BÀI tập lớn cơ học kỹ THUẬT 2 CHỦ đề THIẾT bị đo lưu LƯỢNG CHẤT LỎNG

BÀI TẬP LỚN CƠ HỌC KỸ THUẬT CHỦ ĐỀ: THIẾT BỊ ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG Sinh viên : Trần Văn Bắc Mã SV : 20020874 Lớp : K65-H Mã Học Phần: EMA2037_1 Năm học : 2021-2022 Hà Nội, năm 2022 Mục Lục A KHÁI QUÁT ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG I Lưu lượng gì? II Đo lưu lượng gì? III Cơ sở để đo lưu lượng chất lỏng B Thiết bị đo lưu lượng I Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất .3 Đo lưu lượng với ống Venturi II Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ .7 Nguyên lý đo Ưu nhược điểm Ứng dụng 10 Hướng dẫn lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng điện từ 10 III Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm 13 Đo lưu lượng siêu âm theo phương pháp thời gian chuyển tiếp .14 Đo lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler .15 Cách bố trí lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng siêu âm 16 Tài liệu tham khảo 18 Trần Văn Bắc 20020874 A KHÁI QUÁT ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG I Lưu lượng gì? - Lưu lượng thuật ngữ số lượng hay khối lượng vật chất (vật thể) di chuyển qua vị trí cụ thể khoảng thời gian định VD: lưu lượng sông lưu lượng nước chảy qua mặt cắt ngang lịng sơng vị trí đơn vị thời gian II Đo lưu lượng gì? - Đo lưu lượng hoạt động xác định giá trị lưu lượng chảy qua đường ống hay kênh… - Đo lưu lượng giúp xác định thời gian để lưu chất lấp đầy bồn chứa hay để lưu chất xả hết khỏi nơi chứa VD: Các công ty nước đo lưu lượng dòng chảy chảy qua đường ống cấp nước mà sử dụng hàng ngày để xác định lưu lượng nước dùng, vào để tính tiền nước III Cơ sở để đo lưu lượng chất lỏng Để đo lưu lượng lưu chất vào sở sau: - Vận tốc chất lỏng: tính vận tốc chất lỏng chạy qua tiết diện biết - Dung tích chất lỏng chảy qua đơn vị thời gian - Khối lượng lưu chất chảy qua đơn vị thời gian - Sự chênh lệch áp suất chất lỏng qua tiết diện hẹp - Các tính chất dẫn nhiệt, điện, sóng… lưu chất Page | Trần Văn Bắc 20020874 B Thiết bị đo lưu lượng - Để đo lưu lượng chất lỏng, dùng thiết bị bao gồm lưu lượng kế, cảm biến đo lưu lượng Các thiết bị đo lưu lượng hoạt động dựa xác định lượng chất lỏng chảy qua xung quanh cảm biến đo lưu lượng từ giúp xác định xác kết phép đo lưu lượng - Để đo lưu lượng chất lỏng, ta sử dụng phương pháp sau: + Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất + Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ + Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm Cảm biến đo lưu lượng điện từ Máy đo lưu lượng siêu âm Cảm biến đo chênh lệch áp suất Page | Trần Văn Bắc 20020874 I Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất - Đây nguyên lý đo sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp Nguyên lý đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất dựa phương trình tính lưu lượng thể tích với Q : lưu lượng thể tích K : hệ số : chênh áp - Theo đó, sử dụng thiết bị tạo chênh lệch áp suất cách thay đổi thiết diện ngang ống (theo hướng nhỏ lại) như:  Tấm Orifice  Ống Venturi  Ống Pitot Ống Venturi Ống Pitot Các loại Orifice Page | Trần Văn Bắc 20020874 Đo lưu lượng với ống Venturi Ống Venturi Cấu tạo: gồm phần + Phần hội