BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC GTVT TP HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Đ Ề TÀI CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG, MỰC CHẤT LỎNG Giảng viên hướng dẫn Lê Mạnh Thắng Sinh viê[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC GTVT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG, MỰC CHẤT LỎNG Giảng viên hướng dẫn : Lê Mạnh Thắng Sinh viên thực : Huỳnh Quang Thắng Vũ Văn Tiến Lê Đức Long Năm học: 2015 - 2016 I Tóm tắt Đo lưu lượng đóng vai trị quan trọng, khơng phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà cịn ứng dụng hệ thống tự động hóa q trình sản xuất Chính việc hiểu rõ phương pháp đo, nắm vững đặc tính thiết bị đo lưu lượng điều cần thiết II Mở đầu Cảm biến đo thiếu để đo lưu lượng chất khí, chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng ứng dụng cơng nghiệp thực phẩm-nước giải khát, dầu mỏ- khí đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng … Trên thị trường, loại lưu lượng kế đa dạng sẵn có cho ứng dụng cơng nghiệp hay dân dụng Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lương loại cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc tính chất lỏng (dịng chảy hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng yêu cầu độ xác phép đo Các yếu tố khác hạn chế khí kết nối đầu mở rộng ảnh hưởng đến định chọn lựa Nói chung, độ xác lưu lượng kế cịn phụ thuộc vào môi trường đo xung quanh Các ảnh hưởng áp suất, nhiệt độ, chất lỏng/khí hay tác động bên ngồi ảnh hưởng đến kết đo Cảm biến đo lưu lượng công nghiệp lắp đặt môi trường nhiễu cao thường bị xung áp Điều đòi hỏi cảm biến đo lưu lượng phải hoạt động bình thường với xung điện áp bù nhiễu để đảm bảo đưa tín hiệu đo với độ xác cao Thông thường, công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-20mA truyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển Bộ truyền tín hiệu đo gắn với cảm biến đo lưu lượng cấp nguồn mạch vịng 4-20mA nguồn riêng Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vịng 4-20mA có u cầu khắt khe công suất: tất thiết bị điện thu thập/xử lý truyền tin cần phải hoạt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 420mA, vi xử lý/vi điều khiển tiêu thụ điện (ví dụ dịng vi điều khiển DSP) kết hợp dùng chung nguồn mạch vòng 4-20mA Bộ truyền tín hiệu với kết nối truyền số liệu dạng số tích hợp giao diện bus trường (Profibus, I/O Link) kết nối không dây ngày phổ biến, chúng làm giảm thời gian khởi động cho phép giám sát liên tục, chẩn đoán lỗi Tất yếu tố góp phần cải thiện đáng kể suất hiệu hệ thống tự động hóa Các cảm biến lưu lượng phân làm bốn nhóm dựa vào ngun lý hoạt động chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm Dưới đây, báo trình bày tổng quát nguyên tắc hoạt động, ưu điểm nhược điểm, đặc tính cảm biến lưu lượng chất lỏng, chất khí nhằm giúp người sử dụng chọn cảm biến cho ứng dụng III Nội dung Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất Lưu lượng kế loại hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức chênh lệch áp suất xảy chỗ thắt ngẫu nhiên đường chảy, dựa vào chênh áp suất để tính tốn vận tốc dịng chảy Cảm biến lưu lượng loại thường có dạng lỗ orifice, ống pitot ống venture Hình thể loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ tạo nút thắt dòng chảy Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc chất lỏng khỏi lỗ tròn lớn vận tốc chất lỏng đến lỗ Theo nguyên lý Bernoulli, điều có nghĩ áp suất phía mặt vào cao áp suất mặt Tiến hành đo chênh lệch áp suất cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy Dựa vào vận tốc dòng chảy tính lưu lượng thể tích dịng chảy Hình 1: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice): chênh lệch áp suất trước sau lỗ tròn Δp = p1 - p2; lưu lượng thể tích Q xác định từ biểu thức Q2 = KΔp, p1 – áp suất trước lỗ, p2 - áp suất sau lỗ, K - hệ số, phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống lỗ orifice Phương trình Bemoulli cho đường ống nằm ngang hình: Định luật bảo tồn khối lương: Lưu lượng chất lỏng: Phân loại: Có loại a Đo lưu lượng dạng Orifice Là đồng hồ đo lưu lượng nước bão hịa, hóa nhiệt, khí nén, khí N2, O2, H2, nước, dầu b Đo lưu lượng Venturi Venturi đo lưu lượng sử dụng để đo lường ổn định pha dây dẫn khép kín dòng chất lỏng, thường sử dụng phép đo khơng khí, khí đốt, nước dịng chảy chất lỏng khác Ưu điểm: Nếu bạn xác sản xuất hoàn toàn theo tiêu chuẩn ASME, độ xác đạt 0,5%, vấn đề Venturi nước cơng nghệ sản xuất mình, xác khó khăn để đảm chất lượng kỹ thuật, nước đảm độ xác đo %, với điều kiện sản xuất điện cực siêu tới hạn, ống quân tỉ vòng sử dụng nhiệt độ cao áp lực phần nguy hiểm, khơng sử dụng cân vịng, khơng tn thủ tiêu chuẩn ASNE ISO5167, đo lường xác đảm bảo Venturi cổ điển cao sản xuất mâu thuẫn Nhược điểm: đường ống nhập / xuất tài liệu, chất lỏng ống xói mịn mặc đo lường xác nghiêm trọng, lâu dàikhơng đảm bảo Chiều dài cấu trúc phải sản xuất theo tiêu chuẩnISO-5167 yêu cầu, không đạt độ xác cần thiết, tiêu chuẩn ISO-5167 Venturi yêu cầu cấu trúc nghiêm ngặt cổ điển, làm cho đo lường tỉ suất lưu lượng tối đa / tối thiểu dòng chảy nhỏ, thường - khó khăn để đáp ứng lưu lượng dòng chảy đo lường biên độ lớn c Đo lưu lượng Nozzle d Đo lưu lượng Pitot Lưu ý: Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại ứng dụng công nghiệp cần lưu ý điểm sau: Cảm biến chế tạo dựa công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng Phù hợp cho dịng chảy hỗn hợp Độ xác thấp dải lưu lượng nhỏ Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách đoạn ống dẫn, đỏi hỏi phải tiêu hao thêm lượng chạy bơm Yêu cầu xác vị trí lắp đặt lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dịng chảy Một số hình ảnh cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất: Cảm biến lưu lượng điện từ Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday dùng để đo dòng chảy chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ để tạo từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2) Theo định luật Faraday, chất lỏng chảy qua đường ống sinh điện áp cảm ứng Điện áp lấy hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độ dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo Hình 2: Cảm biến lưu lượng điện từ: điến áp cảm ứng E=KDBv, B - từ trường, D - chiều dài chất dẫn điện (khoảng cách điện cực đo điện áp cảm ứng), v - vận tốc dòng chảy, K - hệ số Cuộn dây tạo từ trường B kích hoạt nguồn AC DC Khi kích hoạt nguồn AC - 50Hz, cuộn dây kích thích tín hiệu xoay chiều Điều có thuận lợi dịng tiêu thụ nhỏ so với việc kích hoạt nguồn DC Tuy nhiên phương pháp kích hoạt nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do đó, gây sai số tín hiệu đo Hơn nữa, trơi lệch điểm “khơng” thường vấn đề lớn hệ đo cấp nguồn AC chỉnh Bởi vậy, phương pháp kích hoạt nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường giải pháp mang lại hiệu cao Nó giúp giảm dịng tiêu thụ giảm nhẹ vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC Với điện trường E ta có điện U đo hai điện cực nằm ống lưu chất có đường kình D Với vận tốc v, ta có lưu lượng tính theo thể tích điện tích mặt cắt ngang ống dẫn la hay Lưu ý: Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến điểm sau: Chỉ đo chất lỏng có khả dẫn điện; Sự chọn lựa điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống cách lắp đặt Không có tổn hao hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt xi măng, thạch cao, … cảm biến đo loại khơng có phận lắp đặt phía ống dẫn Độ xác cao, sai số ±1% dải thị