Nguyên lý đo - Dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi xuất hiện một vật cản nằm trong lưu chất - Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn trôi đi -Theodor von Karman đã
Trang 12 Các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành và điều khiển
2.2 Thiết bị điều khiển
2.3 Các bộ điều khiển lôgic khả trình
Trang 23/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
-Thiết bị đo- cảm biến:
Thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên các biến trạng thái của quá trình
-Thiết bị chấp hành:
Biến đổi tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển thành sự điều
chỉnh vật lý nhằm thay đổi đầu vào của quá trình
2.1.1 Khái niệm
Thị phần thiết bị của các nhà sản xuất
Emerson (Fisher-Rosemount): 27 %Invensys: 4-5%
-Bộ điều khiển tính toán xử lý thông
tin đưa ra tín hiệu điều khiển
-Cơ cấu chấp hành thực hiện các yêu
cầu điều khiển quá trình
Trang 35/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
-Cửa ra là giá trị đo được M
-Phương trình mô tả quan hệ:
M= f(V)
2.1.4 Các đặc trưng cơ bản
Trang 47/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
b Các tín hiệu và các chuẩn
Chuẩn điện học thông dụng nhất được dùng để truyền tín hiệu là dùng một tín hiệu dòng điện từ 4- 20 mA
Trang 59/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
c Dải đo, ngưỡng nhạy và khả năng phân ly
xác định bởi giá trị đo lớn nhất và nhỏ nhất:
Trang 611/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
e Độ chính xác và sai số
-Độ chính xác là giá trị đo được
gần nhất với giá trị quá trình
-Sai số thường được thể hiện
bằng giá trị sai số tuyệt đối:
d
x x
d
-Sai số tương đối:
Ví dụ: một bộ cảm biến di chuyển thẳng có độ nhạy 1mV trên 1mm di chuyển Nếu di chuyển 10mm tạo nên điện
Trang 713/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân thành:
trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian Nguyên nhân:
+ do nguyên lý của cảm biến
+ giá trị đại lượng chuẩn không đúng
+ do thay đổi đặc tính của thiết bị
+ do tín hiệu ngẫu nhiên
+ các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi
trường
…
Trang 815/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
f Độ lặp và trễ
-Độ lặp là các giá trị đo thu được nhiều lần khi đo tại một điểm
- Độ trễxảy ra khi giá trị đo được có đáp ứng kịp với sự tăng haygiảm của giá trị quá trình hay không
2.1.5 Cấu trúc chung của cảm biến thông minh
Trang 917/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Việc thực hiện một bộ cảm biến thông minh có thể tiến hành theo hai phương pháp:
thì đầu ra được đưa vào một vi mạch bao gồm các
CĐCH, MUX, A/D và μP trong một khối có đầu ra qua
bộ ghép nối để đưa thông tin đi xa hay vào máy tính
cấp trên.
- Nếu bản thân cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị sau nó được để trong một khối
Các chương trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động
của cảm biến bao gồm:
- Chương trình thu thập dữ liệu: Khởi động các thiết bị như
ngăn xếp, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào ADC, điều khiển hoạt động của MUX
- Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo: Biến đổi các
giá trị đo được thành mã BCD, mã 7 thanh, mã ASCII, mã chương trình xử lý số liệu đo
- Chương trình giao diện: đưa hiển thị ra LED hay màn hình,
máy in, đọc bàn phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào mạng, hay gửi tín hiệu cho máy tính cấp trên
Trang 1019/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
2.1.6 Đo nhiệt độ
2.1.6.1 Giới thiệu chung
-Việc đo lường, điều khiển nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong điều khiển quá trình
- Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất
Có bốn phương pháp đo nhiệt độ dựa trên các đặc điểm vật lý sau:
