báo cáo giữa kỳ cảm biến lưu lượng và mức điều khiển quá trình

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

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO GIỮA KỲ

CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG VÀ MỨCĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn,nhà trường thầy cô bạn bè anh chị, gia đình đã giúp đỡnhóm tôi hoàn thành đề tài này, xin chân thành cảm ơn, chân thành cảm ơn TS Lê AnhTuấn đã giúp đỡ nhóm em trong quá trình hoàn thành báo cáo này, cảm ơn thầy cô khoaĐiện- Điện tử đã giúp nhóm em trong thời gian qua.

TP Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 11 năm 2022 Tác giả

- Tổng hợp báo cáo và PowerPoint

Đặng Tấn Khanh

- Tìm hiểu về định nghĩa và đặc các cảm biếnlưu lượng theo nguyên lý chênh áp, nguyên lýVortex, nguyên lý siêu âm

Trần Quang Tuấn

- Thiết kế mạch điện đo lường và dùng Proteus mô phỏng mạch Giải thích kết quả mô phỏng Viết Chương trình vi điều khiển Vẽ kết nối phần cứng và mạch nguyên lý nếu chọn vi điều khiển.

Trần Minh Trí

- Tìm hiểu về các cảm biến mức độ dẫn điện, độ rung, áp suất đo mức nước và công tắc phao

- Thiết kế mô hình và thi công mạch phần cứng Trình bày cách bố trí, cân chỉnh và nguyên tắc hoạt động của cảm biến

Trần Thanh Hải

- Tìm hiểu định nghĩa và đặc trưng các cảm biến mức đo điện dung, quang, đo bằng sóng siêu âm và Radar

5

MỤC LỤC

Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG VÀ MỨC 8

A CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 8

I Định nghĩa 8

II Giới thiệu về phương pháp đo lưu lượng 8

III Các phương pháp đo lưu lượng 8

Các cảm biến lưu lượng thể tích 9

1 Nguyên lý đo của phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp 9

Các loại thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý chênh áp: 11

b Các cảm biến sử dụng phương pháp đo Vortex 19

3 Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm 20

a Nguyên lý sử dụng siêu âm để đo lường 20

b Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm 21

c Cảm biến sử dụng phương pháp siêu âm để đo lường 22

4 Cảm biến lưu lượng kiểu từ trường 24

5 Cảm biến kiểu thế chỗ 25

6 Cảm biến lưu lượng kiểu tuabin 27

7 Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng (Cảm biến kiểu Vortex)28Các cảm biến lưu lượng khối lượng 29

1 Các cảm biến dựa vào động lực 30

2 Các cảm biến dựa vào nhiệt 32

B CẢM BIẾN MỨC 32

I Định nghĩa 32

II Giới thiệu về phương pháp đo mức 33

III Các phương pháp đo mức 33

1 Cảm biến mức đo điện dung 33

2 Cảm biến quang 357

3 Cảm biến đo bằng sóng siêu âm 40

4 Cảm biến mức Radar 43

5 Cảm biến mức độ dẫn điện (điện trở) 45

6 Cảm biến mức độ rung (Tuning Fork) 46

7 Cảm biến áp suất đo mức nước 47

Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG VÀ MỨCA CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

I Định nghĩa

- Lưu lượng là lượng chất lỏng, chất dạng vữa, khí hoặc thậm chí cả chất rắn dạngbột 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 xácso với thực tế.

Cảm biến lưu lượng (thường được gọi là “đồng hồ đo lưu lượng”) là một thiết bị điệntử 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.

9

Các cảm biến lưu lượng thể tích

1 Nguyên lý đo của phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý chênh ápĐây 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:

Q : lưu lượng thể tích K : hệ số

: chênh áp

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:

- Tấm Orifice- Venturi and flow tube- Pilot tube

- Elbow meters- 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 nhấttại 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, đườngkính ống, vị trí và khoảng cách giữa hai điểm đo áp suất…

10

Hình 1:Cấu tạo của vòi nozzle

11

Hình 2:Thiết bị đo lưu lượng khí dạng chênh áp

Hình 3:Thiết bị đo lưu lượng chất lỏng dạng chênh ápCác loại thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý chênh áp:

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 tấmOrifice 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.

- Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳngb 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 tốccủa nó sẽ tăng lên và áp suất sẽ giảm Sau đoạn ống thẳng, vận tốc sẽ giảm dần và áp suấtsẽ tăng Ta sẽ đo áp suất tại 2 điểm:

- Trước đoạn thu hẹp.

