ĐỀ TÀI: Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lưu

: Giới hạn điều kiện:Chất cần bơm là nước (điều kiện thường)Ống là kim loại cứng, đường kính trong 18cmDải đo lưu lượng (01500 lítgiờ)Bể chứa cao 2mThông số cần giám sát là lưu lượng nước chảy qua ống và mức nước trong bể chứaĐối tượng điều khiển Bơm và VanSai số yêu cầu 2%Yêu cầu:Trình bày tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu?Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?Liệt kê các cảm biến có trong hệ thốngCác phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?Trình bày về loại cảm biến lựa chọn ? (Nguyên lý hoạt động, số lượng cảm biến)Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, xử lý, đo tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển?Đánh giá về sai số của hệ thống (giớ hạn, nguyên nhân biện pháp khắc phục)LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian học tập môn học Đo lường và cảm biến em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô bộ môn và đặc biệt là thầy Nguyễn Vũ Linh. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô đã cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập, cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ đề tài này của em sẽ rất khó để hoàn thiện được. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy. Bài thu hoạch này được thực hiện trong khoảng thời gian khoảng ngắn. Bước đầu đi vào thực tế kiến thức của em còn hạn chế. Do vậy không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chúc các thầy cô giảng dạy bộ môn Đo lường và cảm biến và đặc biệt là thầy Nguyễn Vũ Linh thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.Hà Nội, 062015Nhóm sinh viên thực hiệnNhóm 4CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LƯU.Lưu lượng và đơn vị đoLưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian. Tuỳ theo đơn vị tính lượng chất lưu (theo thể tích hoặc khối lượng) người ta phân biệt: Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m3s, m3giờ ... Lưu lượng khối (G) tính bằng kgs, kggiờ ...Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian Δt = t2 t1 xác định bởi biểu thức:Q_tb= ∆V∆t hoặc Q_tb= ∆m∆t Trong đó ΔV, Δm là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trong thời khoảng gian khảo sát.Lưu lượng tức thời xác định theo công thức:Q_ = dVdt hoặc Q_ = dmdt Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế. Tuỳ thuộc vào tính chất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng các lưu lượng kế khác nhau. Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở: Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định Δt. Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc. Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc độ giảm áp.Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp.Các phương pháp đo lưu lượngPhương pháp đo lưu lượng bằng ống co.Phương pháp đo lun lượng bằng ống co dựa trên định luật liên tục và phương trình năng lượng của Bernoulli. Neu có một nơi nào đó trong một ống dẫn bị co lại, ở tất cả các vị trí khác lun lượng tính bằng thế tích và trọng khối đều bằng nhau. Với:A1: Diện tích trước vị trí coA2: Diện tích ở vị trí co.v1: Vận tốc trước vị trí co.v2: Vận tốc ở vị trí co.p1: Áp suất tĩnh trước vị trí co.p2: Áp suất tĩnh ở vị trí co.Phương trình liên tục:A1.v1.  = A2.v2.Phương trình Bernoulli: Ớ nơi diện tích ống bị thu nho lại, vận tóc dòng chảy ở đó phải gia tăng. Với phương trình năng lượng của Bernoulli, năng lượng của một dòng chảy gồm năng lượng (áp suất) tĩnh và động năng (vận tócc) là một hằng số. Khi vận tốc gia tăng áp suất tĩnh lập tức bị giảm đi. Sự giảm áp suất hay hiệu áp Ap là thước đo cho lưu lượng Q. p = p1 p2 = Phương trình trên được giải theo v2 và v1 được tính theo v2 với phương trình (1) ta có: Với tỷ lê m = và hằng số dòng chảy = Ta có thể viết phương trình trên dưới dạng: Suy ra Từ đó ta có lưu lượng tính theo thế tích và khối lượng như sau: Qv = A2.V2 = A2. Qm= A2.V2 .= A2. Như thế lưu lượng tỉ lệ với căn bậc hai của hiệu áp khi tỷ trịng là một hằng số. Ta có thể đo lưu lượng bằng ống co với cảm biến hiệu áp được ứng dụng rất rộng trong công nghiệp. Có 3 loại ống co định chuến tiêu biếu theo DIN 1952 là:BlendeỐng phunỐng phun VenturiTiêu chuấn đế lựa chon loại ổng co nào tùy thuộc vào môi trường đo, khả năng thiết kế, giá cả và sự hao hụt áp suất. Ớ ngõ ra của ống co có nhiều dòng xoáy làm tiêu hao năng lượng. Điều này làm cho ta không có được một áp suất tĩnh của dòng chảy trường hợp có không bị khuấy sau ống co. Sự hao hụt áp suất đo điều này cần phải giữ càng bé càng tốt.Hiệu chuấn tỷ trọng.Tỷ trọng của môi trường do ảnh hưởng đến phép đo lun lượng. Trong quá trình sản xuất, tỷ trọng của môi trường đo thường không là một hằng số và ta cần phải chú ý đến. Tỷ trọng của chất lỏng tùy thuộc vào nhiệt độ. Trường hợp này đế hiệu chuân sai số tỷ trọng đo nhiệt độ. Trong hơi nước bão hòa hai đại lượng áp suất và nhiệt độ làm thay đổi đường biếu diễn của hơi nước bão hòa. Cả hai có sự ảnh hưởng lẫn nhau, chỉ cần một đại lượng đủ đế hiệu chỉnh tỷ trọng. Trường hợp hơi nước bị nung thật nóng, tỷ trọng của nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ và áp suất. Các đại lượng này cần phải được đo. Tỷ trọng định chuấn ở 0°c và áp suất khí quyến cần được xác định. Lưu lượng được tính theo tỷ trọng định chuẩn này.Sự chính xác của phép đo.Neu diện tích cắt ngang của dòng chảy và tỷ trọng của lun chất coi như cối định, trong phương trình:Q=α.k.√∆pCó hai yếu tố ảnh hưởng đến độ chính sác của phép đo đó là a và AP. Các thông số có thể ảnh hưởng đến trị số a là tỷ lệ điện tích, vị trí nơi đo áp suất Pi và p2, độ nhám của ống và sự mềm dẻo của lưu chất. Hiệu áp Ap tỷ lệ bình phương với lưu lượng. Khi lượng có 30% của thang đo, hiệu áp chỉ còn 9%. Hiệu áp càng thấp, sai số tương đối của càng lớn. Với hiệu áp 9% của thang đo ta có sai số tương đối lớn gấp 11 lần so với sai số ở cuối thang đo. Do đó khi thực hiện phép đo với lưu lượng thấp, sai số của phép đo tương đối lớn. Chỉ nên thực hiện việc đo lưu lượng bằng ống co từ 30% đến 100% của thang đo. Người ta có thế đo hiệu áp bằng các loại sensor bán dẫn. Ngoài ra các loại đo hiệu áp Ap theo cách cơ học cũng được dùng đến. + Cân hình vành khăn: Góc quay của cân là thước đo Ap. Phân nửa trống hình vành khăn được đố đầy nước, dầu hay thủy ngân tùy theo Ap và môi trường cần đo. Buồng phía trên chất lỏng được ngăn cách bởi một vách ngăn và có hai ống thông với Pi và p2. Dưới tác dụng của sự khác biệt về áp suất giữa Pi và p2 cân quay một góc cho đến khi có sự cân bằng với mômen của đối trọng. Đối trọng được treo bên cạnh 1 lá thép đàn hồi. Để cho việc đo và hiệu chỉnh lưu lượng của hai lưu chất cùng một lúc.Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy: Phương pháp này dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lun chất. Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn chôi đi. Hiện tượng này đã được Leonardo da Vinci ghi nhận và Strouhal trong năm 1878 đã cổ gắng giải thích lần đầu tiên, ông đã nhận thấy rằng một sợi dây nằm trong dòng chảy có sự dung động như một dây đờn. Sự dao động này tỷ lệ với vận tốc dòng chảy và tỷ lệ nghịch với đường kính sợi dây. Theo dor von Kàmàn đã tìm thấy nguyên nhân gây ra sự dao động này. Đó là sự sinh ra và biến mất cỷa các dòng xoáy bên cạnh vật cản. Một con đường dòng xoáy hình thành phía sau vật cản khi một vật cản được đặt trong một dòng chảy, phía sau nó các dòng xoáy không liên tục được tạo ra.Các dòng xoáy này rời bỏ vật cản tuần tự và trôi đi theo dòng chảy. Phía sau vật cản hình thành con đường của dòng xoáy được đặt tên là con đường dòng xoáy Kàrmàn. Các dòng xoáy ở hai cạnh bên của vật cản có chiều xoáy ngược nhau. Như thế với sự xuất hiện của dòng xoáy, năng lượng quay bị “chuyên chở đi mất”. Cuối cùng lực tác động vào vật cản được hình thành. Dựa dưới những điều kiện cần thiết một dao động phát sinh. Các dòng xoáy mạnh mẽ sinh ra rồi lại lần lượt biến mất theo dòng chảy. Tần số sự biến mất của sòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng đế đo lưu lượng tính bằng thể tích.Lord Rayleigh đã tìm thấy sự liên hệ giữa kích thước nhình thành vật cản, vận tốc lưu chat V và tần số biến mất của dòng xoáy tần số dòng xoáy. Sự liên hệ này được diễn tả trong trị số Strouhal:

`TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN

MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

ĐỀ TÀI: Hệ thống đo và điều khiển

lưu lượng chất lưu

Hà Nội, 06/2015

ĐỀ TÀI: Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lưu

Bài tập lớn môn Đo lường & Cảm biến

Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng như hình vẽ:

Giới hạn điều kiện:

1 Chất cần bơm là nước (điều kiện thường)

2 Ống là kim loại cứng, đường kính trong 18cm

3 Dải đo lưu lượng (0-1500 lít/giờ)

4 Bể chứa cao 2m

5 Thông số cần giám sát là lưu lượng nước chảy qua ống và mức nước trong bể chứa

6 Đối tượng điều khiển Bơm và Van

7 Sai số yêu cầu 2%

Yêu cầu:

1 Trình bày tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu?

2 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?

3 Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống

4 Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?

5 Trình bày về loại cảm biến lựa chọn ? (Nguyên lý hoạt động, số lượng cảm biến)

6 Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, xử lý, đo tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển?

7 Đánh giá về sai số của hệ thống (giớ hạn, nguyên nhân biện pháp khắc phục)

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián

tiếp của người khác Trong suốt thời gian học tập môn học "Đo lường

và cảm biến" em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của

các thầy cô bộ môn và đặc biệt là thầy Nguyễn Vũ Linh

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô đã cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập, cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ đề tài này của em sẽ rất khó để hoàn thiện được Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy

Bài thu hoạch này được thực hiện trong khoảng thời gian khoảng ngắn Bước đầu đi vào thực tế kiến thức của em còn hạn chế Do vậykhông thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp quý báu của thầy để kiến thức của em trong lĩnh vựcnày được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin chúc các thầy cô giảng dạy bộ môn "Đo lường

và cảm biến" và đặc biệt là thầy Nguyễn Vũ Linh thật dồi dào sức

khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Hà Nội, 06/2015

Nhóm sinh viên thực

hiện Nhóm 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LƯU.

Lưu lượng và đơn vị đo

Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang củaống trong một đơn vị thời gian Tuỳ theo đơn vị tính lượng chất lưu(theo thể tích hoặc khối lượng) người ta phân biệt:

- Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m3/s, m3/giờ

- Lưu lượng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ

Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian Δt = tt = t2 - t1 xác định bởibiểu thức:

Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế Tuỳ thuộc vào tínhchất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng các lưu lượng kếkhác nhau Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở:

- Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảngthời gian xác định Δt = tt

- Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vậntốc

- Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng làhàm phụ thuộc độ giảm áp

Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyểnđổi điện thích hợp.

A Các phương pháp đo lưu lượng

1 Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co.

tục và phương trình năng lượng của Bernoulli Neu có một nơi nào đótrong một ống dẫn bị co lại, ở tất cả các vị trí khác lun lượng tính bằng thế tích và trọng khối đều bằng nhau Với:

Từ đó ta có lưu lượng tính theo thế tích và khối lượng như sau:

Qv = A2.V2 = A2 α √ 2 ρ . √ p1− p2= α k √ Δpp

Qm= A2.V2 .= A2 α √ 2 ρ. √ p1− p2= α k. √ Δpp

Như thế lưu lượng tỉ lệ với căn bậc hai của hiệu áp khi tỷ trịng là một hằng số Ta có thể đo lưu lượng bằng ống co với cảm biến hiệu áp được ứng dụng rất rộng trong công nghiệp Có 3 loại ống co định chuến tiêu biếu theo DIN 1952 là:

độ Trong hơi nước bão hòa hai đại lượng áp suất và nhiệt độ làm thay đổi đường biếu diễn của hơi nước bão hòa Cả hai có sự ảnh hưởng lẫn nhau, chỉ cần một đại lượng đủ đế hiệu chỉnh tỷ trọng Trường hợp hơi nước bị nung thật nóng, tỷ trọng của nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ và áp suất Các đại lượng này cần phải được đo Tỷ trọng định chuấn ở 0°c và áp suất khí quyến cần được xác định Lưu lượng được tính theo tỷ trọng định chuẩn này

đo áp suất Pi và p2, độ nhám của ống và sự mềm dẻo của lưu chất

Hiệu áp Ap tỷ lệ bình phương với lưu lượng Khi lượng có 30% của thang đo, hiệu áp chỉ còn 9% Hiệu áp càng thấp, sai số tương đối của càng lớn Với hiệu áp 9% của thang đo ta có sai số tương đối lớn gấp 11 lần so với sai số ở cuối thang đo Do đó khi thực hiện phép đovới lưu lượng thấp, sai số của phép đo tương đối lớn Chỉ nên thực hiện việc đo lưu lượng bằng ống co từ 30% đến 100% của thang đo Người ta có thế đo hiệu áp bằng các loại sensor bán dẫn Ngoài ra các loại đo hiệu áp Ap theo cách cơ học cũng được dùng đến

có hai ống thông với Pi và p2 Dưới tác dụng của sự khác biệt về áp suất giữa Pi và p2 cân quay một góc cho đến khi có sự cân bằng với mômen của đối trọng Đối trọng được treo bên cạnh 1 lá thép đàn hồi Để cho việc đo và hiệu chỉnh lưu lượng của hai lưu chất cùng một lúc.

2 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:

Phương pháp này dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lun chất Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và

bị dòng chảy cuốn chôi đi Hiện tượng này đã được Leonardo da Vincighi nhận và Strouhal trong năm 1878 đã cổ gắng giải thích lần đầu tiên, ông đã nhận thấy rằng một sợi dây nằm trong dòng chảy có sự dung động như một dây đờn Sự dao động này tỷ lệ với vận tốc dòng chảy và tỷ lệ nghịch với đường kính sợi dây

Theo dor von Kàmàn đã tìm thấy nguyên nhân gây ra sự dao động này Đó là sự sinh ra và biến mất cỷa các dòng xoáy bên cạnh vật cản Một con đường dòng xoáy hình thành phía sau vật cản khi một vật cản được đặt trong một dòng chảy, phía sau nó các dòng xoáy không liên tục được tạo ra

Các dòng xoáy này rời bỏ vật cản tuần tự và trôi đi theo dòng chảy Phía sau vật cản hình thành con đường của dòng xoáy được đặt tên

là con đường dòng xoáy Kàrmàn Các dòng xoáy ở hai cạnh bên của vật cản có chiều xoáy ngược nhau Như thế với sự xuất hiện của dòng xoáy, năng lượng quay bị “chuyên chở đi mất”

Cuối cùng lực tác động vào vật cản được hình thành Dựa dưới những điều kiện cần thiết một dao động phát sinh Các dòng xoáy mạnh mẽ sinh ra rồi lại lần lượt biến mất theo dòng chảy Tần số sự biến mất của sòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng đế đo lưu lượng tính bằng thể tích

Lord Rayleigh đã tìm thấy sự liên hệ giữa kích thước nhình thành vật cản, vận tốc lưu chat V và tần số biến mất của dòng xoáy / - tần số dòng xoáy Sự liên hệ này được diễn tả trong trị số Strouhal:

S=f a vvới a - Đường kính của vật cản

s không tùy thuộc vào trị số Reynold ta có thế tính lun lượng theo thếtích trên đơn vị thời gian Với A là diện tích cắt ngang của dòng chảy

và từ phương trình trên ta có:

Đe hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định cà lặp lạithực tốt thì vật cản phải đáp ứng đủ một số điều kiện về hình dạng Hình dạng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng trị số Reynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số

Hình dạng của một số vật cản Với sự biến mất và suất hiện của dòng xoáy vận tốc dòng chảy ở hai bên vật cản và trên đường dòng xoáy thay đối một cách cục bộ Tần số dao động của vận tốc có thế được đo với nhiều phương pháp khác nhau Nhiệt điện trở nung nóng được dùng đến, nó có thế được gắn phía trước, ở giữa vật cản hay phía sau Sự thoát nhiệt của nhiệt điện trở thay đổi theo hướng lưu chất Người ta cũng có thế đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãn, hoặc đo đạc các dòng xoáy bằng sóng siêu âm

Phương pháp đo lun lượng với tần số dòng xoáy rất kinh tế và có

độ tin cậy cao Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng của bởi sự dơ bẩn hay sự hư hỏng của vật cản Đường biểu diễn của nó rất tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng, sai số của phép đo rấtbé

3 Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ.

Theo định luật cảm ứng điện tù’ của Faraday, một dây dẫn điệnphát sinh ra một điện thế khi nó dịch chuyến trong một từ trường Điện thế này tỷ lệ với vận tốc di chuyến của dây dẫn điện và cường

q = v.B = q.E = q.U D

u = D.v.B

Nguyên tắc đo lưu lượng bằng hiệu ứng Mạch điện thay thế

 Các tính chất kỹ thuật.

Máy đo lun lượng cảm ứng điện từ cho ta một điện thế tỷ lệ với lun lượng trong một từ trường đồng nhất khi mà hình dạng dòng

lượng bằng cảm ứng điện tù’ là mặt cắt của dòng chảy không bị thu hẹp bởi các blende hay ổng phun Phương pháp đo này có thế thực hiện đế đo lun lượng các chất lỏng dơ bẩn, chất kem sền sệt hay ngay cả với môi trường có tính ăn mòn cao như acid, kiềm Từ 10 đến 100% thang đo ta có sai số phép đo nhở hơn 1%

Cảm biến đo lưu lượng bằng phương pháp điện từ

Tóm lại, với phương pháp cảm ứng điện tù' ta có sự liên hệ thậttuyến tính giữa thế tích trên đơn vị thời gian và điện thế đo Khoảng

đo rải rất rộng và trị số đo không bị ảnh hưởng bởi các thông số của chất như độ nhót, tỷ trọng, áp suất và nhiệt độ Trong ống dẫn chuân

từ vài millimet đến vài met Trong công nghiệp máy đo lun lượng với phương pháp cảm ứng điện từ được dùng ở những nơi có áp suất và nhiệt độ rất cao cũng như ơ những nơi dễ gây cháy nố, ngập lụt Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ dù có đắt tiền và phức tạp hơn những phương pháp khác nhưng nó đã được nghiên cứu thử nghiệm chín mùi trong công nghiệp Nó tỏ ra bền bỉ, ít bị hư hỏng dù phải làm việc với những chất độc hại, ăn mòn cao như nước thải, hóa chất

4 Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm

a Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện.

