Thiết bị đo mức. Nguyên lý và cấu hình lắp đặt

Các phương pháp đo mức Hiện nay phép đo mức được thực hiện trong nhiều lĩnh vực công nghệ theo những nguyên lý hoạt động khác nhau, tùy thuộc vào các yếu tố như kích thước và hình dáng

THIẾT BỊ ĐO MỨC NGUYÊN LÝ-CẤU HÌNH-LẮP ĐẶT-ỨNG

DỤNG

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Khái niệm chung 5

1.2 Các phương pháp đo mức 6

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO MỨC 9

2.1 Đo mức sử dụng cảm biến áp suất 9

2.1.1 Nguyên lý 9

2.1.2 Hướng dẫn lắp đặt 13

2.1.3 Điều kiện hoạt động 14

2.1.4 Điều kiện công nghệ 15

2.2 Đo mức sử dụng cảm biến kiểu điện dung 15

2.2.1 Nguyên lý 15

2.2.2 Hướng dẫn lắp đặt 18

2.2.3 Điều kiện hoạt động 24

2.2.4 Điều kiện công nghệ 24

2.3 Đo mức sử dụng phao chìm (đo mức kiểu thế chỗ) 24

2.3.1 Nguyên lý 24

2.3.2 Hướng dẫn lắp đặt 27

2.3.3 Điều kiện hoạt động 29

2.3.4 Điều kiện công nghệ 29

2.4 Đo mức sử dụng sóng siêu âm 30

2.4.1 Nguyên lý 30

2.4.2 Hướng dẫn lắp đặt 31

2.4.3 Điều kiện hoạt động 35

2.4.4 Điều kiện công nghệ 35

2.5 Đo mức sử dụng sóng radar 36

2.5.1 Nguyên lý 36

2.5.2 Các kiểu cảm biến đo mức sử dụng sóng radar và ứng dụng 38

2.5.3 Tầm đo và khoảng cách giới hạn 41

2.5.4 Điều kiện đo 41

2.5.5 Hướng dẫn lắp đặt 42

2.5.6 Điều kiện hoạt động 44

2.5.7 Điều kiện công nghệ 45

2.6 Đo mức sử dụng phóng xạ 45

2.6.1 Nguyên lý và ứng dụng 45

2.6.2 Hệ thống đo 47

2.6.3 Tính toán tín hiệu đo 49

2.6.4 Giá trị đo, độ nhạy, tầm đo 52

2.6.5 Hướng dẫn lắp đặt 54

2.6.6 Điều kiện hoạt động 56

2.6.7 Điều kiện công nghệ 56

1 MỤC ĐÍCH

Tài liệu này biên soạn nhằm mục đích giới thiệu các kiến thức cơ bản về nguyên lý hoạt động, nguyên lý cấu tạo, đặc tính kỹ thuật, cách thức lắp đặt, cấu hình, kiểm tra và cân chỉnh các thiết bị đo mức

2 PHẠM VI ÁP DỤNG

Tài liệu này áp dụng cho các thiết bị, hệ thống đo mức trong Nhà máy công nghiệp Tài liệu này không thay thế cho tài liệu nhà sản xuất, khi cần có thể tham khảo

tài liệu của nhà sản xuất

3 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển – Lê Văn Doanh,

Nguyễn Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – 2006

Giáo trình cảm biến – Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến – Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật – 2008

Giáo trình đo lường điện và cảm biến đo lường – Nguyễn Văn Hòa, Bùi

Đăng Thảnh, Hoàng Sỹ Hồn – Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam – 2009

Tài liệu của các nhà sản xuất Endress & Hauser, Omega Engineering,

Yokogawa, Magnetrol,…

Website: http://www.endress.com

http://www.omega.com http://www.yokogawa.com http://www.engineeringtoolbox.com http://us.magnetrol.com

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm chung

Mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay hạt có tiết diện không thay đổi trong các thiết bị công nghệ và là tham số cần xác định để kiểm tra chế độ làm việc của thiết bị, điều khiển các quá trình sản xuất Mặt khác nhờ đo mức người ta có thể xác định được khối lượng chất lỏng trong các bồn, bể chứa, hoặc dùng để phân loại hay kiểm kê hàng hóa,…Đơn vị đo mức là đơn vị đo chiều dài

Nhu cầu tự động hóa các hệ thống xử lý, sự nghiêm ngặt của những quy chuẩn trong điều khiển quá trình, và những yêu cầu ngày càng khắt khe trong môi trường đo mức khiến cho những hệ thống đo mức phải tin cậy hơn, chính xác hơn Kết quả đo chính xác cao hơn làm giảm thiểu những khả năng sai lệch trong quá trình xử lý, nâng cao chất lượng của sản phẩm đầu ra, giảm chi phí

Đo mức có thể thực hiện đo liên tục hoặc xác định theo ngưỡng Đo liên tục là quá trình đo trong đó tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bồn chứa Khi

đo theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dưới dạng nhị phân để phát hiện tình trạng mức có đạt hay không để điều khiển quá trình làm việc của bồn chứa

Những tác nhân của quá trình đo lường ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo mức là áp suất, nhiệt độ, chất ăn mòn, bọt khí, cánh khuấy, môi trường và mức độ độc hại của hoá chất,… Những tác nhân khi thay đổi về vật liệu ảnh hưởng đến phép đo mức là tỷ trọng, thành phần hoá học, vật liệu bám dính và các đặc tính về điện của vật liệu, …

Theo phạm vi đo người ta chia thành phạm vi đo rộng và hẹp Phạm vi đo rộng (giới hạn từ 0.5 20 m) dùng cho các quá trình kiểm kê hàng hóa, còn phạm vi đo hẹp (giới hạn từ 0 100 mm hay 0 45 mm) thường dùng trong hệ thống điều khiển tự động

Khi công nghệ đo mức phát triển thì dữ liệu từ cảm biến truyền về hệ thống điều khiển và giám sát phải được mã hóa ở dạng dữ liệu thích hợp Trong đó, những dạng tín hiệu đầu ra hữu dụng là dạng tín hiệu ở dạng mạch vòng (current loops), tín hiệu tương tự (analog signals) và tín hiệu số (digital signals) Tín hiệu điện áp tương tự

là dạng tín hiệu dễ thiết lập và giải mã, tuy nhiên nó lại dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố

ngoại vi Tín hiệu mạch vòng 4-20 mA là dạng tín hiệu thông dụng ngày nay Dạng tín hiệu này có thể truyền ở khoảng cách xa mà ít bị suy hao Dạng tín hiệu số được mã hóa dưới dạng giao thức bất kỳ (như Foundation Fieldbus, Hart, Honeywell DE, Profibus hay RS-232) là dạng tín hiệu tốt nhất Tuy nhiên, đối với những công nghệ cũ như RS-232 thì tín hiệu số chỉ có thể được truyền ở khoảng cách nhất định Nhờ vào công nghệ không dây mới phát triển, tín hiệu dưới dạng số có thể truyền được ở khoảng cách xa hơn nhiều mà hầu như không ảnh hưởng gì đến chất lượng tín hiệu truyền

1.2 Các phương pháp đo mức

Hiện nay phép đo mức được thực hiện trong nhiều lĩnh vực công nghệ theo những nguyên lý hoạt động khác nhau, tùy thuộc vào các yếu tố như kích thước và hình dáng của bồn, nhiệt độ và áp suất hoạt động, và các đặc tính của vật liệu, nhưng phổ biến nhất là phép đo mức dùng phao, đo mức dựa vào áp suất thủy tĩnh, đo mức dùng cảm biến điện dung, đo mức dùng sóng siêu âm, đo mức bằng dùng radar, đo mức dùng phóng xạ,…

- Đo mức dùng phao

Phao có nguyên lý làm việc rất đơn giản Phao là một vật nổi đặt trên mặt nước do trọng lực của chất lỏng và không khí phía trên tác động Để theo dõi mức độ dao động của chất lỏng, ta gắn một thiết bị cơ khí với phao Những hệ thống phao đầu tiên sử dụng các thiết bị cơ khí như dây cáp, thước dây, ròng rọc và bánh răng để theo dõi mức dao động của chất lỏng Ngày nay, người ta thường sử dụng phao từ

Phương pháp này không giới hạn về mức cao của bồn, độ chính xác không cao, phí đầu tư thấp, giới hạn về mức áp suất làm việc

Cảm biến mức kiểu sủi bọt có một ống dẫn khí xuống đáy bình chứa để tạo bọt khí Khi khí được dẫn vào, áp suất trong ống sẽ tăng cho đến khi thắng được áp suất của chất lỏng trong bình Giám sát áp suất trong ống dẫn khí, ta sẽ tính ra mức chất lỏng trong bình chứa

Cảm biến áp suất vi sai đo mức bằng cách đo độ chênh lệch áp suất tổng ở đáy bình chứa và áp suất tĩnh hay còn gọi là áp suất của khoảng không khí trong bình chứa

để tính ra mức của chất lỏng Loại cảm biến này lấy không khí bên ngoài làm tham chiếu

- Đo mức dùng phao từ tính

Một chiếc phao từ tính đặt trong ống phụ gắn thông 2 đầu với bình chứa Do vậy, khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng thì mức chất lỏng trong ống phụ cũng sẽ tăng tương ứng hoặc ngược lại Và phao từ tính trong ống phụ cũng dâng lên hoặc hạ xuống tương ứng theo mức chất lỏng trong ống phụ Một con thoi trên màn hình hiển thị chuyển động theo phao từ tính, do vậy ta xác định được mức chất lỏng Thước đo

từ tính chỉ hoạt động được khi ống phụ được làm bằng vật liệu không hấp thụ từ tính Thước đo từ tính có thể được sử dụng ở những nơi có nhiệt độ, áp suất cao, hay trong những chất lỏng ăn mòn

- Đo mức dùng cảm biến điện dung

Cảm biến mức điện dung hoạt động dựa trên sự khác biệt hằng số điện môi giữa chất lưu và không khí Điều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp này là hằng

số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí, thường là gấp đôi Khi mức chất lưu thay đổi thì hằng số điện môi cũng thay đổi tương ứng

- Đo mức dùng tia laser

Cảm biến mức tia laser có nguyên lý hoạt động đơn giản, dùng tốc độ của ánh sáng để xác định mức Cảm biến laser được đặt trên nóc bình chứa phát một tia laser xuống bề mặt chất lưu Tia này bị phản xạ ngược lại tới bộ phát hiện của cảm biến Đo thời gian đi của tia sáng và tính toán ra mức của chất lưu Lợi thế của tia laser là không

bị phân tán, không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và được truyền thẳng qua không khí

Phương pháp đo bằng tia laser có độ chính xác cao, ngay cả trong điều kiện môi trường hơi nước hay bọt bóng, và có khoảng cách đo lớn Đây là phương pháp lý tưởng trong những bình chứa có nhiều vật cản, có áp suất và nhiệt độ cao

- Đo mức dùng sóng siêu âm

Cảm biến mức dùng sóng siêu âm có nguyên lý làm việc như cảm biến mức dùng tia laser, tuy nhiên dùng tốc độ sóng siêu âm để xác định mức thay vì dùng tốc

độ ánh sáng để xác định mức Cảm biến mức dùng sóng siêu âm xác định mức bằng cách đo khoảng thời gian từ lúc truyền sóng tới lúc nhận được sóng phản hồi tại bề mặt vật liệu Cảm biến mức sóng siêu âm sử dụng sóng ở dải tần số 10 KHz Tốc độ truyền của sóng phụ thuộc vào loại khí và nhiệt độ của khí bên trong bình chứa

- Đo mức dùng sóng radar

Cảm biến mức radar sử dụng antenna đặt trên nóc bình chứa phát ra những chùm sóng radar xuống bề mặt chất lưu Tính toán khoảng cách từ đầu antenna tới bề mặt chất lưu dựa vào thời gian di chuyển của sóng radar từ lúc phát đi tới lúc nhận được Ở phương pháp này, nếu hằng số điện môi của chất lưu thấp có thể ảnh hưởng tới chất lượng của kết quả đo, vì lượng năng lượng sóng phản hồi phụ thuộc vào hằng

số điện môi của chất lưu Nếu hằng số điện môi thấp, sóng radar sẽ bị hấp thụ vào dung dịch hoặc đi xuyên qua

Sóng radar cũng bị phân tán giống như sóng siêu âm Thành bình chứa, cặn bám vào antenna, hay các vật cản cũng có thể gây ra tín hiệu sai lệch cho cảm biến Để khắc phục nhược điểm này, những thuật toán phức tạp sử dụng logic mờ được tích hợp cho bộ phát tín hiệu Nhưng nếu như vậy lại xảy ra một khó khăn khác đó là việc lập trình trở nên phức tạp và phải thay đổi theo từng môi trường

Một giải pháp được coi là câu trả lời cho những khó khăn trên đó là một loại cảm biến radar dẫn sóng Một ống dẫn sóng làm bằng vật liệu cứng hay một dây

antenna làm thiết bị dẫn sóng radar từ nóc bình chứa xuống bề mặt chất lưu và đưa tín hiệu về bộ nhận Phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp trước

- Đo mức dùng phóng xạ

Đo mức dùng phóng xạ là phương pháp đo không tiếp xúc, lắp bên ngoài bồn cần đo mức Phù hợp với môi trường nhiệt độ áp suất cao, vật liệu ăn mòn Tuy nhiên đòi hỏi các yêu cầu về an toàn nghiêm ngặt và giá cực cao, khi sử dụng phải có giấy phép sử dụng, chứng nhận và kiểm tra

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO MỨC

2.1 Đo mức sử dụng cảm biến áp suất

Hình 2.1.1 Cảm biến đo mức dựa vào áp suất

2.1.1 Nguyên lý

Do khối lượng, cột chất lỏng sẽ tạo ra một áp suất tại đáy bồn Khi mức chất lỏng càng cao thì áp suất tạo ra bởi cột chất lỏng này càng cao Ví dụ cột chất lỏng có

chiều cao là h, tỷ trọng chất lỏng là ρ, gia tốc trọng trường là g thì áp suất tạo bởi cột

chất lỏng này là p .g h Do đó, nếu chúng ta biết áp suất gây ra bởi cột chất lỏng

và tỷ trọng chất lỏng, chúng ta có thể tính được chiều cao của cột chất lỏng

Áp suất gây ra bởi cột chất lỏng sẽ có thay đổi khi chất cần đo bị thay đổi tỷ trọng Sự thay đổi của tỷ trọng gây ra là do sự thay đổi nhiệt độ hoặc các thành phần của lưu chất cần đo

- Đo mức trong bồn hở

Lưu ý, áp suất đo được ở đáy bồn bao gồm cả áp suất khí quyển lên bề mặt chất lỏng và áp suất thủy tĩnh gây ra bởi cột chất lỏng Tuy nhiên, để xác định chiều cao của cột chất lỏng, ta phải xác định áp suất tương đối (áp suất gây ra bởi cột chất lỏng), chứ không phải áp suất tuyệt đối

Phần tử đo hoạt động theo nguyên lý của một cảm biến đo chênh áp, đưa ra giá trị áp suất chênh lệch giữa áp suất tại đáy bồn và áp suất khí quyển, đó chính là áp suất thủy tĩnh gây ra bởi cột chất lỏng

Phần tử đo được cách ly với lưu chất và bên ngoài bằng hai màng đo Do được bịt kín, nên phần tử đo hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi sự ngưng tụ của chất lỏng hay sự xâm nhập của khí Áp suất tại đáy bồn tác động lên phần tử đo bằng các phương tiện (màng ceramic, metallic hay dầu thủy lực, chẳng hạn) mà không gây tổn hao áp suất

Hình 2.1.2 Đo mức chất lỏng trong bồn hở

Hình 2.1.3 Đo mức chất lỏng trong bồn hở

Một số phần tử đo có tích hợp cảm biến nhiệt độ, để xác định phân bố nhiệt

độ Từ đó có thể tính toán bù sai số do dao động nhiệt độ

Giá trị áp suất chênh lệch sẽ đƣợc tính toán, xử lý, chuẩn hóa thành giá trị đo mức và gửi ra hiển thị trên đồng hồ đo hay gửi về bộ điều khiển

Vị trí của đồng hồ đo hoặc cảm biến là điểm tới hạn để xác định mức

- Đo mức trong bồn kín

Có thể xác định áp suất chênh lệch trong bồn kín bằng cách sử dụng hai cảm biến áp suất Một cảm biến xác định áp suất ở bề mặt chất lỏng, một cảm biến xác định

áp suất ở đáy bồn Các giá trị áp suất đo đƣợc từ hai cảm biến sẽ đƣợc gửi đến bộ xử lý

để xác định áp suất chênh lệch và từ đó tính toán ra giá trị đo mức

Hình 2.1.4 Đo mức chất lỏng trong bồn kín

Có thể xác định tỷ trọng của chất lỏng trong bồn nếu biết chiều cao cột chất lỏng và áp suất do cột chất lỏng gây ra

Hình 2.1.5 Xác định tỷ trọng chất lỏng

- Đo mức kết hợp với việc xác định tỷ trọng

Đo mức kết hợp với việc xác định lại tỷ trọng (khi có thay đổi môi trường chất lỏng trong bồn) có thể thực hiện được khi kết hợp với một Limit Switch Limit Switch luôn tác động tại một mực chất lỏng cố định Tại điểm Limit Switch tác động, bộ xử lý

sẽ xác định tỷ trọng đúng của chất lỏng từ áp suất của cột chất lỏng đo được và khoảng cách đã biết giữa cảm biến áp suất và Limit Switch Giá trị tỷ trọng mới của chất lỏng

sẽ được sử dụng để tính toán giá trị đo mức

Hình 2.1.6 Đo mức kết hợp xác định tỷ trọng chất lỏng

2.1.2 Hướng dẫn lắp đặt

- Compact version

Luôn lắp đặt thiết bị ở dưới điểm đo thấp nhất

Không lắp đặt thiết bị tại các vị trí có màng che kín, tại ngõ ra của bồn hay tại các vị trí trong bồn mà áp suất bị ảnh hưởng bởi các thiết bị khác (như là bơm, khuấy, )

Việc hiệu chuẩn, kiểm tra chức năng của thiết bị có thể thực hiện dễ dàng nếu lắp đặt thiết bị sau một valve khóa

- Rod and cable version

Khi lắp đặt cảm biến kiểu Rod and cable, đảm bảo đầu dò được đặt tại vị trí không bị ảnh hưởng bởi dòng chảy Để bảo vệ đầu dò khỏi va đập do chuyển động, lắp đặt đầu dò trong một ống dẫn plastic, hay cố định bằng thiết bị kẹp

Chiều dài của cáp và que đầu dò tùy thuộc vào việc lựa chọn điểm zero Đỉnh của đầu dò phải ở dưới điểm zero

- Thiết bị khác

Màng cách ly

Không sử dụng các vật sắc hay cứng để cầm, treo hay vệ sinh màng cách ly Việc lắp đặt màng cách ly không ảnh hưởng đến kết quả đo nếu không làm thủng và không đặt một sức nặng nào lên màng của phần tử đo áp suất Một số cảm biến có màng cách ly được bảo vệ khỏi hư hỏng cơ học bằng một vỏ plastic

Làm kín thiết bị

Khi lắp đặt thiết bị vào bồn, đặt đệm làm kín vào đúng bề mặt làm kín Quấn

và làm kín ren bằng cao su non Khi siết chặt thiết bị, không được siết quá chặt, sử dụng công cụ thích hợp, không được nắm housing của thiết bị vặn

Làm kín hộp thiết bị, đấu nối

Lưu ý, không để hộp thiết bị ẩm ướt khi lắp đặt đầu dò, kết nối thiết bị với hệ thống Luôn vặn chặt vỏ hộp và các đầu cáp Vòng đệm làm kín của hộp phải được bôi

mỡ hay silicone làm kín

Bộ chuyển đổi lắp đặt hộp thiết bị xa điểm đo trên bồn

Nếu không gian lắp đặt hạn chế, hoặc có dao động nhiệt độ mạnh tại thành bồn, hoặc điều kiện môi trường gần bồn không cho phép, thì có thể gắn housing tách biệt khỏi điểm đo trên bồn bằng thiết bị thích hợp Nhà sản xuất cung cấp các thiết bị chuyển đổi và lắp đặt thích hợp, có thể lắp đặt trên đường ống hay trên tường

Hình 2.1.7 Lắp đặt thiết bị tách biệt điểm đo

2.1.3 Điều kiện hoạt động

Lưu ý các điều kiện giới hạn nhiệt độ môi trường, khả năng chống rung, chống sốc, cấp bảo vệ, tương thích điện từ, bảo vệ quá áp

2.1.4 Điều kiện công nghệ

Lưu ý các điều kiện giới hạn nhiệt độ chất lỏng, áp suất

2.2 Đo mức sử dụng cảm biến kiểu điện dung

Hình 2.2.1 Cảm biến đo mức kiểu điện dung

2.2.1 Nguyên lý

Đo điện dung là một phép đo lượng điện tích lũy trên bản cực của một tụ điện Một tụ điện được chế tạo gồm hai bản cực dẫn điện được cách ly bằng chất điện môi (không dẫn điện) Cảm biến kiểu điện dung có thể được sử dụng để đo mức cũng như cảm biến áp suất Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo mức kiểu điện dung dựa trên

sự thay đổi điện dung của tụ điện do sự thay đổi mức chất lỏng, rắn trong bồn

Một điều quan trọng cần xem xét khi sử dụng cảm biến kiểu điện dung là khả năng dẫn điện của chất lỏng Cảm biến kiểu điện dung có thể làm việc với cả chất lỏng dẫn điện và không dẫn điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bồn chứa nếu thành bồn làm bằng kim loại Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất

lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức của chất lỏng được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bồn Điều kiện áp dụng phương pháp này là hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi)

Hình 2.2.2 Nguyên lý đo mức bằng cảm biến kiểu điện dung

Có một sự khác biệt đáng kể giữa hằng số điện môi của khí hoặc hơi và hằng

số điện môi của chất lỏng và chất rắn quá trình Trong phép đo mức liên tục, giá trị điện dung sẽ tăng khi mức của vật liệu cần đo tăng Cảm biến nhận ra sự thay đổi về điện dung khi mức thay đổi và chuyển đổi nó thành tín hiệu tỷ lệ với mức Từ đó có thể hiển thị giá trị đo mức

Trong trường hợp chất lỏng là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp cách điện đóng vai trò chất điện môi còn chất lỏng đóng vai trò điện cực thứ hai

Trong nhiều trường hợp mà đòi hỏi cảm biến kiểu điện dung có hai đầu dò Bởi vì khoảng cách từ thành bồn đến đầu dò sẽ khác nhau theo độ cao, ngõ ra của cảm biến sẽ không tuyến tính theo sự thay đổi của mức trong bồn nếu thành bồn được sử dụng như một bản cực của tụ điện Để đo chính xác, khoảng cách giữa hai bản cực (hai vật dẫn) của tụ điện phải luôn giống nhau trên toàn dải đo Có thể sử dụng một cảm biến mức với hai đầu dò nếu như thành bình không phải là vật liệu dẫn điện

Hình 2.2.3 Đo mức kiểu điện dung có hai đầu dò

Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo của cảm biến kiểu điện dung là:

• Nhiệt độ tăng làm giảm hằng số điện môi của vật liệu

• Nếu cấu tạo hoặc kích thước các hạt của vật liệu quá trình thay đổi, hằng số điện môi cũng bị ảnh hưởng

Lưu ý, những vật liệu khác nhau sẽ có hằng số điện môi khác nhau Nếu thành phần của chất cần đo mức thay đổi thì dụng cụ đo phải được cân chỉnh lại

Đầu dò điện dung sẽ có dải đo bằng với chiều dài của nó

Phương pháp này có ưu điểm là đạt được độ tuyến tính trong khoảng đo lớn, dùng đo mức của các chất lỏng dễ bay hơi, dễ nổ và ăn mòn, khoảng đo từ 0 5 m

Hình 2.2.4 Nguyên lý đo mức bằng cảm biến kiểu điện dung một đầu dò

Hình 2.2.5 Nguyên lý đo mức bằng cảm biến kiểu điện dung hai đầu dò

Để cân chỉnh thiết bị đo mức kiểu điện dung, đưa mức chất lỏng về điểm zero (hoặc gần zero) và tiến hành cân chỉnh mức thấp Tăng mức chất lỏng lên full scale (hoặc gần full scale) và cân chỉnh mức cao Transmitter sẽ tuyến tính hóa giá trị

đo dựa vào các thông số đo được của 2 điểm này

2.2.2 Hướng dẫn lắp đặt

Khi lắp đặt cảm biến đo mức kiểu điện dung, cần lưu ý:

Không nên lắp đặt đầu dò ở vị trí bị che chắn trong bồn vì đầu dò có thể không kết hợp được với thành bồn để tạo thành hai bản cực

Khi lắp đặt cảm biến đo mức trong các bồn có khuấy, trộn, phải lưu ý lắp đặt thiết bị tại các vị trí an toàn, đảm bảo khoảng cách tối thiểu với thiết bị khuấy

Khi lắp đặt, không được để dòng chất lỏng chảy vào hay chất rắn đưa vào bồn chứa hướng thẳng trực tiếp vào đầu dò

Phải lưu ý góc của dòng vật liệu đưa vào bồn hay ngõ ra của phiễu khi xác định vị trí gắn đầu dò và chiều dài của đầu dò

Khi lắp đặt nhiều đầu dò trong một bồn chứa, phải đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các đầu dò

Khi lắp đặt các đầu dò, các khớp nối ren nên càng ngắn càng tốt

Sự ngưng tụ hay dư lượng sản phẩm có thể xảy ra tại khớp nối dài và ảnh hưởng đến tính chính xác của đầu dò

Trường hợp nhiệt độ trong bồn chứa cao, phải cách ly bề mặt ngoài của bồn chứa để tránh quá nhiệt thiết bị Việc cách nhiệt cũng hạn chế tích tụ các chất gần đầu

dò, khớp nối, giảm nguy cơ, sai số

Hình 2.2.6 Các vị trí lắp đặt

- Hướng dẫn lắp đặt đối với đầu dò kiểu rod

Hình 2.2.7 Hướng dẫn lắp đặt đối với đầu dò kiểu rod

• Trường hợp lắp đặt đúng

a Để phát hiện mức cao nhất, sử dụng cảm biến có khớp nối ren ngắn

b Để phát hiện mức thấp nhất, sử dụng cảm biến có khớp nối ren ngắn

c Nếu có thành bồn có tích tụ một lớp mỏng thì khớp nối được hàn bên trong Đầu dò được lắp đặt hơi hướng xuống để các chất bám trên đầu dò có thể trượt xuống dễ dàng

• Trường hợp lắp đặt không đúng

d Khớp nối quá dài, có thể gây tích tụ các chất bên trong và dẫn đến sai số

e Việc lắp đặt theo phương ngang dẫn đến nguy cơ tác động sai khi các chất tích tụ nặng trên thành bồn

f Lắp đặt tại vị trí xảy ra tích tụ các chất trong bồn, thiết bị sẽ không phát hiện khi bồn rỗng

• Lắp đặt trên thành bồn làm bằng xin măng, phải sử dụng một tấm thép được nối đất, gắn vào thành bồn để tạo thành một bản điện cực Lớp cách nhiệt sẽ được gắn vào tấm thép và giúp ngăn việc tích tụ các chất tại khớp nối của đầu dò

Hình 2.2.8 Lắp đặt dầu dò kiểu rod trên thành bồn làm bằng xi măng

• Lắp đặt trên thành bồn làm bằng nhựa, phải sử dụng một tấm thép gắn vào thành bồn để tạo thành một bản điện cực

Hình 2.2.9 Lắp đặt dầu dò kiểu rod trên thành bồn làm bằng nhựa

- Hướng dẫn lắp đặt đối với đầu dò kiểu rope

Hình 2.2.10 Hướng dẫn lắp đặt đối với đầu dò kiểu rope

d Khớp nối quá dài, có thể gây tích tụ các chất bên trong và dẫn đến sai số

e Lắp đặt quá gần thành bồn, khi đầu dò dao động qua lại có thể va vào thành bồn hay dẫn đến sai số do bị ảnh hưởng bởi các chất tích tụ trên thành bồn

• Lắp đặt trên thành bồn dẫn điện

Hình 2.2.11 Lắp đặt dầu dò kiểu rope trên thành bồn dẫn điện

• Lắp đặt trên thành bồn làm bằng xin măng

Hình 2.2.12 Lắp đặt dầu dò kiểu rope trên thành bồn xi măng

• Lắp đặt trên thành bồn làm bằng nhựa, phải gắn một điện cực bên ngoài bồn

Hình 2.2.13 Lắp đặt dầu dò kiểu rope trên thành bồn nhựa

• Lắp đặt housing cách xa đầu dò

Hình 2.2.14 Lắp đặt housing tách rời

2.2.3 Điều kiện hoạt động

Lưu ý các điều kiện giới hạn nhiệt độ môi trường, khả năng chống rung, chống sốc, cấp bảo vệ, tương thích điện từ

2.2.4 Điều kiện công nghệ

Lưu ý các điều kiện giới hạn nhiệt độ, áp suất

2.3 Đo mức sử dụng phao chìm (đo mức kiểu thế chỗ)

Hình 2.3.1 Cảm biến đo mức kiểu thế chỗ

2.3.1 Nguyên lý

Nguyên lý hoạt động dựa trên lực đẩy Archimedes: khi một vật bị nhúng chìm vào một chất lỏng thì nó chịu một lực tác động đúng bằng trọng lượng của khối chất lỏng mà nó chiếm chỗ

Hình 2.3.2 Nguyên lý cấu tạo cảm biến đo mức kiểu thế chỗ

Cảm biến đo mức kiểu thế chỗ bao gồm một phao hình trụ liên kết với một cơ cấu truyền lực, gắn bên trong một bình chứa Thông thường phao hình trụ được chế tạo bằng các vật liệu có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng nhúng chìm trong chất lỏng Tuy nhiên, tùy vào mức chất lỏng mà phao bị nhúng chìm một phần hay toàn phần, và nó chịu một lực đẩy đúng bằng trọng lượng khối chất lỏng bị chiếm chỗ

