Tiểu luận đồng hồ nước điện từ đo lưu lượng nước sử dụng cảm biến

Tiểu luận đồng hồ nước điện từ đo lưu lượng nước sử dụng cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA CƠ KHÍ

TIỂU LUẬN MÔN ĐO LƯỜNG NÂNG CAO

TÊN TIỂU LUẬN

ĐỒNG HỒ NƯỚC ĐIỆN TỪ ĐO LƯU LƯỢNG

NƯỚC SỬ DỤNG CẢM BIẾN

GVHD: PGS-TS Thái Thị Thu Hà HVTH: Trần Thái Nguyên – 1104454 (91104003)

Năm 2011

NỘI DUNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN

ĐO LƯỜNG NÂNG CAO

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

PHẦN II: ỨNG DỤNG CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG TRONG NGÀNH CẤP NƯỚC

- Chất lưu là các môi trường vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại dưới những điều kiện nhiệt

độ, áp suất và thể tích được xác định bởi các định luật nhiệt động học

sự chênh lệch áp suất, chất lưu có thể chuyển

động Nghiên cứu chuyển động này là đối tượng của cơ học chất lưu

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢM BIẾN LƯU

LƯỢNG

1 Lưu lượng

- Lĩnh vực ứng dụng của chất lưu bao gồm:

hàng không, khí tượng học, sinh lý học Để đáp ứng các lĩnh vực ứng dụng đa dạng này, các

cảm biến đo lưu lượng của chất lưu cũng rất đa dạng cả về cấu tạo và phương pháp đo

1.1 Lưu lượng

- Chuyển động của chất lưu được đặt trưng bởi dòng chảy.

có thể thay đổi hoặc không thay đổi theo thời gian

2 Đặc trưng của dòng chảy

việc so sánh giữa các dòng chảy khác nhau, trong cơ học chất lưu thường sử dụng các đại lượng không thứ nguyên, điều này cho phép giảm số thông số của dòng chảy

- Trường hợp dòng chảy không nén và đẳng nhiệt: Tức là khối lượng riêng và nhiệt độ không đổi, thì chỉ cần một thông số không thứ nguyên cũng đủ

để xác định dòng chảy, đó là thông số Reynolds

2 Đặc trưng của dòng chảy

- U: vận tốc đặc trưng của dòng chảy

- D: kích thước đặc trưng

- v: độ nhớt động học

- Trong trường hợp ống thì vận tốc trung bình của dòng chảy : U = Q/S.

Q: Lưu lượng thể tích

S: Tiết diện ống

2 Đặc trưng của dòng chảy

- Đối với những điều kiện giới hạn hoàn toàn

giống nhau về hình học, hai dòng chảy không nén

và đẳng nhiệt được coi là giống nhau nếu chúng

có thông số Reynolds bằng nhau

Để thoả mãn điều kiện Re1 = Re2 thì:

U1 x D1 / v1 = U2 x D2 / v2

Như vậy, nếu biết vận tốc u1 ở điểm cách thành ống của ống thứ nhất một khoảng x1 thì có thể xác định vận tốc u2 ở thành ống của ống thứ hai một

khoảng x2 = x1(D2/D1) từ biểu thức:

U1 / u1 = U2 / u2

của số Reynolds: u1 / U1 = f(Re)

2 Đặc trưng của dòng chảy

thứ nguyên liên quan đến dòng chảy đều có thể

biểu diễn dưới dạng hàm số phụ thuộc vào số

Reynolds của dòng chảy đó

Trong trường hợp phức tạp hơn khi nhiệt độ và khối lượng riêng thay đổi, số thông số cần thiết được mô

tả một đại lượng A bổ sung sẽ tăng lên Thí dụ, với chất khí có vận tốc lớn:

A = f(Re,Ma)

2 Đặc trưng của dòng chảy

Trong đó: Ma = U1/c, c = γrT là vận tốc âm rT là vận tốc âm

với γrT là vận tốc âm = Cp / Cv (tỷ số giữa nhiệt dung riêng ở áp

suất không đổi và thể tích cố định, trong không khí γrT là vận tốc âm =1,4)

r là hằng số của chất khí lý tưởng và T là nhiệt độ

tuyệt đối

Trên thực tế, các cảm biến dựa trên một nguyên tắc hoạt động nhưng về kỹ thuật thì không giống nhau khi dùng cho dòng chảy là chất khí hoặc chất lỏng

