Trình bày cách bố trí, cân chỉnh và nguyên tắc hoạt động của cảm biếnTrần Thanh Hải- Tìm hiểu định nghĩa và đặc trưng các cảm biến mức đo điện dung, quang, đo bằng sóng siêu âm và Radar5
GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG VÀ MỨC
CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG
- Lưu lượng là lượng chất lỏng, chất dạng vữa, khí hoặc thậm chí cả chất rắn dạng bột đi qua trong một khoảng thời gian xác định.
- Đơn vị đo: o l/s (lít/giây) o m3/min (mét khối trên phút) o gallons/min (gallons trên phút)
II Giới thiệu về phương pháp đo lưu lượng
Trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp, đo lưu lượng là một trong những phép đo được sử dụng rộng rãi nhất Để xác định đượng lưu lượng cũng như khối lượng chính xác, chúng ta cần những thiết bị chuyên dụng để đo lường Chúng ta có khá nhiều nguyên lý đo lưu lượng và hầu hết các nguyên lý đo điều cho kết quả khá chính xác so với thực tế.
Cảm biến lưu lượng (thường được gọi là “đồng hồ đo lưu lượng”) là một thiết bị điện tử có chức năng đo hoặc điều chỉnh tốc độ dòng chảy của chất lỏng và khí trong ống Công dụng là xác định lưu lượng của vật liệu qua đường ống với kích thước biết trước. III Các phương pháp đo lưu lượng Đo lưu lượng thể tích (Volumetric Flow-rate): Đo lưu lưu lượng theo nguyên lý chênh áp. Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine. Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ. Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex. Đo lưu lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ. Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm (ultrasonics).
Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng (Cảm biến kiểu Vortex) Đo lưu lượng khối lượng (Mass Flow-rate): Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt. Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis.
Các cảm biến lưu lượng thể tích
1 Nguyên lý đo của phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp Đây là nguyên lý đo được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp quá trình (process industry).Nguyên lý đo này dựa trên phương trình tính lưu lượng thể tích:
Theo đó, người ta sẽ sử dụng các thiết bị tạo chênh áp bằng cách thay đổi tiết diện ngang của ống (theo hướng nhỏ lại) như:
- Flow nozzle Để có thể tính toán ra lưu lượng của lưu chất từ chênh áp người ta sử dụng một transmitter chênh áp Transmitter này có 2 đầu vào áp suất tương ứng với áp suất cao nhất tại điểm khi tiết diện ngang của ống chưa thay đổi và áp suất thấp nhất tại điểm dòng chảy có tiết diện ngang nhỏ nhất Để đo được lưu lượng chính xác nhất thì việc lắp đặt điểm lấy áp suất cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến hướng dòng chảy, đường kính ống, vị trí và khoảng cách giữa hai điểm đo áp suất…
Hình 1:Cấu tạo của vòi nozzle
Hình 2:Thiết bị đo lưu lượng khí dạng chênh áp
Hình 3:Thiết bị đo lưu lượng chất lỏng dạng chênh áp
Các loại thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý chênh áp: a Tấm Orifice:
Tấm Orifice là những đĩa kim loại, tương đối bằng phẳng được đục những lỗ có kích thước xác định.
Hình dạng có nhiều dạng khác nhau: hình tròn, ovan, bán nguyệt hay hình côn.
Do dòng chảy tồn tại cả 2 pha (lỏng và khí) sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo Để loại bỏ điều này người ta sử dụng tấm Orifice có đục lổ Theo đó, nếu lưu chất là chất khí thì tấm Orifice sẽ được đục lỗ ở phía đáy dòng chảy (để lỏng có thể đi qua) và nếu lưu chất là chất lỏng thì tấm Orifice được đục lổ ở phía trên dòng chảy. Ưu điểm:
- Dễ dàng lắp đặt và bảo trì
- Chỉ cần sử dụng chung 1 loại transmitter mà không cần quan tâm đế kích thước của đường ống.
- Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng b Ống Venturi:
Có thể đo được lưu lượng lớn chất lỏng với mức giảm áp lực thấp Nó là một ống có đầu vào nhỏ dần và sau đó là một đoạn thẳng Khi chất lỏng đi qua phần nhỏ dần, vận tốc của nó sẽ tăng lên và áp suất sẽ giảm Sau đoạn ống thẳng, vận tốc sẽ giảm dần và áp suất sẽ tăng Ta sẽ đo áp suất tại 2 điểm:
- Sau đoạn ống thẳng (tức là trước khi ống được mở rộng).