- Sự giãn nở của các vật liệu theo nhiệt độ
- Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ
- Sự thay đổi nhiệt độ ở điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau
- Sự thay đổi năng lượng phát ra theo nhiệt độ
Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius (0C)
T ( 0 C)=T(K)-273,15
Fahrenheit ( 0 F)
Trang 1121/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
2.1.6.2 Các phương pháp đo nhiệt độ và ứng dụng trong công nghiệp
1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở
-Độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ
-Điện trở của kim loại có hệ
số dương: điện trở kim loại
tăng khi nhiệt độ tăng
a Nhiệt điện trở platin
-Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở dùng rộng rãi trong công nghiệp
-Dải đo nhiệt độ của NĐT platin trong khoảng –250 đến 850 0C+Khi nhiệt độ từ 0 6600C thì
Trang 1223/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
b Nhiệt điện trở Nickel
-Nhiệt điện trở Nickel so với platin rẻ tiền hơn
-Dải đo chỉ từ -60 đến 250 0C
Có đặc tính giống như nhiệt
điện trở đồng = 5.10-3/0C
c Nhiệt điện trở đồng
Phương trình chuyển đổi của nhiệt điện trở đồng trong dải từ –50
1800C được xem là tuyến tính: Rt= R0(1+t)
Trong đó: R0là điện trở của nhiệt điện trở tại 00C,
t
)t(R
Trang 1325/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
c Các cấu trúc của cảm biến nhiệt điệntrở platin và nickel
-Nhiệt điện trở với vỏ gốm
-Nhiệt điện trở với vỏ thuỷ tinh
-Nhiệt điện trở với vỏ nhựa
-Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng mỏng
d Ứng dụng trong công nghiệp
Nhiệt điện trở RM và RH của Yokogawa
Trang 1427/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện
a Cặp nhiệt điện
- Hai kim loại được hàn với nhau
- Đốt nóng một điểm đến nhiệt độ t1
và đầu còn lại giữ ở nhiệt độ thấp
hơn t2sẽ xuất hiện một dòng trong
mạch
Nếu để hở một đầu thì giữa hai
cực xuất hiện một sức điện động
nhiệt
-Dòng điện này phụ thuộc vào kim loại và nhiệt độ t1, t2
EAB= eA(t0) - eB(t0) = 0 Khi t1≠ t2 thì: EAB= eA(t1) - eB(t2)
Nếu t2 =const thì: EAB= eA(t1) - C = f(t)
với C= eB(t2) = const.
Như vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm được nhiệt độ t
Trang 1529/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
b Các luật của cặp nhiệt điện
-Luật 1: hiệu ứng nhiệt điện chỉ
phụ thuộc vào nhiệt độ của
các điểm kết nối
-Luật 2: Các kim loại có thể
được gắn thêm vào trong
mạch mà không ảnh hưởng
đến điện thế
-Luật 3: Có thể gắn thêm một kim loại thứ ba vào một trong hai
điểm tiếp xúc
- Luật 4: Luật của các kim loại trung gian
- Luật 5: Luật của các nhiệt độ trung gian
Trang 1631/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
c Sự thay đổi tính chất cặp nhiệt điện theo thời gian
Sau một thời gian đo ở nhiệt độ cao, sẽ xuất hiện sự “lão hoá” hay
sự “trượt” của kết quả đo đạc cặp nhiệt điện
d Nguyên nhân gây sai số trong phép đo với cặp nhiệt điện
-Khi có sự đứt đoạn đầu đo
-Khi hai dây của cặp nhiệt điện bị ẩm ướt
-Không có vỏ bọc chống nhiễu
-Cặp nhiệt điện nằm không đủ sâu vào môi trường cần đo
f Các loại cặp nhiệt điện theo tiêu
Trang 1733/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
g Ứng dụng trong công nghiệp
Cặp nhiệt điện CM và CH của Yokogawa
1 Đại cương về áp suất
tạo từ vật liệu silic với hiệu ứng điện trở áp điện
áp suất thành tín hiệu điện.
đổi trị số đo từ năng lượng cơ học thành năng lượng điện gắn trên màng đàn hồi.
Trang 1835/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
* Màng phẳng :
suất nhỏ hơn (loại này thường có hai miếng kim loại ép
Trang 1937/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
* Hộp đèn xếp : có 2 loại
cách ly với môi trường.
Muốn tăng độ xê dịch ta tăng số nếp gấp thường dùng đo
áp suất nhỏ và đo chân không.
