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 họọ̣c : 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 Đo lưu lượng với ống Venturi II Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ 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 Trầầ̀n Văn Bắắ́c 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 cắắ́t 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 đầầ̀y 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 | Trầầ̀n Văn Bắắ́c 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 | Trầầ̀n Văn Bắắ́c 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 : 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 Các loại Orifice Page | Trầầ̀n Văn Bắắ́c Đo lưu lượng với ống Venturi Ống Venturi Cấu tạo: gồm phầầ̀n + Phầầ̀n hội tụ: Thiết diện ống giảm dầầ̀n theo chiều dòng chảy khiến vận tốc dòng chảy tăng lên áp suất giảm xuống + Phầầ̀n cổ ống: thiết diện ống nhỏ Tại đây, áp suất đạt giá trị thấp nhất, đồng thời vận tốc đạt giá trị lớn + Phầầ̀n phân kỳ: thiết diện ống tăng dầầ̀n theo chiều dòng chảy Vận tốc chất lỏng giảm dầầ̀n đồng thời áp suất chất lỏng tăng lên Cấu tạo ống Venturi Page | Trầầ̀n Văn Bắắ́c Xét môi trường chất lỏng chảy, ống có dạng lượng sau Thế Năng lượng suất Động V: vận tốc dòng chảy  Tổng lượng: E= m.g.h + + * Xét mức lượng phầầ̀n hội tụ (P1,V1) phầầ̀n cổ (P2,V2) Chọn mốc hình vẽ Theo định luật Bernoulli: tổng lượng vị trí dịng chảy khơng đổi  E1=E2  m.g.h + + = m.g.h + + Page | Trầầ̀n Văn Bắắ́c  + = +  (P1-P2)= (1) * Xét phầầ̀n 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 cắắ́t 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(2)V2=   Lưu lượng tính theo∆ cơng thức: Q= Để xác định độ chênh áp P, ta lắắ́p áp kế vào ống Venturi hình sau: Page | Trầầ̀n Văn Bắắ́c Bên áp kế chứa chất lỏng khác với chất lỏng cầầ̀n 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 | Trầầ̀n Văn Bắắ́c - 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 vuông 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 gắắ́n bên thân máy đo để tạo từ trường Chất lỏng chảy qua đường ống đóng vai trị chất dẫn điện tạo điện áp ( E ) tỷ lệ với tốc độ dòng chảy (v) - Theo định luật cảm ứng điện từ : với E: điện áp tạo chất dẫn điện ( 3) V: vận tốc chất dẫn điện B: Cường độ từ trường L: Khoảng cách đầầ̀u cực (Đường kính ống) Page | Trầầ̀n Văn Bắắ́c - Theo nguyên tắắ́c 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 gắắ́n 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 cắắ́t ngang ống đo lưu lượng  (4) Từ (3)  Thay vào (4)  - Để sử dụng nguyên tắắ́c đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính cầầ̀n phải tồn từ trường ống đo, ống đo cầầ̀n làm từ vật liệu khơng 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 gầầ̀n 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 | Trầầ̀n Văn Bắắ́c  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 đắắ́t 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 Trầầ̀n Văn Bắắ́c a Yêu cầu môi trường lắp - Lắắ́p đồng hồ nơi thoáng mát, rộng rãi, thuận tiện cho việc bảo dưỡng Nên thêm mái che cách nhiệt thơng gió cho đồng hồ lắắ́p 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 cầầ̀n có giá đỡ cố định bên lưu lượng kế điện từ - Tránh lắắ́p nơi có khí ăn mịn, lắắ́p cầầ̀n có biện pháp thơng gió - Do đồng hồ đo dựa nguyên tắắ́c định luật cảm ứng điện từ , khơng nên lắắ́p đặt nơi có từ trường gây tượng nhiễu điện động điện, máy biến áp, máy biến tầầ̀n,… xạ từ trường mạnh làm ảnh hưởng đến xác phép đo - Độ dẫn chất lỏng phải đồng đều, không nên lắắ́p đặt đồng hồ đo lưu lượng điện tử nơi khơng có độ dẫn ổn định - Đảm bảo chắắ́c chắắ́n khơng tạo bọt khí lắắ́p lưu lượng kế điện từ vào hệ thống, đường ống phải luôn chứa đầầ̀y lưu