Nhờ vào cơ cấu truyền lực và một mạch cơ/điện tích hợp trong Transmitter

mà lực đẩy này được chuyển đổi thành tín hiệu đo và Transmitter có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu đo này thành tín hiệu chuẩn tỷ lệ với mức chất lỏng trong bồn để truyền đi (4-20mA chẳng hạn)

Dải đo của cảm biến sẽ được xác định bởi chiều dài của phao Khi mức chất lỏng thấp hơn phao, không có lực đẩy tác dụng lên phao, chỉ thị mức zero Khi mức chất lỏng tăng lên ngập một phần phao, do lực đẩy của chất lỏng lên phao sẽ tăng lên, chỉ thị sẽ di chuyển trên thang đo tỷ lệ với sự thay đổi của mức chất lỏng Khi mức chất lỏng ngập hoàn toàn phao, chỉ thị sẽ chỉ kết quả là 100% thang đo

Việc cân chỉnh Transmitter này được thực hiện bằng cách dịch chuyển mức chất lỏng trong bồn

Lưu ý, Transmitter đo mức kiểu thế chỗ phải được cân chỉnh để đo một loại chất lỏng có trọng lượng riêng được xác định trước Tuy nhiên, trong thực tế, có thể cân chỉnh Transmitter bằng một chất lỏng khác mà không nhất thiết phải là chất lỏng cần đo Trong trường hợp này đòi hỏi phải biết tỷ trọng của chất lỏng cần đo, chất lỏng dùng cân chỉnh và dùng công thức chuyển đổi thang đo

Trong đó, L 1 : hiển thị của thiết bị khi cân chỉnh; L 2: chiều cao cột chất lỏng

cân chỉnh so với mức 0% của thiết bị; D 1: khối lượng riêng của chất lỏng cần đo;

D 2: khối lượng riêng của chất lỏng cân chỉnh

Hình 2.3.3 Cấu tạo cảm biến đo mức kiểu thế chỗ

2.3.2 Hướng dẫn lắp đặt

Hình 2.3.4 Các loại cảm biến đo mức kiểu thế chỗ

Có hai loại cảm biến đo mức kiểu chiếm chỗ: loại phao được lắp đặt trong ống

đo, gắn bên ngoài bồn chứa và loại phao không có ống đo được gắn trực tiếp bên trong bồn chứa Cảm biến có ống đo thường hoạt động ổn định hơn, đặc biệt khi bồn chứa

có vật cản hay dòng xoáy lớn Cảm biến không có ống đo thường sử dụng trong các ứng dụng đo mức đòi hỏi thể tích chiếm chỗ lớn

- Lắp đặt cảm biến bên trong bồn chứa

Cảm biến được lắp đặt trên nắp bồn chứa hay trên thành bồn chứa, phao được treo thẳng đứng bên trong bồn Nếu chất lỏng ở trạng thái được khuấy liên tục thì nên lắp đặt một ống tĩnh xung quanh phao để tránh dòng xoáy quá mức tác động lên phao Khi lắp đặt ống tĩnh, chú ý lắp đặt thẳng đứng tránh phao chạm vào thành ống, nếu không sẽ dẫn đến sai số phép đo

Để gắn cảm biến vào bồn chứa, cần một đầu nối mặt bích được hàn trên nắp bồn hay trên thành bồn

Hình 2.3.5 Lắp đặt cảm biến đo mức kiểu thế chỗ bên trong bồn chứa

- Lắp đặt cảm biến bên ngoài bồn chứa

Khi lắp đặt ống đo chứa phao, chú ý lắp đặt thẳng đứng tránh phao chạm vào thành ống, nếu không sẽ dẫn đến sai số phép đo

Khi lắp đặt phao trong ống đo, lưu ý giữ khoảng cách tối thiểu giữa phao và thành ống, giữa phao và đáy ống, sao cho phao không chạm vào thành hay đáy ống đo Các chất lỏng bẩn hay nhớt cần khoảng cách rộng hơn

Định vị ống đo chứa phao sao cho điểm giữa của ống đo càng gần điểm giữa của tầm mức chất lỏng trong bồn cần đo

Để gắn cảm biến vào bồn chứa, cần có hai ống dẫn có hàn mặt bích để nối với hai mặt bích của ống đo Đồng thời nên lắp đặt valve khóa hay valve tay để thuận tiện cho việc bảo dưỡng, cân chỉnh, thay thế