Trang 2039/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Lựa chọn vật liệu cho màng đàn hồi phải dựa theo một số yếu tố:
2 Định nghĩa và đơn vị áp suất
a Định nghĩa
-Áp suất được định nghĩa là lực tác động trên một đơn vị diện tích
p = F/A
-Việc đo áp suất được hiểu là đo áp suất với một áp suất tiêu chuẩn
Áp suất tiêu chuẩn có thể là:
-Áp suất khí quyển
-Áp suất chân không
-Áp suất khác: hiệu áp
Trang 2141/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Trang 2243/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Có 4 loại bề mặt cần quan tâm trong điều khiển mức:
-Chất lỏng/ khí
-Chất rắn/ khí
-Chất lỏng 1/ chất lỏng 2
-Chất rắn/ chất lỏng
2.1.7.2 Các phương pháp đo áp suất, mức và ứng
dụng trong công nghiệp
1 Cảm biến đo áp suất
a Cảm biến áp suất điện trở áp điện
-Dựa trên hiệu ứng áp điện:
Vật liệu áp điện khi chịu tác dụng của lực cơ học biến thiên thì trên
bề mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điện tích biến mất
Trang 2345/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Trang 2447/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
b Cảm biến áp suất điện dung đo hiệu suất
2 Đo mức chất lỏng
a Đo mức chất lỏng bằng phương pháp đo điện dung
Trang 2549/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
b Đo mức chất lỏng bằng cách đo áp suất và hiệu áp
Trang 2651/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
c Đo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm
-Phương pháp đo bằng
sóng siêu âm dựa trên
sóng âm thanh tần số cao
-Một bộ phát và thu sóng
được đặt trên đỉnh thùng
chứa
-Mức trong thùng chứa
được tính từ các tín hiệu phản xạ lại lên bộ thu
3 Ứng dụng trong công nghiệp
Thiết bị đo áp suất và mức EJA của Yokogawa
EJA là thiết bị đo và
chuyển đổi áp suất vi
sai dựa trên các cảm
biến cộng hưởng theo
sự thay đổi áp suất đầu
vào
Trang 2753/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
2.1.7.2 Các phương pháp đo lưu lượng và ứng dụng trong công nghiệp
1 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy
a Nguyên lý đo
- Dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi xuất hiện một vật cản nằm trong lưu chất
- Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn trôi đi
-Theodor von Karman đã tìm ra nguyên nhân sự dao động khi đặt một vật nằm trong dòng chảy: đó là sự sinh ra và biến mất của các dòng xoáy bên cạnh vật cản
-Phía sau dòng chảy hình thành con đường dòng xoáy Karman
Trang 2855/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
-Tần số sự biến mất của dòng xoáy ( và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng dùng để đo lưu lượng bằng thể tích
Hằng số Strouhal S:
fb S
Trang 2957/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Để hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định và lặp lại thật tốt, vật cản có thể có hình dạng:
-Trong các thiết bị đo trên thị trường, vật cản được dùng có hình lăng kính
Trang 3059/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
-Một số ưu điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:
• Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay hư hỏng nhẹ của vật cản
• Sai số phép đo nhỏ
• Độc lập với các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy
• Không có bộ phận chuyển động cơ học và cấu trúc khá đơn giản
• Thích hợp để đo chất lỏng, khí và hơi
b Ứng dụng trong công nghiệp
Lưu lượng kế xoáy YEWFLO của Yokogawa
-Nguyên lý làm việc:
dựa trên hiện tượng tạo xoáy được biết đến như
nguyên lý von Karman
Giả sử tần số của các xoáy tạo ra là f, vận tốc dòng chảy là v và độ rộng của thanh tạo xoáy là d,
ta có:
f = StV/d
Trang 3161/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Trị số St là một số không thứ nguyên phụ thuộc vào hình dạng và kích cỡ của thanh tạo xoáy
• Khi biết được trị số St có thể tính được lưu lượng tỉ lệ bằng cách
Trang 3263/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Ứng suất tạo ra mỗi khi có các xoáy được phát hiện bởi các cảm biến (thành phần áp điện) đặt bên trong thanh tạo xoáy
Có 2 thành phần áp điện để
phân biệt các lực tạo ra bởi
xoáy và các lực được tạo ra
do các yếu tố khác
-Các quy định về lắp đặt
(1) Đường ống
• Lắp lưu lượng kế theo chiều mũi tên cùng
chiều dòng chảy vào
• Các hình minh hoạ dưới đây thể hiện khoảng
cách tối thiểu giữa lưu lượng kế với các đoạn
nối và điểm nối khác
Trang 3365/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Trang 3467/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