- Độ chính xác, độ tin cậy cao.
- Có thể dùng cho lưu chất dạng vữa hoặc chất lỏng có nhiều tạp chất.
- Chỉ cần sử dụng chung 1 loại transmitter mà không cần quan tâm đế kích thước của đường ống.
- Quá trình lắp đặt cần có thêm giá đỡ
- Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng.
2 Các cảm biến dựa vào nhiệt
Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đặt một lượng nhiệt nhỏ vào dòng quá trình và sử dụng độ thay đổi nhiệt độ và giá trị nhiệt đặc trưng của vật liệu quá trình để tính toán lưu lượng khối lượng Nhiệt đặc trưng là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của mỗi đơn vị khối lượng vật chất lên 10C Các cảm biến lưu lượng dựa vào nhiệt hầu hết được sử dụng để đo lưu lượng của các khí sạch và hiếm khi được sử dụng với các chất lỏng.
Các cảm biến sử dụng một trong hai phương pháp cơ bản: là đưa vào một lượng nhiệt không đổi và sử dụng độ thay đổi nhiệt độ tổng hợp để tính lưu lượng Nhiệt độ tăng càng ít, lưu lượng càng lớn bởi vì cùng một lượng nhiệt sẽ làm độ tăng nhiệt độ ít hơn đối với một lượng vật liệu nhiều hơn. là thay đổi lượng nhiệt đầu vào để giữ cho độ sai lệch nhiệt độ giữa hai cảm biến là không đổi Lưu lượng khối lượng có thể được tính bằng cách đo lượng nhiệt cần thiết để duy trì độ sai lệch nhiệt độ là không đổi.
Hình 10: Trình bày cách mà một số cảm biến lưu lượng kiểu nhiệt được đặt trong ống để cảm nhận dòng chảy tại nhiều điểm
CẢM BIẾN MỨC
- Mức là mức chất lưu hoặc khối lượng chất lưu trong bình chứa.
- Đơn vị đo: o m (mét) o In (Inch)
II Giới thiệu về phương pháp đo mức
Cảm biến đo mức được sử dụng để đo mực chất lỏng hoặc mức chất rắn chứa bên trong bồn Sử dụng để đo mức liên tục giúp chúng ta biết được phần trăm, số lít, khối lượng, thể tích của môi chất chứa trong bồn chứa khi vật liệu bên trong tăng hoặc giảm Có nhiều loại cảm biến đo mức khác nhau tương ứng với từng loại môi chất cụ thể. III Các phương pháp đo mức
Có thể chia các loại cảm biến đo mức thành 2 loại:
Cảm biến đo điện dung.
Cảm biến mức độ dẫn điện (điện trở)
Cảm biến mức độ rung (Tuning Fork)
Cảm biến áp suất đo mức nước
Cảm biến đo bằng sóng siêu âm.
1 Cảm biến mức đo điện dung
- Cảm biến mức điện dung là một dạng cảm biến tiệm cận tạo ra một điện trường và phát hiện mức độ bằng cách tác động lên điện trường của nó Loại cảm biến này đo mức chất lỏng, chất rắn, xi măng, hạt nhựa… và cần được căn chỉnh cho phù hợp từng vật liệu.
34 a Cấu tạo cảm biến đo điện dung:
Cảm biến (các bản cực cách điện).
Bộ phát hiện (cảm nhận).
Mạch đầu ra. b Nguyên lý hoạt động cảm biến đo điện dung:
- Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện dung C của các bản cực Cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay đổi điện dung của tụ điện Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện tăng lên Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước và hằng số điện môi của vật liệu Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo
35 dao động cho cảm biến dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực.
- VD: CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG AUTONICS CR18-8AO
Khoảng cách phát hiện: 8mm. Đường kính: 18mm.
- Cảm biến quang học là một loại thiết bị sử dụng nhiều dạng tương tác giữa ánh sáng - vật chất (tức là photon - nguyên tử) để phát hiện, và định lượng các phân tử cho nhiều ứng dụng.
