Thực hành dụng cụ đo va kiểm soát quá trình

Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó: P = dF dS [kg/cm2] Trong đó:  dF: lực tác dụng [N]  dS: diện tích thành bình ch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TPHCM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MỤC LỤC

I ÁP KẾ ĐO ÁP SUẤT 3

1 Các Khái Niệm Và Định Nghĩa Đo Áp Suất 3

2 Đơn Vị Đo Áp Suất 4

3 Các Dụng Cụ Đo Áp Suất Thấp: Vi Áp Kế 5

A Vi Áp Kế Theo Phương Pháp Thủy Tĩnh 5

a) Áp Kế Chất Lỏng Chữ U 5

b) Áp Kế Giếng 7

c) Áp Kế Nghiêng 8

B Vi Áp Kế Theo Nguyên Tắc Điện Tử 8

4 Cấu Tạo Và Công Dụng Của Ống PITOT Đo Áp Suất 12

5 Các Dụng Cụ Đo Áp Suất Cao 13

6 THỰC HÀNH ĐO ÁP SUẤT 14

II ĐO LƯU LƯỢNG 16

1 VENTUR 16

2 NOZZLE 16

3 ORIFICE 18

4 KIỂU PHAO 18

5 CÁC DỤNG CỤ ĐO LƯU LƯỢNG THEO NGUYEN TẮC KHÁC 19

6 THỰC HÀNH ĐO LƯU LƯỢNG 23

HẾT

I ÁP KẾ ĐO ÁP SUẤT

1 Các Khái Niệm Và Định Nghĩa Đo Áp Suất

- Khi chứa một chất lỏng, chất khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu) vào trong mộtbình chứa nó sẽ gây nên một áp lực tác dụng lên thành bình Áp suất là đại lượng

có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó:

P = dF dS [kg/cm2]

Trong đó:

 dF: lực tác dụng [N]

 dS: diện tích thành bình chịu lực tác dụng [m2]

- Áp suất tĩnh: Trong trường hợp chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp

suất tĩnh (pt) do trọng lượng của cột chất lưu gây nên cộng với tác dụng của áp suấtkhí quyển tác dụng lên mặt thoáng của chất lưu

pt = p0 + ρgh (2)gh (2)

Trong đó:

 p0: áp suất khí quyển

 ρgh (2) là khối lượng riêng của lưu chất

 g là gia tốc trọng trường tại điểm đo áp suất

 h:khoảng cách từ điểm khảo sát đến mặt thoáng tiếp xúc với khí quyển

- Áp suất động: Trong trường hợp chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu gồm hai

thành phần, gồm suất tĩnh (pt) và áp suất động (p):

- P = pt + pđ

- Áp suất tĩnh phụ thuộc vào vị trí của điểm khảo sát, trị số xác định theo công thức

(2) Áp suất động (pt) là thành phần do chuyển động động của chất lưu gây nên, trị

số phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của chất lưu, được xác định theo công thức:

pđ = ρ v2

2

Trong đó :v là tốc độ chuyển động của chất lưu

- Áp suất khí quyển là sự chênh lệch giữa áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối.

- Theo nguyên tắc, áp suất mà ta xét là áp suất tuyệt đối, áp suất này bằng 0 (Ptuyệt =0) ở điều kiện chân không tuyệt đối Tuy trong nhiều bài toán, người ta chỉ đo độchênh lệch áp suất so với một trị số áp suất gốc nào đó, thường trị số áp suất gốc là

áp suất khí trời Pa Ta gọi độ chênh lệch đó là áp suất dư

Pdư = Ptuyệt - Pa

- Áp suất dư có thể dương hoặc âm Trường hợp áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất

khí trời, áp suất dư có trị số dương Trường hợp áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất

3

khí trời, áp suất dư có trị số âm Khi đó ta gọi độ chênh lệch đó là áp suất chân không.

pchân không = Pa - Ptuyệt = - Pdư

- Áp suất chân không tuyệt đối là áp suất chân không xuống đến mức không thể

thấp hơn nữa

- Áp suất tuyệt đối: là áp suất chênh lệch giữa điểm đo và môi trường xung quanh

(khí quyển)

- Áp suất tương đối (áp suất dư): nếu từ áp suất tuyệt đối ta bớt đi áp suất khí quyển

thì hiệu số đó là áp suất tương đối

2 Đơn Vị Đo Áp Suất

 Các đơn vị đo áp suất trong hệ SI

- Đơn vị áp suất Pascal (kí hiệu Pa) là đơn vị đo áp suất trong hệ đo lường quốc

tế (SI) Nó là một đơn vị dẫn xuất trong SI nghĩa là nó được suy ra từ việc các đơn