2 Đặc trưng của dòng chảy

Đo lưu lượng có tầm quan trọng đặc biệt trong các mạng lưới vận chuyển chất lưu (ống dẫn khí, ống dẫn dầu) và trong mọi thiết bị công nghiệp khi cần khống chế lượng chất lưu tham gia vào các quá trình như ở lò phản ứng hoá học, nhà máy sản xuất năng lượng, động cơ đốt trong.

3 Các phương pháp đo lưu lượng

a) Lưu lượng kế điện từ:

Diện tích cắt: dSc = l.U sin.dt

Hoặc dưới dạng vectơ : dSc = l ^ U dt

a) Lưu lượng kế điện từ:

Cấu tạo của cảm biến

:

Từ trường từ 10-3 ÷ 10-2 T được tạo ra bằng cách

dùng hai cuộn dây đặt ở hai phía đường ống Đường

ống dẫn được làm bằng vật liệu không từ tính, mặt bên trong ống được phủ chất cách điện hai điện cực lấy tín hiệu đặt ở hai đầu đường kính vuông góc với đường sức của từ trường Các cuộn dây được nuôi bằng nguồn

xoay chiều tần số 30 Hz

.

a) Lưu lượng kế điện từ:

a) Lưu lượng kế điện từ:

Các đặc trưng

Các chất lưu phải có độ dẫn điện không nhỏ hơn

cỡ ≈ µScm -1 Lý do là bởi vì điện trở trong của cảm biến phải nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở vào của thiết bị

đo Phạm vi đo của lưu lượng kế điện từ là hàm của

đường kính ống dẫn Đường kính càng rộng thì giới

hạn thấp và cao càng dịch chuyển về phía lưu lượng

lớn

.

a) Lưu lượng kế điện từ:

Độ chính xác của lưu lượng kế đạt cỡ ≈ 1%

.

Ưu điểm của lưu lượng kế điện tử là ở chỗ việc đo

đạc không phụ thuộc vào đặc tính vật lý của chất lưu

(như mật độ, độ nhớt, độ dẫn điện với điều kiện nó phải lớn hơn một vài ≈ µScm -1 ) Ngoài ra, thiết bị này có khả năng chống ăn mòn bằng cách chọn lớp phủ và kim

loại điện cực thích hhợp (Ti, Pt)

.

a) Lưu lượng kế điện từ:

b) Lưu lượng kế cơ dùng chuyển đổi điện

trình

:

Trong đó

Cx : là hệ số lực cản và S là diện tích của hình chiếu

của phao trên mặt phẳng vuông góc với vận tốc U, S

= D 2 /4.

g: là gia tốc trọng trường.

b) Lưu lượng kế cơ dùng chuyển đổi điện

Mục đích của việc đo và phát hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối lượng chất lưu trong các bình

Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín

hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng

hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không

Vị trí của phao được xác định sao cho vận tốc của

U được biểu diễn bởi biểu thức (tại điều kiện cân

bằng của các lực tác dụng lên phao)

:

Để đo lưu lượng, cách đơn giản nhất là chia độ trực

tiếp trên ống thủy tinh Để tiện xử lý kết quả đo, có thể

nối phao vối một chiếc cần nhỏ có liên hệ cơ với lõi của biến thế vi sai để chuyển tín hiệu cơ thành tín hiệu điện Tín hiệu điện này sẽ tỉ lệ với lưu lượng cần đo

.

c Lưu lượng kế lá chắn

Lá chắn chịu lực tác dụng của dòng chảy, trọng lượng

và phản lực của lò xo Vị trí cân bằng của lá chắn phụ

thuộc vào lưu lượng của chất lưu Tín hiệu cơ trong

trường hợp này có thể chuyển thành tín hiệu điện bằng cách dùng điện kế có trục gắn liền với trục của lá chắn

Ưu điểm của lưu lượng kế dùng lá chắn là rẻ tiền và

chắc chắn

.

d Lưu lượng kế khối lượng nhiệt

Các cảm biến nhiệt độ có thể là cặp nhiệt hoặc nhiệt

kế điện trở Nếu là hai điện trở nhiệt thì chúng làm thành hai nhánh kề nhau của cầu Wheatstone, hai nhánh khác

là hai điện trở có giá trị không đổi Điện áp không cân

bằng trên cầu sẽ là tín hiệu đo

.