-Việc lắp đặt các điểm đo áp suất và nhiệt độ trên cùng một đường ống với lưu lượng kế có quy định về khoảng cách như sau:
Lưu lượng kế xoáy không thể đo được lưu chất trong các trườnghợp:
Trang 3569/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Đường kính của lưu lượng kế phải nhỏ hơn đường kính ống
Để đo được chính xác lưu lượng, phải đo với các đường ống luôn đầy
Trang 3671/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Các lưu chất chứa cả chất lỏng và khí sẽ gây ra lỗi trong quá trình đo
Tránh lắp đặt lưu lượng kế trong trường hợp có mức chất lỏng trong ống giữ nguyên ở trạng thái không đổi
Trang 3773/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
(2) Môi trường
-Không lắp đặt trong môi trường có nhiệt độ thay đổi đột ngột
-Không lắp đặt trong môi trường dễ bị ăn mòn, lắp đặt ở chỗ có thông gió
-Không được cho lưu lượng kế vào trong bất cứ một chất lỏng nào
-Lắp đặt trong những môi trường hạn chế thấp nhất mức va chạm
và chấn động
2 Phương pháp đo bằng sóng siêu âm
a Nguyên lý đo
-Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện
• Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền sóng liên kết với nhau:
• Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường
• Sóng siêu âm được tạo nên bởi các vật liệu áp điện
C f
Trang 3875/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Các cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn
có lưu chất dịch chuyển một vận tốc v Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến 2 thu sóng, vận tốc truyền sóng được gia tăng thêm thành phần v.cos
Với phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc v của dòng chảy
và su khi nhân v với diện tích mặt cắt của ống, thu được lưu
lượng tính bằng thể tích
Cảm biến 1 gửi một xung cho cảm biến 2 Cảm biến 2 trả lời bằng một xung cho cảm biến 1 và làm cho cảm biến một phát đi một xung Gọi f1là tần số cảm biến 1, f2là tần số của cảm biến 2.Vận tốc dòng chảy v độc lập với vận tốc truyền sóng C0:
Vì tần số được đo từ một chuỗi xung, do đó phép đo mất thời gian
Sự phản hồi sóng siêu âm của các bọt nước, vật rắn trong chất lỏng… gây nhiễu cho phép đo
Trang 3977/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Cả 2 cảm biến đối diện nhau phát cùng lúc một sóng siêu âm Cả 2 đầu tiên hoạt động như nguồn phát sau đó hoạt động như nguồn thu sóng siêu âm của nhau
t1: thời gian truyền sóng từ 1 đến 2
t2: thời gian truyền sóng từ 2 đến 1
Vận tốc dòng chảy được xác định rất nhanh chóng với trường hợp này:
t t
Khi vận tốc truyền sóng thay đổi và với tần số không đổi thì độ dài sóng phải thay đổi
Chọn tần số f0sao cho với vận tốc dòng chảy v=0 thì khoảng cách giữa hai cảm biến bằng n0
Với phương pháp này, tần số siêu âm được thay đổi sao cho dù với vận tốc dòng chảy nào ta luôn có khoảng cách giữa 2 cảm biến L= l0=n 0
Trang 4079/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
b Ứng dụng trong công nghiệp:
Lưu lượng kế siêu
âm SITRAN F US của
sẽ nhanh hơn với chiều xuôi và chậm hơn với chiều ngược lại
• Sự chênh lệch về thời gian này chính là giá trị vận tốc của dòng chảy VM
Trang 4181/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Trang 4283/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
• Giá trị đo chỉ chính xác khi lắp đặt lưu lượng kế ở những đường ống luôn đầy
Trang 4385/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
• Tránh lắp đặt lưu lượng kế tại những điểm cao nhất
3 Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ
a Nguyên lý đo
-Định luật cảm ứng điện từ của Faraday: một dây dẫn phát sinh một điện thế khi nó di chuyển trong từ trường
-Điện thế này tỷ lệ với vận tốc di chuyển của dây dẫn điện và
cường độ của từ trường
- Hiệu ứng này được dùng trong
phương pháp đo lưu lượng các chất
lỏng dẫn điện có chứa các ion
mang điện tích
Trang 4487/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation
Một số ưu điểm của lưu lượng kế cảm ứng điện từ
• Mặt cắt của dòng chảy không bị thu hẹp bởi các ống blende (tấm nghẽn) hay ống phun (ventury)
• Có thể đo được các chất lỏng dơ bẩn, môi trường độc hại, ăn mòn cao
• Khoảng đo rộng và độ chính xác cao
• Được dùng ở những nơi áp suất và nhiệt độ cao, nơi dể cháy
nổ, ngập lụt
b Ứng dụng trong công nghiệp:
Lưu lượng kế điện từ ADMAG AE
của Yokogawa
• Dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday
• Dùng một chất lỏng dẫn điện chảy qua giữa 2 cực của một namchâm và đo sức điện động sinh ra trong chất lỏng thì có thể xác định được tốc độ của dòng chảy hay lưu lượng