van lý tưởng 88 4.2.3. Mô phỏng hệ ñiều khiển quá trình với Stiction valve 89 4.2.4. ðiều khiển lưu lượng với phương pháp bù hiện tượng stiction của van 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm4S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -5- I. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CV Biến cần ñiều khiển – Controlled Variable CO Tín hiệu ñầu ra bộ ñiều khiển – Control Output SP Giá trị ñặt – Set Point MV Biến ñiều khiển – Manipulated Variable QO Mở nhanh – Quick Open EP Phần trăm ñều – Equal percentage FC Van ñóng an toàn FO Van mở an toàn R Dải ñiều chỉnh van - Rangeability PV ðại lượng ño - Measured Variable, Process Value PM Tín hiệu ño - Measured Signal, Process Measurement PID Proportional – Integral – Derivative PI Proportional - Integral: Sụt áp trên van bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm5S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -6- II. DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ Hình Nội dung Trang Hình 1.1. Sơ ñồ ñiều khiển mức 12 Hình 1.2. Hệ thống ñiều khiển nồng ñộ 12 Hình 1.3 Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ 14 Hình 1.4. Sơ ñồ ñiều khiển nhiệt ñộ của bình chất lỏng 14 Hình 1.5. Sơ ñồ cấu trúc hệ ñiều khiển quá trình 15 Hình 2.1. Một số cấu trúc mạch vòng ñiều khiển lưu lượng 16 Hình 2.2. Mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và áp suất chân không 18 Hình 2.3. Dòng chảy tầng 18 Hình 2.4. (a) Dòng chảy tầng; ( b) Dòng chảy rối 21 Hình 2.5. Mô tả phương trình vật lý quan trọng của Bernoulli 23 Hình 2.6. Sơ ñồ ñường ống 25 Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của van ñiều khiển 30 Hình 2.8. Van trượt và van xoay 32 Hình 2.9 Van cầu 32 Hình 2.10. Các bộ phận & phụ kiện của van cầu 33 Hình 2.11. Van bướm 33 Hình 2.12. ðiều chỉnh góc mở cửa van 34 Hình 2.13. Van bi 34 Hình 2.14 Kiểu tác ñộng của van 36 Hình 2.15. Hiện tượng deadband 36 Hinh 2.16. Ảnh hưởng của deadband ñến hiệu suất van 38 Hình 2.17. Thời gian Td và τν của van 39 Hình 2.18. Tóm tắt thời gian ñáp ứng của van 39 Hình 2.19. Cấu trúc van ñiều khiển 40 bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm6S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -7- Hinh 2.20. ðường cong ñặc tính của van 42 Hình 2.21. Mô hình lắp van ñiều chỉnh trên ñường ống 43 Hình 2.22. ðặc tính van tuyến tính bị biến dạng do thay ñổi ñộ giảm áp 45 Hình 2.23. ðặc tính lưu lượng thực tế của van cân bằng % 46 Hình 2.24. Tuyến tính hoá ñặc tính ñiều khiển van 47 Hình 2.25. ðặc tính bộ chia với các hệ số ñiều chỉnh z khác nhau 47 Hình 3-1. Dòng xoáy xuất hiện sau vật cản 56 Hình 3-2. Phương pháp ño lưu lượng bằng dòng xoáy 56 Hình 3-3. Trị số Strouhal là hàm của trị số Reynolds 57 Hình 3-4. Nguyên lý làm việc của lưu lương kế kiểu xoáy 58 Hình 3-5. Quan hệ giữa trị số Reynolds và trị số Strouhal 59 Hình 3-6. Nguyên lý tạo xoáy 59 Hình 3-7. Cấu trúc của lưu lượng kế xoáy 59 Hình 3-8. Cấu hình phần cứng 60 Hình 3-9. a. Nguyên tắc ño lưu lượng bằng hiệu ứng cảm ứng ñiện từ 61 b. Mạch ñiện thay thế Hình 3-10. Từ trường xung một chiều 63 Hình 3-11. Cảm biến ño lưu lượng bằng cảm ứng ñiện từ 63 Hình 3-12. Lưu lượng kế chênh áp do Q1=Q2, vận tốc dòng chảy phải tăng tại A2 và gây ra sự chênh áp giữa P1 và P2. 