BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN: Thiết kế hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế 1 – Tổng quan về công nghệ và ứng dụng hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng. Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, nhu cầu của con người đặt ra ngày càng cao. Để đánh giá được chất lượng sản phẩm thì không thể thiếu phương pháp sản xuất đo lường. Vì vậy dụng cụ đo lường là một trong những công cụ lao động tạo ra chất lượng cao và tạo ra các sản phẩm tốt. Một trong những dụng cụ đo đó là thiết bị đo lưu lượng. Đo lưu lượng có tầm quan trọng đặc biệt trong công nghiệp như khi cần khống chế lượng chất lỏng tham gia vào quá trình ở lò phản ứng hóa học, nhà máy sản xuất xi măng, động cơ đốt… 2 – Về công nghệ, Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng các cảm biến, để điều khiển hệ thống sao cho hệ thống hoạt động chính xác, hiệu quả. Hệ thống gồm: Bơm: Dùng để bơm chất lỏng vào bồn chứa. Van: Dùng để điều khiển rót chất lỏng từ bồn chứa ra ngoài. Bể chứa: Chứa chất lỏng cần rót. Thiết bị đo lưu lượng: Dùng để đo lưu lượng chất lỏng. Hai nút khởi động và dừng hệ thống: Start và Stop. Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như: Đo mức xăng dầu trong khai thác dầu khí. Khống chế lượng chất lỏng tham gia vào quá trình phản ứng trong thí nghiệm và công nghiệp. Đo và điều khiển lượng nước trông ngành thủy điện. Đo và điều khiển lưu lượng nước tiêu thụ trong sinh hoạt. Tùy theo nhu cầu sử dụng khác nhau để đo và điều khiển lưu lượng khác nhau sao cho phù hợp với mục đích sử dụng.

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG & CẢM BIẾN

Đề tài: Thiết kế hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Nguyễn Thu Hà

Nhóm sv thực hiện (Nhóm 12):

 Vũ Xuân Trường

 Lê Văn Tú

 Nguyễn Văn Tú

 Phạm Văn Tú

 Phạm Anh Tuấn

Hà Nội - 2015

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển và bùng nổ mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại, phục vụ công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.Với

sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển của đất nước Trong đó bộ môn đo lường & điều khiển phát triển mạnh mẽ dựa trên những tiến bộ của công nghệ cảm biến có bộ xử lý

và điều khiển được kế hợp với với máy tính điện tử Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn “

Đo lường và cảm biến” chúng em sau một thời gian học tập được các thầy , các

cô hết sức nhiệt tình trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành,

chúng em đã “Tìm hiều, phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng”

Cùng với sự nỗ lực của cả nhóm nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng em còn có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm

đóng góp và phát triển đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế

1 – Tổng quan về công nghệ và ứng dụng hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng.

Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, nhu cầu của con người đặt ra ngày càng cao Để đánh giá được chất lượng sản phẩm thì không thể thiếu phương pháp sản xuất đo lường Vì vậy dụng cụ đo lường là một trong những công cụ lao động tạo ra chất lượng cao và tạo ra các sản phẩm tốt

Một trong những dụng cụ đo đó là thiết bị đo lưu lượng Đo lưu lượng có tầm quan trọng đặc biệt trong công nghiệp như khi cần khống chế lượng chất lỏng tham gia vào quá trình ở lò phản ứng hóa học, nhà máy sản xuất xi măng, động

cơ đốt…

2 – Về công nghệ, Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng các cảm biến, để điều khiển hệ thống sao cho hệ thống hoạt động chính xác, hiệu quả Hệ thống gồm:

- Bơm: Dùng để bơm chất lỏng vào bồn chứa

- Van: Dùng để điều khiển rót chất lỏng từ bồn chứa ra ngoài

- Bể chứa: Chứa chất lỏng cần rót

- Thiết bị đo lưu lượng: Dùng để đo lưu lượng chất lỏng

- Hai nút khởi động và dừng hệ thống: Start và Stop

Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như:

- Đo mức xăng dầu trong khai thác dầu khí

- Khống chế lượng chất lỏng tham gia vào quá trình phản ứng trong thí nghiệm và công nghiệp

- Đo và điều khiển lượng nước trông ngành thủy điện

- Đo và điều khiển lưu lượng nước tiêu thụ trong sinh hoạt

Tùy theo nhu cầu sử dụng khác nhau để đo và điều khiển lưu lượng khác nhau sao cho phù hợp với mục đích sử dụng

Nguyên lý vận hành hệ thống:

Khi ta ấn nút Start, hệ thống hoạt động Bơm hoạt động và bơm nước vào bồn thông qua cảm biến đo lưu lượng Trong bồn chứa ta dùng cảm biến đo mức lưu lượng Khi mức lưu lượng trong bồn đầy, cảm biến đo mức lưu lượng sẽ tác động đến máy bơm làm máy bơm ngắt và đồng thời tác động đến van, làm van mở xả nước ra, đầu ra của van được lắp thêm cảm biến đo lưu lượng để đo lưu lượng cần xả Khi bồn gần cạn, cảm biến mức lưu lượng

sẽ tác động đến máy bơm làm cho máy bơm hoạt động bơm nước vào bồn chứa, đồng thời khóa van lại Muốn dừng hệ thống ta ấn nút Stop

Chương 2: Nội dung thực hiện

2.1 - Yêu cầu đề tài.

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

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

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 hệ thống

2.2 - Các hướng giải quyết.

Đối với hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng chúng em sử dụng cảm biến đo lưu lượng để điều khiển lưu lượng nước đưa trong bồn chứa, cảm biến mức lưu lượng để đo mức nước trong bồn để điều khiển bơm và van

2.2.1 Phương pháp đo mức chất lưu.

Mục đích và phương pháp đo

 Mục đích: đo và phát hiện mức chất lưu để xác định mức độ và khối lượng chất lưu có trong bồn chứa

Có hai dạng đo là đo liên tục và xác định theo ngưỡng

Khi đo liên tục thì biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bồn chứa

Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không

 Phương pháp đo: Hiện nay có nhiều phương pháp đo mức như chênh áp, phao nổi, độ dẫn điện, đo lực căng, siêu âm…

- Chênh áp: thông dụng, đo liên tục, giá hợp lý, dễ lắp đặt Dễ bị ảnh

hưởng bởi tỷ trọng của vật liệu, không phù hợp khi đo các chất lỏng có dạng hột, khoảng đo nhỏ rất khó sử dụng, đặc biệt lưu ý đến sự ăn mòn của hoá chất

- Phao nổi: Phương pháp này không giới hạn về mức cao của bồn, độ chính xác không cao, phí đầu tư thấp nếu không có phần hiển thị từ

xa, giới hạn về mức áp suất làm việc Cho kết quả đo liên tục và đo điểm Khi đo điểm có thể đo được cả mặt cách ly Phương pháp này không phù hợp với chất lỏng xệt và hột vì nó ảnh hưởng đến độ chính xác

- Siêu âm: Kỹ thuật đo liên tục không tiếp xúc, không có phần tử dịch chuyển Phương pháp này nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác Ảnh hưởng bởi hơi nước, bọt khí, dải nhiệt độ và áp suất làm việc không cao cũng như cấu trúc bên trong bồn bể Không thể hoạt động trong môi trường chân không

- Độ dẫn điện: Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản hơn các

phương pháp trên, giá rẻ, không có bộ phận di chuyển, đo điểm, dùng cho chất lỏng dẫn điện, dễ bị ảnh hưởng bởi lớp vật liệu bám dính trên điện cực

Sau đây là một số phương pháp:

 Phương pháp thủy tĩnh

Phương pháp thủy tĩnh dung để đo mức chất lưu trong bình chứa

 Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh:

a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai Trong sơ đồ hình 1a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5)

bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4) Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1)

nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục

quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu

Trong sơ đồ hình 1, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được treo bởi một cảm biến đo lực (2) Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu

Trong đó:

P -Trọng lượng phao

h - Chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao

S - Tiết diện mặt cắt ngang của phao

ρ - Khối lượng riêng của chất lưu

g - Gia tốc trọng trường

Trên sơ đồ hình 1c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình chứa Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:

P = P0 + ρgh

Mặt còn lại của màng cảm biến chịu tác động của áp suất P0 bằng áp suất

ở đỉnh bình chứa Chênh lệch áp suất P – P0 sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các

bộ biến đổi điện thích hợp

 Phương pháp điện

Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện của chất lưu Các cảm biến thường dùng là cảm biến độ dẫn và cảm biến điện dung

* Cảm biến độ dẫn

Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50μScm-1) Trên hình 2 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng

Hình2: Cảm biến độ dẫn

Hình 2

a) Cảm biến hai điện cực b) Cảm biến một điện cực

c) Cảm biến phát hiện mức

Sơ đồ cảm biến hình 2a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực)

Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng

Sơ đồ cảm biến hình 2b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại

Sơ đồ cảm biến hình 2c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại, vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ

* Cảm biến tụ điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức chất lưu được chuyển thành

đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi).Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai

Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh

Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt ở hai phía của bình chứa Nguồn phát thường là một nguồn bức

xạ tia γ, bộ thu là một buồng ion hoá Ở chế độ phát hiện mức ngưỡng (3a), nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song Tuỳ thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng

Ở chế độ đo mức liên tục (3b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra

và bộ thu

Hình 3: Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ:

Hình 3

a) Cảm biến phát hiện ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục

1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu

Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến

bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa Cảm biến mức sóng siêu âm

Cảm biến mức sóng siêu âm xác định mức bằng cách đo khoảng thời gian

từ lúc truyền sóng tới lúc nhận được sóng phản hồi Cảm biến mức sóng siêu âm sử dụng sóng ở dải tần số 10 KHz Tốc độ truyền của sóng

(340m/s trong không khí ở 15 độ C) phụ thuộc vào loại khí và nhiệt

độ của khí bên trong bình chứa

S = v * t /2

v= 340 m/s

Trong đó t: là thời gian từ khi phát đến khi nhận song

2.2.2 Phương pháp đo lưu lượng

- Lưu lượng kế điện từ

Có rất nhiều phương pháp đo lưu lượng và hầu hết các phương pháp đo đều cho kết quả khá chính xác Sau đây là một số phương pháp đo cơ bản

và khá phổ biến:

N S

Hình 4

Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday

và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 4) Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống

sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng Điện áp này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC

Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệu xoay chiều Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường là vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được Bởi vậy, phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC

Hình 4: Cảm biến lưu lượng điện từ: điến áp cảm ứng E=KDBv, B - từ trường, D - chiều dài chất dẫn điện (khoảng cách 2 điện cực đo điện áp cảm ứng), v - vận tốc dòng chảy, K - hệ số

Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến các điểm sau:

- Chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện

- Sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt

- Không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp

- Độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng

- Phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức là sự chênh 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 loại này 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 dòng chảy Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩa 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 dòng chảy Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy

Hình 5: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice) Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứng dụng công nghiệp cần lưu ý các điểm sau:

- Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì - bảo dưỡng

- Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp

- Độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ

- Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm;

- Yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy

2.3- Lý do lựa chọn thiết kế.

2.3.1 Lựa chọn cảm biến mức

Cảm biến siêu âm

Chọn cảm biến siêu âm vì cảm biến loại này có độ chính xác cao, không tiếp xúc, không có phần tử dịch chuyển Nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt cũng như bảo dưỡng, sửa chữa

2.3.2 Lựa chọn cảm biến lưu lượng

Đối với hệ thống này, chất lỏng cần rót có tính dẫn điện, không có tính ăn mòn hóa học nên nhóm chúng em chọn cảm biến lưu lượng loại điện từ