- Sau đoạn ống thẳng (tức là trước khi ống được mở rộng).

13

Ưu điểm:

- 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.

Nhược điểm:

- Giá thành cao

- Quá trình lắp đặt cần có thêm giá đỡ

- Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng.

-14

2 Các cảm biến dựa vào nhiệt

Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đặt một lượng nhiệt nhỏ vào dòng quá trình vàsử dụng độ thay đổi nhiệt độ và giá trị nhiệt đặc trưng của vật liệu quá trình để tính toánlưu lượng khối lượng Nhiệt đặc trưng là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độcủa mỗi đơn vị khối lượng vật chất lên 10C Các cảm biến lưu lượng dựa vào nhiệt hầuhết được sử dụng để đo lưu lượng của các khí sạch và hiếm khi được sử dụng với cácchất 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 đểtính lưu lượng Nhiệt độ tăng càng ít, lưu lượng càng lớn bởi vì cùng một lượngnhiệt 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 biếnlà không đổi Lưu lượng khối lượng có thể được tính bằng cách đo lượng nhiệt cầnthiết 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 trongống để cảm nhận dòng chảy tại nhiều điểm

B CẢM BIẾN MỨC

I Định nghĩa

33

- 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 trongbồn 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 Cónhiều 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:- Đo mức theo điểm:

Cảm biến đo điện dung.Cảm biến quang.

Cảm biến mức độ dẫn điện (điện trở)Cảm biến mức độ rung (Tuning Fork)Cảm biến áp suất đo mức nướcCông tắc phao

- Đo mức liên tục:

Cảm biến đo bằng sóng siêu âm.Cảm biến mức radar.

1 Cảm biến mức đo điện dung

- Cảm biến mức điện dung là một dạng cảm biến tiệm cận tạo ra một điện trường vàphát hiện mức độ bằng cách tác động lên điện trường của nó Loại cảm biến nàyđo mức chất lỏng, chất rắn, xi măng, hạt nhựa… và cần được căn chỉnh cho phùhợp từng vật liệu.

34

a Cấu tạo cảm biến đo điện dung:

Cảm biến (các bản cực cách điện) Mạch dao động.

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 cácbản cực Cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay đổi điện dung của tụđiện Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dungcủa tụ điện tăng lên Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kíchthước 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 vớikhoảng cách giữa 2 tấm cực.

- VD: CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG AUTONICS CR18-8AO

Khoảng cách phát hiện: 8mm.Đường kính: 18mm.Thường hở 2 dâyNguồn cấp: 100-240VACCấp bảo vệ: IP662 Cảm biến quang

- Cảm biến quang học là một loại thiết bị sử dụng nhiều dạng tương tác giữa ánhsáng - vật chất (tức là photon - nguyên tử) để phát hiện, và định lượng các phân tửcho nhiều ứng dụng.

- Hoạt động bằng cách chuyển đổi các tia sáng thành tín hiệu điện để đo một lượngánh 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 hiệuđiện.

- Bộ phát ánh sáng có nhiệm vụ phát ra ánh sáng dạng xung Tần số ánh sáng này sẽđược các hãng sản xuất thiết kế một cách đặc biệt Mục đích chính là giúp cho bộthu 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 thuánh sáng Trong cảm biến quang nhiệt thì nó chỉ nhận ánh sáng từ bộ phát sáng vàtruyền tín hiệu qua mạch xử lý.

- Mạch xử lý tín hiệu điện trong cảm biến điện quang sẽ tiếp thu tín hiệu từ bộ thuánh sáng Nó sẽ chuyển tín hiệu theo tỉ lệ từ transitor quang thành ON/OFF Dạngtín 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 nhậnánh sáng được phát ra đó và chuyển tín hiệu đến mạch xử lý tín hiệu Tại đây, tínhiệu sẽ được chuyển đổi từ dạng transistor thành ON/OFF Tín hiệu ngõ ra thườngdùng 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 loạicảm biến quang khác nhau Nhưng nguyên lý làm việc của các cảm biến quang làgiống 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 nàyphải nằm đối diện với nhau.

- Đặc điểm của loại cảm biến quang điện này là không bị ảnh hưởng bởi bề mặt haymàu 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 vàcảm 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 nhưthường Thế nhưng, cảm biến thu ánh sáng lại không thu được ánh sáng làdo có vật cản.