lưu lượng Giá thành cao Một số hình ảnh lưu lượng cảm biến điện từ Cảm biến lưu lượng Coriolis Đây nhóm cảm biến đo lưu lượng phổ biến Chúng thực đo trực tiếp lưu lượng khối lượng dòng chất lỏng chảy qua ống dẫn Sự lắp đặt thực ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạn cong (hình 3) Cấu trúc ống thẳng đơn dễ dàng chế tạo, lắp đặt bảo trì - bảo dưỡng thiết bị đo loại nhạy cảm với nhiễu tác động bên ngồi Cấu trúc ống đơi cong cho phép loại bỏ nhiễu tác động vào kết đo hai ống dẫn dòng chảy dao động ngược pha nên triệt tiêu nhiễu Hình 3: Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua cho dao động tần số cộng hưởng đặc biệt từ trường mạnh bên Khi chất lỏng bắt đầu chảy qua ống dẫn chất lỏng, tạo lực Coriolis Dao động rung ống dẫn với chuyển động thẳng chất lỏng, tạo tượng xoắn ống dẫn Hiện tượng xoắn tác động lực Coriolis hướng đối nghịch với hướng bên ống dẫn cản trở chất lỏng chảy ống dẫn đến phương chuyển động thẳng đứng Các sensor điện cực đặt phía dịng chảy vào (Inlet pickoff) phía dịng chảy thành ống để xác định sai lệch thời gian dịch pha (Δt) tín hiệu vào (Inlet pickoff signal) tín hiệu (Outlet pickup signal) Sự dịch pha (Δt) dùng để xác định trực tiếp lưu tốc khối lượng dịng chảy qua ống Hình minh họa hoạt động cảm biến lưu lượng Coriolis chất lỏng đứng im (No flow) chất lỏng di chuyển (Flow) Ưu điểm: Tuyến tính, sai số thấp, vùng đo rộng, đo lưu khối chất lưu có tỷ trọng thay đổi hay pha trộn, đo chất lỏng sệt hay khí, đo lúc chất lỏng khí Nhược điểm: dao động chất lưu gây sai số, kích thước nhỏ từ 1/16-6 inch, gây sụp áp cao Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau: Đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất, hình dạng dịng chảy đến phép đo Độ xác cao Cảm biến đo cho phép mơ trình đo lưu lượng tỷ trọng tần số dao động ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua ống Không đo lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt; …) hạt/vật chất đặc biệt làm giảm dao động ống dẫn, gây sai số phép đo Một số hình ảnh cảm biến lưu lượng Coriolis: Cảm biến lưu lượng siêu âm Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler thể hình Hình 5: Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa hiệu ứng Doppler: lưu lượng thể tích Q=KΔ(f1,f2), f1 - tần số sóng phát, f2 - tần số sóng thu về, K - hệ số, phụ thuộc góc tới/phản xạ, vị trí vật chất phản xạ, mặt cắt ngang Cảm biến bao gồm phát thu Bộ phát thực lan truyền sóng siêu âm với tần số f1=0.5-10MHz vào chất lỏng với 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 Sai lệch tần số phát tần số thu sóng cao tần dùng để đo vận tốc dịng chảy Bởi loại cảm biến lưu lượng siêu âm yêu cầu hiệu phản xạ hạt vật chất chất lỏng, nên khơng làm việc với chất lỏng pha, tinh khiết Cảm biến siêu âm xuyên thẳng (transit-time) Cảm biến loại (hình 6) cho phép đo lưu lượng chất lỏng/khí (khơng lẫn tạp chất) Cấu tạo bao gồm cặp thiết bị biến đổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm với trục dịng chảy góc xác định trước Mỗi thiết bị biến đổi bao gồm thu phát, chúng phát nhận tín hiệu chéo (thiết bị phát thiết bị thu) Dịng chảy ống gây sai lệch thời gian chùm sóng siêu âm di chuyển ngược dịng xi dịng chảy Đo giá trị sai lệch thời gian chùm sóng xun qua dịng chảy cho phép ta xác định vận tốc dòng chảy Sự sai lệch thời gian vơ nhỏ (nano giây), cần phải dùng thiết bị điện từ, điện tử có độ xác cao để thực phép đo, tiến hành đo trực tiếp thời gian Lưu ý: Khi lắp đặt cảm biến siêu âm, cần lưu ý đến điểm sau: Cảm biến lưu lượng dựa vào hiệu ứng Doppler không đắt Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa kỹ thuật đo chất lỏng không dẫn điện ăn mòn Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp đặt gá, kẹp vào đường ống