Đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

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 Hà Văn Phương. 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 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.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG

Giáo viên hướng dẫn: Hà Văn Phương

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nhật

Vương Bá Quang Trần Hồng Quyền Nguyễn Văn Quyết Nguyễn Đình Sang Nguyễn Hồng SơnLớp: Điện CLC K9

MỤC LỤC Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG….6

1.1 Khái niêm lưu lượng và đo lưu lượng………6

1.1.1 Khái niệm………6

1.1.2 Đo lưu lượng……… 6

1.2 Các phương pháp đo lưu lượng……… 7

1.2.1 Đo lưu lượng bằng phương pháp chênh lệch áp suất……… 7

1.2.2 Đo lưu lượng bằng phương pháp từ tính………10

1.2.3 Đo lưu lượng bằng phương pháp siêu âm……… 12

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG……….15

2.1 Hình vẽ và sơ đồ hệ thống………15

2.2 Nguyên lý làm việc……… 16

CHƯƠNG 3: LIỆT KÊ CÁC CẢM BIẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP CHỌN CẢM BIẾN……….17

3.1 Liệt kê các cảm biến……… 17

3.1.1 Cảm biến lưu lượng……….17

3.2 Các phương pháp chọn cảm biến………17

3.2.1 Một số cảm biến đo lưu lượng……….17

3.2.2 Cảm biến mức……… 23

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG 4.1 Cơ sở lý thuyết………28

4.1.1 Lựa chọn cảm biến lưu lượng……… 28

4.1.2 Lựa chọn cảm biến mức……… 28

4.2 Lựa chọn cảm biến……… 30

4.2.1 Tính chọn cảm biến lưu lượng điện từ……….30

4.2.2 Cảm biến mức chất lỏng trong bể chứa……… 31

4.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống………31

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 Hà Văn Phương Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô đã cho chúng emđược tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên Em xinchân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh đã cùng với tri thức và tâm huyết củamình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian họctập, cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận Nếu không có những lời hướngdẫn, 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 Bướcđầu đi vào thực tế kiến thức của em còn hạn chế Do vậy không thể tránh khỏinhững 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 thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thựchiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

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 cảmbiến)

6 Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, xử lý, đo tín hiệu đầu ra củacảm 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)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG 1.1 Khái niệm lưu lượng và đo lưu lượng.

1.1.1 Khái niêm.

Lưu lượng chất lỏng qua mặt cắt ngang của một lòng dẫn hoặc ống dẫn làđại lượng đo bằng thể tích chất lỏng chuyển động qua mặt cắt đó trongmột đơn vị thời gian

- 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 = t2 - t1 xác định bởi biểuthức:

Trong đó ΔV, Δm là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trong thờikhoảng gian khảo sát

Lưu lượng tức thời xác định theo công thức:

1.1.2 Đo lưu lượng

Đo lưu lượng thực chất là đo lưu lượng chất lỏng chảy qua ống dẫn trongmột đơn vị thời gian

Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế Tuỳ thuộc vào tính chấtchất 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 thờigian 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 phụthuộc độ giảm áp

Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổiđiện thích hợp

1.2 Các phương pháp đo lưu lượng chất lỏng.

Để đo lưu lượng chất lỏng ta có rất nhiều phương pháp như sau:

- Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất

- Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính

- Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm

1.2.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất.

Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức là sựchênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào

sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy Cảm biến lưu lượng loạinày thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture

Hình 1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòngchảy Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốccủa chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó Theo nguyên

lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra.Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòngchảy Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy

Phương trình Bernoulli Hình 1

Giả sử ống nằm ngang (bỏ qua sự khác nhau về độ cao giữa các điểm đo)Phương trình Bernoulli được biểu diễn.

Kết hợp hai phương trình trên:

Nếu biết các diện tích và lưu lượng chất lỏng được tính toán trên sựa chênhlệch áp suất

Đo lưu lượng dựa vào sự chênh lệch áp suất là một phương pháp khá phổbiến, hơn 50% dụng cụ đo dựa vào phương pháp này

Nguyên tắc vận hành dựa trên sự giảm áp suất khi chất lỏng đi qua máy đotương ứng với diện tích dòng chảy

Các máy đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc này cũng như phần lớn thiết bị đođều có hai bộ phận: bộ phận sơ cấp và bộ phận thứ cấp: gây ra sự biến đổivề độnglực để tạo sự khác biệt về áp suất ở trong ống dẫn phù hợp với kích thước ống dẫn,điều kiện dòng chảy, tính chất của chất lỏng và đo chính xác trong một giớ hạn chophép

Khi đo dạc nó được lắp trong ống dẫn nước, đóng vai trò là một bộ phận sơcấp, sẽ cản trở dòng chảy để tạo ra sự khác biệt về áp suất khi chất lỏng đi qua.Ống thông nhau đặt ở hai phía của đĩa để xác định sự chênh lệch áp suất.

Sự tiện lợi của dụng cụ này: không có những phần chuyển động và chi phíkhông phụ thuộc vào kích thước dây dẫn

Các thiết bị này để đo chất lỏng với hệ số Reynol thấp

Những đĩa có lỗ hình côn có dòng vào nghiêng, độ sâu và góc của nó phảiđược xác định

Đĩa có lỗ hình bán nguyệt dùng để đo lưu lượng chất lỏng có chứa các loạichất rắn với hệ số Reynold thấp Lưu lượng của chất lỏng tương quan với sự giámsát của áp suất bằng quan hệ căn bậc hai Nó rất đơn giản và chỉ có một kích thước

lỗ xác định Mức giảm áp lực khi qua tiết diện này chỉ bằng một nửa các đĩa truyềnthống

Venturi:

Có thể đo lưu lượng lớn chất lỏng với mức áp lực thấp Nó là một ống cóđầu vào nhỏ dần và sau đó là một đoạn thẳng Khi chất lỏng đi qua phần nhỏ vậntốc tăng lên và áp suất giảm Sauu đoạn ống thẳng vận tốc sẽ giảm dần và áp suất

sẽ tăng Ta sẽ đo áp suất tại hai điểm: một điểm trước đoạn thu hẹp và một điểmsau đoạn ống thẳng tức là trước khi ống được mở rộng

Kênh Venturi được sử dụng rộng rãi vì không có những phần động và cảntrở dòng chảy không lớn nên gây ra tổn thất áp lực nhỏ không ảnh hưởng đến dòngchảy

1.2.2 Đo lưu lượng bằng phương pháp từ tính.

Nguyên tắc để đo lưu lượng bằng phương pháp từ tính là dựa trên hiệntượng cảm ứng điện từ và định luật Faraday

Một dung dịch được dẫn qua một vùng từ (dung dịch này có khả năng dẫnđược điện), sự vận động của phần tử trong dung dịch làm cho từ thông gửi qua mộtcuộn dây bị biến đổi do đó trong dây sẽ xuất hiện một sứa điện động cảm ứng Sứcđiện động này phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy trung bình và độ lớn vùng cảm ứng

từ E~v

Suất điện động tính theo công thức sau:

Phương pháp này có những ưu điểm sau:

- Tính chính xác cao và ít thay đổi

- Đường kính có thể thay đổi

- Không phụ thuộc vào áp suât nhiệt độ

- Có thể điều chỉnh được

Tuy nhiên cũng có một vài nhược điểm như sau:

- Điện cựu nhạy với dầu mỡ

1.2.3 Đo lưu lượng bằng phương pháp 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 nhậnđược 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 biệt vào nhiệt độcủa môi trường Ở nhiệt độ bình thường sóng siêu âm lan truyền với vận tốc 344m/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 cảmbiến siêu âm áp điện:

1-Phiến áp điện2-Vật liệu tương thích âm học3-Gá đỡ hình vành khănCấu trúc nguồn phát siêu âm với hiệu ứng áp điện

Sóng siêu âm được tạo nên bởi các vật liệu áp điện Trường hợp đóng vai tròphát sóng năng lượng điện được biến thành năng lượng có học Dưới một điện ápxoáy 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 mặtsóng nằm nghiêng.

Để thu nhận sóng siêu âm người ta dùng linh kiện có cấu trúc giống như ởnguồn 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 cótín hiệu điện từ các sóng siêu âm thanh Trong thực tế thường với cùng một linhkiện vừa đóng vai trò phát và thu

b Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng.