Trường hợp trên hình vẽ, chức năng nung nóng

và đo ∆T thực hiện bằng hai điện trở nhiệt có dòng điện đủ lớn chạy qua

d Lưu lượng kế khối lượng nhiệt

PHẦN II: ỨNG DỤNG CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

TRONG NGÀNH CẤP NƯỚC

1 Giới thiệu chung:

2 Cấu tạo - Nguyên lý hoạt động

• Đồng hồ nước là phương tiện mà qua đó các công ty ngành nước có được doanh thu để trang trải các

khoảng chi phí, tính phí công bằng cho từng khách hàng, ngăn chặn việc lãng phí nước.

• Theo thời gian phát triển, đồng hồ điện từ với các ưu điểm đã ngày càng được sử dụng rộng rãi khắp nơi trên thế giới, đặc biệt tại thành phố Hồ Chí Minh

đồng hồ điện từ được sử dụng rất nhiều trong công tác phân vùng tách mạng (phân chia địa bàn quản lý mạng lưới), làm đồng hồ tổng cho từng DMA (District Meter Area) phục vụ công tác giảm nước thất thoát thất thu và phục vụ đo đếm lượng nước mua bán sỉ giữa các đơn vị.

• Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn TNHH MTV đang

sử dụng gần 800.000 chiếc đồng hồ nước các cỡ từ DN15 mm đến DN2400 mm sử dụng đo đếm lượng nước sử dụng cho khách hàng và đồng hồ tổng để

đo đếm lượng nước qua các đơn vị cấp nước trực thuộc Tổng Công ty Các hiệu đồng hồ nước điện từ được sử dụng như ABB, Siemens, ISOmag, Krohne

…

• Đo được 02 chiều nước chảy.

• Dùng điện tử để tính toán lưu lượng nước.

• Truyền được dữ liệu không dây.

Khuyết điểm:

• Giá thành còn cao.

• Kiểm định các đồng hồ cỡ lớn còn hạn chế do ở Việt Nam chưa có dàn kiểm định.

• Cấu tạo- Nguyên lý hoạt động:

• Cấu tạo:

• Đặc tính kỹ thuật thiết bị đo lưu lượng dùng pin tích

hợp với bộ ghi dữ liệu:

• Đồng hồ nước làm việc theo nguyên lý điện từ sử

dụng mối nối mặt bích, có độ chính xác ± 0,5%, có nguồn năng lượng sủ dụng pin với thời gian sử dụng

là 03 năm.

• Nguồn điện cung cấp cho đồng hồ nước hoat động

có thể là nguồn điện AC hoặc pin

• Điều kiện lắp đặt: để đảm bảo độ chính xác cao

đồng hồ nước khi hoạt động phía trước phải lắp

đoạn ống thẳng tối đa là 05 lần đường kính danh

định của ống và phía sau là 03 lần.

• Trên bộ hiển thị có giá trị lượng nước đo được chiều

Nguyên lý hoạt động:

• Thiết bị này dùng để đo lưu lượng chất chất lỏng

chảy qua đoạn ống gọi là đồng hồ đo lưu lượng điện

từ Nguyên lý làm việc được dựa trên cơ sở của định luật ứng dụng Faraday được định nghĩa như sau:

• “Khi một cuộn cảm đi vào bên trong từ trường e, một

lực điện từ được sinh ra bên trong cuộn cảm”.

• Chất lỏng dẫn điện chảy qua thì bên trong cuộn cảm

được sinh ra một từ trường.