- Kí hiệu Pa còn dùng để chỉ sức căng, độ dẻo, và sức giãn Đơn vị này được đặt theo

tên của Blaise Pascal, nhà toán lý học và nhà triết học nổi tiếng người Pháp

Áp suất tương đối

Áp suất dư

Áp suất khí trời

Áp suất chân không

Chân không tuyệt đối

Áp suất tuyệt đối

1atm

Áp suất

Đơn vị áp suất trong hệ SI và hệ inch

pascal

(bar)

átmốtphe kỹthuật(at)

átmốtphe(atm)

torr(Torr)

pound lựctrên inchvuông(psi)

hình dáng hình dáng ống chữ U thường dùng đo áp suất trong ống pitot , hoặc trong

hệ thống thông gió

Hình ảnh áp kế chất lỏng chữ U

- Cấu tạo: gồm ống chữ U như hình, bên trong ống chứa dung dịch chất lỏng, chất

lỏng này có thể là nước, cồn hay thủy ngân,( ngày nay vì độ an toàn nên thủy ngân

ít được sử dụng)

- Nguyên tắc hoạt động

- Khi mực chất lỏng ngang bằng nhau điều đó chứng tỏ áp suất trên mặt chất lỏng trong 2 ống bằng nhau.

- Tùy thuộc vào áp suất đặt vào trong ống ở 2 đầu, áp suất bên nào lớn hơn sẽ đẩy mực chất lỏng trong ống phía bên đó qua ống còn lại Chất lỏng được đẩy nhiều hay ít tùy thuộc vào độ chênh lệch áp suất của đặt vào trong 2 ống, áp suất chênh lệch càng nhiều thì sự chênh lệch cột chất lỏng càng cao (h càng lớn) và ngược lại

áp suất chênh lệch ở 2 ống càng ít thì sự chênh lệch độ cao của 2 cột chất lỏng càngthấp

- Dựa vào độ chênh lệch độ cao của mực chất lỏng trong 2 ống mà người ta có thể tính được áp suất chênh lệch theo công thức

∆P = P1- P2 = h.ρgh (2).g

 h là độ cao chênh lệch của mực chất lỏng trong 2 ống ( m )

 ρgh (2) là khối lượng riêng chất lỏng ( kg/m3)

p1-p2 = γ.h (1 + a2 / a1)

7

Hình ảnh áp kế giếng

c) Áp Kế Nghiêng

- Sơ đồ nguyên lý cấu tạo: có cấu tạo tương tự áp kế giếng Sự khác nhau cơ bản ở đây là ống thủy tinh có khắc độ mm có thể quay quanh trục 0 để tạo nên những độ nghiêng cần thiết nhằm mục đích nâng cao đọ chính xác của phéo đo khi đo những

áp suất nhỏ Dịch thể được sử dụng trong vi áp kế nghiêng thường là cồn chứa đầy trong bình lớn đến ngang mức 0 trong ống thủy tinh

- Dưới tác động của áp suất đo P mức dịch thể trong ống thủy tinh tăng lên còn trongbình lớn giảm xuống

- Công dụng: dùng đo áp suất dư nếu miệng bình nối thông với môi trường đo còn

miệng ống thủy tinh thông với khí quyển

- Khi đo hiệu suất của 2 môi trường thì áp suất lớn hơn được nối thông với miệngbình còn áp suất bé nối với miệng ống

B Vi Áp Kế Theo Nguyên Tắc Điện Tử

 Áp kế điện làm việc theo nguyên tắc biến đổi tác động của áp suất (thường là tínhiệu cơ) thành tín hiệu điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ hoặc biến thiênđiện trở, điện cảm, điện dung của một phần tử chuyển đổi

- Cảm biến áp suất: Nguyên lý làm việc của cảm biến loại này dựa trên sự biến

dạng của cấu trúc màng (khi có áp suất tác động đến) được chuyển thành tín hiệu

điện nhờ cấy trên đó các phần tử áp điện trở Khi lớp màng bị biến dạng uốn cong,

các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị Độ nhạy và tầm đo của cảm biến phụ thuộc rất

nhiều vào màng và kích thước, cấu trúc, vị trí các áp điện trở trên màng.

- Cảm biến kiểu áp trở: Bộ phận chính của cảm biến đó là các loại màng điện trở,

giá trị điện trở sẽ thay đổi khi bị biến dạng Màng sử dụng trong cảm biến là màngrất nhạy với tác động của áp suất Bốn điện trở được đặt tại 4 trung diểm của cáccạnh màng, 2 cặp điện trở song song với màng và 2 cặp điện trở vuông góc vớimàng ( để khi màng bị biến đổi thì 2 cặp điện trở này có chiều biến dạng trái ngược

nhau ) Bốn điện trở trên được ghép lại tạo thành cầu Wheatsone Khi không có áp

suất tác động các điện trở ở trạng thái cân bằng, điện áp ngõ ra bằng 0 Khi có ápsuất tác động màng mỏng bị biến dạng , các giá trị điện trở thay đổi, cụ thể giá trịcác áp điện trở song song với cạnh màng giảm thì giá trị các áp điện trở vuông gócvới cạnh màng tăng và ngược lại khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra khác 0 Sự thay đổigiá trị điện trở phụ thuộc và độ biến dạng của màng, vì vậy bằng cách kiểm tra điện