tại, cho phép không cần cắt bỏ phá hủy phần đường ống, loại bỏ đến tổi thiểu tác động người đến chất lỏng độc hại giảm bụi bẩn cho hệ thống Khơng có thành phần lắp đặt ống, khơng làm giảm áp lực Điểm bật cảm biến siêu âm kết phép đo độc lập với hình dạng dòng chảy Giá thành đắt dòng chảy cần điền đầy ống Một số hình ảnh cảm biến siêu âm: Đo lưu lượng turbine cánh quạt Nguyên lý: Phần tử cảm nhận rotor hướng trục, đặt để quay dòng chất lỏng qua Số vòng quay đơn vị thời gian: n=k.v Trong đó: k hệ số tỉ lệ tốc độ dòng qua tiết diện A Lưu lượng bằng: Q=A.v Số vịng quay đo cảm biến đo tốc độ Đồng hồ đo lưu lượng kiểu tuabin Merlion LXL200 (DN 200) Đồng hồ tuabin MERLION LXL có cấu truyền động cơ, dùng để đo lưu lượng nước lạnh đường ống kín khu thương mại cơng nghiệp Đồng hồ có cánh xoắn quay xung quanh trục dịng chảy đồng hồ Bộ phận chuyển động hoạt động trực tiếp nhờ tác động dòng chảy Bằng cấu học, hoạt động phận chuyển động truyền tới thiết bị thị để tính tổng lượng nước chảy qua Đồng hồ cấu tạo phần chính: vỏ gang cầu sơn tĩnh điện, tua bin phận thị Tua bin phận thị làm vật liệu kỹ thuật giúp đảm bảo tính xác cao Đồng hồ sản xuất theo tiêu chuẩn ISO 4064 cấp B Đầu nối bích theo tiêu chuẩn ISO 7005-2 ISO 7005-3 Sai số lưu lượng chuyển tiếp Qt … Qs ± 2% Sai số lưu lượng nhỏ Qmin … Qt ± 5% Nhiệt độ tối đa cho phép 40ºC Áp suất tối đa cho phép 10 bar Đo mức cảm biến điện dung Giới thiệu cảm biến đo mức điện dung Finetek-Type: SA Nguyên lý: Một điện cực cách điện nhúng vào chất lỏng Điện dung dẫn bên điện cực thành bồn đo đổi theo mức chất lỏng (a), (b) công tắc mức dạng điện dung Quan hệ điện dung mức L Nếu chất lỏng có độ dẫn điện cao, ta đơn giản công thức Giới thiệu cảm biến đo mức điện dung Finetek-Type: SA a Giới thiệu chung Cảm biến đo mức điện dung Finetek (tên tiếng Anh: Capacitance Level Switch) thiết bị đo mức hãng Finetek Đài Loan, dòng cảm biến hoạt động nguyên lý cảm ứng điện dung “capacitance effects”, ứng dụng chủ yếu cảm biến dùng đo mức chất lỏng, đo mức chất dạng bột b Các TYPE ứng dụng TYPE: Kiểu tiêu chuẩn (SA110 & SA111 A/B/C): Dùng ứng dụng Kiểu chịu nhiệt cao (SA120 & SA128 A/B/C): Đo mức với mơi trường có nhiệt độ cao Kiểu chống ăn mịn (SA130 & SA132 A/B/C): Dùng báo mức mơi trường có hóa chất ăn mịn Kiểu đầu dị tách dời (SA140 A/B/C): Dùng đo mức khu vực có độ rung cao Kiểu đầu đo nối dây dài (SA150 A/B/C): Dùng đo mức két, silo có kích thước lớn Kiểu đầu đo phẳng (SA160 A/B/C): Đo mức vị trí thấp Kiểu phịng nổ cấp (SA270~ SA279): Dùng cho khu vực phòng nổ Zone 1, Kiểu phịng nổ cấp – an tồn chất (SA370 ~ SA378): Dùng báo mức phòng nổ Zone 0, yêu cầu bổ sung thiết bị phòng nổ cách ly SA-75U Loại miễn nhiễm điện từ (SA180 & SA181 A/B/C): Dùng cho khu vực bị tĩnh điện phóng c Cách tùy chọn cảm biến điện dung SA: Dựa vào nhu cầu thực tết vật liệu/chất lỏng cần đo mức, kiểu bồn, ứng dụng đầu ra, khách hàng tùy chọn 100% cảm biến họ theo form sau: Series: SA Type: Theo mục “Các TYPE ứng dụng TYPE:” bên Cọc đấu nối: Nguồn AC DC, đầu Rơ le NPN, dùng cho cách ly SA-75U Lặp đặt: Mặt bích nối ren Kích thước chiều dài đầu đo Giới thiệu cảm biến đo mức điện dung Finetek-Type: SA ... lưu lượng Giá thành cao Một số hình ảnh lưu lượng cảm biến điện từ Cảm biến lưu lượng Coriolis Đây nhóm cảm biến đo lưu lượng phổ biến Chúng thực đo trực tiếp lưu lượng khối lượng dòng chất lỏng. .. trình đo lưu lượng tỷ trọng tần số dao động ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua ống Không đo lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất. .. nhược điểm, đặc tính cảm biến lưu lượng chất lỏng, chất khí nhằm giúp người sử dụng chọn cảm biến cho ứng dụng III Nội dung Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất Lưu lượng kế loại hoạt