64 Hình 3-13. Biểu ñồ phân bố áp suất dọc ống khi lắp vào ống lưu lượng kế 67 Hình 3-14. ðồ thị ñánh giá ñộ tụt áp suất theo m của các loại ống khác nhau 67 Hình 3-15. Bố trí các van 68 Hình 3-16. ðường ống với vòi thoát cho chất khí và hơi ngưng 68 Hình 3-17. Cấu trúc van ñiều khiển 69 Hình 3-18. Mô hình Hysteresis, Deadband, và Deadzone 70 Hình 3-19 72 Hiện tượng Stiction van bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm7S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -8- Hình 3-20. ðiều khiển mức trong một thiết lập công nghiệp 74 Hình 3-21. Dữ liệu từ một vòng lặp lưu lượng trong một nhà máy lọc dầu 75 Hình 3-22. 75 Dữ liệu từ vòng lặp lưu lượng trong một nhà máy lọc dầu Hình 3-23. Dữ liệu vòng ñiều khiển nhiệt ñộ buồng sấy trong công nghiệp 76 Hình 3-24. ðáp ứng vòng lặp mở trong mô hình cơ khí 78 Hình 3-25. ðáp ứng vòng kín của mô hình cơ khí 79 Hình 3-26. Hiện tượng Stiction trong van 80 Hình 3-27. Sơ ñồ cấu trúc ñiều khiển lưu lượng 81 Hình 3-28. Sơ ñồ cấu trúc ñiều khiển mức 81 Hình3-29. 82 Ảnh hưởng của hiện tượng stiction ñến hệ ñiều khiển quá trình Hình 3-30. Cấu trúc phương pháp Knocker 82 Hình 3-31. Hình dạng xung ñiều khiển 83 Hình 3-32. Cấu trúc của phương pháp bù 84 Hình 4-2. Mô hình mô phỏng stiction valve 87 Hình 4-3 Mô phỏng hiện tượng Stiction valve 87 Hình 4-4. Sơ ñồ khối mô phỏng matlab/ Simulink ñiều chỉnh lưu lượng 88 Hình 4-5. Sơ ñồ khối mô phỏng matlab/ Simulink ñiều chỉnh mức 88 Hình 4-6. Tín hiệu ñặt và tín hiệu thực của ñáp ứng lưu lượng 88 Hình 4-7. Tín hiệu ñặt và tín hiệu thực của ñáp ứng mức 89 Hình 4-8. Sơ ñồ khối mô phỏng Stiction valve cho ñiều khiển lưu lượng 89 Hình 4-9. Sơ ñồ khối mô phỏng Stiction valve cho ñiều khiển mức 89 Hình.4-10. Tín hiệu trước và sau khối stiction trong ñiều khiển lưu lượng 90 Hình 4-11. ðáp ứng lưu lượng 90 Hình.4-12. Tín hiệu trước và sau khối stiction trong ñiều khiển mức 91 Hình 4-13. ðáp ứng mức 91 Hình 4-14. Sơ ñồ khối mô phỏng tín hiệu ra lý tưởng trong ñiều khiển lưu lượng 92 bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm8S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -9- Hình 4-15. Sơ ñồ khối mô phỏng tín hiệu ra lý tưởng trong ñiều khiển mức 92 Hình 4-16. Mô phỏng tín hiệu ra là lý tưởng trong ñiều khiển lưu lượng 92 Hình 4-17. Mô phỏng tín hiệu ra là lý tưởng trong ñiều khiển mức 93 Hình 4-18. Tín hiệu trước và sau khối stiction trong ñiều khiển lưu lượng 93 Hình 4-19. Tín hiệu trước và sau khối stiction trong ñiều khiển mức 94 III. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Hướng dẫn chọn ñặc tính lưu lượng khi ñiều khiển mức 50 Bảng 2-2 Hướng dẫn chọn ñặc tính lưu lượng theo cơ cấu ñiều khiển lưu lượng 50 Bảng 2.3 Các giá trị của Cv ñối với dải thường dùng của một loại van ñiều chỉnh 51 Bảng 3.1 Giá trị ma sát sử dụng trong mô hình vật lý của van 78 bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm9S ha Thị Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -10LỜI MỞ ðẦU Hệ thống ñiều khiển tự ñộng ngày nay ñã phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực công nghệ và phát triển song song với các kỹ thuật tiên tiến