Cấu trúc ống đo siêu âm

Trong 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 mằmcách 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 tăngthêm thành phần vcos do vận tốc chảy của lun chất, trường hợp ngược lại nó giảm

đi cùng thành phần vcosVới phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc V củadòng chảy và sau khi nhân V với diện tích mặt cắt ngang của ống ta được lunlượng tính bằng thế tích

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

Ta có hiệu sô thời gian truyên sóng là t2 - t1:

v.cos

Nếu vận tốc dòng chảy trong chất lỏng trong khoảng m/s thành phần v.cosa

có thể coi như bé đổi với Co trong chất lỏng và có thế bỏ đi trong mẫu sổ củaphương trình trên Vận tốc dòng chảy V có thế được tính gần đúng:

Kết quả trên cho thấy kết quả đo vẫn lệ thuộc vào Co Sự thay đôi của vậntốc truyền sóng có thế làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Đe có thế độclập với Co, t! và t2 có thể được đo riêng lẻ và nhân với nhau:

Thay phương trình trên vào phương trình (t2 - ti) ta được:

Từ đó ta có được vận tốc dòng chảy V mà không cần sự tính toán gần đúng: L

Để đo thời gian truyền sóng chính sác, các cảm biến siêu âm cần phải hoạt độngnhanh Các cảm biến này cần phải phát được sóng có sườn dốc thẳng đứng Cả haicảm biến đối diện nhau phát cùng 1 lúc sóng siêu âm Cả hai hoạt động nên nhưnguồn phát và sau đó hoạt động như hai cảm biến thu sóng siêu âm của nhau Vậntốc dòng chảy được sác định rất nhanh chóng với phương pháp này

c Phương pháp hiệu chỉnh pha.

Với sự liên hệ Co = f.λ 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 cảmbiến bằng n.v Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có: C1 = Co +v.cos và c2 = Co -v.cos với tần số không thay đổi ta có độ dài sóng:

Với phương pháp hiệu chỉnh pha, tần số siêu âm được thay đối sao cho dùvới vận tốc dòng chảy nào ta luôn có n λo là khoảng cách L giữa hai cảm biếm Độdài bước sóng λo được giữ cố định, do đó với hai hướng truyền sóng khác nhau tacó:

Từ hiệu số:

Cho ta vận tốc dòng chảy V độc lập đối với vận tốc sóng siêu âm Co

Phương pháp này cho kết quả chính xác nhất trong phương pháp đo lưulượng bằng siêu âm

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG.

2.1 Hình vẽ và sơ đồ hệ thống.

K2

RL2

OFF ON

2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Theo sơ đồ ta nhấn nút ON cuộn dây K1 có điện sẽ đóng tiếp điểm K1 lại đểduy trì mạch điện Giả sử nước trong bình đang ở mức dưới, lúc này cảm biến tiệmcận mức dưới bắt được tín hiệu từ phao sinh ra dòng điện tác động vào role trunggian 1 làm tiếp điếm thường mở R1 (của cuộn dây R1) đóng lại cuộn dây K2 cóđiện sẽ đóng các tiếp điểm K2 bên mạch lực máy bơm bắt đầu hoạt động Tiếpđiểm K2 đóng lại duy trì mạch điện Bơm bắt đầu hoạt động bơm nước lên bể

Khi nước được bơm lên bể, mực nước sẽ dâng lên làm phao dâng theo chotới khi đạt mức trên của bế Lúc này cảm biến mức trên bắt được tín hiệu của phaosinh ra dòng điện tác động lên rơ le trung gian 2 làm tiếp điểm thường đóng R2(của cuộn dây RL2) mở ra làm ngắt mạch cuộn dây K2 Bơm ngừng hoạt động

Sau một thời gian sử dụng, nước trong bể hạ xuống tới mức dưới cử bế làmphao hạ xuống tác động vào cảm biến mức dưới Bơm lại hoạt động bơm nước vào

bế Cứ như thế theo chu kỳ bơm nước tự động hoạt động bơm nước vào bế mộtcách bình thường

Trong quá trình bơm nước vào bể, lưu lượng kế sẽ đo lượng nước cung cấpcho bể, (trường hợp vừa xả van và vừa bơm nước thì lượng nước sẽ được tính làtổng thể tích nước đã cấp cho bể trong suốt quá trình)

Trường hợp mức nước quá thấp cảm biến mức sẽ xác định và truyền tín hiệu

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

CHƯƠNG 3: LIỆT KÊ CÁC CẢM BIẾN, PHƯƠNG ÁN

CHỌN CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG.

3.1 Liệt kê các cảm biến trong hệ thống.

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

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

- Nhiệm vụ: Cảm biến lưu lượng này là để đo thể tích nước đã chảy qua ốngdẫn trong một khoảng thời gian

3.1.2. Cảm biến mức:

- Vị trí: Đặt ở vị trí bể chứa

- Nhiệm vụ: Đo mức nước có trong bể, xử lý và truyền tín hiệu để điều khiểnđộng cơ đóng hoặc mở

3.2. Các phương án chọn cảm biến trong hệ thống.

Thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong thời gian Δt = t2 - t1 tỉ lệ với sốvòng quay xác định bởi công thức:

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