tụ: Thiết diện ống giảm dần theo chiều dòng chảy khiến vận tốc dòng chảy tăng lên áp suất giảm xuống + Phần cổ ống: thiết diện ống nhỏ Tại đây, áp suất đạt giá trị thấp nhất, đồng thời vận tốc đạt giá trị lớn + Phần phân kỳ: thiết diện ống tăng dần theo chiều dòng chảy Vận tốc chất lỏng giảm dần đồng thời áp suất chất lỏng tăng lên Cấu tạo ống Venturi Page | Trần Văn Bắc 20020874 Xét mơi trường chất lỏng chảy, ống có dạng lượng sau Thế m.g.h m: khối lượng g: gia tốc trọng trường h: chiều cao so với gốc Năng lượng áp suất P : áp suất : khối lượng riêng chất lỏng Động V: vận tốc dòng chảy  Tổng lượng: E= m.g.h + + * Xét mức lượng phần hội tụ (P 1,V1) phần cổ (P2,V2) Chọn mốc hình vẽ Theo định luật Bernoulli: tổng lượng vị trí dịng chảy không đổi  E1=E2  m.g.h + + = m.g.h + + Page | Trần Văn Bắc  + = 20020874 +  (P1-P2) = ( 1) * Xét phần hội tụ có tiết diện D: A1= Tại cổ ống có tiết diện d: A2= Theo phương trình liên tục: lúc, khối lượng chảy qua mặt cắt ngang độ dịng chảy chất lưu khơng nén  Q= ρ.V1.A1=ρ.V2.A2 ( )  V1 = V2  Gọi M tỷ lệ diện tích d D:   V1=M.V2 Thay vào ( ) ta được: Từ ( )  V2=   Lưu lượng tính theo cơng thức: Q= Để xác định độ chênh áp ∆P, ta lắp áp kế vào ống Venturi hình sau: Page | Trần Văn Bắc 20020874 Bên áp kế chứa chất lỏng khác với chất lỏng cần đo, có khối lượng riêng lớn (như thuỷ ngân ρm= 13600 kg/m3), độ chênh mực chất lỏng bên ống h Khi độ chênh áp tính theo cơng thức: ∆P= ρm.g.h Thay vào Q  Q= Như vậy, lưu lượng khối chất lỏng chảy qua ống tỷ lệ với bậc độ chênh cột lỏng chong áp kế : II Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ Nguyên lý đo Page | Trần Văn Bắc 20020874 - Nguyên lý hoạt động lưu lượng kế dạng từ tính dựa sở định luật cảm ứng điện từ Faraday: Nếu dây dẫn điện chuyển động từ trường vng góc với phương chuyển động với dây dẫn dây dẫn xuất hiệu điện có độ lớn tỉ lệ với cường độ từ trường vận tốc chuyển động - Đặc điểm định luật cảm ứng áp dụng cho chuyển động chất lỏng dẫn điện ống qua từ trường Cấu tạo đồng hồ đo lưu lượng điền từ - Trong máy đo lưu lượng điện từ, dòng điện đặt vào cuộn dây gắn bên thân máy đo để tạo từ trường Chất lỏng chảy qua đường ống đóng vai trò chất dẫn điện tạo điện áp ( E ) tỷ lệ với tốc độ dòng chảy (v) - Theo định luật cảm ứng điện từ : với ( 3) E: điện áp tạo chất dẫn điện V: vận tốc chất dẫn điện B: Cường độ từ trường L: Khoảng cách đầu cực (Đường kính ống) Page | Trần Văn Bắc 20020874 - Theo nguyên tắc này, chất dẫn điện qua từ trường B, điện áp E tạo tỷ lệ thuận với vận tốc V chất lỏng, mật độ từ trường B chiều dài chất dẫn Điện áp E nhận điện gắn thân máy đo gửi đến máy phát để tính tốn lưu lượng Q dựa kích thước ống - Xét lưu lượng Q tính theo cơng thức: Với A: diện tích mặt cắt ngang ống đo lưu lượng  (4) Từ (3)  Thay vào (4)  - Để sử dụng nguyên tắc đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính cần phải tồn từ trường ống đo, ống đo cần làm từ vật liệu không cản trở từ trường - Ống đồng hồ phải có lớp lót bên cách điện để tránh ngăn mạch tín hiệu đo - Điện áp E đo điện cực kim loại tiếp xúc điện với môi chất Ưu nhược điểm * Ưu điểm:  Sự cản trở dòng chảy gần nên dùng để đo chất huyền phù nặng như: bùn, nước thải, bột gỗ  Không bị thay đổi tỷ trọng, độ nhớt, áp