Chương 9 Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu

Chương 9 CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG VÀ MỨC CHẤT LƯU 1. Cảm biến đo lưu lượng 2. Cảm biến đo mức chất lưu 1. Cảm biến đo lưu lượng 1.1. Lưu lượng và phương pháp đo 1.2. CB đo lưu lượng theo thể tích 1.3. CB đo lưu lượng theo tốc độ 1.4. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp 1.5. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi 1.6. CB đo lưu lượng điện từ 1.1. Lưu lượng và đơn vị đo a) Lưu lượng và đơn vị đo: lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. • Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m3/s, m3/ giờ ... • Lưu lượng khối lượng (G) tính bằng kg/s, kg/giờ ... 1.1. Lưu lượng và đơn vị đo • Lưu lượng trung bình: • Lưu lượng tức thời: dt dVQ = hoặc dt dmG =(m3/s) t VQtb ∆ ∆ = t mG tb ∆ ∆ =(m3/s) (kg/s)hoặc 1.1. Lưu lượng và đơn vị đo b) Phương pháp đo: • Đếm trực tiếp thể tích chất lưu trong một khoảng thời gian xác định ∆t. • Đo vận tốc chất lưu khi lưu lượng là hàm của vận tốc. • Đo độ giảm áp khi lưu lượng là hàm phụ thuộc độ giảm áp. • Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp. 1.2. CB đo lưu lượng theo thể tích 1.2.1. Nguyên lý đo: đếm trực tiếp lượng thể tích chất lưu đi qua buồng chứa có thể tích xác định của cảm biến. dt dnn = - Tốc độ quay của trục lưu kế)( nq dt dNq dt dVQ vv ===• Lưu lượng tức thời: ( ) 12 12v tb tt NNq t VQ − − = ∆ ∆ =• Lưu lượng trung bình: (qv – thể tích chất lưu đi qua cảm biến trong một vòng quay của trục cảm biến) 1.2.1. Nguyên lý đo • Phương pháp đếm số vòng quay và đo tốc độ quay: + Dùng nam châm quay + cuộn dây → xung điện. + Dùng tốc độ kế quang. + Dùng mạch đo tần số hoặc điện áp. 1.2. CB đo lưu lượng theo thể tích 1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng: a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 4. Chất lưu 5. Của vào 1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng • Ở vị trí (a) chất lưu làm quay bánh răng (2) đẩy thể tích chất lỏng (V1) sang cửa ra đồng thời làm bánh răng (1) quay theo (vị trí b). • Ở vị trí (c) chất lưu làm bánh răng (1) quay → quá trình lặp lại. • Thể tích chất lưu đẩy sang cửa ra: 021v V2VVq =+= 1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng • Thường đo thể tích chất lưu ∆V trong khoảng thời gian t1 đến t2: ( qc - hệ số lưu lượng kế ; Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị của lưu lượng kế tại thời điểm t1 và t2) ( )1c2cc NNqV −=∆ • Đếm số vòng quay hoặc đo tốc độ ⇒ Q tức trung bình hoặc Q tức thời. 1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng b) Đặc điểm: • Giới hạn đo từ 0,01 - 250 m3/giờ, • Cấp chính xác 0,5; 1, • Tổn thất áp suất nhỏ, • Yêu cầu chất lỏng đo phải được lọc tốt, • Gây ồn khi làm việc. 1.2.2. Lưu lượng kế kiểu cánh a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. 2. 3. 4. 5. 1.2.2. Lưu lượng kế kiểu cánh • Thể tích chất lưu đi qua lưu lượng kế trong một vòng quay (qv) bằng thể tích vành khí giữa vỏ và tang quay. • Đếm số vòng quay hoặc đo tốc độ nhờ cơ cấu liên kết với trục lưu lượng kế ⇒ Q tức trung bình hoặc Q tức thời. 1.2.2. Lưu lượng kế kiểu cánh b) Đặc điểm: • Đo lưu lượng chất khí. • Đo lưu lượng đến 100 - 300 m3/giờ • Cấp chính xác 0,25; 0,5. 1.3. CB đo lưu lượng theo tốc độ 1.3.1. Nguyên lý đo: • Dựa trên quan hệ: v – tốc độ dòng chảy; S – tiết diện ngang của ống dẫn. • Biết S đo v ⇒ Q. S.vQ = 1.3.2. Lưu lượng kế tuabin hướng trục a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. 2. 3. 4. 