Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Chế biến và bảo quản nông sản sau thu hoạch là khâu then chốt trong chuỗi giá trị nông nghiệp, đặc biệt tại các quốc gia nhiệt đới có sản lượng trái cây dồi dào. Phương pháp sấy khô truyền thống bằng phơi nắng tự nhiên tuy có chi phí thấp nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết, khó kiểm soát độ ẩm, dễ nhiễm vi sinh vật và bụi bẩn, dẫn đến suy giảm chất lượng thành phẩm. Việc ứng dụng các hệ thống sấy công nghiệp quy mô lớn đòi hỏi chi phí đầu tư cao, không phù hợp với quy mô hộ gia đình, phòng thí nghiệm hoặc cơ sở sản xuất nhỏ lẻ.

Từ bối cảnh thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM với đề tài "Thiết kế và chế tạo lò sấy nông sản" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Xây dựng hoàn chỉnh một mô hình lò sấy trái cây mini tích hợp đầy đủ hệ thống gia nhiệt, cấp và lưu thông khí nóng, cảm biến đo lường và bộ điều khiển tự động.
    • Ứng dụng kiến thức kỹ thuật cơ điện tử (điều khiển quá trình, điều khiển tự động, đo lường và điều khiển bằng máy tính) để kiểm soát chính xác nhiệt độ sấy.
    • Tạo tiền đề phát triển mô hình thành sản phẩm thương mại dân dụng phục vụ sấy nông sản với hiệu suất cao và chi phí hợp lý.

  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:

    • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết công nghệ sấy và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nông sản/trái cây.
    • Tính toán nhiệt động học, thiết kế cơ khí 3D và mô phỏng khí động học cho buồng sấy.
    • Thiết kế, thi công hệ thống điện - điện tử, mạch đo lường xử lý tín hiệu cảm biến nhiệt độ và mạch công suất.
    • Xây dựng mô hình toán học (nhận dạng hàm truyền đối tượng lò sấy) và thiết lập giải thuật điều khiển nhiệt độ PID/PI.
    • Lập trình firmware điều khiển trên vi điều khiển và xây dựng giao diện giám sát, thu thập dữ liệu trên máy tính.
    • Vận hành thực nghiệm kiểm chứng với các mẫu trái cây và nông sản thực tế.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị sấy đối lưu nhiệt cưỡng bức và quy trình sấy các loại nông sản thực phẩm (thử nghiệm trên chuối, mít, cà rốt).
    • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình lò sấy mini vận hành trong phòng thí nghiệm; dải nhiệt độ điều khiển từ nhiệt độ môi trường đến dưới 100°C (thử nghiệm tại $70^\circ\text{C}$ và $80^\circ\text{C}$); đối tượng điều khiển chính là nhiệt độ buồng sấy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học và truyền khối trong công nghệ sấy nông sản:

  • Quan hệ nhiệt và truyền ẩm: Quá trình bay hơi ẩm và cân bằng nhiệt lượng được mô tả qua hệ phương trình vi phân: $$Q_1 = (C_0 m_0 + C_n m_n) \frac{dt}{d\tau}$$ $$Q_2 = r \frac{dm_n}{d\tau} = r \frac{du}{d\tau}$$ Trong đó: $Q_1$ là nhiệt lượng nung nóng vật sấy, $Q_2$ là nhiệt lượng làm bay hơi nước, $r$ là nhiệt hóa hơi của nước liên kết (kJ/kg), $m_0$ và $m_n$ lần lượt là khối lượng chất khô và khối lượng nước trong vật ẩm.
  • Động học quá trình sấy: Nghiên cứu phân chia quá trình thành 2 giai đoạn: giai đoạn nung nóng (tốc độ sấy không đổi, nhiệt độ vật sấy bằng nhiệt độ bay hơi của nước) và giai đoạn giảm tốc độ sấy (hình thành 3 vùng nhiệt độ $t_1 < t_2 < t_3$ từ tâm ra bề mặt).
  • Mô hình toán học của lò sấy: Đối tượng lò nhiệt được mô hình hóa dưới dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ (First Order Plus Dead Time - FOPDT): $$G(s) = \frac{K}{Ts + 1} e^{-\tau s}$$
  • Phương pháp hiệu chỉnh bộ điều khiển: Áp dụng phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID theo quy tắc Ziegler-Nichols (Ziegler-Nichols 1 và Ziegler-Nichols 2).

Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng

  1. Phương pháp phân tích - tính toán lý thuyết: Tính toán cân bằng nhiệt, lượng ẩm cần bốc hơi ($\Delta W$), lượng không khí tiêu tốn ($l, L$), nhiệt lượng tiêu hao ($Q_{cal}$) và công suất thiết bị gia nhiệt điện trở.
  2. Phương pháp thiết kế và mô phỏng cơ khí: Sử dụng phần mềm SolidWorks 2014 để thiết kế mô hình 3D kết cấu khung vỏ, buồng sấy, buồng gia nhiệt; dùng phần mềm ANSYS để phân tích luồng khí động học và sự phân bố vận tốc gió trong buồng sấy.
  3. Phương pháp thiết kế mạch điện tử: Sử dụng phần mềm Proteus 7.8 để thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in cho khối nguồn đối xứng, mạch tiền khuếch đại cảm biến nhiệt độ.
  4. Phương pháp nhận dạng hệ thống: Thực nghiệm kích hoạt đáp ứng vòng hở, thu thập dữ liệu nhiệt độ theo thời gian thực và xử lý số liệu trên phần mềm MATLAB để tìm hàm truyền của lò sấy theo phương pháp hai điểm quy chiếu.
  5. Phương pháp lập trình và giám sát: Lập trình điều khiển nhúng trên nền tảng vi điều khiển ATmega2560 (Arduino IDE); lập trình giao diện người - máy (GUI) giám sát, cài đặt thông số và lưu trữ dữ liệu thời gian thực trên Visual Studio 2008.
  6. Phương pháp thực nghiệm: Chạy kiểm tra đáp ứng bám điểm đặt (setpoint) của bộ điều khiển PI và thực hiện các mẻ sấy mẫu nông sản để đánh giá độ ẩm, màu sắc và cảm quan.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc cơ khí và khí động

Hệ thống được thiết kế theo nguyên lý sấy đối lưu cưỡng bức không tuần hoàn:

  • Kích thước bao ngoài lò sấy: Dài $850\text{ mm} \times \text{Rộng } 610\text{ mm} \times \text{Cao } 650\text{ mm}$.
  • Kích thước buồng sấy: Dài $610\text{ mm} \times \text{Rộng } 550\text{ mm} \times \text{Cao } 410\text{ mm}$.
  • Hệ thống khay sấy: 3 khay chứa sản phẩm bằng vật liệu đảm bảo vệ sinh thực phẩm, kích thước mỗi khay $590 \times 510 \times 5\text{ mm}$, khoảng cách giữa các tầng khay là $100\text{ mm}$.
  • Cấu trúc lưu thông khí: Không khí ngoài môi trường được quạt thổi hút vào buồng gia nhiệt chứa dây điện trở, sau đó dòng khí nóng được dẫn qua hệ thống ống dẫn khí vào buồng sấy trùm lên các khay sản phẩm, cuối cùng được quạt hút tản nhiệt hỗ trợ đưa khí ẩm ra ngoài môi trường.

Hệ thống Điện - Điện tử và Điều khiển

Hệ thống phần cứng điều khiển bao gồm các khối chức năng chính:

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị sử dụng Thông số kỹ thuật chính
Vi điều khiển trung tâm Board Arduino Mega 2560 (ATmega2560) Xung nhịp $16\text{ MHz}$, $54\text{ I/O}$ số ($15\text{ PWM}$), $16\text{ Analog In}$, Flash $256\text{ KB}$, SRAM $8\text{ KB}$, EEPROM $4\text{ KB}$
Cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở Platin Pt100 (dạng dây quấn) Tầm đo $-50^\circ\text{C} \div +400^\circ\text{C}$, sai số $\pm 0.45^\circ\text{C}$ tại $0^\circ\text{C}$, vỏ thép không gỉ $\varnothing 6\text{ mm} \times 100\text{ mm}$
Mạch khuếch đại đo lường Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) Tạo nguồn dòng nhỏ ($\approx 1\text{ mA}$) chống tự nung, khuếch đại tuyến tính tín hiệu điện áp về dải $0 \div 5\text{V}$
Phần tử chấp hành nhiệt Dây điện trở nhiệt (Calorife) Công suất định mức $350\text{ W}$, cấp nhiệt cho tác nhân sấy
Khối đóng cắt công suất Rơle bán dẫn Solid State Relay (SSR) Fotek 25DA Dòng tải cực đại $25\text{ A}$, áp điều khiển $3 \div 32\text{VDC}$, áp tải $90 \div 380\text{VAC}$, kích hoạt Zero Cross Trigger
Khối cấp gió (Quạt thổi) Quạt ly tâm MB480-D Điện áp $220\text{VAC}$, tốc độ $2800 \div 3350\text{ rpm}$, lưu lượng $56.5 \div 63.5\text{ CFM}$, áp suất tĩnh $0.61 \div 0.906\text{ inH}_2\text{O}$
Khối thoát khí (Quạt hút) Quạt hút tản nhiệt DC Kích thước $120 \times 120 \times 38\text{ mm}$, điện áp $24\text{VDC}$, dòng $0.48\text{ A}$
Đồng hồ thời gian thực Module RTC DS1307 (Dallas Semiconductor) Giao tiếp $I^2\text{C}$, định dạng giờ/ngày (HH:MM:SS, YY-MM-DD), bộ nhớ đệm $56\text{ Bytes}$
Khối hiển thị tại chỗ Graphic LCD 128x64 (Controller KS0108) Độ phân giải $128 \times 64$ điểm ảnh (sử dụng 2 chip KS0108), giao tiếp song song 8-bit
Khối nguồn cấp Bộ nguồn tổ ong $24\text{VDC}$, mạch hạ áp LM7812/LM7912, LM2576 Cung cấp nguồn $+24\text{V}$ (quạt hút), $\pm 12\text{V}$ dòng $1\text{ A}$ (mạch Op-Amp Pt100), $+5\text{V}$ dòng $3\text{ A}$ (Arduino, LCD)

Phần mềm điều khiển và Giao diện giám sát

  • Thuật toán điều khiển nhúng: Bộ điều khiển vi xử lý nhận tín hiệu nhiệt độ buồng sấy từ Pt100, tính toán sai lệch so với giá trị đặt (Setpoint), thực thi thuật toán điều khiển PI/PID và điều chế tín hiệu kích SSR theo phương thức đóng cắt qua điểm không (Zero-crossing) để ổn định nhiệt độ buồng sấy.
  • Giao diện giám sát (GUI): Xây dựng trên nền tảng Visual Studio 2008, kết nối với phần cứng qua cổng giao tiếp nối tiếp UART/USB, cho phép hiển thị đồ thị nhiệt độ tức thời, cài đặt ngưỡng nhiệt độ và thời gian sấy, đồng thời ghi nhận và lưu trữ dữ liệu vận hành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu công nghệ sấy và bảo quản nông sản tại Việt Nam. Tác giả phân tích hiện trạng tiêu thụ trái cây sấy khô, nêu rõ ưu điểm của nông sản sấy trong việc giữ lại năng lượng, khoáng chất và kéo dài thời gian bảo quản. Chương này xác định mục tiêu thiết kế một hệ thống sấy nhiệt mini hoàn chỉnh, đồng thời giới thiệu các thành phần cơ bản của lò sấy (buồng gia nhiệt, bộ phận cấp khí, buồng sấy, cảm biến Pt100, bộ điều khiển Arduino Mega 2560 và bộ hiển thị LCD). Phương pháp luận và các công cụ nghiên cứu (SolidWorks, ANSYS, Proteus, MATLAB, Visual Studio) cũng được thiết lập rõ ràng.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết công nghệ sấy

Chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết nhiệt - ẩm và so sánh các phương pháp sấy hiện đại: sấy năng lượng mặt trời, sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấy thăng hoa và sấy bằng điện trường cao tần.

So sánh các phương pháp sấy được tổng hợp trong Chương 2:
- Sấy năng lượng mặt trời: Chi phí thấp, cấu tạo đơn giản; nhược điểm: phụ thuộc thời tiết, khó kiểm soát thông số.
- Sấy đối lưu: Kết cấu linh hoạt, dễ chế tạo, chi phí hợp lý, phù hợp nhiều loại nông sản; nhược điểm: vận tốc gió và phân bố nhiệt cần tính toán kỹ.
- Sấy bức xạ: Cường độ trao đổi nhiệt cao, thời gian sấy nhanh; nhược điểm: chênh lệch nhiệt độ bề mặt và tâm lớn, dễ cháy cục bộ.
- Sấy thăng hoa: Chất lượng sản phẩm cao, giữ nguyên cấu trúc vi mô; nhược điểm: chi phí đầu tư và vận hành rất cao, áp suất buồng < 4.5 mmHg (610.5 Pa).
- Sấy cao tần: Tốc độ gia nhiệt nhanh, không quá nhiệt bề mặt; nhược điểm: chi phí thiết bị lớn.

Ngoài ra, chương này phân tích các dạng chuyển động của tác nhân sấy (cùng chiều, ngược chiều, dòng cắt ngang) và ảnh hưởng của nhiệt độ ($>60^\circ\text{C}$ gây biến tính protein, khống chế ngưỡng $80 \div 90^\circ\text{C}$), tốc độ gió ($0.4 \div 4\text{ m/s}$), độ ẩm không khí ($10 \div 30%$) cùng quy trình sơ chế 12 bước trong công nghệ sấy trái cây.

Chương 3: Thiết kế mô hình lò sấy

Chương 3 tập trung vào quy trình tính toán nhiệt động và thiết kế hình học cho mô hình lò sấy đối lưu. Tác giả xác định đặc tính của đối tượng sấy (độ ẩm trái cây tươi $>70 \div 85%$, thành phần chứa đường, axit hữu cơ, carbohydrate) và thiết lập các công thức xác định lượng ẩm bốc hơi $\Delta W$, lưu lượng khí cần thiết $L$, nhiệt lượng $Q_1, Q_2, Q_{tt}$ và tổng nhiệt lượng tiêu hao $Q_{cal}$. Kết quả thiết kế được hiện thực hóa bằng mô hình 3D trên SolidWorks và được kiểm chứng động học dòng khí trên ANSYS nhằm đánh giá độ đồng đều của vận tốc dòng tác nhân sấy qua các khay chứa.

Chương 4: Tính toán, thi công phần cứng

Chương 4 trình bày chi tiết quá trình gia công cơ khí và lắp ráp mạch điện tử. Tác giả công bố các thông số kích thước thực tế của lò sấy ($850 \times 610 \times 650\text{ mm}$), buồng sấy ($610 \times 550 \times 410\text{ mm}$) và 3 khay chứa ($590 \times 510 \times 5\text{ mm}$). Phần cứng điện tử được xây dựng chi tiết từ mạch nguồn ($\pm 12\text{V}$, $+24\text{V}$, $+5\text{V}$), mạch xử lý tín hiệu cảm biến nhiệt độ Pt100 dựa trên phương trình Callendar-Van Dusen ($R_T = R_0[1 + AT]$), rơle bán dẫn SSR Fotek 25DA điều khiển điện trở nhiệt $350\text{ W}$, quạt thổi MB480-D, module RTC DS1307 giao tiếp $I^2\text{C}$, mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 và màn hình Graphic LCD 128x64 KS0108.

Chương 5: Thiết kế giao diện giám sát và lập trình điều khiển

Chương 5 xây dựng phần mềm và giải thuật điều khiển. Tác giả phân tích đặc tính toán học của đối tượng lò nhiệt dưới dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ, trình bày cấu trúc điều khiển hồi tiếp PID và phương pháp tính toán tham số theo Ziegler-Nichols. Phần mềm giám sát được thiết kế với hai chức năng chính: giao diện truyền nhận/giám sát nhiệt độ thời gian thực và giao diện cài đặt thời gian/lưu trữ dữ liệu vào máy tính.

Chương 6: Thực nghiệm và phân tích

Chương 6 trình bày các kết quả thực nghiệm:

  • Nhận dạng hệ thống vòng hở và phân tích phổ nhiễu tần số cao trong miền tần số để tìm hàm truyền thực tế của lò sấy.
  • Thử nghiệm bộ điều khiển PI với các giá trị điểm đặt nhiệt độ ($70^\circ\text{C}$ và $80^\circ\text{C}$), ghi nhận đáp ứng quá độ, độ vọt lố và sai số xác lập của hệ thống.
  • Thực nghiệm sấy thực tế trên 3 loại nông sản: chuối, mít và cà rốt; theo dõi sự biến thiên nhiệt độ và đánh giá trạng thái co ngót, màu sắc và độ khô của mẫu thử.

Chương 7: Kết luận

Chương 7 tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu, đánh giá các ưu điểm và hạn chế của mô hình phần cứng/phần mềm đã chế tạo, đồng thời nêu các định hướng phát triển tiếp theo cho hệ thống sấy.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  1. Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng lò sấy:
    • Hoàn thiện mô hình cơ khí lò sấy đối lưu mini với dung tích buồng sấy $610 \times 550 \times 410\text{ mm}$, tích hợp 3 tầng khay sấy tháo lắp linh hoạt.
    • Xây dựng hệ thống gia nhiệt $350\text{ W}$, hệ thống cấp khí với quạt ly tâm MB480-D ($2800 \div 3350\text{ rpm}$, $56.5 \div 63.5\text{ CFM}$) và quạt hút $24\text{VDC}$ giúp luân chuyển tác nhân sấy đồng đều.
    • Mạch đo nhiệt độ Pt100 được thiết kế chống tự nung với dòng đo $\approx 1\text{ mA}$, đảm bảo độ chính xác trong toàn dải đo nhiệt độ sấy.
  2. Hệ thống điều khiển và phần mềm:
    • Nhận dạng thành công hàm truyền đối tượng lò sấy và thiết lập bộ thông số điều khiển PI/PID ổn định.
    • Hệ thống đáp ứng tốt với các điểm đặt nhiệt độ $70^\circ\text{C}$ và $80^\circ\text{C}$, duy trì độ ổn định nhiệt độ buồng sấy trong quá trình sấy nông sản.
    • Xây dựng thành công giao diện GUI trên máy tính phục vụ giám sát đồ thị nhiệt độ, cài đặt thời gian thực và lưu trữ dữ liệu thực nghiệm.
  3. Kết quả thực nghiệm sấy nông sản:
    • Thực nghiệm thành công trên chuối sấy, mít sấy và cà rốt sấy; sản phẩm đầu ra đạt độ khô, màu sắc tự nhiên, không bị cháy khét hay biến tính quá mức.

Đóng góp của đề tài

  • Tích hợp liên ngành cơ khí, điện tử, nhiệt động lực học và điều khiển tự động để giải quyết bài toán chế tạo thiết bị chế biến nông sản quy mô nhỏ.
  • Cung cấp mô hình tham khảo đầy đủ từ tính toán lý thuyết, bản vẽ thiết kế 3D, sơ đồ mạch điện nguyên lý đến chương trình nhúng và phần mềm điều khiển trên máy tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Quán tính nhiệt của lò sấy còn tương đối lớn, thời gian đáp ứng nhiệt khi thay đổi điểm đặt còn trễ.
  • Thời gian đáp ứng của cảm biến Pt100 trong môi trường không khí chậm hơn so với môi trường chất lỏng (khoảng $10\text{ s}$).
  • Phân bố dòng khí nóng trong buồng sấy ở các vị trí góc chưa đạt độ đồng đều tuyệt đối, đòi hỏi phải tiếp tục hiệu chỉnh cơ học (đường kính ống dẫn và dạng quạt).
  • Hệ thống chỉ điều khiển kín theo kênh nhiệt độ, chưa đo lường và điều khiển tự động theo độ ẩm của vật sấy trong suốt chu trình.

Hướng phát triển trong tương lai

  • Cải tiến khí động học hệ thống ống dẫn khí và tối ưu hóa vị trí quạt thổi/hút để tăng tính đồng đều của trường nhiệt độ.
  • Tích hợp thêm cảm biến độ ẩm trực tiếp trong buồng sấy để tự động nhận biết thời điểm kết thúc quá trình sấy của từng loại nông sản.
  • Nghiên cứu áp dụng các thuật toán điều khiển nâng cao (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ - Fuzzy Logic) nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của điện trở nhiệt.
  • Mở rộng thử nghiệm trên các loại nông sản có giá trị kinh tế cao và cấu trúc phức tạp hơn như măng cụt, vải thiều.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng thực tế cao:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh và Công nghệ Thực phẩm.
  • Các nội dung giá trị để tham khảo:
    • Quy trình tính toán phụ tải nhiệt, lượng không khí tiêu tốn và chọn công suất điện trở cho buồng sấy nhiệt.
    • Thiết kế mạch tiền khuếch đại cho cảm biến nhiệt điện trở Pt100 sử dụng nguồn dòng vi sai chống sai số tự nung.
    • Phương pháp nhận dạng thực nghiệm hàm truyền lò nhiệt và thuật toán lập trình điều khiển công suất tải AC thông qua SSR đóng cắt qua điểm không (Zero-crossing).
    • Kiến trúc tích hợp vi điều khiển Arduino Mega 2560 với Graphic LCD KS0108, module thời gian thực DS1307 và giao tiếp máy tính qua C# / Visual Studio.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp sấy đối lưu thay vì sấy thăng hoa hay sấy bức xạ?

Phương pháp sấy đối lưu được lựa chọn do cân bằng tối ưu giữa chi phí chế tạo, độ phức tạp của kết cấu và chất lượng sản phẩm đầu ra đối với nông sản/trái cây. Sấy thăng hoa tuy cho chất lượng rất cao nhưng đòi hỏi môi trường chân không sâu (áp suất dưới $4.5\text{ mmHg} / 610.5\text{ Pa}$) và hệ thống làm lạnh đông phức tạp, chi phí đầu tư rất lớn. Sấy bức xạ dễ gây hiện tượng chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và lớp sâu bên trong, dễ làm nứt nẻ hoặc sẫm màu sản phẩm. Sấy đối lưu cưỡng bức dùng điện trở và quạt thổi giúp hệ thống nhỏ gọn, dễ vận hành và phù hợp với quy mô nghiên cứu/dân dụng.

2. Cảm biến Pt100 trong đồ án gặp phải nhược điểm gì và tác giả đã khắc phục bằng cách nào?

Cảm biến Pt100 có hiện tượng tự nung (self-heating) do nhiệt lượng tỏa ra $Q = I^2 R t$ khi có dòng điện chạy qua, gây sai số đo lường nhiệt độ. Ngoài ra, thời gian đáp ứng của Pt100 trong môi trường không khí khá chậm (khoảng $10\text{ s}$). Để khắc phục hiện tượng tự nung, nhóm tác giả đã thiết kế mạch khuếch đại thuật toán cấp một nguồn dòng rất nhỏ (khoảng $1\text{ mA}$) đi qua Pt100, đồng thời giữ mối quan hệ điện trở - nhiệt độ ở trạng thái tuyến tính theo phương trình Callendar-Van Dusen: $$R_T = R_0(1 + AT)$$

3. Khối chấp hành công suất nhiệt sử dụng linh kiện gì và nguyên lý đóng cắt như thế nào?

Hệ thống sử dụng rơle bán dẫn Solid State Relay (SSR) Fotek 25DA để điều khiển cấp nguồn cho dây điện trở nhiệt $350\text{ W}$. SSR nhận tín hiệu điều khiển logic $3 \div 32\text{VDC}$ từ vi điều khiển Arduino và đóng ngắt tải xoay chiều $90 \div 380\text{VAC}$ theo phương pháp Zero Cross Trigger (đóng cắt tại điểm điện áp 0V của sóng sin), giúp triệt tiêu xung nhiễu điện từ tần số cao trên lưới điện.

4. Kích thước cơ bản của buồng sấy và thông số hệ thống quạt trong đồ án là bao nhiêu?

  • Buồng sấy có kích thước: Dài $610\text{ mm} \times \text{Rộng } 550\text{ mm} \times \text{Cao } 410\text{ mm}$, chứa 3 khay sấy kích thước $590 \times 510 \times 5\text{ mm}$ cách nhau $100\text{ mm}$.
  • Quạt thổi sử dụng loại quạt ly tâm MB480-D (nguồn $220\text{VAC}$, công suất dòng $0.14 \div 0.18\text{ A}$, tốc độ $2800 \div 3350\text{ rpm}$, lưu lượng $56.5 \div 63.5\text{ CFM}$, cột áp tĩnh $0.61 \div 0.906\text{ inH}_2\text{O}$).
  • Quạt hút tản nhiệt sử dụng nguồn $24\text{VDC}$, dòng $0.48\text{ A}$, kích thước $120 \times 120 \times 38\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo lò sấy nông sản" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán nhiệt động lực học, thiết kế cơ khí 3D, thi công mạch điện tử đo lường - công suất đến lập trình thuật toán điều khiển PI trên vi điều khiển Arduino Mega 2560 và giao diện giám sát Visual Studio. Kết quả thử nghiệm trên chuối, mít và cà rốt khẳng định tính đúng đắn của giải thuật điều khiển nhiệt độ buồng sấy tại các ngưỡng $70^\circ\text{C}$ và $80^\circ\text{C}$, đảm bảo chất lượng cảm quan và độ khô của nông sản. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, có tính ứng dụng cao cho việc phát triển các dòng máy sấy thực phẩm mini phục vụ quy mô dân dụng và bán công nghiệp.