suất, nhiệt độ Không bị ảnh hưởng nhiều xáo trộn dòng chảy thượng lưu  Cho kết đo xác, sử dụng làm đồng hồ chiều Page | Trần Văn Bắc 20020874  Đồng hồ sử dụng rộng rãi cho dịch vụ bùn nhờ lớp lót polyurethane, cao su cao su có độ mài mịn tốt chống xói mịn * Nhược điểm:  Chỉ sử dụng cho chất lỏng có độ dẫn điện hợp lý  Kích thước, chi phí cuộn dây mạch khơng tăng tương thích với kích thước ống đo khiến đồng hồ đo cho ống có kích thước nhỏ thường cồng kềnh đắt tiền Ứng dụng - Sử dụng đo lưu lượng chất lỏng có đội dẫn điện tốt từ 20  0.05 µS/cm như: bùn, bột than, nước thải, hoá chất, nước… - Sử dụng nhà máy xử lý nước để đo lượng nước thải xử lý không xử lý - Sử dụng phổ biến nhà máy; khu chiết xuất chất lỏng, khu công nghiệp dùng đo lưu lượng nước sạch, nước thải Đồng hồ đo lưu lượng điện từ nhà máy Hướng dẫn lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng điện từ Page | 10 Trần Văn Bắc 20020874 a Yêu cầu môi trường lắp - Lắp đồng hồ nơi thoáng mát, rộng rãi, thuận tiện cho việc bảo dưỡng Nên thêm mái che cách nhiệt thơng gió cho đồng hồ lắp đồng hồ trời Đảm bảo môi trường xung quang dao động từ 50C  550C - Tránh nguồn có rung động mạnh, đường ống có độ rung lớn cần có giá đỡ cố định bên lưu lượng kế điện từ - Tránh lắp nơi có khí ăn mịn, lắp cần có biện pháp thơng gió - Do đồng hồ đo dựa nguyên tắc định luật cảm ứng điện từ , khơng nên lắp đặt nơi có từ trường gây tượng nhiễu điện động điện, máy biến áp, máy biến tần,… xạ từ trường mạnh làm ảnh hưởng đến xác phép đo - Độ dẫn chất lỏng phải đồng đều, không nên lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng điện tử nơi khơng có độ dẫn ổn định - Đảm bảo chắc chắn khơng tạo bọt khí lắp lưu lượng kế điện từ vào hệ thống, đường ống phải luôn chứa đầy lưu chất b Yêu cầu đường ống - Lưu lượng kế điện từ phải lắp đặt nằm ngang đường ống Trục lưu lượng kế phải đồng tâm với trục đường ống - Đường kính đường ống phải với đường kính lưu lượng kế - Yêu cầu ống rẽ nhánh: Để đảm bảo mơi chất sử dụng bình thường khơng bị ảnh hưởng q trình bảo dưỡng đồng hồ cần lắp đặt thêm van chặn Page | 11 Trần Văn Bắc 20020874 đường ống trước sau đồng hồ Đồng thời bảo dưỡng cần lắp đặt thêm đường ống dẫn lưu chất tránh tượng bị nghẽn bảo dưỡng - Không nên ngâm đồng hồ vào mơi trường lưu chất Mặc dù có khả chống nước nên để ngập phần thân đồng hồ vào lưu chất phần hiển thị hoạt động tốt c Phương pháp lắp đặt lưu lượng kế dạng điện từ Đồng hồ đo lưu lượng dạng điện thường kết nối với ống nước mặt bích Khi lắp đặt ta cần vài lưu ý sau: - Đồng hồ nên lắp phần ống nằm ngang hướng thẳng đứng lên trên, tránh lắp đặt điểm cao đường ống hướng thẳng đứng xuống - Khơng lắp trực tiếp vị trí tiếp nối với đường ống có rẽ nhánh xuống - Không lắp van điều khiển van chặn trước đồng hồ Page | 12 Trần Văn Bắc 20020874 - Tìm vị trí thấp hệ thống đường ống để lắp đồng hồ - Đối với đường ống thẳng khoảng cách tối ưu trước đồng hồ 10D sau đồng hồ 5D D: đường kính ống - Đối với đường ống gấp khúc xuống hình chữ U ngược khoảng cách tối tiểu đồng hồ với đường ống phía sau 5m - Đường ống có độ dốc nghiêng đoạn ống thẳng ngắn, lắp đồng hồ vị trí nghiêng để đảm bảo lượng nước tối thiểu có ống - Các van điều khiển đóng ngắt nên lắp đặt phía hạ lưu đồng