- Hoạt động bằng cách chuyển đổi các tia sáng thành tín hiệu điện để đo một lượng ánh sáng vật lý sau đó chuyển nó thành một giá trị đo Nhược điểm:
Dể bị bám bụi dẩn tới báo mức sai
Không thể dùng cho môi trường nhiều bọt, bụi …
36 a Cấu tạo của cảm biến quang:
- Gồm 3 phần chính là bộ phát ánh sáng, bộ thu ánh sáng và bo mạch xử lý tín hiệu điện.
- Bộ phát ánh sáng có nhiệm vụ phát ra ánh sáng dạng xung Tần số ánh sáng này sẽ được các hãng sản xuất thiết kế một cách đặc biệt Mục đích chính là giúp cho bộ thu ánh sáng phân biệt được nguồn sáng từ cảm biến và từ nguồn khác
- Bộ thu ánh sáng trong cảm biến quang có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ thu ánh sáng Trong cảm biến quang nhiệt thì nó chỉ nhận ánh sáng từ bộ phát sáng và truyền tín hiệu qua mạch xử lý.
- Mạch xử lý tín hiệu điện trong cảm biến điện quang sẽ tiếp thu tín hiệu từ bộ thu ánh sáng Nó sẽ chuyển tín hiệu theo tỉ lệ từ transitor quang thành ON/OFF Dạng tín hiệu chuyển thành này được khuếch đại rộng hơn
37 b Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang:
- Bộ phát ánh sáng sẽ phát ra ánh sáng ở dạng tần số Bộ thu ánh sáng sẽ tiếp nhận ánh sáng được phát ra đó và chuyển tín hiệu đến mạch xử lý tín hiệu Tại đây, tín hiệu sẽ được chuyển đổi từ dạng transistor thành ON/OFF Tín hiệu ngõ ra thường dùng nhất ở đây là NPN và PNP. c Phân loại cảm biến quang:
- Cảm biến quang tùy vào ứng dụng sẽ có một loại và chi tiết cấu tạo của các loại cảm biến quang khác nhau Nhưng nguyên lý làm việc của các cảm biến quang là giống nhau.
Cảm biến quang thu phát độc lập:
- Nó hoạt động được khi có một con phát sáng và một con thu sáng Hai con này phải nằm đối diện với nhau.
- Đặc điểm của loại cảm biến quang điện này là không bị ảnh hưởng bởi bề mặt hay màu sắc Khoảng cách phát hiệu của chúng lên đến 60m.
- Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến quang thu phát độc lập: Xét ở 2 trạng thái: Ở trạng thái không có vật cản: Ở trạng thái này, cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng Phát Thu và tiếp nhận liên tục với nhau. Ở trạng thái có vật cản: Lúc này cảm biến phát tiếp tục phát ánh sáng như thường Thế nhưng, cảm biến thu ánh sáng lại không thu được ánh sáng là do có vật cản.
- Ứng dụng của loại cảm biến quang này là chúng được dùng trong môi trường có phản xạ ánh sáng cao Chúng không dùng cảm biến thu để phát chung được. Cảm biến quang phản xạ gương:
- Bộ cảm biến này là bộ cảm biến có bộ phát ánh sáng và thu ánh sáng trên cùng một thiết bị Gương phản xạ là một lăng kính được thiết kế đặc biệt
- Đặc điểm của loại cảm biến quang điện này là:
Chúng được lắp đặt một cách thuận tiện Đem đến sự tiết kiệm dây dẫn cho người dùng Chúng có thể phát hiện được các vật trong suốt, mờ Tất nhiên, khoảng cách phát hiện đó nằm trong 15m.
- Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang phản xạ gương như sau:
Khi cảm biến hoạt động, bộ ánh sáng sẽ bắt đầu phát ánh sáng đến gương Nếu không có vật cản thì gương sẽ bắt đầu phản xạ lại bộ thu ánh sáng Nếu có vật cản thì nó sẽ làm thay đổi tần số của ánh sáng phản xạ Có trường hợp sẽ làm mất đi ánh sáng thu Cảm biến sẽ xuất hiện các tín hiệu điện là PNP, NPN.