1.3.2. Lưu lượng kế tuabin hướng trục • Đo thể tích chất lưu đi qua lưu lượng kế trong khoảng thời gian t1 ÷ t2: • Tốc độ quay của trục tuabin: v.kn = • Lưu lượng: n k SS.vQ == ( )12 NNk SV −= (Với - tổng số vòng quay của lưu lượng kế trong khoảng thời gian t1 ÷ t2) ∫=− 2 1 t t 12 dt.nNN 1.3.2. Lưu lượng kế tuabin hướng trục b) Đặc điểm: • Đường kính tuabin từ 50 ÷ 300 mm, • Phạm vi đo từ 50 ÷ 300 m3/giờ, • Cấp chính xác 1; 1,5; 2. 1.3.3. Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc: 1.3.3. Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến b) Đặc điểm: • Đường kính tuabin từ 15 - 40 mm; • Phạm vi đo từ 3 - 20 m3/giờ; • Cấp chính xác thấp 2; 3. 1.4. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp 1.4.1. Nguyên lý đo: • Dựa vào sự phụ thuộc của độ giảm áp vào tốc độ của dòng chảy khi đi qua tiết diện bị thu hẹp. ⇒ Khảo sát trường hợp dòng chảy lý tưởng qua màng chắn (chất lưu không bị nén). 1.4.1. Nguyên lý đo • Phân bố vận tốc của một dòng chảy lý tưởng qua thiết bị thu hẹp: (v) tăng dần từ v1 (A-A) → đạt vmax (B-B) → giảm dần đến v3’(C-C). • Phân bố áp suất: (p) tăng dần từ p1’ (A-A) → p1(trước màng chắn), giảm xuống p2 (sau màng chắn)→ cực tiểu p2’ (B-B) → tăng dần trở lại →p3’ (C-C). 1.4.1. Nguyên lý đo • Vận tốc dòng chảy tại B-B: ( )'2'1222 pp2m 1v − ρµ−ξ = p1’, p2’ - á.s. tĩnh tại A-A & B-B. ρ - tỉ trọng chất lưu. ξ - hệ số tổn thất thuỷ lực. M=F0/F1 - tỉ số thu hẹp của TB, µ = F2/F0 - hệ số thu hẹp DC 21 ' 2 ' 1 pppp −ψ=−• Thay ⇒ ( )21222 pp 2 m v − ρµ−ξ ψ = 1.4.1. Nguyên lý đo • Lưu lượng: ( )21 2 pp2 4 dG −ρpiα= ( )21 2 pp2 4 dQ − ρ pi α=hoặc 4 2c pi= Với • Khi chất lưu chịu nén → đưa vào hệ số hiệu chỉnh ε (ε <1): ( )21 ppcG −ραε= hoặc ( )21 pp1cQ −ραε= - hệ số lưu lượng 22mµ−ξ µψ =α Với 1.4.2. Thiết bị thu hẹp a) Màng ngăn: ) Màng ngăn ) Màng ngăn hình phểu a) Màng ngăn 1.4.2. Thiết bị thu hẹp Đặc điểm: v Màng ngăn chuẩn (a) cấu tạo đơn giản; dễ chế tạo, lắp đặt; tổn thất của dòng chảy lớn→ đo lưu lượng các dòng chảy có trị số Re > Re tới hạn. v Màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt (b, c) khó chế tạo; tổn thất của dòng chảy nhỏ; hệ số α xác định theo mỗi thiết bị→ đo lưu lượng các dòng chảy có trị số Re < Re tới hạn. 1.4.2. Thiết bị thu hẹp b) Ống thu hẹp (ống venturi): Cấu tạo: Đặc điểm: biên dạng gần giống với biên dạng dòng chảy khi bị thu hẹp; dòng chảy biến đổi từ từ →tổn thất bé; khó chế tạo và lắp đặt. 1.4.3. Mạch đo a) Các bộ phận của mạch đo: • Các bộ phận cơ bản: + Thiết bị thu hẹp; + Thiết bị đo áp. • Các bộ phận khác: + Bộ biến đổi điện; + Bộ tích phân lưu lượng; + Bộ tính khối lượng chất lưu; + Bộ tính toán xử lý số liệu; + Bộ biến đổi tỉ trọng chất lưu … 1.4.3. Mạch đo b) Yêu cầu lắp đặt: • Lỗ của thiết bị thu hẹp phải đồng tâm với ống dẫn. • Ống đo áp phải đặt ngay trước và sau thiết bị thu hẹp. • Trước và sau thiết bị thu hẹp, ống dẫn phải có một đoạn thẳng không thay đổi tiết diện, không có van hoặc các vật cản làm thay đổi dòng chảy với chiều dài cần thiết. 1.4.3. Mạch đo c) Một số mạch đo: 1.4.3. Mạch đo • Hệ thống đo lưu lượng kiểu ЭΤИД 9&10) Chổi điện ) Vành bán khuyên 1.5. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: b) Sơ đồ có bộ biến đổi điện 1. Ống hình côn 2. Phao 3. Thước đo 4. 1.5. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi • Khi phao đang ở vị trí cân bằng, giả sử Q tăng→ p1 tăng → phao bị đẩy lên → tiết diện khe hở (F) tăng → p1 giảm cho đến khi đạt cân bằng mới: 21 PGP += S.pGS.p 21 +=⇒ const S Gpp 21 ==−⇒ • Lưu lượng: F.kp.2F.Q =∆ ρ α= )constp.2.k( =∆ ρ α= Q=f(F) ⇒ Q phụ thuộc vị trí phao. 1.5. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi b) Đặc điểm và ứng dụng: • Cấu tạo đơn giản; • Dễ lắp đặt. • Ứng dụng: đo lưu lượng nhỏ. 1.6. CB đo lưu lượng điện từ a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc: . 1.6. CB đo lưu lượng điện từ • Dựa vào hiệu ứng cảm ứng điện từ: Khi chất lưu có tính dẫn điện chảy qua ống→ xuất hiện suất điện động cảm ứng: Q.kQ D B4D.v.BE = pi == (B- cường độ từ trường; v- tốc độ trung bình của dòng chảy; D- đường kính ống; k =4B/piD = const - hệ số tỉ lệ) 1.6. CB đo lưu lượng điện từ b) Đặc điểm, ứng dụng: • Không cần phải đo tỉ trọng chất lỏng, • Các phần tử hạt, bọt khí và tác động của môi trường (như nhiệt độ, áp suất, ...) không làm thay đổi độ dẫn điện của chất lưu sẽ không ảnh hưởng đến kết quả đo. • Đường kính ống từ 10 ÷ 1.000 mm; • Phạm vi đo 1 ÷ 2.500 m3/giờ với v = 0,6÷10 m/s, chất lưu có độ dẫn điện >10-5 - 10-6 simen/m; • Cấp chính xác 1; 2,5. 2. Cảm biến đo mức chất lưu 2.1. Khái niệm và phương pháp đo 2.2. CB đo mức theo phương pháp thủy tĩnh 2.3. CB đo mức theo phương pháp điện 2.4. CB đo mức theo phương pháp bức xạ 2.1. Khái niệm và phương pháp đo a) Khái niệm: • Đo mức: xác định mức hoặc lượng chất lưu trong bình chứa (dạng đo liên tục) +Xác định ngưỡng: phát hiện mức ngưỡng có đạt hay không (dạng đo theo ngưỡng). 2.1. Khái niệm và phương pháp đo b) Phương pháp đo: • 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. 2.2. CBĐM theo PP thủy tĩnh a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. Dây mềm 1. Cảm biến 2. 1. Phao 2. 3. CB đo lực 1 2 1 2 3 1 2 3 5 4 2.2. CBĐM theo PP thủy tĩnh • Trường hợp (a): phao nâng hạ theo mức chất lỏng → đo mức ↔ đo vị trí bằng CB đo vị trí. • Trường hợp (b): mức chất lỏng thay đổi → lực nâng phao thay đổi → đo mức ↔ đo lực bằng CB đo lực: • Trường hợp (c): mức chất lỏng thay đổi → áp suất p thay đổi: → → đo mức ↔ đo lực chên lệc áp suất bằng CB áp suất vi sai. gShPF ρ−= ghpp 0 ρ+= ghppp 0 ρ=−=∆ 2.3. CBĐM theo phương pháp điện 2.3.1. Cảm biến độ dẫn 2.3.2. Cảm biến tụ điện 2.3.1. Cảm biến độ dẫn a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc: a) CB đo mức c) Cảm biến phát hiện mức b) CB đo mức Điện cực 2 Điện cực 1 ~ 10V ~ 10V Điện cực 2 Điện Cực 1 Điện cực 1 Điện cực 2 2.3.1. Cảm biến độ dẫn • Trường hợp (a) và (b): Biên độ dòng điện trong mạch tỉ lệ chiều dài phần điện cực nhúng trong kim loại: I0 = k.h. • Trường hợp (c): Biên độ dòng điện trong mạch tăng đột ngột khi chất lưu chạm điện cực ở các mức ngưỡng. 2.3.1. Cảm biến độ dẫn b) Đặc điểm: • Cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt; • Dễ biến đổi thành tín hiệu điện; • Chỉ đo với chất lưu có độ dẫn điện > 50µScm-1. 2.3. Cảm biến tụ điện a) CB đo mức chất lưu không dẫn điện: a) Điện cực 2 Điện cực 1 Thành bình Điện cực ε1 ε0 ε1 ε0 • Do ε1≠ε0 → mức chất lưu (h) thay đổi →Ctụ thay đổi. Đo Ctụ ⇒ h. 2.3. Cảm biến tụ điện b) Cảm biến đo mức chất lưu không dẫn điện: Lớp cách điện Điện cực 1 Điện cực 2 • Mức chất lưu (h) thay đổi→Stụ thay đổi→Ctụ thay đổi . Đo Ctụ ⇒ h. 2.4. CBĐM theo PP bức xạ a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. Nguồn phát tia 2. Bộ thu 3. Chất lưu (60Co hoặc 137Cs) 2.4. CBĐM theo PP bức xạ • Trường hợp (a): Khi chất lưu đạt ngưỡng → hấp thụ tăng nhanh →chùm tia giảm mạnh → thay đổi đột ngột tín hiệu ra giảm → đạt ngưỡng. • Trường hợp (b): Khi mức chất lưu tăng → hấp thụ tăng dần → chùm tia giảm dần → tín hiệu ra giảm theo. Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa. 2.4. CBĐM theo PP bức xạ b) Đặc điểm: • Đo mức không cần tiếp xúc với môi trường đo; • Đo mức ở điều kiện môi trường có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh.