Cảm biến và hệ thống đo lưu lượng, đo mức

Suất điện động cảm ứng dọc theo đờng kính vuông góc với v và B có dạng e = B D v 1.5 Trên thực tế vận tốc thay đổi tuỳ vị trí của điểm trên bán kính ống, nhng do phân bố đối xứng quang

Mở đầu

Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng nhanh của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật Cảm biến đo lu lợng, đo mức đã có những bớc tiến nhảy vọt và

đã đạt đợc nhiều thành tựu nổi bật, các thông tin khoa học mới đề cập nhiều

đến các lĩnh vực này, những thiết bị đo mới với những tính năng tác dụng khác nhau, liên tiếp ra đời với kích thớc ngày càng giảm tối thiểu và độ chính xác ngày càng cao Công nghệ sản xuất hiện đại đã chế tạo ra các thiết bị cảm biến nhằm mục đích phục vụ cho các ngành công nghiệp, nông nghiệp, thuỷ điện…Trong công nghiệp, nông nghiệp các cảm biến dùng để biến đổi các đại lợng không điện cần đo thành các đại lợng điện có thể đo đợc (nh dòng điện, điện

áp, điện thế, điện dung ) Các cảm biến còn sử dụng để kiểm tra chất l… ợng sản phẩm, đo lu lợng, đo mức nớc để điều tiết nớc trong các hệ thống thuỷ lợi , thuỷ nông cho phù hợp với nhu cầu sản xuất Các cảm biến đo mức đợc sử dụng nhiều trong các hệ thống thuỷ đIện, thuỷ văn và phòng chống thiên tai lũ lụt Những tiến bộ của khoa học công nghệ hiện đại đã giúp chúng ta có thể…thực hiện nhanh chóng các phép đo với độ chính xác cao

Vì lý do đó nên tôi đã chọn đề tài này làm luận văn tốt nghiệp của mình

Đề tài luận văn tập trung nghiên cứu cảm biến và hệ thống đo l“ u ợng , đo mức” từ đó đã đa một số ứng dụng trong kỷ thuật.

l-Luận văn bao gồm 2 chơng

Chơng 1: Cảm biến đo lu lợng, đo mức

Giới thiệu nguyên lý đo lu lợng, đo mức và các cảm biến đo lu lợng đo mức

Chơng 2: Các hệ thống đo lu lợng, đo mức và một vài ứng dụng.

Giới thiệu một số hệ thống dùng các thiết bị cảm biến để đo lu lợng, đo mức và đã đa ra một ứng dụng cụ thể đó là hệ thống kiểm soát tự động mức xăng dầu PLS - 100

Các cảm biến đo lu lợng, đo mức là những thiết bị thờng gặp trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta Vì vậy, việc nắm vững cơ chế đo của chúng sẽ giúp chúng ta chủ động hơn khi

đối mặt với những thiết bị đo hiện đại Mong rằng luận văn này sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho những ai quan tâm vấn đề này

Chơng 1 Cảm biến đo lu lợng, đo mức 1.1.Nguyên lý đo lu lợng

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

1.1.1 Lu lợng kế điện từ

Khi đo đoạn dây AB chiều dài l chuyển động tĩnh tiến trong trờng cảm ứng từ B với vận tốc v trong khoảng thời gian dt (hình 1.1) có thể viết biểu thức cho các đại lợng cơ bản sau đây:

Diện tích cắt : dsc = l.v sinθ.dt (1.1) Hoặc dới dạng véc tơ : d = sc l ∧vdt (1.1')Trong đó l =AB

Từ thông bị cắt : dφc = B.d s.dt (1.2) -Suất điện động cảm ứng :

v

) t (

B

) t ( A

θ

c

Khi v vuông góc với l và B vuông góc với mặt phẳng tạo bởi l và v

ta có :

e = B l v (1.4) Công thức này có thể tổng quát hoá cho trờng hợp chất lu dẫn điện chảy trong 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 và B có dạng

e = B D v (1.5) Trên thực tế vận tốc thay đổi tuỳ vị trí của điểm trên bán kính ống, nhng do phân bố đối xứng quang trục của ống, cho nên v đo đợc là vận tốc trung bình của dòng chảy.Trong những điều kiện nh vậy, tính hiệu e tỷ lệ với lu lợng

* Cấu tạo của cảm biến

Từ trờng 10-3 ữ 10 -2T đợc tạo ra bằng cách dùng hai cuộn dây đặt ở hai phía của đờng ống Đờng ống dẫn làm bằng vật liệu

Hình 1.2 Lu lợng kế điện từ

Không từ tính, mặt bên trong ống đợc pha chất cách điện, hai điện cực lấy tín hiệu đặt ở hai đầu đờng kính vuông góc với đờng sức của từ trờng Các cuộn dây đợc nuôi bằng nguồn xoay chiều tần số 30Hz (hình 1.2)

e= v.D.B0 Cos ( ωt +φ) (1.6)

Điệ

n cực

Khuyếch

đại vi sai

Cuộn dây

Cuộn dây

Trong đó B0 là trị cực đại của cảm ứng từ B0 = BMax ,ω là tần số (của cảm ứng từ) Biên độ của tín hiệu tỷ lệ với v và có giá trị cỡ mV.

* Các đặc trng

Các chất lu cần phải có độ dẫn điện không nhỏ hơn cỡ : àscm-1

điện trở vào của thiết bị đo

Phạm vi đo của lu lợng kế điện từ là hàm của đờng kính ống dẫn Đờng kính càng rộng thì giới hạn thấp và cao càng chuyển dịch về phía lu lợng lớn

Thí dụ : - D = 10 mm, lu lợng nhỏ nhất Qmin = 0,28m3/h, lu lợng lớn nhất QMax = 2,8 m3/h

- D = 1m, QMin = 2800 m3/h

Qmax = 28.000 m3/h

Độ chính xác của lu lợng kế đạt đợc cỡ ∼ 1%

u điểm : Lu lợng kế điện từ là ở chỗ việc đo đạc không phụ thuộc vào đặc

tính vật lý của chất lu (nh mật độ , độ nhớt, độ dẫn điện với điều kiện nó phải lớn hơn một vài às cm-1) Ngoài ra thiết bị này có khả năng chống xói mòn bằng cách chọn lớp phủ và kim loại diện lu thích hợp Ti, Pt)

1.1.2 Lu lợng kế cơ 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 cũng giống nh của đầu đo gió dùng chong chóng, dòng chất lu làm quay tua bin đặt ở trục của ống dẫn

Tốc độ quay N của cánh tua bin (số vòng quay trong một giây ) Tỷ lệ với lu lợng Q:

Q = K.N (1.7)

Trong đó hệ số K phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể của lu lợng kế nhng về nguyên tắc nó không phụ thuộc vào chất lu Có nhiều biểu thức thiết lập cho

hệ số K với giả thiết bỏ qua sự nổi cơ học và hiệu ứng của độ nhớt

K = 2πrA Cotgα (1.8) Trong đó r là bán kính trung bình của cánh tua bin, A là tiết diện cắt ngay dòng chảy , α là góc giữa cánh và trục của tua bin

A = AC - Ar (1.9) Trong đó : - AC là tiết diện trong của ống đo

- Ar là diện tích mặt cắt ngang của Roto Phơng pháp đổi tốc độ quay thành tín hiệu cũng tơng tự nh trong trờng hợp

đầu đo gió chong chóng Các đặc trng kỷ thuật của lu lợng kế tua bin nh sau :

- Phạm vi đo : 0,3m3/h ữ 36000 m3/h đối với các chất khí

0,01m3/h ữ 14000 m3/h đối với các chất lỏng

- Độ chính xác : ±1% ữ± 2 %

- Độ lặp lại : Tốt hơn ± 10,5%

- Độ tuyến tính: ± 0,5 ữ 1,5% phụ thuộc vào độ nhớt

- Thời gian hồi đáp : khoảng một vài ms Các lu lợng kế tua bin có u điểm là dễ xử lý tín hiệu.Tuy vậy khi làm việc với chúng phải đảm bảo yêu cầu là chất lu không có bọt khí và các sợi hoặc hạt có kích thớc đáng kể Thêm vào đó, để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo, lu lợng kế phải đợc đặt ở đoạn ống thẳng để tránh dòng xoáy

1.1.2.2 Lu lợng kế phao nổi

Nguyên lý đo lu lợng kế phao nổi

Lu lợng kế loại này có cấu tạo gồm phao nhỏ đặt trong ống thẳng đứng hình nón (hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của lu lợng kế phao nổi

ở trạng thái cân bằng phao chịu tác động của ba lực chủ yếu là lực đẩy acsimét, lực cản và trọng lợng Trạng thái cân bằng này đợc biểu diễn bởi ph-

- V là thể tích và ρ0 là khối lợng riêng của phao

- U là vận tốc và ρ là khối lợng riêng của chất lu

- 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

Đờng kính D của ống dẫn thay đổi tuyến tính theo chiều cao Z

D = Do + aZ (1.11) Cho nên biểu thức của lu lợng có dạng :

Q = 4[( + ) − ] 2  −1

0 2

0

2 0

ρ

ρ π

S C

gV D

aZ D

x

(1.12) Nếu sự thay đổi của đờng kính ống rất nhỏ thì trên thực tế biểu thức Q sẽ là

Q = 1 K.Z

C

gV2

Để đo lu lợng, cách đơn giản nhất là chia độ trực tiếp trên ống thủy tinh

Để tiện xử lý kết quả đo, có thể nối phao với một chiết cầu nhỏ có liên hệ cơ với lõi của biến thế vi sai để chuyển tính hiệu cơ thành tín hiệu điện.Tín hiệu

điện này sẽ tỷ lệ với lu lợng cần đo

1.1.2.3 Lu lợng kế lá chắn

Lu lợng kế dùng lá chắn biểu diễn trên hình (1.4) Lá chắn chịu tác động của dòng chảy, trọng lợng và phản lực của lò xo Vị trí cân bằng của lá chắn phụ thuộc vào lu lợng của chất lu Tín hiệu có trong trờng hợp này có thể chuyển thành tín hiệu điện bằng cách dùng điện kế có trục gắn liền với trục lá chắn

u điểm của lu lợng kế dùng lá chắn là rẽ tiền và chắc chắn

Lò xo lá

Dịch chuyển

1.1.2.4 Lu lợng kế khối lợng nhiệt

U

lá chắn

Hình 1.4 Lưu lượng kế dùng lá chắn

Lu lợng kế khối lợng có cấu tạo gồm một ống dẫn bằng kim loại mảnh

có đờng kính nhỏ Phía ngoài của ống kim loại đợc cuốn một sợi dây đốt bằng

điện trở ở chính giữa, hai cảm biến nhiệt độ để đo T1 ở thợng nguồn (đâù vào)

và T2 ở hạ lu (đầu ra) đợc đặt ở hai phía sợi đốt và đối xứng qua sợi đốt Hình (1.5)

Hình 1.5 Lu lợng kế khối nhiệt

a- Sơ đồ nguyên lý cấu tạo

b - Đờng cong nhiệt độ

- Khi không có dòng chảy lu lợng bằng không (Q = 0), sự truyền nhiệt ra hai phía của sợi đốt là nh nhau, hiệu ứng nung nóng sẽ đối xứng và trong trờng hợp này T1 = T2 (Hình 1.5 a)

- Khi lu lợng khác không Q≠0, T1 giảm và T2 tăng (hình 1.5b) sự khác nhau giữa T1 và T2 (∆T = T1 - T2 ) tỷ lệ với lu lợng Q

Trờng 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

1.2 Các cảm biến đo lu lợng

1.2.1 Đo lu lợng theo độ giảm áp thay đổi

Một trong những phơng pháp khá phổ biến để đo lu lợng dịch thể chất

khí và hơi quá nhiệt chảy trong đờng ống là hiệu áp suất hai bên thiết bị thu hẹp.Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, đợc đặt trong đờng ống tạo nên

Cảm biến nhiệt độ Nung nóng

Không có dòng chảy

Có dòng chảy

(a)

(b)

điểm thắt chặt dòng chảy cục bộ trong đờng ống dẫn Nh vậy tại vị trí đặt thiết

bị thu hẹp tốc độ của dòng chảy tăng lên, nghĩa là động năng tăng lên sẽ dẫn

đến thế năng của dòng chảy giảm xuống Tại vùng đặt thiết bị thu hẹp sẽ có hiện tợng chuyển đổi thế năng sau thành động năng của dòng chảy

Hình 1.6 Sơ đồ dòng chảy và phân bố áp suất trên thành ống

Hai bên thiết bị thu hẹp sẽ xuất hiện áp suất ∆P phụ thuộc vào lu lợng của dòng chảy (hình 1.6) mô tả sơ đồ đặc tính của dòng chảy ở xung quanh thiết bị thu hẹp và sự thay đổi áp suất trên thành ống dẫn P Dòng chảy khi đến gần thiết bị thu hẹp thì bắt đầu thắt lại (từ mặt cắt I -I) và tạo dòng xoáy đập lên thành ống Sau khi qua khỏi thiết bị thu hẹp, do quán tính dòng chảy vẫn tiếp tục bị thắt lại cho đến mặt cắt II - II đạt tiết diện nhỏ nhất, sau đó dòng chảy bắt đầu nở dần ra cho đến khi điền đầy đờng ống phía trớc và phía sau thiết bị thu hẹp tạo nên các dòng chảy ngợc (dòng chảy xoáy) Đây là nguyên nhân gây ra tổn thất áp suất (tổn thất năng lợng ) của dòng chảy

Xét sự phân bố áp suất trên thành ống: từ mặt cắt I - I trở về trớc áp suất không thay đổi, còn trở về sau cho đến thiết bị thu hẹp áp suất tăng lên do dòng xoáy đập vào thành ống Qua khỏi thiết bị thu hẹp áp suất đột ngột giảm xuống và theo đà quán tính của dòng chảy áp suất tiếp tục giảm cho đến mặt cắt II - II thì đạt giá trị cực tiểu PII Sau mặt cắt II - II áp suất trên thành ống từ

P1 P2P

PII

PI ∆P

từ tăng lên cho đến giá trị xác lập khi dòng chảy điền đầy đờng ống Giá trị áp suất xác lập khi dòng nhỏ hơn giá trị áp suất ban đầu trớc thiết bị thu hẹp vì có tổn thất áp suất δp đo thiết bị thu hẹp gây ra Giá trị ∆P = PI - PII đợc gọi là hiệu áp suất do thiết bị thu hẹp tạo ra.

Để xây dựng phơng trình lu lợng, chúng ta giả sử dòng chảy trong đờng ống là chất lỏng lý tởng, nghĩa là không bị nén và không gây ra tổn thất áp suất (δp = 0) Theo định luật bảo toàn năng lợng (định luật Becnuli) để cho mặt cắt I - I và II - II ta có :

PI +

2 2

2 2

II II

2

2 I

2

II −

ρ

(1.15) Theo định luật bảo toàn vật chất (định luật liên tục của dòng chảy) để cho chất lỏng lý tởng ta có

SI VI = SII.VII (1.16) Với SI , SII là tiết diện của dòng ở mặt cắt I - I và II - II (m2)

Từ công thức (1.16) ta có

VI = . 0. II`

I o

II II I

S

S S

S V S

2 )Vm

1(

ρ −

Suy ra : VII = . P

m1

1

đợc vị trí của các mặt cắt I - I và II - II, đồng thời các mặt cắt này thay đổi khi

lu lợng thay đổi Vì vậy giá trị hiệu suất đợc đo ngay trớc và sau thiết bị thu hẹp Ngoài ra trong điều kiện thực tế bao giờ cũng tồn tại tổn thất áp suất (δp

≠ 0).Vì vậy hệ số hiệu chỉnh ε và phơng trình tính lu lợng để cho chất lỏng thực không bị nén có dạng

Hoặc có thể viết q = α S0 2 ρ (P I −P II) (kg/s)

Để cho chất lỏng bị nén, chất khí hoặc hơi quá nhiệt, khi áp suất thay

đổi thể tích của chúng sẽ thay đổi Vì vậy trong công thức để tính lu lợng phải

có thêm hệ số ε đặc trng cho tính chất thay đổi thể tích khi áp suất thay đổi

đ-ợc gọi là hệ số nén, công thức để tính lu lợng của chất lỏng bị nén, chất khí

và hơi quá nhiệt có dạng

q = . S0 2(P I −P II)

ρ ε

α (m3/s) Hoặc có thể viết q = α εS0 2 ρ (P I −P II) (kg/s)

Chú ý: Công thức tính lu lợng chỉ áp dụng cho các trờng hợp tốc độ của dòng

chảy tại thiết bị thu hẹp cha đạt đến tốc độ giới hạn (tốc độ truyền âm thanh trong môi trờng dòng chảy)

1.2.2 Đo lu lợng theo độ giảm áp không đổi

Theo kết quả đã phân tích trong mục 1.2.1 ta thấy lu lợng của dòng chảy khi đi qua bộ phận thu hẹp của dòng chảy tỷ lệ với căn bậc hai của hiệu áp suất hai bên bộ phận thu hẹp và tỷ lệ bậc nhất với diện tích thoát của dòng chảy tại vị trí thu hẹp tức là

q = C.S ∆P

Trong đó : - C là hệ số tỷ lệ

- S là tiết diện ngang dòng chảy

Nh vậy nếu tạo đợc thiết bị thay đổi đợc S khi q thay đổi và bảo đảm ∆P

= const thì sẽ là mối quan hệ gần nh tuyến tính giữa q và S thiết bị này đợc gọi

là phơng pháp đo lu lợng theo độ giảm áp không đổi Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Rotamét đợc mô tả trên hình 1.7 Nó là một ống hình côn 1 đặt theo ph-

ơng thẳng đứng, đáy lớn giá trên dới áp lực của dòng chảy, phao đợc đẩy lên tiết diện thoát của dòng chảy tăng lên, áp lực của dòng chảy trên phao giảm

xuống Khi áp lực của dòng chảy lên phao cân bằng với trọng lợng của phao thì phao sẽ ngừng dịch chuyển

Ta có phơng trình cân bằng của phao

P1Sp + KVn.Sb = P2Sp + (ρ −P ρd).V.g

Trong đó :

-S là diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của phao p

-Vn là tốc độ trung bình của dòng chảy tại vòng xuyến quanh phao

- Sb là diện tích mặt cắt bên của phao

- K là hệ số trở lực giữa dòng chảy và mặt bên của phao

- n là chỉ số phụ thuộc trở lực vào tốc độ

-ρplà khối lợng riêng của phao

- ρdlà khối lợng riêng của dòng chảy

S [( ) . 0

1 ρ − ρ − ] (1.19)

Khi lu lợng thay đổi thì diện tích vòng xuyến thoát của dòng chảy thay

đổi Vì vậy có thể xem tốc độ trung bình của dòng chảy trong vùng vòng xuyến là không thay đổi (V= const ) khi lu lợng của dòng chảy thay đổi

Nh vậy P1 - P2 = const Đây chính là cơ sở để nói Rotamét là thiết bị đo lu ợng theo chế độ giảm áp không đổi

Trong thực tế, ngoài các lực đã nêu ra, còn có lực đo động năng của dòng chảy tác động lên phao Lực này đợc xác định theo công thức

fd = ϕ

2

2 1

V

S p ρd

Trong đó :

P2 1 2

P1 q

Hình 1.7

- ϕ là hệ số trở lực của phao phụ thuộc vào hình dáng phao -V1 là tốc độ trung bình của dòng chảy trớc phao.

Nh vậy, khi tính đến cả lực do động năng dòng chảy tác động lên phao thì công thức (1.19) có dạng

2

.

d p b

n d

p p

ρ ϕ ρ

Theo công thức (1.20) có thể thấy rằng: Khi lu lợng tăng lên thì hiệu áp suất P1 - P2 giảm Nhng khi lu lợng tăng thì tổng số độ chênh áp trên Rotamét tăng lên Điều này là do tổn thất áp suất tăng lên khi lu lợng đi qua Rotamét tăng

Để xây dựng phơng trình lu lợng giữa Rotamét, ta đánh giả sử dòng chảy qua nó là chất lỏng không bị nén Phơng trình Becnuli để cho mặt cắt d-

ới mà mặt cắt trên của phao có dạng

g

V l g

V g

P l g

V g

P

2 2

2

2 2

2 2 2 1

2 1

ρ

Trong đó :

- P1, P2 là áp suất mặt cắt dới và trên của phao (N/m2)

- V1, V2 là tốc độ trung bình của dòng chảy ở mặt cắt dới và trên của phao (m/s)

- l1, l2 là chiều cao mặt cắt dới và trên của phao so với mặt cắt chuẩn ban đầu (m)

- ξ là hệ số tổn thất vùng phao

- V là tốc độ trung bình của vòng xuyến quanh phao (m/s)

Theo định luật liên tục của dòng chảy, ta có

V1S1 = V2 S2 = V.S Trong đó :

- S1, S2 là tiết diện của ống Rotamét ở mặt cắt dới và trên của phao (m2)

- S là tiết diện vòng xuyến quanh phao (m2)

2 2 1

2 2

( 2

V S

S S

S l

l g P P

Lu lợng của dòng chảy đợc xác định theo công thức

q = V.S = α.S 2(P1 −P2) −2gl

ρ (1.22)

Công thức lu lợng (1.22) ta thấy rằng: Lu lợng dòng chảy qua Rotamét phụ thuộc vào hai biến số α và S Hệ số α phụ thuộc vào cấu trúc ống côn của Rotamét và phao, thực tế Rotamét không thể chia độ bằng giải tích nh thiết bị thu hẹp tiêu chuẩn mà phải chia độ bằng thực nghiệm

1.3 Nguyên lý đo mức

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

a) phao ; b) hình trụ treo ; c) cảm biến áp suất vi sai

Phơng pháp thứ nhất- Một phao nổi trên mặt chất lu đợc gắn bằng dây

(qua một ròng rọc) với một cảm biến vị trí (hình 1.8a) Cảm biến vị trí sẽ có tín hiệu tỷ lệ với mức chất lu

Phơng pháp thứ hai- Một vật hình trụ đợc nhúng vào trong chất lu,

chiều cao của hình trụ phải bằng hoặc lớn hơn mức cao nhất của chất lu (hình 1.8b) - Hình trụ này đợc treo trên một cảm biến đo lực Trong quá trình đo cảm biến chịu sự tác động của một lực F tỷ lệ với chiều cao của chất lỏng

F = P - ρgSh (1.23) Trong đó:

Cảm biến áp suất vi sai

hh

h

- P, S và h là trọng lợng mặt cắt ngang và chiều cao phần ngập trong chất lỏng của hình trụ, ρ là khối lợng riêng của chất lỏng, g là gia tốc trọng trờng.

Số hạng thứ hai ρgSh trong biểu thức là lực đẩy Acsimét tác dụng lên hình trụ Tín hiệu do cảm biến cung cấp sẽ tỷ lệ với h, mức chất lu còn lại trong bình

Phơng pháp thứ ba- Ta sử dụng cảm biến áp suất vi sai đặt ở đáy của

bình chứa (hình 1.8c)

Nếu cho một chất lỏng hoặc chất khí (gọi chung là chất lu) vào trong một bình chứa nó sẽ gây nên lực tác dụng lên thành bình gọi là áp suất , áp suất này phụ thuộc vào bản chất của chất lu, thể tích mà nó chiếm trớc và sau khi đa vào bình và vào nhiệt độ

áp suất P của chất lu đợc xác định từ lực dF tác dụng vuông góc lên diện tích dS của thành bình

P =

dS

dF

(1.24) Thơng số này không phụ thuộc vào định hớng của bề mặt dS mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của nó trong chất lu

Nói chung các chất lu luôn chịu tác động của trọng lực, bởi vậy trong ờng hợp cột chất lu chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất ở điểm M cách bề mặt tự do một khoảng bằng h sẽ bằng áp suất khí quyển P0 cộng với trọng lợng của cột chất lu có chiều cao h tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt nghĩa là

P = P0 + ρgh (1.25)

Trong đó:

- ρ là khối lợng riêng của chất

- g là gia tốc trọng trờng tại điểm đo áp suất

- Po là áp suất của đỉnh của bình chứa

- ρgh là áp suất thủy lực tại đáy bình

Nếu chất lỏng chịu sự tác động của một gia tốc thì cần phải tính thêm

ảnh hởng của lực quán tính đến áp suất cần đo

Biểu thức P =

dS

dF cũng đồng thời xác định đơn vị của gia tốc trong hệ

SI một Pascal (Pa) tơng đơng với áp suất đồng dạng do lực 1 Niwtơn (N) tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1m2. áp suất 1Pa tơng đối nhỏ , vì thế trong đo đạc công nghiệp ngời ta thờng sử dụng đơn vị áp suất là bar

áp suất khí quyển ở điều kiện bình thờng tơng đơng với áp suất do một cột thuỷ ngân có chiều cao 760 mm gây nên ở 00C với gia tốc trọng trờng g = 9,8066 m/s2

- Đo áp suất lấy qua một lỗ có tiết diện hình tròn đợc khoan trên thành bình

- Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

- Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào (là áp suất) thành tín hiệu đầu ra chứa thông tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo và

sự thay đổi của nó theo thời gian

Trong cách đo trích lấy áp suất 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

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.

Ngoài ra có thể dùng một ống đặc biệt có khả năng biến dạng dới tác dụng của áp suất để làm vật trung gian Khi đo áp suất trong một đờng ống dẫn chất lu, ngời ta đặt một áp kế dạng ống nối tiếp với đờng dẫn khảo sát Bằng cách chọn vật liệu thích hợp, có thể sử dụng ống trong trờng hợp có biến dạng lớn và tăng độ nhạy của áp kế

Ngời ta cũng có thể sử dụng vật trung gian là màng mỏng để đo áp suất Khi đó sự khác nhau về áp suất giữa hai mặt của màng sẽ tơng ứng với lực tổng cộng F tác động lên màng và với biến dạng của nó (xác định ở mốc một

điểm theo đờng kính, theo tiếp tuyến hoặc điểm giữa của màng )

Đối với cùng một áp suất P, biến dạng của màng càng lớn khi bán kính r càng lớn và bề dày càng nhỏ Độ nhạy của màng cũng tăng khi biến dạng tăng lên Hiện tợng trễ do biến dạng không phải là đàn hồi tuyệt đối sẽ ảnh hởng

Pt = PS + Pd

áp suất tĩnh Ps đợc đo bằng một trong các phơng pháp vừa trình bày áp suất động tác dụng lên mặt phẳng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ làm tăng áp suất tĩnh và có giá trị tỷ lệ với bình phơng vận tốc

Pd =

2

V2

Trong đó : - V là vận tốc chuyển động của chất lu

- ρ là khối lợng riêng của 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 động các màng của hai cảm biến này đợc đặt sao cho một màng vuông góc với dòng chảy và màng thứ hai song song với trục của ống

vm1 vm2 - vm1 ~ Pd vm2

Hình 1.9 Đo áp suất động bằng pitot

Trong một loại ống đơn giản hơn áp suất tính đợc đo bằng cách khác

Đặt áp suất tổng cộng lên mặt trớc của màng còn áp suất tĩnh thì đặt lên mặt sau của màng nh vậy tín hiệu đo cảm biến cung cấp sẽ là sự khác nhau phía áp suất tổng cộng và áp suất tĩnh, bằng cách này ta đo đợc áp suất tổng cộng của chất lu

Vật trung gian

Cảm biến 1

Cảm biến 2

Việc lựa chọn vật trung gian để đo áp suất chất lu phụ thuộc vào bản chất của áp suất cần đo, độ lớn của nó và phơng pháp chuyển đổi tín hiệu (chuyển đổi độ dịch chuyển hay biến dạng thành tín hiệu điện) vật trung gian

đợc đặc trng bởi độ cứng (là tỉ số giữa lực tác dụng và độ dịch chuyển ) và tần

số riêng của nó Độ nhạy tỷ lệ nghịch với độ cứng của r trong khi tần số riêng

Khi tăng tỷ số r/M khả năng chịu rung động và gia tốc của vật trung gian sẽ tăng lên tiếp theo, bằng cách nâng tần số riêng của vật trung gian, có thể tăng độ nhanh của hồi áp Ngợc lại độ nhạy sẽ giảm đi bởi vì độ cứng càng lớn thì vật biến dạng càng kém Sự giảm độ nhảy này đến một mức độ nào đó

sẽ làm cho tín hiệu yếu đi so với nhiễu và làm sai lệch kết quả đo áp suất của chất lu