khác như ñiện - ñiện tử và máy tính. ðiều khiển tự ñộng ñã ñược ứng dụng vào nhiều ngành khác nhau và nhiều hệ thống ñiều khiển khác nhau ñã ñược ra ñời, ví dụ như ñiều khiển quá trình trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng, v.v... Ngày nay, trong mỗi nhà máy công nghiệp hệ thống ñiều khiển giám sát là thành phần không thể thiếu. Các hệ thống ñiều khiển và giám sát ñược sử dụng trong những lĩnh vực ñó có một số ñặc thù chung ñược gọi là các hệ thống ñiều khiển quá trình (Process Control System - PCS). Vì vậy, một hệ thống ñiều khiển quá trình bao gồm bốn yếu tố cần thiết: ño lường, ñiều khiển, vận hành và giám sát. Trong hệ thống ñiều khiển quá trình, phần tử cuối cùng chính là các thiết bị chấp hành xác ñịnh bởi ñầu ra của bộ ñiều khiển. Các phần tử này có thể là van ñiều khiển, thiết bị chuyển ñổi on - off, nhưng ñược dùng phổ biến trong hầu hết các vòng ñiều khiển công nghiệp chính là van ñiều khiển. Van ñiều khiển vẫn là bộ phận quyết ñịnh các hoạt ñộng ñiều khiển có chính xác không. Do ñó, có thể nói van ñiều khiển chính là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống ñiều khiển quá trình, cho phép ñiều chỉnh lưu lượng môi chất qua các ñường ống dẫn. Thực tế, ñã có nhiều nghiên cứu về van ñiều khiển nhưng ñi sâu giải quyết hiện tượng ma sát tĩnh của van (Stiction valve) thì còn rất hạn chế. Trong phạm vi luận văn với ñề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu lượng” tập trung nghiên cứu các vấn ñề cơ bản của van ñiều khiển, hiện tượng Stiction của van và ñưa ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ ñiều khiển quá trình. Toàn bộ luận văn ñược trình bày làm 4 chương: Chương 1. Vai trò ñiều khiển lưu lượng trong hệ ñiều khiển quá trình Chương 2. Vấn ñề cơ bản của ñiều chỉnh lưu lượng Chương 3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạch vòng ñiều chỉnh lưu lượng và giải pháp nâng cao chất lượng. Chương 4. Mô phỏng ñặc tính van ñiều chỉnh trong hệ ñiều khiển quá trình ðược sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS. TS. Bùi Quốc Khánh, em ñã hoàn thành luận văn ñáp ứng ñầy ñủ các yêu cầu của ñề tài. Mặc dù ñã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót nhất ñịnh. Em rất mong nhận ñược sự ñóng góp của các thầy cô và các bạn ñồng nghiệp ñể luận văn của em ñược hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Học viên Nghiêm Thị Hưng 10SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -11- Chương 1. VAI TRÒ CỦA ðIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG HỆ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. Khái quát chung ðiều khiển lưu lượng ñược sử dụng phổ biến trong sản xuất như ñiều khiển lưu lượng nhiên liệu trong các lò ñốt, ñiều khiển các dung dịch ñể pha trộn lượng chất...Trong các hệ ñiều khiển quá trình, lưu lượng ñóng vai trò có thể là ñại lượng ñiều khiển hoặc là biến ñiều khiển. Thực tế, người ta hay dùng hai ñơn vị tính lưu lượng: lưu lượng tính theo thể tích F (m3/s), lưu lượng tính theo khối lượng Q (kg/s). Môi chất trong ñiều khiển lưu lượng ở cả ba thể: chất rắn, chất lỏng, chất khí. - Chất lỏng: nước, dung dịch, … - Chất khí: khí ñốt, hơi nước, bụi bẩn… - Chất rắn: dạng bột, than, … Trong phần luận văn này nghiên cứu ñiều khiển lưu lượng môi chất ở dạng chất lỏng 1.2. Vai trò của ñiều khiển lưu lượng: Trong ñiều khiển lưu lượng, thiết bị chấp hành có thể là van ñiều khiển, thiết bị chuyển ñổi on - off, nhưng trên thực tế ta thấy có ñến hơn 80% ñược dùng phổ biến trong hầu hết các vòng ñiều khiển công nghiệp chính là van ñiều khiển. Nó là thiết bị chấp hành quan trọng nhất trong lĩnh vực ñiều khiển quá trình. Van ñiều khiển ñiều chỉnh lưu lượng chất lỏng như gas, hơi nước, nước hoặc hợp chất hoá học. ðiều khiển ñộ mở van, sẽ ñiều khiển ñược các biến ñiều khiển như: lưu lượng áp suất, nhiệt ñộ, nồng ñộ, mức..v.v.. Van ñiều khiển ñiều khiển lưu lượng môi chất ñi qua các ñường ống dẫn, ñể bù ñắp lại ảnh hưởng của nhiễu và thay ñổi giá trị biến ñiều khiển ñể có ñược ñại lượng cần ñiều khiển như mong muốn. ðặc tính của nó có ảnh hưởng rất lớn tới ổn ñịnh và chất lượng của ñiều khiển quá trình. Vì vậy, nghiên cứu mở van ñiều khiển là nhiệm vụ không thể thiếu trong ñiều khiển quá trình. 11SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -12- Van ñược thiết kế phong phú về chủng loại, kích cỡ, lớp áp suất…Vật liệu chế tạo van là thép, sắt, nhựa, ñồng thau, ñồng hoặc một số hợp kim ñặc biệt. Trong công nghiệp, van nhỏ nhất ñược biết ñến có khối lượng 0,45kg và lớn nhất là 10 tấn cùng với chiều cao lên ñến 24ft (6,1m). Hơn 90% van ñược sử dụng trong các hệ thống ñường ống có kích cỡ 4 in, kích cỡ ñường ống nhỏ nhất là 0,5 in và lớn nhất ñược dùng là 48in. Van ñược sử dụng trong dải áp suất từ chân không ñến hơn 13000 psi (897bar). Van ñiều khiển ñược ứng dụng trong các bài toán ñiều khiển mức, nồng ñộ, nhiệt ñộ và áp suất. Ví dụ: * Hệ thống ñiều khiển mức: Nguyên lý ñiều khiển: lưu lượng vào phải bằng lưu lượng ra. Chỉ cần sai số nhỏ trong giá trị ño lưu lượng hoặc sai số nhỏ trong mô hình van ñiều khiển cũng có thể làm tràn bình hoặc cạn bình. Hình 1.1. Sơ ñồ ñiều khiển mức * Hệ thống ñiều khiển nồng ñộ: Hình 1.2. Hệ thống ñiều khiển nồng ñộ 12SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -13- Giả thiết: c1và c2 là hằng số - lưu lượng w ra tùy ý (tự chảy). Phương trình cân bằng : w1c1 + w2c2 = (w1 + w2) c (1-1) Thay thế c bằng giá trị ñặt (SP): w2 = w1 (SP − c1 ) c2 − SP (1-2) * Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ: Như chúng ta ñã biết, nhiệt ñộ là môt trong những thành phần vật lý rất quan trọng. Việc thay ñổi nhiệt ñộ của một vật chất ảnh hưởng rất nhiều ñến cấu tạo, tính chất và các ñại lượng vật lý khác của vật chất. Ví dụ, sự thay ñổi nhiệt ñộ của một chất khí sẽ làm thay ñổi thể tích, áp suất của chất khí trong bình. Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong ñời sống sinh hoạt, thu thập các thông số và ñiều khiển nhiệt ñộ là ñiều rất cần thiết. Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm …thì vấn ñề ño và ñiều khiển nhiệt ñộ là ñặc biệt rất quan trọng vì nó là yếu tố quyết ñịnh ñến chất lượng của sản phẩm. Trong các lò nhiệt, máy ñiều hòa, máy lạnh hay cả trong lò viba, ñiều khiển nhiệt ñộ là tính chất quyết ñịnh cho sản phẩm ấy. Trong cả trong ngành luyện kim, cần phải ñạt ñến một nhiệt ñộ nào ñó ñể kim loại nóng chảy và cũng cần ñạt một nhiệt ñộ nào ñó ñể ủ kim loại nhằm ñạt ñược tốt các ñặc tính cơ học như ñộ bền, ñộ dẻo, ñộ chống gỉ sét…Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt ñộ nào ñó ñể nướng bánh, ñể nấu và ñể bảo quản…Việc thay ñổi thất thường nhiệt ñộ không chỉ gây hư hại ñến chính thiết bị ñang hoạt ñộng, còn ảnh hưởng ñến quá trình sản xuất, ngay chính trên sản phẩm ấy. Có nhiều phương pháp ñể ñiều khiển lò nhiệt ñộ, mỗi phương pháp ñiều mang ñến một kết quả khác nhau thông qua những phương pháp ñiều khiển khác nhau. 13SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -14- Phương trình của hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ: p dT p1 1 F1T1 + 2 F2T2 − FT = pV V dt pV (1-3) Hình 1.3. Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ Quá trình ñiều khiển nhiệt ñộ cho bình chất lỏng: Hình 1.4. Sơ ñồ ñiều khiển nhiệt ñộ của bình chất lỏng Dòng chất lỏng nóng và lạnh ñược kết hợp với nhau ở ñầu vào của ống cấp, chảy dọc theo chiều dài của ống trước khi ñổ vào bình. Mục ñích ñiều khiển là duy trì nhiệt ñộ trong bình bằng cách ñiều chỉnh lưu lượng nước nóng vào ống. 14SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -15- 1.3. Cấu trúc chung của ñiều khiển quá trình: (PV) Hình 1.5. Sơ ñồ cấu trúc hệ ñiều khiển quá trình Giá trị ñặt: Set Point (SP), Set Value (SV) Tín hiệu ñiều khiển: Control Signal, Controller Output (CO) Biến ñiều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV) Biến ñược ñiều khiển: Controlled Variable (CV) ðại lượng ño: Measured Variable, Process Value (PV) Tín hiệu ño: Measured Signal, Process Measurement (PM) Một hệ thống / thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ bộ ñiều khiển và thực hiện tác ñộng can thiệp tới biến ñiều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van ñiều khiển, ñộng cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống ñiều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình công nghệ. Van ñiều khiển vẫn là bộ phận quyết ñịnh các hoạt ñộng ñiều khiển có chính xác không. Do ñó, có thể nói van ñiều khiển là một bộ phận quan trọng trong một hệ thống ñiều khiển quá trình. Kết luận chương 1 Qua chương 1 ta nhận thấy: - Trong các hệ ñiều khiển quá trình, lưu lượng ñóng vai trò có thể là ñại lượng ñiều khiển hoặc là biến ñiều khiển. - Vai trò của ñiều khiển lưu lượng trong thực tế hay dùng ñó chính là van ñiều khiển - Van ñiều khiển ñược ứng dụng nhiều trong công nghiệp, nhất là trong các bài toán ñiều khiển mức, nồng ñộ, nhiệt ñộ và áp suất… 15SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -16- Chương 2. VẤN ðỀ CƠ BẢN CỦA ðIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG 2.1. Khái quát chung Trong mạch vòng ñiều khiển lưu lượng thường bao gồm: các ống dẫn môi chất (dung dịch hoặc khí), thiết bị ño lưu lượng, cơ cấu chấp hành là các loại van, bơm, quạt hoặc tấm chắn có ñiều chỉnh. Dưới ñây là một số phương pháp ñiều khiển lưu lượng dùng trong sản xuất: BT M FC FC FC TF TF Hình Hình2.1a:Cơ a: Cơ cấu cấuchấp chấphành hànhlàlàmáy máybơm bơm Hình 2.1b: Cơ cấu chấp hành là van rẽ nhánh FC TF Hình 2.1c: ðiều chỉnh lưu lượng thông qua van ñiều khiển loại tấm ngăn Hình 2.1. Một số cấu trúc mạch vòng ñiều khiển lưu lượng + Hình 2.1a: Cơ cấu chấp hành là máy bơm, ñiều chỉnh lưu lượng thông qua ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñược thực hiện bằng biến tần. + Hình 2.1b: Cơ cấu chấp hành là van rẽ nhánh ñiều khiển lưu lượng thông qua ñiều khiển dòng ñược thực hiện bằng mở van rẽ nhánh. + Hình 2.1c: ñiều khiển lưu lượng thông qua van ñiều khiển loại tấm ngăn có ñiều chỉnh. 16SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -17- 2.2. Cơ học chất lỏng Ta có thể mô tả dòng chảy của một chất lỏng nếu biết chuyển ñộng của từng hạt nguyên tố của chất lỏng. Tuy nhiên, vì số hạt quá lớn, nên ta không thể tiến hành cách nghiên cứu như vậy ñược. Việc nghiên cứu dòng chảy có thể ñược giới hạn ở chỗ chỉ cần biết chuyển ñộng tập thể của một nhóm hạt nguyên tố cấu thành cái mà ta gọi là một hạt chất lỏng. * Tĩnh học chất lỏng: Trong nghiên cứu về truyền nhiệt ñối lưu chúng ta chủ yếu quan tâm tới hiệu ứng của chất lỏng ở trạng thái chuyển ñộng. Tuy nhiên, chúng ta cũng phải phân tích tĩnh học chất lỏng (chất lỏng ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển ñộng với vận tốc không ñổi) ñể hiểu các tình huống dòng chảy. * ðịnh luật Pascal Áp suất tại một ñiểm trong chất lưu ở trạng thái tĩnh hoặc chuyển ñộng ñều bằng nhau ở tất cả các hướng. ðịnh luật Pascal cũng ñúng cho chất lỏng tăng tốc không ma sát. * Thủy tĩnh học: Hiệu áp suất, p2-p1, giữa hai ñiểm trong chất lỏng ở trạng thái tĩnh hoặc chuyển ñộng với vận tốc không ñổi tỉ lệ với sự khác nhau về chiều cao giữa hai ñiểm, y2-y1, mật ñộ chất lỏng ρ, và gia tốc cục bộ của lực hấp dẫn g. ρ 2 − ρ1 = − ρg gc ( y2 − y1 ) (2-1) Nếu ñộ cao y2 ñược lấy là ñiểm quy chiếu với áp suất bằng không, (2-1) ñược ñơn giản hóa thành: p =γh Trong ñó γ= (2-2) ρg g (2-2) ñược gọi là phương trình cân bằng tĩnh. 17SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -18- Thông thường sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng áp suất gauge, áp suất trên áp suất của khí quyển, ρ-ρatm, do rất nhiều thiết bị ño áp suất chỉ ra áp suất tương ứng với xung quanh. Hình 2.2 chỉ ra mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và áp suất chân không. Hình 2.2. Mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và áp suất chân không * ðộng học chất lỏng: Tương tự như các dòng nhiệt của các chương trước là các dạng khí ñộng học của chất lỏng. Hình 2-3 chỉ ra một dòng khí ñộng học là một dòng ảo, lấy tại một thời ñiểm trong trường dòng, sao cho vận tốc chất lỏng tại mọi ñiểm của dòng tiếp tuyến với nó. Do sự dịch chuyển chỉ xảy ra chỉ theo hướng của vector vận tốc, không có khối lượng ñi qua dòng khí ñộng học. Hình 2.3. Dòng chảy tầng 18SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -19- Một họ các dòng tạo thành một hình trụ của mặt phẳng cắt vi phân là một sợi dòng. Một ống dòng là mặt phẳng hữu hạn, ñược tạo bởi số lượng vô hạn các sợi dòng, dọc theo ñó không có dòng chảy. Khái niệm của một ống dòng ñơn giản việc phân tích dòng chảy chất lỏng do chất lỏng ñi vào ống dòng phải rời ñi, giả thiết không tạo ra hoặc phá hủy của khối bên trong. Bằng cách chú ý rằng các thành phần vận tốc theo các hướng x và y là: u= dx dt v= dy dt (2-3) Chúng ta có thể lấy các phương trình vi phân của một