Ta có công thức: e = B x L x V

Với: e: là điện trường đi qua cuộn cảm

B: là cảm ứng từ xác định bởi dây dẫn bên trong

từ trường

L: là khoảng cách giữa hai điện cực (ω tđầu dò) – hằng số.

V: là vận tốc di chuyển bên trong từ trường.

Vì thế, sức điện động cảm ứng e trên các đầu dò điện cực tương ứng với vận tốc v và lưu lượng dòng chảy:

Q = const x e.

• Đồng hồ điện từ được chia làm 02 phần:

• + Phần “cơ khí” gọi là cảm biến

• + Phần “điện” gọi là bộ chuyển đổi

* Bộ cảm biến:

• Gồm hai cuộn dây đặt ở hai phía đường ống Đường ống dẫn được làm bằng vật liệu không

từ tính, mặt bên trong ống được phủ chất

cách điện hai điện cực lấy tín hiệu đặt ở hai

đầu đường kính vuông góc với đường sức

của từ trường

• Thân bộ cảm biến thường được làm bằng vật liệu thép không gỉ (mác tối thiểu AISI 304)

• Không ảnh hưởng tới môi trường bên ngoài

• Cấp bảo vệ IP68

• Bộ hiển thị (chuyển đổi):

Màn hình hiển thị các giá trị

đo và các thông số khác

• Màn hình hiển thị: màn hình đồ họa WSTM 128x64 pixels

• Ngôn ngữ: 5 ngôn ngữ Ý, Anh, Tây Ban Nha, Pháp, Đức

• Chức năng đặc biệt: đo đếm 2 chiều; 2 thang đo; chẩn đoán; tiết kiệm năng lượng;

• Bộ lư trữ dữ liệu: Thẻ nhớ MicroSD 2 GBytes

• Tùy chọn: RS232, GSM/GPRS

• Nguồn cung cấp: 12÷240 VAc/Dc; hoặc nguồn điện + Pin

• Màn hình hiển thị các thông số sau:

+ Lưu lượng tức thời (m3/h);

+ Thể hiện các giá trị nước cộng dồn đi qua đồng hồ cho cả hai chiều dòng chảy (m3);

+ Vận tốc dòng chảy tức thời (m/s);

+ Phát hiện ống không có nước;

+ Tình trạng pin sử dụng

* Hiệu chuẩn:

• Chế tạo một cảm biến hiệu chuẩn là tính toán giá trị KA và

các thông số đặc trưng khác cho mỗi cảm ứng (giá trị 0, tần

số mẫu, thông số chiều của cuộn dây, KL).

• KA là hệ số xác định quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu và dòng chảy.

• Mỗi cảm biến thì có các hệ số đặc trưng riêng, KA được viết trên nhãn của thiết bị.

• KA được tính toán trong quá trình hiệu chuẩn trên dàn thử

được công nhận.

Độ chính xác:

• Các điều kiện liên quan:

• Giá trị dòng chảy là hằng số trong suốt quá trình kiểm định.

• Áp lực thử : 0,3 bar.

• Điều kiện dòng chảy: luôn đầy nước.

• Ổn định ở giá trị 0 : ± 0,005%

Một lỗi bù

ở điểm 0

có thể tồn tại, do không chính xác, nhưng các kết quả lặp

lại

:

Một lỗi ở điểm 0 được mô tả bởi đường cong và

biểu thức liên quan

Kz mô tả sai số ở điểm 0

.

Đồ thị này biểu thị đường cong sai số điển hình, Giảm sai số với vận tốc

.

*

Sơ đồ đấu dây của bộ hiển thị

Cách lắp đặt đồng hồ nước điện từ tại nhà

máy cấp nước và trên mạng lưới

Tài liệu tham khảo

:

1

Kĩ thuật đo lường- Thái Thị Thu Hà,

ĐHQGTPHCM, 2001

2

Phương Pháp và dụng cụ đo- Vũ Duy Quang, ĐH,TH chuyên nghiệp

3

Kĩ thuật đo lường các đại lượng vật lý, Phạm Thượng Hàn, NXB Giáo Dục, 1996

4

EFM principles and Installations of

electromagnetic flowmeter – ISOmag

.

5 Fundamental of magmeters – ISOmag