Đối với mỗi loại vật trung gian tồn tại một mối quan hệ bất biến giữa khối lợng M, độ nhạy S và tần số riêng f0 : MSf0 = const Thí dụ , trong các tr-ờng hợp cụ thể mối quan hệ này sẽ là MSf0 = 0,25 đối với vật trung gian dạng thanh dài cố định ở hai đầu Trong mọi trờng hợp độ cứng, độ nhạy và dịch chuyển có liên quan đến ứng lực cực đại mà vật trung gian có thể chịu đựng đ-

ợc 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

đo chiếm cả dải chiều cao của mức cần đo Dòng điện các cực có biên độ tỷ lệ với chiều dài của điện cực bị ngập trong phần chất lu.Trong chế độ phát hiện theo ngỡng, điện cực ngắn và đặt theo phơng ngang, vị trí của mỗi điện cực t-

ơng đơng với một mức ngỡng, khi mức chất lỏng đạt tới điện cực- dòng điện I

có biên độ không đổi

Hình 1.10.Cảm biến độ dẫn đo mức chất lu

a- Sơ đồ hai điện cực ; b- Sơ đồ một điện cực ; c- Sơ đồ phát điện hiện theo mức

1.4.2 Cảm biến tụ điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện cực hình trụ (hoặc một điện cực kết hợp với thành bình kim loại của bình chứa ) chất điện môi giữa hai điện cực là chất lỏng ở phần ngập và không khí ở phần khô Việc đo mức chất lu đợc chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay

đổi theo mức chất lu trong bình chứa

h hmax

hminh

Điều kiện cần thiết để áp dụng phơng pháp này là hằng số điện môi của chất lu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí thông thờng là gấp đôi

Trong trờng hợp chất lu dẫn điện chỉ cần sử dụng một điện cực bên ngoài có phủ vật liệu cách điện, lớp phủ đóng vai trò lớp điện môi của tụ còn

điện cực thứ hai chính là chất lu

1.4.3 Cảm biến áp suất chất lu chuyển đổi bằng biến thiên điện dụng

Điện dung của tụ điện thay đổi bằng các tác động lên một trong những thông số làm thay đổi điện trờng giữa hai vật dẫn tạo thành hai bản cực của tụ

điện

Một trong hai bản cực này đợc nối cơ học với vật trung gian chịu tác

động của áp suất cần đo Thí dụ, nếu vật trung gian là một vật màng mỏng thì

điện dung của tụ điện sẽ thay đổi theo sự dịch chuyển của tấm màng khi nó bị

áp suất chất lu tác động

Trong trờng hợp tụ điện hình trụ, diện tích bề mặt đối diện của hai bản cực sẽ thay đổi tuyến tính theo sự dịch chuyển của bản cực Nếu độ trễ cơ học của màng nhỏ, đối với tụ điện cơ bản cực hình trụ, sai số đo độ tuyến tính gây nên không lớn hơn 0,1%

Nếu gọi khoảng cách giữa hai bản cực là D0 và sự thay đổi ∆D của khoảng cách này rất nhỏ (∆D <Do) thì biến thiên điện dung của tụ đợc biểu diễn bằng biểu thức

0

DC

C = ∆

∆

(1.28) Trên thực tế, biến thiên của điện dung sẽ phức tạp hơn nhiều nếu 1 bản cực của tụ điện là điện cực động và có thể bị biến dạng dới tác động của áp suất

Thí dụ: Trờng hợp vật trung gian là màng đóng vai trò 1 bản cực

Trong những trờng hợp nh vậy để hạn chế sai số tuyến tính dới n% cần phải đảm bảo sao cho độ dịch chuyển của màng tuân thủ điều kiện.

∆D < 0

n

(1.29) Thí dụ: Nếu Do= 50 àm, để có sai số n = 0,5% thì độ dịch chuyển của tấm màng phải nhỏ hơn 0,5 àm

Một phơng pháp khác dùng chuyển đổi tín 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 L2 với hai nửa của cuộn thứ cấp 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 áp suất chất lu dùng chuyển đổi bằng biến thiên độ tự cảm là rất nhạy cảm với rung động, va chạm và từ trờng Ngoài ra nguồn nuôi phải đợc ổn định theo biên độ và tần số