Tần số của siêu âm cao hơn tần số mà thính giác con người có thể cảm nhận được Trong kỹ thuật tần số hữu ích của siêu âm trải dài từ 16 kHz đến 10 MHz Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền sóng được liên kết với nhau

C0=ƒ λ

Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường và đặc biệtvào nhiệt độ của môi trường Ở nhiệt độ bình thường sóng siêu âm lan truyền với vận tốc 344 m/s trong không khí và 1483 m/s trong

nước Như thế với sóng siêu âm 100 kHz có độ dài sóng là 15 mm trong nước Hình sau đây trình bày cấu trúc của 1 cảm biến siêu âm

áp điện:

1-Phiến áp điện2-Vật liệu tương thích âm học3-Gá đỡ hình vành khăn

Cấu trúc nguồn phát siêu âm với hiệu ứng áp điện

Sóng siêu âm được tạo nên bởi các vật liệu áp điện Trường hợpđóng vai trò phát sóng năng lượng điện được biến thành năng lượng

có học Dưới một điện áp xoáy chiều phiến áp điện rung với tần số riêng và sóng siêu âm được phát ra thắng góc với bề mặt Với những cấu trúc đặc biệt người ta có thế tạo nên những mặt sóng nằm

nghiêng

Để thu nhận sóng siêu âm người ta dùng linh kiện có cấu trúc giống như ở nguồn ơhát Trường hợp này năng lượng cơ học được biến thành năng lượng điện Các sóng siêu âm làm rung phiến áp điện Với hiệu ứng áp điện ngược lại này ta có tín hiệu điện từ các sóng siêu âm thanh Trong thực tế thường với cùng một linh kiện vừađóng vai trò phát và thu

b Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng.

c.

Cấu trúc ống đo siêu âmTrong hình trình bày một cấu trúc dùng để đo lưu lượng Các cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ổng dẫn có

các cảm biến siêu âm mằm 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 vcosα do vận tốc chảy của lun chất, trường hợp ngược lại nó giảm đi cùng thành phần vcosαVới phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc V của dòng chảy và sau khi nhân V với diện tích mặt cắt ngang của ống ta được lun lượng tính bằng thế tích

Nếu ti là thời gian truyền sóng từ 1 đến 2 và t2 từ 2 đến 1 thì ta có:

c Phương pháp hiệu chỉnh pha

Với sự liên hệ Co = f.λλ khi vận tốc truyền sóng thay đối với tần số

không đối độ dài sóng phải thay đôi

Ta chọn tần số fo sao cho, với vận tốc dòng chảy v = 0 Khoảng cách

giữa hai cảm biến bằng n.v Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có:

C1 = Co +v.cosα và c2 = Co - v.cosα với tần số không thay đổi ta có

Với phương pháp hiệu chỉnh pha, tần số siêu âm được thay đối sao

cho dù với vận tốc dòng chảy nào ta luôn có n λo là khoảng cách L

giữa hai cảm biếm Độ dài bước sóng λo được giữ cố định, do đó với hai hướng truyền sóng khác nhau ta có:

B Nguyên lý làm việc của hệ thống

sử nước trong bình đang ở mức dưới, lúc này cảm biến tiệm cậnmức dưới bắt được tín hiệu từ phao sinh ra dòng điện làm tiếp điếm thường mở K1 (của cuộn dây K 1) đóng lại nhằm duy trì dòng điện cho cuộn dây K1 Tiếp điểm thường đóng K2 vẫn được duy trì Bơm bắt đầu hoạt động bơm nước lên bế

dâng theo cho tới khi đạt mức trên của bế Lúc này cảm biến mức trên bắt được tín hiệu của phao sinh ra dòng điện làm tiếp điểm

thường đóng K2 (của cuộn dây K2) mở ra làm ngắt mạch cuộn dây K1 Bơm ngừng hoạt động.