Cảm biến quang phản xạ khuếch tán:
CODE TÌM HIỂU CẢM BIẾN SIÊU ÂM
Code Adruino: const int trig = 19; // chân trig của HC-SR04 const int echo = 18; // chân echo của HC-SR04 void setup()
Serial.begin(9600); // giao tiếp Serial với baudrate 9600 pinMode(trig,OUTPUT); // chân trig sẽ phát tín hiệu pinMode(echo,INPUT); // chân echo sẽ nhận tín hiệu } void loop()
{ unsigned long duration; // biến đo thời gian int distance; // biến lưu khoảng cách
/* Phát xung từ chân trig */ digitalWrite(trig,0); // tắt chân trig delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig,1); // phát xung từ chân trig
Vcc-GND-GND delayMicroseconds(5); // xung có độ dài 5 microSeconds digitalWrite(trig,0); // tắt chân trig
// Đo độ rộng xung HIGH ở chân echo duration = pulseIn(echo,HIGH);
// Tính khoảng cách đến vật. distance = int(duration/2/29.412);
/* In kết quả ra Serial Monitor */
MÔ PHỎNG PROTEUS
Cảm biến lưu lượng kiểu điện từ Electromagnetic ( hoạt động dựa trên hiệu ứng hall) Hiệu ứng Hall, nói chung, là sự hiện diện của điện áp ngang trên một dây dẫn mang dòng điện với từ trường gần đó Một điện áp tồn tại bởi vì từ trường có xu hướng đẩy hoặc kéo các điện tích (tùy thuộc vào cực tính của từ trường) sang một bên của dây dẫn Nếu một bên của dây dẫn âm hơn so với bên kia, thì sự khác biệt điện năng tồn tại và do đó điện áp phát sinh.
Một cảm biến Hall sử dụng nguyên tắc này để phát hiện sự hiện diện của một từ trường Cảm biến Hall tạo ra một điện áp tỷ lệ thuận với cường độ của từ trường gần đó. Cảm biến lưu lượng bài này chứa cảm biến hall có vị trí cố định và nam châm trên nằm một trong các răng của tuabin Khi tua-bin quay khi có nước chảy qua, nam châm đến gần với cảm biến hall Một loạt các xung sau đó được đọc từ cảm biến hall có tần số tương tự với vòng quay của tuabin.
Trong bài này chúng ta sử dụng cảm biến như hình bên dưới với các thông số như sau:
Tần số tín hiệu đầu ra:
F: Tần số tín hiệu đầu ra (Hz)
Dòng tối đa 15 mA(DC 5V)
Nhiệt độ nước cho phép < 120°C Độ ẩm môi trường làm việc 35%~90%RH Áp suất nước cho phép < 0.35Mpa
VD: 1L/phút nước sẽ có công thức : 1×7.5×60 = 450 xung/phút
II Lựa chọn mạch điều khiển
Arduino Uno R3 là loại phổ biến và dễ sử dụng nhất trong các dòng Arduino hiện nay cũng như tương thích với nhiều loại Arduino Shield nhất
Thông số kỹ thuật: o Chip điều khiển chính: ATmega328P o Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2 o Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn
DC (nếu sử dụng nguồn ngoài từ giắc tròn DC Hshop.vn khuyên bạn nên cấp nguồn từ 6~9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt, nếu bạn cắm 12VDC thì IC ổn áp rất nóng, dễ cháy và gây hư hỏng mạch). o Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM). o Số chân PWM Digital I/O: 6 o Số chân Analog Input: 6 o Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA o Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA o Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader. o SRAM: 2 KB (ATmega328P) o EEPROM: 1 KB (ATmega328P) o Clock Speed: 16 MHz o LED_BUILTIN: 13 o Kích thước: 68.6 x 53.4 mm
16x2 LCD là dạng màn hình LCD Text với 32 ký tự (16 x 2 dòng) trên màn hình giúp hiển thị các thông tin điều khiển, giá trị cảm biến, thông báo trực quan.
Thông số kỹ thuật: Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC
Thông số hiển thị: 16 ký tự X 2 hàng
IV Kết nối cảm biến lưu lượng với Arduino:
Chúng ta kết nối cảm biến lưu lượng với Arduino thông qua 3 chân: VCC, GND và OUT. Lưu ý: Dòng chảy đi qua cảm biến lưu lượng tốt nhất là theo phương thẳng đứng với chiều từ trên xuống.
