Cảm biến và hệ thống đo lưu lượng, đo mức

Luận văn tốt nghiệp Mở đầu Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày nhanh lĩnh vực khoa học kỹ thuật Cảm biến đo lu lợng, đo mức có bớc tiến nhảy vọt đạt đợc nhiều thành tựu bật, thông tin khoa học đề cập nhiều đến lĩnh vực này, thiết bị đo với tính tác dụng khác nhau, liên tiếp đời với kích thớc ngày giảm tối thiểu độ xác ngày cao Công nghệ sản xuất đại chế tạo thiết bị cảm biến nhằm mục đích phục vụ cho ngành công nghiệp, nông nghiệp, thuỷ điện Trong công nghiệp, nông nghiệp cảm biến dùng để biến đổi đại lợng không điện cần đo thành đại lợng điện đo đợc (nh dòng điện, điện áp, điện thế, điện dung) Các cảm biến sử dụng để kiểm tra chất l ợng sản phẩm, đo lu lợng, đo mức nớc để điều tiết nớc hệ thống thuỷ lợi , thuỷ nông cho phù hợp với nhu cầu sản xuất Các cảm biến đo mức đợc sử dụng nhiều hệ thống thuỷ đIện, thuỷ văn phòng chống thiên tai lũ lụtNhững tiến khoa học công nghệ đại giúp thực nhanh chóng phép đo với độ xác cao Vì lý nên chọn đề tài làm luận văn tốt nghiệp Đề tài luận văn tập trung nghiên cứu cảm biến hệ thống đo l u lợng , đo mức từ đa số ứng dụng kỷ thuật Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Luận văn bao gồm chơng Chơng 1: Cảm biến đo lu lợng, đo mức Giới thiệu nguyên lý đo lu lợng, đo mức cảm biến đo lu lợng đo mức Chơng 2: Các hệ thống đo lu lợng, đo mức vài ứng dụng Giới thiệu số hệ thống dùng thiết bị cảm biến để đo lu lợng, đo mức đa ứng dụng cụ thể hệ thống kiểm soát tự động mức xăng dầu PLS - 100 Các cảm biến đo lu lợng, đo mức thiết bị thờng gặp lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp sống ngày Vì vậy, việc nắm vững chế đo chúng giúp chủ động đối mặt với thiết bị đo đại Mong luận văn tài liệu tham khảo tốt cho quan tâm vấn đề Tác giả Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Chơng Cảm biến đo lu lợng, đo mức 1.1.Nguyên lý đo lu lợng Đo lu lợng có tầm quan trọng đặc biệt mạng lới vận chuyển chất lu (ống dẫn khí, ống dẫn dầu) thiết bị công nghiệp cần khống chế lợng chất lu tham gia vào trình nh lò phản ứng hoá học, nhà máy sản xuất lợng, động đốt 1.1.1 Lu lợng kế điện từ Khi đo đoạn dây AB chiều dài l chuyển động tĩnh tiến trờng cảm ứng từ B với vận tốc v khoảng thời gian dt (hình 1.1) viết biểu thức cho đại lợng sau đây: Diện tích cắt : dsc = l.v sin.dt Hoặc dới dạng véc tơ : ds c = l vdt (1.1) (1.1') Trong l = AB Từ thông bị cắt : dc = B.d s.dt (1.2) -Suất điện động cảm ứng : e=c dc = Bv l dt B( t ) B(t + dt ) B A( t ) (1.3) v A( t + dt ) Hình1.1 Sự dịch chuyển dây trờng cảm ứng từ Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Khi v vuông góc với l B vuông góc với mặt phẳng tạo l v ta có : e = B l v (1.4) Công thức tổng quát hoá cho trờng hợp chất lu dẫn điện chảy đờng ống đờng kính D có vận tốc v vuông góc với B Suất điện động cảm ứng dọc theo đờng kính vuông góc với v B có dạng e=BDv (1.5) Trên thực tế vận tốc thay đổi tuỳ vị trí điểm bán kính ống, nhng phân bố đối xứng quang trục ống, v đo đợc vận tốc trung bình dòng chảy.Trong điều kiện nh vậy, tính hiệu e tỷ lệ với lu lợng * Cấu tạo cảm biến Từ trờng 10-3 ữ 10 -2T đợc tạo cách dùng hai cuộn dây đặt hai phía đờng ống Đờng ống dẫn làm vật liệu Cuộn dây Điệ n cực Khuyếch đại vi sai Cuộn dây Hình 1.2 Lu lợng kế điện từ Không từ tính, mặt bên ống đợc pha chất cách điện, hai điện cực lấy tín hiệu đặt hai đầu đờng kính vuông góc với đờng sức từ trờng Các cuộn dây đợc nuôi nguồn xoay chiều tần số 30Hz (hình 1.2) e= v.D.B0 Cos ( t +) Nguyễn Khắc Phi (1.6) Luận văn tốt nghiệp Trong B0 trị cực đại cảm ứng từ B = BMax , tần số (của cảm ứng từ) Biên độ tín hiệu tỷ lệ với v có giá trị cỡ mV * Các đặc trng Các chất lu cần phải có độ dẫn điện không nhỏ cỡ : àscm-1 Lý điện trở cảm biến phải nhỏ nhiều so với điện trở vào thiết bị đo Phạm vi đo lu lợng kế điện từ hàm đờng kính ống dẫn Đờng kính rộng giới hạn thấp cao chuyển dịch phía lu lợng lớn Thí dụ : - D = 10 mm, lu lợng nhỏ Qmin = 0,28m3/h, lu lợng lớn QMax = 2,8 m3/h - D = 1m, QMin = 2800 m3/h Qmax = 28.000 m3/h Độ xác lu lợng kế đạt đợc cỡ 1% u điểm : Lu lợng kế điện từ chỗ việc đo đạc không phụ thuộc vào đặc tính vật lý chất lu (nh mật độ , độ nhớt, độ dẫn điện với điều kiện phải lớn vài às cm-1) Ngoài thiết bị có khả chống xói mòn cách chọn lớp phủ kim loại diện lu thích hợp Ti, Pt) 1.1.2 Lu lợng kế dùng chuyển đổi điện 1.1.2.1 Lu lợng kế tua bin Nguyên lý đo lu lợng kế tua bin Lu lợng kế dùng chuyển đổi điện giống nh đầu đo gió dùng chong chóng, dòng chất lu làm quay tua bin đặt trục ống dẫn Tốc độ quay N cánh tua bin (số vòng quay giây ) Tỷ lệ với lu lợng Q: Q = K.N Nguyễn Khắc Phi (1.7) Luận văn tốt nghiệp Trong hệ số K phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể lu lợng kế nhng nguyên tắc không phụ thuộc vào chất lu Có nhiều biểu thức thiết lập cho hệ số K với giả thiết bỏ qua học hiệu ứng độ nhớt K = 2rA Cotg (1.8) Trong r bán kính trung bình cánh tua bin, A tiết diện cắt dòng chảy , góc cánh trục tua bin A = A C - Ar (1.9) Trong : - AC tiết diện ống đo - Ar diện tích mặt cắt ngang Roto Phơng pháp đổi tốc độ quay thành tín hiệu tơng tự nh trờng hợp đầu đo gió chong chóng Các đặc trng kỷ thuật lu lợng kế tua bin nh sau : - Phạm vi đo : 0,3m3/h ữ 36000 m3/h chất khí 0,01m3/h ữ 14000 m3/h chất lỏng - Độ xác : 1% ữ % - Độ lặp lại : Tốt 10,5% - Độ tuyến tính: 0,5 ữ 1,5% phụ thuộc vào độ nhớt - Thời gian hồi đáp : khoảng vài ms Các lu lợng kế tua bin có u điểm dễ xử lý tín hiệu.Tuy làm việc với chúng phải đảm bảo yêu cầu chất lu bọt khí sợi hạt có kích thớc đáng kể Thêm vào đó, để đảm bảo độ xác kết đo, lu lợng kế phải đợc đặt đoạn ống thẳng để tránh dòng xoáy 1.1.2.2 Lu lợng kế phao Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Nguyên lý đo lu lợng kế phao Lu lợng kế loại có cấu tạo gồm phao nhỏ đặt ống thẳng đứng hình nón (hình 1.3) D0 Z D U Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo lu lợng kế phao trạng thái cân phao chịu tác động ba lực chủ yếu lực đẩy acsimét, lực cản trọng lợng Trạng thái cân đợc biểu diễn phơng trình : gV + Cx sU = gV 2 (1.9) Trong đó: - V thể tích khối lợng riêng phao - U vận tốc khối lợng riêng chất lu - Cx hệ số lực cản s diện tích hình chiếu phao mặt phẳng vuông góc với vận tốc U S = (.D2)/ - g gia tốc trọng trờng Vị trí phao đợc xác định cho vận tốc U đợc biểu diễn biểu thức (từ điều kiện cân lực tác dụng lên phao) U= 2gV C xS Nguyễn Khắc Phi (1.10) Luận văn tốt nghiệp Đờng kính D ống dẫn thay đổi tuyến tính theo chiều cao Z D = Do + aZ (1.11) Cho nên biểu thức lu lợng có dạng : Q= gV [( D0 + aZ ) D02 ] Cx S (1.12) Nếu thay đổi đờng kính ống nhỏ thực tế biểu thức Q Q = aZ 2gV = K.Z C x (1.13) Để đo lu lợng, cách đơn giản chia độ trực tiếp ống thủy tinh Để tiện xử lý kết đo, nối phao với chiết cầu nhỏ có liên hệ với lõi biến vi sai để chuyển tính hiệu thành tín hiệu điện.Tín hiệu điện tỷ lệ với lu lợng cần đo 1.1.2.3 Lu lợng kế chắn Lu lợng kế dùng chắn biểu diễn hình (1.4) Lá chắn chịu tác động dòng chảy, trọng lợng phản lực lò xo Vị trí cân chắn phụ thuộc vào lu lợng chất lu Tín hiệu có trờng hợp chuyển thành tín hiệu điện cách dùng điện kế có trục gắn liền với trục chắn u điểm lu lợng kế dùng chắn rẽ tiền chắn Lò xo Dịch chuyển U Hình 1.4 Lưu lượng kế dùng chắn 1.1.2.4 Lu lợng kế khối lợng nhiệt Nguyễn Khắc Phi chắn Luận văn tốt nghiệp Lu lợng kế khối lợng có cấu tạo gồm ống dẫn kim loại mảnh có đờng kính nhỏ Phía ống kim loại đợc sợi dây đốt điện trở giữa, hai cảm biến nhiệt độ để đo T thợng nguồn (đâù vào) T2 hạ lu (đầu ra) đợc đặt hai phía sợi đốt đối xứng qua sợi đốt Hình (1.5) Nung nóng (a) Cảm biến nhiệt độ Có dòng chảy Không có dòng chảy (b) Hình 1.5 Lu lợng kế khối nhiệt a- Sơ đồ nguyên lý cấu tạo b - Đờng cong nhiệt độ - Khi dòng chảy lu lợng không (Q = 0), truyền nhiệt hai phía sợi đốt nh nhau, hiệu ứng nung nóng đối xứng trờng hợp T1 = T2 (Hình 1.5 a) - Khi lu lợng khác không Q0, T1 giảm T2 tăng (hình 1.5b) khác T1 T2 (T = T1 - T2 ) tỷ lệ với lu lợng Q Trờng hợp hình vẽ, chức nung nóng đo T thực hai điện trở nhiệt có dòng điện đủ lớn chạy qua 1.2 Các cảm biến đo lu lợng 1.2.1 Đo lu lợng theo độ giảm áp thay đổi Một phơng pháp phổ biến để đo lu lợng dịch thể chất khí nhiệt chảy đờng ống hiệu áp suất hai bên thiết bị thu hẹp.Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, đợc đặt đờng ống tạo nên Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp điểm thắt chặt dòng chảy cục đờng ống dẫn Nh vị trí đặt thiết bị thu hẹp tốc độ dòng chảy tăng lên, nghĩa động tăng lên dẫn đến dòng chảy giảm xuống Tại vùng đặt thiết bị thu hẹp có tợng chuyển đổi sau thành động dòng chảy I II I P II P1 PI P2 P P PII Hình 1.6 Sơ đồ dòng chảy phân bố áp suất thành ống Hai bên thiết bị thu hẹp xuất áp suất P phụ thuộc vào lu lợng dòng chảy (hình 1.6) mô tả sơ đồ đặc tính dòng chảy xung quanh thiết bị thu hẹp thay đổi áp suất thành ống dẫn P Dòng chảy đến gần thiết bị thu hẹp bắt đầu thắt lại (từ mặt cắt I -I) tạo dòng xoáy đập lên thành ống Sau qua khỏi thiết bị thu hẹp, quán tính dòng chảy tiếp tục bị thắt lại mặt cắt II - II đạt tiết diện nhỏ nhất, sau dòng chảy bắt đầu nở dần điền đầy đờng ống phía trớc phía sau thiết bị thu hẹp tạo nên dòng chảy ngợc (dòng chảy xoáy) Đây nguyên nhân gây tổn thất áp suất (tổn thất lợng ) dòng chảy Xét phân bố áp suất thành ống: từ mặt cắt I - I trở trớc áp suất không thay đổi, trở sau thiết bị thu hẹp áp suất tăng lên dòng xoáy đập vào thành ống Qua khỏi thiết bị thu hẹp áp suất đột ngột giảm xuống theo đà quán tính dòng chảy áp suất tiếp tục giảm mặt cắt II - II đạt giá trị cực tiểu P II Sau mặt cắt II - II áp suất thành ống từ 10 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Hình Hệ thống đo lu lợng có hiệu chỉnh giá trị áp suất nhiệt độ môi trờng đo Hệ thống đo lu lợng có hiệu chỉnh giá trị nhiệt độ áp suất đợc mô tả hình 2.3 chuyển đổi P/I làm chức chuyển tín hiệu áp suất sang dòng điện áp suất môi trờng đo đợc chuyển đổi P/I chuyển sang tín hiệu dòng chuẩn Nhiệt độ môi trờng đợc đo nhiệt kế điện trở qua R/I chuyển thành tín hiệu dòng tất tín hiệu dòng đợc truyền cho xử lý tín hiệu đầu vào xử lý tín hiệu, tín hiệu dòng chuẩn đợc chuyển đổi thành tín hiệu áp chuẩn Bộ xử lý tín hiệu xác định hiệu số hiệu chỉnh K p, KT giá trị lu lợng tức thời theo công thức cho Đồng thời tính tổng lợng vật Q = qdt chất chảy đờng ống theo công thức tích phân 2.1.2 Đo lu lợng vật liệu vận chuyển băng tải Vật liệu từ sàn liệu Bàn ke chứa vật liệu Bàn cân Con lăn Cảm biến từ + + Băng tải ql V F T Đ Động Vật liệu rờiHình thờng đợc vận chuyển băng tải Sơ đồ hệ thống vận 2.4 Sơ đồ hệ thống vận chuyển vật liệu rời chuyển vật liệu rời đợc mô tả hình 2.4 Vật liệu từ sàn đợc gàu xúc vít tải đổ vào bunke chá từ đổ tự băng tải đợc băng tải vận chuyển đến nơi cần thiết Để tránh tợng dính vật liệu thành Bunke dẫn đến trờng hợp vật liệu bị tắc nghẽn 36 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp không đổ lên băng tải đợc, thành Bunke theo chu kỳ chịu tác động gõ rung điện Trong hệ thống vận chuyển tuý, băng tải đợc quay động xoay chiều không đồng pha Nếu cần điều chỉnh lu lợng vận chuyển băng tải thông thờng sử dụng động chiều để quay băng tải hệ thống điều chỉnh thay đổi tốc độ động để đảm bảo lu lợng cần thiết Giá trị lu lợng vật liệu vận chuyển băng tải phụ thuộc hai yếu tố,thứ độ dày lớp vật liệu băng tải hay gọi mật độ vật liệu băng tải qe thứ hai tốc độ chuyển động băng tải V Nếu mật độ liệu băng tải qe (kg/m) tốc độ chuyển động băng tải V (m/s) lu lợng vận chuyển băng tải q q = qe.V (kg/s) Nh để đo đợc lu lợng vận chuyển băng tải phải đo đợc hai thông số : Tốc độ chuyển động băng tải mật độ vật liệu băng tải Vấn đề đo tốc độ chuyển động băng tải toán đơn giản Nó hoàn toàn giải đợc cách sử dụng phát tốc (FT) mã hoá (encoder) Vấn đề phức tạp đo mật độ vật liệu băng tải chuyển động Bài toán đợc giải cách sử dụng bàn cân với loadcell để chuyển đổi áp lực bàn cấu sang tín hiệu điện Khó xác định mối liên kết định lợng tín hiệu loadcell mật độ vật liệu băng tải Bài toán giải đợc phơng pháp thực nghiệm Hình 2.5 mô tả sơ đồ nguyên lý cảm biến đo lu lợng vận chuyển băng tải Trong trình làm việc tốc độ động quay băng tải thay đổi khoảng hẹp hoàn toàn bảo đảm xác chấp nhận tín hiệu phát tốc tỷ lệ với tốc độ chuyển động băng tải E= K1V 37 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Độ nhảy cảm loadcell nguồn cung cấp 1V đợc xác định theo công thức K2 = U1 Fmax (mV/VKG) Với U1 - Output at ratecl capacity (mV/V) Fmax - full - scale load (KG) R+R R - R R-R R + R R + R - Biến dạng R - R - Biến dạng nén F Hình Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo lu lợng vận chuyển băng tải T U Nh tín loadcell phụ thuộc vào tốc độ vận chuyển băng tải áp lực tác dụng lên bàn cân F đợc xác định theo công thức U = K1 K2 v F (2.5) áp lực băng tải lên bàn cân tỷ lệ với mật độ vật liệu băng tải F = K3.qe Ta thu đợc U = K1.K2.K3.v.qe = K.v.qe= Kq (2.6) Với K = K1.K2.K3 q = qe.v K1 K2 hai giá trị hoàn toàn xác định.Vấn đề phải xác định đợc K3 nói riêng K nói chung, toán phải giải thực nghiệm thực tế sau lắp đặt hoàn hệ thống đo chuẩn bị đa vào sử dụng Để xác định hệ số K cần tiến hành thí nghiệm sau :Trong trình hệ thống băng tải làmviệc bình thờng, dùng máy ghi lại thay đổi tín hiệu 38 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp loadcell đồng thời phải tính đợc tổng lợng vật liệu Q vận chuyển băng tải hai thời điểm t1 t2 ta có : t2 Q = qdt = q( t t ) t1 Với q lu lợng trung bình trình vận chuyển vật liệu Nh U Q q = t t1 Đồng thời dựa đồ thị ghi đợc thay đổi tín hiệu loadcell khoảng thời gian từ t1 đến t2 t1 t t t2 Hình 2.6 Sơ đồ thay đổi u theo thời gian t2 U = Udt Tính tích phân hàm t1 Trong đó: - U diện tích đợc giới hạn bở đờng cong U trục thời gian tính từ thời điểm t1 đến t2 Vì giá trị tích phân U tính gần theo phơng pháp sau: Chia trục thời gian khoảng t xác định giá trị U thời điểm phân chia ký hiệu U i U o t= t1 đến Un t1 = t2 giá trị tích phân U đợc xác định gần theo công thức U= n i =1 (U i U I )t = U (t2 t1 ) U - giá trị trung bình U Ta có Hệ số tỷ lệ K đợc xác định K= U = Kq U Q = = K1.K K q U 39 Nguyễn Khắc Phi (2.7) Luận văn tốt nghiệp Hệ số tỷ lệ áp lực F tác động lên bán cầu mật độ liệu q đợc xác F K K3 = ql = K K định theo công thức suy U= Kq Điện áp U có giá trị nhỏ (vài chục milivon) có nội trở lớn, đồng thời thông thờng chuyển đổi thờng đặt gần với đối tợng đo, thiết bị thị đo đặt phòng điều khiển xa đối tợng đo Vì hệ thống phải bảo đảm truyền tín hiệu xa mà không làm suy giảm tín hiệu chuyển đổi đo Hình 2.7 mô tả sơ đồ khối nguyên lý hệ thống đo lu lợng vật liệu vận chuyển băng tải Cấu tạo hệ thống gồm hai phần :Thiết bị sơ cấp (TBSC) thiết bị thứ cấp (TBTC) Thiết bị sơ cấp đặt gần băng tải vận chuyển vật liệu Nó bao gồm phát tốc FT, loadcell LC, khuếch đại KĐ chuyển đổi điện áp sang dòng điện để truyền xa KĐ khuếch đại vi sai có trở kháng đầu vào lớn hệ số R +R R -R F T R -R R +R khuyết đại lớn tín hiệu loadcell nhỏ KĐ U U/I I/U CTĐ udt TBSC tt U q Q TBTC Thiết bị thứ cấp (TBTC) làm chức xử lý tín hiệu nhận đợc từ thiết Hình Sơ đồ hệ thống đo lưu lượng vận chuyển băng tải bị sơ cấp để xác định số lu lợng vận chuyển băng tải tổng lợng vật liệu mà băng tải vận chuyển đợc Cấu tạo chuyển đổi I/U đầu vào đóng vai trò thiết bị thu nhận tín hiệu đợc phát từ TBSC,Thiết bị thị đo CTĐ xử lý tín hiệu từ chuyển đổi I/U để tạo số đo đợc q Giá trị q thị kim thang chia độ số bảng số Bộ tích phân làm chức tính tổng 40 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp lợng vật liệu đợc vận chuyển qua băng tải đựơc thị hộp số học thị số bảng số 2.2 Hệ thống đo mức 2.2.1 Hệ thống đo mức có truyền động xenxin Sơ đồ hệ thống đo nớc phao truyền động xenxin đợc mô tả hình 2.8 phao luôn bề mặt dịch thể đựng bể chứa 1phao đợc nối liên động với đối trọng qua hệ thống dây tời ròng rọc để thị chỗ mức định thể bể đồng thời quay roto xenxin phát XF mức chất lu thay đổi lên xuống Phơng trình cân hệ thống phao đối trọng GP = Gđ + F Trong : - GP trọng lợng phao - Gđ trọng lợng đối trọng F= V1 lực đẩy dịch thể chất lu tác động lên phao V phần thể tích phao ngập dịch thể tỉ trọng dịch thể Khi mức dịch thể bể tăng lên, làm tăng phần thể tích phao ngập chất lu phá vỡ trạng thái cân , sinh lực đẩy để đẩy phao lên với mức chất lu Ngợc lại mức chất lu giảm xuống phần thể tích phao ngập chất lu giảm xuống, trạng thái phần thể tích phao ngập chất lu giảm xuống, trạng thái cân phao bị phá vỡ, trọng lợng phao kéo xuống mức chất lu XF + + 41 Nguyễn Khắc Phi CTĐ + XT Luận văn tốt nghiệp Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống đo mức truyền động xenxin Trong qúa trình lên xuống phao, qua hệ thống dây nối , roto xenxin phát quay theo làm roto xenxin thu quay đồng phát tín hiệu cho thiết bị thị đo CTĐ để thông báo giá trị nớc bể Thiết bị thị đo đơn giản hộp số quay đồng với roto xenxin thu, sử dụng hộp số momen cản tơng đối lớn làm cho độ xác phép đo giảm, thiết bị thị đo đếm xung với hệ thống thị số Trong trờng hợp roto xenxin thu tác động lên tạo xung để phát xung cho đếm Sai số phép đo hệ thống phụ thuộc vào ma sát hệ thống ròng rọc mômen cản tác động lên roto xenxin thu giá trị nhỏ độ xác tăng 2.2.2 Hệ thống đo mức điện dung Phơng pháp điện dung đợc sử dụng rộng rãi đo mức dịch thể đồng nhiều lĩnh vực công nghiệp khác Nguyên lý hoạt động mức kế điện dung dựa mối liên hệ điện dung tụ điện mức dịch thể (chất lu) bể Cảm biến đo tụ điện chuyển đổi mức dịch thể sang thay đổi điện dung tụ Dịch thể (chất lu) mà mức đo phơng pháp điện dung đợc chia thành hai loại phụ thuộc vào đặc tính điện 42 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Dịch thể (chất lu ) có điện trở xuất > 10- ữ 108 m độ thấm điện môi tơng đối t ữ đợc liệt vào dịch thể không dẫn điện Nếu 105ữ106 m, t ữ10 liệt vào loại dịch thể phơng pháp điện dụng Cảm biến đo tụ điện hình trụ với bán kính trụ r1 bán kính trụ r2 Tụ đợc nhúng bình chứa dịch thể Các cực tụ đợc ghép cố định lên giá cách điện Từ cấu trúc cảm biến kết luận đợc cảm biến gồm ba tụ điện mắc song song.Tụ thứ có điện dung không đổi C1 tạo phần giá cách điện dây nối Tụ thứ hai tạo phần hai cực, có môi trờng không khí dịch thể phía dịch thể có chiều dài H, h với điện dung thay đổi C2 tụ thứ ba tạo hai cực nhúng dịch thể có chiều dài h với điện dung thay đổi theo mức dịch thể C3 IV III 3h H II I r1 h V r2 1 Hình 2.9.Sơ đồ hệ thống đo mức điện dung Chức khối : I hiển thị số liệu II.-là hệ thống thu thập xữ lý liệu III-là mạch điện tử nhận tín hiệu từ xa IV-là mạch điện tử đo truyền liệu từ xa thiết bị thu thập liệu V đầu đo mực nớc điện dung Điện dung cảm biến C = C1+ C2+ C3 43 Nguyễn Khắc Phi (2.8) Luận văn tốt nghiệp Tụ điện trụ nên đợc biểu diễn công thc sau C2 = 01 ( H h) r Ln r1 (2.9) d h C3 = Ln r2 r1 (2.10) Trong : - = 8,85 10-12 F/m số điện môi không khí - số điện môi tơng đối môi trờng bề mặt - d số điện môi tơng đối dịch thể - r1 , r2 bán kính trụ - H chiều cao không khí dịch thể - h chiều cao dịch thể 01H 01h d h Thay (2.9) (2.10) vào (2.8) ta đợc C= C1 + Ln r2 - Ln r2 + Ln r2 r1 r1 r Đặt C0 = 20 H r Ln r1 điện dung phân tụ có chiều dài H môi tr- ờng không khí Ta có C= C1 + C0 [1 + (d- 1) h ] H Trong thực tế phần lớn chấtkhí giá trị độ thấm điện môi tơng đối xấp xỉ lấy = ta có C = C1 + C0 [1+ (d - 1) h ] H (2.11) Các cảm biến tụ điện có đặc điểm dễ chế tạo,độ bền độ tin cậy cao 44 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Nh điện dung cảm biến tỷ lệ với mức dịch thể cần phải lu ý đến ảnh hởng nhiệt độ môi trờng lên kết đo, giá trị d phụ thuộc lớn vào nhiệt độ 2.2.3 Hệ thống kiểm soát tự động mức xăng dầu PLS - 100 * Thiết bị mức KL 100 Trong máy đo mức theo nguyên tắc áp suất, điện dung thờng có độ xác thấp (tới cm ) Còn máy đo mức theo nguyên tắc radar thích hợp cho loại dầu có tỷ trọng cao không xácđịnh đợc mức nớc dới đáy bồn Các máy điện có sai số lớn mà khó khăn việc tiếp nối với thiết bị tự động hoá Do giới thiệu loại máy đo mức phổ biến loại Servo/ 2,3/ Khi kéo vật đo (phao) suốt dọc chiều cao bồn, theo dõi lực Acsimet tác dụng lên phao,sẽ xác định đợc ranh giới xăng dầu với nớc không khí, từ xác định đợc độ cao mức xăng dầu Đồng thời cân trọng lợng phao xăng dâù, từ ta suy đợc tỷ trọng xăng dầu Máy đo mức KL - 100 hệ thống thiết bị PLS - 100 đợc cấu tạo theo nguyên tắc Điểm đợc đề xuất sử dụng hệ treo phao- đối trọng thêm trục quay điều khiển đợc (hình 2.10) Q R In tank RA A L1 L2 f1 Out tank B f2 M H ZStep Motor C Q X Gear - Box Signal H m K Z Z K L3 D 45 Nguyễn Khắc Phi K (a) oX D (c) K (b) Luận văn tốt nghiệp Hình 10 Cấu tạo phần cảm biến máy đo mức KL - 100 a) cấu tạo phần bồn ; b) Nguyên lý truyền động trục quay; c) Cơ cấu phần tạo tín hiệu cân * Nguyên tắc hoạt động Ròng rọc R có gắn nam châm A đồng trục ( Hình.2.10a).phao (trọng lợng M)và đối trọng (khối lợng m)đợc treo ròng rỏc R dây không đàn hồi dịch chuyển R quay Toàn chi tiết :R,A,M,m nằm phần liên thông với bồn xăng _cách ly hoàn toàn với phần điều khiển điện tử máy Ròng rọc R đợc dẫn động quay nhờ hệ thống gồm :khớp từ hai nam châm A-B , môtơ bớc (step motor ), hộp số (Gear Box) - bánh truyền quay Q trục D liên kết lò xo với bánh quay Q Khi mô tơ quay, làm quay bánh Q , qua lò xo làm quay trục D dẫn đến quay nam châm B nhờ vào khớp từ A - B làm quay ròng rọc R (hình 10b) Khi phao (có thể tích V tỷ trọng M) bề mặt chất lỏng ( có tỷ ) - Trong trạng thái cân : Phao ngập xăng cở 1/2 thể tích V, đối trọng m ( tích v có tỷ trọng m ) tích nằm không khí ,ngập xăng chìm phần xăng , tuỳ thuộc mức xăng có bồn(hình.2.10a) Theo định luật Acsimet ta có công thức tổng quát f1 = M - V 46 Nguyễn Khắc Phi (2.12) Luận văn tốt nghiệp f2 = m - am v f1 - f2 = (M V- (2.13) V ) - (m -amv) (2.14) Với M = MV Trong biểu thức (II.2), a=0 đối trọng không khí , a=1 đối trọng chìm hoàn toàn chất lỏng a= r2lx (r: bán kính đối trọng, lx chiều dài phần đối trọng ngập chất lỏng) Khi hệ trạng thái cân bằng: f1=f2 Ta có biểu thức (2.14) không Nếu ta di chuyển ròng rọc cho phao ngập hẳn chất lỏng , dới tác dụng lực đẩy Acsimet, phao trở lên "nhẹ"hơn, f 1-f2 < Còn phao nằm không khí f1- f2 > Nếu đo đợc chênh lệch lực , từ biểu thức (II.3) ta tính đợc tỷ trọng lớp chất lỏng tơng ứng với vi trí phao Từ biểu thức ta thấy cần phải tích V đủ lớn để hiệu ứng Acsimét tác dụng lên phao lớn, nhng M phải > 1, để phao chìm đợc xăng Do ta lựa chọn giá trị nh sau : Phao có : M = 450 g, V = 375 cm 3, đờng kính tiết diện ngang 10 cm ,đối trọng m=300 g phao lệch khỏi trạng thái cân lợng h, lực đẩy Acsimét tác dụng lên phao thay đổi lợng f=[3,14.(r.r)h ] (2.15) Cấu hình cảm biến lựa chọn cho thấy phao chìm hẳn xăng ( ~ 0,8), lực đẩy Acsimét lên phao tăng lên cực đại ,làm giảm f1 nhận đợc tín hiệu f1-f2 -1500, tơng ứng lối Ura=max + Ura1 47 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp kết luận Hiện thiết bị Cảm biến đo lu lợng , đo mức ngày đợc ứng dụng phạm vi rỗng có tầm quan trọng lĩnh vực khoa học kỷ thuật đại ,vì vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu thiết bị Cảm biến đo lu lợng , đo mức ứng dụng chúng cần thiết có ý nghĩa thiết thực đời sống Nội dung luận văn vào tìm hiểu nguyên lý đo ứng dụng Cảm biến đo thu đợc kết sau: - Chơng 1: Luận văn tìm hiểu đợc khái niệm chung liên quan đến thiết bị Cảm biến đo lu lợng ,đo mức:Bao gồm nguyên lý đo lu lợng, đo mức, Cảm biến đo lu lợng, đo mức đợc trình bày cụ thể , chi tiết - Chơng 2: Luận văn tìm hiểu đợc hệ thống đo lu lợng , đo mức số ứng dụng cụ thể +Hệ thống đo lu lợng theo độp giảm áp thay đổi +Hệ thống đo lu lợng có hiểu chỉnh , vật liệu vận chuyển băng tải , +Hệ thống đo mức truyền động xenxin +Hệ thống đo nớc điện dung +Hệ thống kiểm soát tự động mức xăng dầu PLS - 100 Đề tài nghiên cứu vấn đề , Tác giả lần bớc vào lĩnh vực nghiên cứu khoa học thời gian ngắn , luận văn chắn có nhiều khiếm khuyết , Tác giả mong đợc đóng góp đợc nhiều ý kiến dẫn, bổ sung thầy, cô giáo để nội dung luận văn đợc hoàn thiện Cuối Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn tới ban chủ nhiệm khoa vật lí, thầy cô giáo môn kỷ thuật bạn bè động viên, tạo điều kiện thuận lợi trình học tập nghiên cứu ; Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo TS Nguyễn Hoa L - Ngời tận tình hớng dẫn giúp đở Tác giả hoàn thành luận văn Vinh: 5/2004 Tác giả: Nguyễn Khắc Phi 48 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo [1] Phan Quốc Ngô (Chủ biên) Nguyễn Đức Chiến Giáo trình cảm biến Nxb Khoa học kỹ thuật Hà Nội 2002 [2] TS Nguyễn Văn Hoà Cơ sở tự động hoá Tập Nxb Giáo dục [3] TS Nguyễn Văn Hoà Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động Nxb Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1998 [4] Phạm Quang Bắc Nguyễn Đức Lợi Trần Văn Đức Xây dựng phát triển hệ thống tự động hoá thông tin quản lý kho dầu Tổng công ty Việt Nam (Petrolimex) Báo cáo HNTĐH toàn quốc lần thứ 1998 Trang 51 - 65 49 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp 50 Nguyễn Khắc Phi [...]... hiệu biến thiên điện dung vi sai cũng thờng đợc áp dụng 1.4.4 Cảm biến áp suất chuyển đổi bằng biến thiên độ tự cảm Trong các cảm biến đo áp suất chất lu dùng chuyển đổi bằng biến thiên độ tự cảm ngời ta sử dụng độ biến thiên từ trở của một mạch từ Biến thiên này là do biến điệu của một hoặc nhiều khe từ gây nên Sự thay đổi độ từ cảm của L1 và L2 đợc chuyển thành tín hiệu đo bằng một cầu kết hợp L1 và. .. Luận văn tốt nghiệp 1.3.1 Đo mức bằng phơng pháp thủy tĩnh Trong phơng pháp này chỉ số đo cảm biến cung cấp là hàm liên tục phụ thuộc vào chiều cao của chất lu trong bình chứa Nó không phụ thuộc vào tính chất điện cuả chất li, nhng phụ thuộc vào khối lợng riêng của chất lu Dới đây là ba cách khác nhau của phơng pháp đo thủy tinh cảm biến lực cảm biến vị trí h h (a) h (b) (c) Cảm biến áp suất vi sai Hình... chất lu Việc đo các áp suất này trong chất lu chuyển động có thể đợc thực hiện bằng cách nối với hai đầu ra vào của ống pitot hai cảm biển, một cảm biển đo áp suất tĩnh và một cảm biển đo áp suất đo áp suất tổng cộng Khi đo áp suất động sẽ là hiệu quả của áp suất tổng cộng và áp suất tĩnh (hình 1.9) có thể trang bị trực tiếp một ăng ten là ống Pitot với hai cảm biến áp suất kích thớc nhỏ để đo áp suất... nhạy và dịch chuyển có liên quan đến ứng lực cực đại mà vật trung gian có thể chịu đựng đợc ứng lực này phụ thuộc vào vật liệu chế tạo vật trung gian, việc lựa chọn vật liệu phải thoả mãn điều kiện là tuân thủ các đặc trng đo lờng của cảm biến 1.4 Các cảm biến đo mức 22 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp 1.4.1 Cảm biến độ dẫn Cảm biến loại này chỉ dùng cho chất lu dẫn điện Không có tính ăn mòn và không... qua một lỗ nhỏ phải sử dụng một cảm biến đặt gần sát thành bình Sai số của phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết của bình dẫn và của cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lu cần đo áp suất 19 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp Trong trờng hợp đo trực tiếp, ngời ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình, biến dạng này là hàm của áp suất... của biến thế đầu vào (hình 1.11a) hoặc với hai cuộn cảm cố định L3 và L4 (hình 1.11c) các cảm biến áp suất dùng chuyển đổi bằng biến thiên độ tự cảm có độ tuyến tính thay đổi trong khoảng 0,5 đến 3% của dải đo Độ trễ của cảm biến nằm trong khoảng từ 0,1 ữ 1% của dải đo với độ phân dải là 0,01% Độ chính xác đạt từ 0,5 ữ 2% Tín hiệu đầu ra thay đổi trong khoảng từ 100 ữ 400 mV Nhợc điểm của cảm biến. .. hợp với thiết bị chỉ thị đo Hình 2.1 mô tả rõ nguyên lý của một hệ thống đo lu lợng dựa trên phơng pháp đo lu lợng theo độ giảm áp thay đổi Tuy nhiên tồn tại một sự khác nhau cơ bản là trong hệ thống đo áp suất thang chia của thiết bị chỉ thị là tuyến tính, vì lu lợng tỷ lệ với căn bậc 2 của áp suất Con cam c trong hệ thống đo áp suất là con cam tuyến tính, còn trong hệ thống đo lu lợng là con cam bình... với độ lớn của áp suất cần đo Cảm biến có thể đợc sử dụng để đo áp suất chất lu có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1 bar với sai số (do có sự không tuyến tính và độ trễ) thấp hơn 0,025 % + f1- f2 Bộ dao động f1 Bộ dao động f2 F - R M Hình 1.12 Cảm biến áp suất chất lu dùng chuyên đổi thạch anh 1.4.7 Cảm biến đo áp suất dùng các phơng pháp chuyển đổi khác 1.4.7.1 Cảm biến đo áp suất dùng các phơng... dụng chúng trong các môi trờng ăn mòn để đo áp suất tuyệt đối hoặc áp suất tơng đối Thể tích "Chết" và thể tích động của chúng nhỏ, thể tích chết cỡ cm 3 và thể tích động cở phần mời mm3 Chơng 2 Các hệ thống đo lu lợng - đo mức 31 Nguyễn Khắc Phi Luận văn tốt nghiệp 2.1 Hệ thống đo lu lợng 2.1.1 Hệ thống đo lu lợng theo độ giảm áp thay đổi Là thiết bị thu hẹp để chuyển tín hiệu lu lợng sang dạng tín hiệu... 1% của dải đo với độ trễ nhỏ hơn 0,0001 % và độ phân dải 0,001 % Độ lớn của tín hiệu đầu ra thay đổi từ 5 ữ100 mV Ưu điểm của cảm biến áp suất dùng chuyển đổi tín hiệu bằng áp điện là hồi đáp tần số rất tốt, thích hợp để đo áp suất thay đổi nhanh, kích thớc nhỏ, ít nhạy cảm với gia tốc và không cần nguồn nuôi cảm biến Nhợc điểm của cảm biến loại này là nhạy cảm với thay đổi của nhiệt độ và cần sử dụng ... 1: Cảm biến đo lu lợng, đo mức Giới thiệu nguyên lý đo lu lợng, đo mức cảm biến đo lu lợng đo mức Chơng 2: Các hệ thống đo lu lợng, đo mức vài ứng dụng Giới thiệu số hệ thống dùng thiết bị cảm. .. nguyên lý đo lu lợng, đo mức, Cảm biến đo lu lợng, đo mức đợc trình bày cụ thể , chi tiết - Chơng 2: Luận văn tìm hiểu đợc hệ thống đo lu lợng , đo mức số ứng dụng cụ thể +Hệ thống đo lu lợng theo... cam c hệ thống đo áp suất cam tuyến tính, hệ thống đo lu lợng cam bình phơng B1 B0 U1 K B2 u2 KĐ II III > Đ q qdt Q c I q Hinh 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo lưu lượng Trong hệ thống đo lu