dòng bằng cách triệt tiêu dt, cho: udy = vdx (2-4) vdz = wdy (2-5) wdx = udz (2-6) Tương tự, Nếu, tại một thời ñiểm xác ñịnh, u, v và w là các hàm ñã biết của vị trí, bất kỳ hai phương trình nào từ (2-4) ñến (2-6) có thể tổng hợp ñể cho phương trình của dòng. * Chất dẫn xuất quan trọng: Khi tập trung chú ý vào một vùng xác ñịnh trong không gian không quan tâm ñến việc xác ñịnh các hạt chất lỏng bên trong nó tại một thời gian ñã cho – ñược biết là giải pháp Eulerian, tương phản với phương pháp Lagrangian tập trung vào chuyển ñộng của các hạt ñộc lập- trường vận tốc ñược cho trong hệ tạo ñộ ðề car bởi: V = iu + jv + kw (2-7) u = u ( x, y , z , t ) Trong ñó các thành phần v = vận v( x,tốc y , zlà , t )các hàm của không gian và thời gian, cụ thể. w = w( x, y , z , t ) (2-8) Sử dụng quy tắc dây chuyền ñối với vi phân từng phần, tốc ñộ thay ñổi của vận tốc V ñược cho bởi a= dV ∂V dx ∂V dy ∂V dz ∂V = + + + dt dx dt ∂y dt ∂y dt dt 19SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn (2-9) Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -20- Do ñó, ñối với một hạt chuyển ñộng, u=dx/dt, v=dy/dt và w=dz/dt, (2-9) có thể viết lại thành: a= dV ∂V ∂V ∂V ∂V = (u +v +w )+ dt dx dt ∂y ∂y (2-10) Phương trình ñược gọi là ñạo hàm chất lỏng, ñạo hàm toàn phần hay ñạo hàm thực chất, ký hiệu bởi DV/Dt. Ảnh hưởng của thời gian lên phản ứng của hạt ñược cho bởi gia tốc ñịa phương ∂V / ∂t ; sự phụ thuộc không gian ñược cho bởi gia tốc ñối lưu. * Các loại chuyển ñộng: Khi gia tốc cục bộ bằng không, ∂V / ∂t = 0 chuyển ñộng là ổn ñịnh. Thậm chí tốc ñộ có thể thay ñổi tương ứng với không gian, nó không thay ñổi tương ứng với thời gian. Streamline ñược cố ñịnh trong dòng chảy ổn ñịnh. Một dòng chảy phụ thuộc thời gian ∂V / ∂t ≠ 0 là không ổn ñịnh. Dòng chảy ñều xảy ra khi gia tốc ñối lưu bằng không. Vector vận tốc là xác ñịnh tại mọi ñiểm trong trường dòng chảy. Dòng chảy có thể không ổn ñịnh nhưng tốc ñộ phải thay ñổi xác ñịnh tại mọi ñiểm. Streamline là thẳng. Một ví dụ là dòng chảy dễ cháy không ma sát qua ống chảy thẳng dài, dòng chảy thay ñổi phụ thuộc vào khoảng cách. Một chất dễ cháy không ma sát sẽ chảy không ñồng ñều trong chỗ gấp khúc của ống (dòng chảy rối). Trong dòng chảy tầng, các thành tố hay thay ñổi di chuyển rất trôi chảy thành ñường song song với nhau. Một dòng chảy có màu ñược ñưa vào các dòng chảy tầng sẽ di chuyển trong một dòng chảy nhỏ. Gia tốc thấp trong các kênh phẳng có thể sản sinh ra dòng chảy tầng. Tuy nhiên, ở gia tốc cao, dòng chảy thay ñổi bất thường, ñược miêu tả bởi sự di chuyển ngẫu nhiên của các thành tố hay thay ñổi xuất hiện. Màu sắc ñược ñưa vào dòng chảy sẽ phá vỡ và khuếch tán qua trường chảy. Dòng chảy bất thường - dòng chảy rối luôn không ổn ñịnh trong chiều tuyệt ñối. Tuy nhiên, chúng ta thi thoảng nghĩ về dòng chảy bất thường, ñược minh hoạ trên hình 25 cũng chỉ ra dòng chảy tầng không ổn ñịnh. Trong khi tìm ra sự khác nhau giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối vào năm 1883, Orborne Reynolds chú ý ñến loại dòng chảy phụ thuộc vào tham số vô hướng VD/v, nơi mà V là gia tốc hay thay ñổi 20SThị ha bi Trung tm Hc liu – i hc Thi Nguyn Học viên: Nghiêm Hưng http://www.lrc-tnu.edu.vn