hồ, khơng nên lắp phần phía đồng hồ gây nên tượng sai lệch kết đo - Ống đo đồng hồ phải luôn đầy lưu chất Đó yêu cầu bắt buộc để đồng hồ có thơng số xác - Chú ý đến hướng mũi tên dòng chảy lưu chất Đồng hồ đo kết xác lắp chiều đo - Nếu sử dụng cho lưu lượng có lắng cặn hạt rắn loại bùn nên lắp thiết bị đo lưu lượng điện từ theo phương thẳng đứng hướng từ lên tránh tượng lắng cặn ống đo thiết bị - Dây nguồn cấp dây tín hiệu phải gọn gàng, an tồn Tránh tình trạng đứt, hở gây nguy hiểm cho người sử dụng ảnh hưởng tới kết đo đồng hồ Page | 13 Trần Văn Bắc 20020874 III Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm - Lưu lượng kế siêu âm hoạt động dựa theo thay đổi sóng siêu âm truyền môi chất mức tần số nằm ngồi phạm vi mà người nghe Tai người nghe âm khoảng 20Hz20kHz Máy đo lưu lượng siêu âm hoạt động tần số nằm phạm vi này, từ mức 25kHz trở lên - Vận tốc C giá trị vận tốc truyền sóng mơi chất thay đổi theo mật độ môi chất đo Khi xung âm truyền từ vị trí cố định A đến vị trí B có vận tốc C=L.t C: Vận tốc âm L: khoảng cách từ A đến B t : khoảng thời gian âm truyền từ A đến B Thời gian thay đổi vật mang âm chuyển động, vận tốc tổng vận tốc âm môi chất đo vận tốc mơi chất đo Tính áp dụng lưu lượng kế siêu âm Đo lưu lượng siêu âm theo phương pháp thời gian chuyển tiếp Page | 14 Trần Văn Bắc 20020874 Xét chất lỏng có vận tốc V Xung âm truyền từ A  B chất lỏng với vận tốc C+V sau khoảng thời gian t1: t1 = Thời gian cần thiết để xung lực từ B A t2: t2= Giả thiết vận tốc truyền âm C=const   Vận tốc dịng chảy mơi chất: Trên thực tế, thiết kế đồng hồ đo, người ta thường lắp đặt đầu dị theo đường chéo, sóng âm tạo với dịng chảy góc α hình vẽ Khi vận tốc dịng chảy mơi chất là: Page | 15 Trần Văn Bắc 20020874 Đo lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler - Đối với phép đo lưu lượng siêu âm sử dụng hiệu ứng Doppler, mơi trường đo phải có chất khơng đồng tạp chất để phần lượng âm bị phản xạ - Cảm biến bao gồm phát thu Bộ phát thực lan truyền sóng siêu âm với tần số f1 vào chất lỏng có vận tốc v Giả sử hạt vật chất bọt chất lỏng di chuyển với vận tốc Những hạt vật chất phản xạ sóng lan truyền đến thu với tần số f2 - Sự thay đổi tần số tính theo cơng thức: với: f1-tần số phát xạ f2- tần số phản xạ V: tốc độ dòng chảy C: vận tốc âm α: góc dịng chảy chùm siêu âm Page | 16 Trần Văn Bắc 20020874 Vận tốc dịng chảy tính được: Cách bố trí lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng siêu âm a Lắp đặt: Lưu lượng kế siêu âm có thiết kế: hệ thống in-line hệ thống kẹp (calm on) - Trong thiết kế inline, đầu dò siêu âm lắp cứng thành ống tiếp xúc trực tiếp gián tiếp với phương tiện đo, xung âm không cần qua thành ống giúp hệ thống đo in-line đạt độ xác tốt In-line tiếp xúc trực tiếp với máy đo In-line tiếp xúc gián tiếp với máy đo - Trong hệ thống kẹp (clamp on), đầu dò siêu âm gắn bên đường ống Chùm siêu âm phải qua thành ống lớp phủ nào, chùm siêu âm khơng truyền thẳng mà bị khúc xạ, định luật phản xạ khúc xạ xem xét Page | 17 Trần Văn Bắc 20020874 Clamp on b Bố trí đầu dị - Cảm biến lưu lượng siêu âm theo phương pháp thời gian chuyển tiếp thường có phương pháp lắp đặt đầu dị, phương pháp W phương pháp V Hình chiếu đứng Hình chiếu cạnh - Nếu đường kính ống D