Vì cảm biến lưu lượng tạo ra xung mỗi khi nam châm thẳng hàng với cảm biến hall, chúng ta có thể sử dụng xung này làm bộ kích hoạt ngắt Chúng ta gắn chân OUT của cảm biến lưu lượng nước vào chân 2 của Arduino.
V Nguyên lý hoạt động Ý tưởng: theo dõi chân tín hiệu của YF-S201 để phát hiện khi cảm biến Hall được kích hoạt (phát hiện luồng) và tăng một biến để hiển thị dòng vào tăng lên Tuy nhiên, để làm điều đó một cách hiệu quả và chính xác, ta sẽ sử dụng tính năng ngắt của Arduino sao cho bất cứ khi nào cảm biến Hall phát hiện nam châm quay, một ngắt cạnh lên sẽ được kích hoạt và tác động bởi Arduino Sau đó, tổng số lần ngắt được kích hoạt trong một thời gian cụ thể được sử dụng để tạo ra lưu lượng và tổng thể tích chất lỏng đã đi qua đồng hồ đo lưu lượng
Mã code bắt đầu với khai báo thư viện
Tiếp theo là khai báo một số biến sẽ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu sau này và tạo ra một thể hiện của thư viện liquid crystal. volatile int flow_frequency; // Measures flow sensor pulses float vol = 0.0,l_minute; unsigned char flowsensor = 2; // Sensor Input unsigned long currentTime; unsigned long cloopTime;
Tiếp theo, chúng ta tạo hàm flow () Hàm này được gọi bất cứ khi nào ngắt được phát hiện và nó sẽ tăng bộ đếm lưu lượng, nó sẽ đóng vai trò như một biến báo về tốc độ dòng chảy. void flow () // Interrupt function
Tiếp theo, ta khai báo chân Arduino mà chân tín hiệu của cảm biến lưu lượng được kết nối, làm chân đầu vào Ta tạo một pull-up trên ghim bằng cách đặt nó “HIGH” và thiết lập ngắt cạnh “Rising” trên nó với hàm flow () mình đã tạo trước đó làm callback. pinMode(flowsensor, INPUT); digitalWrite(flowsensor, HIGH); // Optional Internal Pull-Up attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(flowsensor), flow, RISING); // Setup Interrupt
Tiếp theo, khởi tạo màn hình LCD và hiển thị một vài từ để tạo hiệu ứng tương tự như màn hình đang đo thực tế. lcd.begin(16, 2); lcd.clear();
57 lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Water FlowMeter"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(" sensing "); delay(500);
Kết thúc chức năng thiết lập bằng cách gọi hàm millis () để theo dõi thời gian kể từ khi tốc độ dòng chảy là thước đo dòng chảy trong một khung thời gian cụ thể urrentTime = millis(); cloopTime = currentTime;
Tiếp theo, chúng ta viết hàm void loop (), vòng lặp bắt đầu bằng cách so sánh thời gian đã trôi qua kể từ vòng lặp cuối cùng Tần số dòng chảy, thu được thông qua hành động ngắt, sau đó được chia cho thời gian (tính bằng phút) và giá trị được hiển thị dưới dạng tốc độ dòng chảy Giá trị cũng được thêm vào thể tích hiện có (vol) và được hiển thị dưới dạng tổng thể tích chất lỏng đã đi qua cảm biến.
Hàm if đảm bảo rằng cứ một giây, code bên trong nó sẽ chạy Bằng cách này, chúng ta có thể đếm số tần số do cảm biến lưu lượng nước tạo ra trong một giây Các đặc tính xung tốc độ dòng chảy từ biểu dữ liệu với tần số bằng 7,5 nhân với tốc độ dòng chảy Vì vậy, tốc độ dòng chảy là tần số / 7,5 Sau khi tìm được tốc độ dòng chảy tính bằng lít / phút, ta chia nó cho 60 để chuyển nó thành lít / giây Giá trị này được thêm vào biến vol cứ một giây. void loop ()
// Every second, calculate and print litres/hour if(currentTime >= (cloopTime + 1000))
{ cloopTime = currentTime; // Updates cloopTime if(flow_frequency != 0)
{ l_minute = (flow_frequency / 7.5); // (Pulse frequency x 60 min) / 7.5Q flowrate in L/hour lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Rate: "); lcd.print(l_minute); lcd.print(" L/M");