38

- Ứng dụng của loại cảm biến quang này là chúng được dùng trong môi trường cóphản 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 chongười 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 Nếukhông có vật cản thì gương sẽ bắt đầu phản xạ lại bộ thu ánh sáng Nếu có vật cản thìnó sẽ làm thay đổi tần số của ánh sáng phản xạ Có trường hợp sẽ làm mất đi ánhsáng thu Cảm biến sẽ xuất hiện các tín hiệu điện là PNP, NPN.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán:

- Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phátchung Thường được dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống máy móc tựđộng Giám sát các thiết bị đã được lắp đúng vị trí hay chưa.

- Đặc điểm: Bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách tối đa 2m.

39

Cảm biến quang phát hiện màu (cảm biến màu sắc):

- Khi sử dụng, người dùng cài đặt cho cảm biến nhận dạng màu trước khi hoạt động.- Nguyên lý hoạt động: Cảm biến quang phát hiện màu cũng là loại cảm biến thuphát chung Nó hoạt động tương tự như cảm biến quang phản xạ khuếch tán.Nhưng cảm biến chỉ nhận đúng màu đã được lập trình sẵn mới phát tín hiệu điệnNPN, PNP,

d Ứng dụng của cảm biến quang:

- Kiểm tra sản phẩm đi qua trong quá trình rửa.- Kiểm tra đường đi của xe ô tô trên băng tải.- Xác minh mức độ đầy của cà phê trong lon.- Đếm chai di chuyển trên băng tải tốc độ cao.- Phát hiện các nhãn bị thiếu trên chai.

- Đảm bảo kiểm soát an toàn khi mở và đóng cửa nhà xe.- Bật vòi nước rửa bằng sóng của bàn tay.

- Phát hiện người và vật đi qua cửa.- Phát hiện xe trong bãi giữ xe.3 Cảm biến đo bằng sóng siêu âm

- Cảm biến siêu âm là một thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên sóng siêu âm Cũnggiống như các loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm đượcdùng chủ yếu là để đo khoảng cách hoặc vận tốc.

40

a Cấu tạo của cảm biến đo bằng sóng siêu âm:- Cấu tạo của cảm biến siêu âm gồm:

Máy phát: Rung bằng máy rung (thường được làm từ chất liệu gốm cóđường kính khoảng 15 mm) để tạo sóng siêu âm và lan truyền vào khôngkhí.

Máy thu: Khi máy rung nhận sóng siêu âm, nó tạo ra rung động cơ họctương ứng theo sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu racủa máy thu.

Bộ điều khiển: Truyền siêu âm của máy phát bằng cách sử dụng mạch tíchhợp và đánh giá xem máy thu có nhận được tín hiệu (sóng siêu âm) và kíchthước của tín hiệu thu được hay không.

Nguồn điện: Cảm biến siêu âm thường được cung cấp bởi nguồn điện DCbên ngoài với điện áp là PCB ± 10% hoặc 24 V ± 10% và được cung cấpcho cảm biến thông qua mạch ổn áp bên trong.

- Cảm biến siêu âm đo mức nước cho ra tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V được đưa vềPLC để đóng ngắt bơm hoặc điều khiển biến tần để ổn định mức nước trong cácbồn chứa Độ chính xác của cảm biến siêu âm phụ thuộc rất nhiều vào người lắpđặt và cài đặt bởi khoảng cách càng lớn thì sai số càng lớn.

b Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo bằng sóng siêu âm:

41

- Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc cho và nhận tức là bản thân cảmbiến sẽ phát ra sóng liên tục với tốc độ của sóng siêu âm Khi bước sóng này gặpvật cản sẽ phản hồi lại bước sóng này, cảm biến siêu âm sẽ nhận lại bước sóngphản hồi này đồng thời phân tích thời gian phát sáng và nhận sóng để biết đượckhoảng cách từ vật cản tới cảm biến Chính vì điều này mà chúng ta biết đượckhoảng cách từ cảm biến cho tới mức chất lỏng hoặc chất rắn một cách chính xác.

c Ưu nhược điểm của cảm biến đo bằng sóng siêu âm:- Ưu điểm của cảm biến siêu âm:

Độ chính xác cao.Thời gian đáp ứng nhanh.Lắp đặt đơn giản.Giá thành thấp.

- Nhược điểm của cảm biến siêu âm

Cần phải cài đặt để đạt độ chính xác cao.Không lắp được môi trường có bọt – dể báo sai.Không sử dụng được môi trường có cánh khuấy.Dể bị sai số nếu có nhiều bụi.

42