chất b Yêu cầu đường ống - Lưu lượng kế điện từ phải lắắ́p 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 cầầ̀u ống rẽ nhánh: Để đảm bảo mơi chất sử dụng bình thường khơng bị ảnh hưởng q trình bảo dưỡng đồng hồ cầầ̀n lắắ́p đặt thêm van chặn Page | 11 Trầầ̀n Văn Bắắ́c đường ống trước sau đồng hồ Đồng thời bảo dưỡng cầầ̀n lắắ́p 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 phầầ̀n thân đồng hồ vào lưu chất phầầ̀n 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 lắắ́p đặt ta cầầ̀n vài lưu ý sau: - Đồng hồ nên lắắ́p phầầ̀n ống nằm ngang hướng thẳng đứng lên trên, tránh lắắ́p đặt điểm cao đường ống hướng thẳng đứng xuống - Khơng lắắ́p trực tiếp vị trí tiếp nối với đường ống có rẽ nhánh xuống - Không lắắ́p van điều khiển van chặn trước đồng hồ Page | 12 Trầầ̀n Văn Bắắ́c - Tìm vị trí thấp hệ thống đường ống để lắắ́p 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 ngắắ́n, lắắ́p đồng hồ vị trí nghiêng để đảm bảo lượng nước tối thiểu có ống - Các van điều khiển đóng ngắắ́t nên lắắ́p đặt phía hạ lưu đồng hồ, khơng nên lắắ́p phầầ̀n phía đồng hồ gây nên tượng sai lệch kết đo - Ống đo đồng hồ phải ln ln đầầ̀y lưu chất Đó u cầầ̀u bắắ́t buộc để đồng hồ có thơng số xác - Chú ý đến hướng mũi tên dòng chảy lưu chất Đồng hồ đo kết xác lắắ́p chiều đo - Nếu sử dụng cho lưu lượng có lắắ́ng cặn hạt rắắ́n loại bùn nên lắắ́p thiết bị đo lưu lượng điện từ theo phương thẳng đứng hướng từ lên tránh tượng lắắ́ng 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 Trầầ̀n Văn Bắắ́c III Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm - Lưu lượng kế siêu âm hoạt động dựa theo thay đổi sóng siêu âm truyền mơi chất mức tầầ̀n số nằm ngồi phạm vi mà người nghe Tai người nghe âm khoảng 20Hz20kHz Máy đo lưu lượng siêu âm hoạt động tầầ̀n số nằm phạm vi này, từ mức 25kHz trở lên - Vận tốc C giá trị vận tốc truyền sóng môi 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 Trầầ̀n Văn Bắắ́c 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 cầầ̀n thiết để xung lực từ B A t2: t2= Giả thiết vận tốc truyền âm C=const   Vận tốc dòng chảy môi chất: Trên thực tế, thiết kế đồng hồ đo, người ta thường lắắ́p đặt đầầ̀u dò theo đường chéo, sóng âm tạo với dịng chảy góc α hình vẽ Khi vận tốc dịng chảy môi chất là: Page | 15 Trầầ̀n Văn Bắắ́c Đo lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler - Đối với phép đo lưu lượng siêu âm sử dụng hiệu ứng Doppler, môi trường đo phải có chất khơng đồng tạp chất để phầầ̀n lượng âm bị phản xạ - Cảm biến bao gồm phát thu Bộ phát thực lan truyền sóng siêu âm với tầầ̀n 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 tầầ̀n số f2 - Sự thay đổi tầầ̀n số tính theo cơng thức: với: f1-tầầ̀n số phát xạ f2tầầ̀n số phản xạ V: tốc độ dòng chảy C: vận tốc âm α: góc dịng chảy chùm siêu âm Page | 16 Trầầ̀n Văn Bắắ́c Vận tốc dịng chảy tính được: Cách bố trí lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng siêu âm a Lắắ́p đặt: Lưu lượng kế siêu âm có thiết kế: hệ thống in-line hệ thống kẹp (calm on) - Trong thiết kế inline, đầầ̀u dò siêu âm lắắ́p cứng thành ống tiếp xúc trực tiếp gián tiếp với phương tiện đo, xung âm khơng cầầ̀n qua thành ống giúp hệ thống đo in-line đạt độ xác tốt In-line tiếp xúc trực tiếp vớớ́i máy đo In-line tiếp xúc gián tiếp vớớ́i máy đo - Trong hệ thống kẹp (clamp on), đầầ̀u dị siêu âm gắắ́n bên ngồi đường ống Chùm siêu âm phải qua thành ống lớp phủ nào, chùm siêu âm không truyền thẳng mà bị khúc xạ, định luật phản xạ khúc xạ xem xét Page | 17 Trầầ̀n Văn Bắắ́c Clamp on b Bố trí đầầ̀u dò - Cảm biến lưu lượng siêu âm theo phương pháp thời gian chuyển tiếp thường có phương pháp lắắ́p đặt đầầ̀u dị, phương pháp W phương pháp V Hình chiếu đứng Hình chiếu cạnh - Nếu đường kính ống D