dưới cử bế làm phao hạ xuống tác động vào cảm biến mức dưới Bơmlại hoạt động bơm nước vào bế Cứ như thế theo chu kỳ bơm nước tự’động hoạt động bơm nước vào bế một cách bình thường

nước cung cấp cho bể, (trường hợp vừa xả van và vừa bơm nước thì lượng nước sẽ được tính là tổng thể tích nước đã cấp cho bể trong suốt quá trình)

truyền tín hiệu về hệ thống để đóng van Mức nước quá đầy cảm biến mức sẽ xác định và truyền tín hiệu về hệ thống để ngắt điện máy bơm

CHƯƠNG III: LIỆT KÊ CÁC CẢM BIẾN, PHƯƠNG ÁN

CHỌN CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG.

A Liệt kê các cảm biến trong hệ thống.

Hệ thống bao gồm 2 cảm biến: cảm biến lưu lượng và cảm biến mức

Cảm biến lưu lượng:

- Vị trí: Vị trí đặt cảm biến lưu lượng là ở trên đường ống dẫn nước từ máy bơm vào bể chứa

chảy qua ống dẫn trong một khoảng thời gian

Cảm biến mức:

- Vị trí: Đặt ở vị trí bể chứa

để điều khiển động cơ đóng hoặc mở

B Các phương án chọn cảm biến trong hệ thống.

a Một số loại cảm biến đo lưu lượng chất lưu

Công tơ thể tích

Công tơ thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua cô ng tơ bằngcác đếm trực tiếp lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xácđịnh của công tơ

Sơ đồ nguyên lý của công tơ thể tích kiểu bánh răng hình ôvan trìnhbày trên hình 20.13

Công tơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớpvới nhau (hình 20.13a) Dưới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng(2) quay và truyền chuyển động tới bánh răng (1) (hình 20.13b) chođến lúc bánh răng (2) ở vị trí thẳng đứng, bánh răng (1) nằm ngang.Chất lỏng trong thể tích V1 được đẩy sang cửa ra Sau đó bánh răng(1) quay và quá trình tương tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong buồng

V2 được đẩy sang cửa ra Trong một vòng quay của côngtơ thể tíchchất lỏng qua công tơ bằng bốn lần thể tích V0 (bằng V1 hoặc V2).Trục của một trong hai bánh răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoàicôngtơ

Hình 20.λ13: Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tích

Thể tích chất lưu chảy qua côngtơ trong thời gian Δt = tt = t2 - t1 tỉ lệ với

số vòng quay xác định bởi công thức:

∆ V =q V(N2−N1)

Trong đó:

qV - thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với một vòng quay

N1, N2 - tổng số vòng quay của công tơ tại thời điểm t1 và t2

Thông thường thể tích chất lưu chảy qua công tơ được biểu diễn dướidạng:

∆ V =q C(N c 2−N c 1)

qc - hệ số công tơ (thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với mộtđơn vị chỉ thị trên công tơ)

Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị công tơ tại thời điểm t1 và t2

Lưu lượng trung bình:

n-là tốc độ quay trên trục công tơ

Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện người ta dùngmột trong ba cách dưới đây:

- Dùng một nam châm nhỏ gắn trên trục quay của của công tơ, khinam châm đi qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện.Đếm số xung điện theo thời gian sẽ tính được tốc độ quay của trụccông tơ

- Dùng tốc độ kế quang

- Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp

Giới hạn đo của công tơ loại này từ 0,01 - 250 m3/giờ, độ chính xáccao ±(0,5 - 1)%, tổn thất áp suất nhỏ nhưng có nhược điểm là chấtlỏng đo phải được lọc tốt và gây ồn khi làm việc