áp ngõ ra đó ta có thể tính toán được áp suất cần đo Ưu điểm của loại cảm biếnnày là trị số đo chính xác, độ nhạy cao, đo dược áp suất thấp Nhược điểm là chịuảnh hưởng của nhiệt độ

- Áp kế áp điện: Cảm biến áp suất điện áp có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện

tượng thay đổi hay xuất hiện phân cực điện khi một số chất điện môi bị biến dạngdưới tác dụng của lực Cảm biến áp điện phù hợp cho đo áp suất động

 Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Áp suất (p) → lực F tác động lên bản áp điện → xuất hiện điện tích Q:

Loại tấm: Q = kF = kpS (k – hằng số áp điện; S – diện tích hữu ích của màng)Loại ống: Q = kF 4 dh

Hồi đáp tần số tốt (đo được áp suất thay đổi nhanh)

Nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ

Giới hạn trên của áp suất đo 2,5 ÷ 100 Mpa

Cấp chính xác đạt được 1,5 ÷ 2

- Áp kế điện dung: Khi có áp suất tác động vào lớp màng làm lớp màng bị biến

dạng đẩy bản cực lại gần với nhau hoặc kéo bản cực ra xa làm giá trị của tụ thayđổi, dựa vào sự thay đổi điện dung này qua hệ thống xử lý người ta có thể xác địnhđược áp suất cần đo Màng kim loại hoặc silicon được sử dụng làm phần tử cảmứng áp suất và tạo thành một bản cực của tụ điện Điện cực còn lại là cố định, tạothành bởi một lớp hợp kim trên một nền sứ hay thuỷ tinh Áp suất tác động vàomàng, làm thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực, qua đó làm thay đổi điện dungcủa tụ điện Phương pháp đo này khá thông dụng, tầm đo rộng 10-3Pa – 107

 Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

 Áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên:

Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

11

 Khi p thay đổi → màng đàn hồi biến dạng → δ) thay đổi → từ trở thay đổi → độ tựcảm L thay đổi.

 Đo biến thiên (L) bằng mạch cầu hoặc mạch cộng hưởng LC

 Áp kế điện cảm kiểu áp vi sai:

Hai cuộn dây (5) & (6) giống nhau, đấu ngược pha…

Sức điện động trong cuộn thứ cấp:

E = e1 – e2 = 2πfl1(M1 – M2) = 2πfl1M

Điện áp cửa ra: Vra = 2 πf l δ1M max

max δ

(Mmax – hệ số hỗ cảm ứng với độ dịch chuyển lớn nhất của lõi thép δ).max)

4 Cấu Tạo Và Công Dụng Của Ống PITOT Đo Áp Suất

- Kết nối ống với dụng cụ để đo áp suất tổng, áp suất tĩnh, áp suất động:

- Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành ápsuất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy áp suất động được

đo thông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

- Đo ống vận tốc khí thải lò, xác định tốc độ dòng chảy trong hệ thống thông gió, cũng như đo vận tốc dòng chảy trong đường ống Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng để đo áp suất của chất lỏng

5 Các Dụng Cụ Đo Áp Suất Cao

Áp kế BOURON:

13

- Trên hình (a) là sơ đồ lò xo ống 1 vòng, tiết diện ngang của ống hình trái xoan

Dưới tác dụng của áp suất dư trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dưới tác dụng của áp suất thấp, nó sẽ co lại

- Khi giãn ra hay co lại, lò xo sẽ làm quay kim chỉ thị của áp kế

dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất Các phần tử biến dạngthường dùng là ống trụ, lò xo ống, xi phông, màng mỏng

- Thang đo tối đa của dụng cụ đo, đơn vị…

- Môi trường sử dụng: khí, nước, dầu…

- Điều kiện nhiệt độ môi trường đo

- Điều kiện đo tĩnh hay động

- Tùy theo điều kiện cụ thể của môi trường đo mà mạch đo sẽ được lắp thêm những thiết bị phụ để đảm bảo điều kiện làm việc của dụng cụ đo

6 THỰC HÀNH ĐO ÁP SUẤT

 Đo Áp Suất Quạt Bằng Áp Kế Chữ U: Chất lỏng là nước và thang đo là Pascal

 Quạt gồm 2 đầu:hút tạo ra áp suất chân không và đẩy tạo áp suất dư,có thông số

Hình ảnh mô tả :

15

Khảo Sát Áp Suất Bay Hơi Của Nước Theo Nhiệt Độ

II ĐO LƯU LƯỢNG

- Trong nuôi trồng thuỷ sản, ống Venturi được sử dụng như là thiết bị để trộn men vi sinh (chế phẩm sinh học), chất khoáng (dạng nước hoặc sệt), ozone, oxy, hoá chất xử lý môi trường với nước để đưa vào ao nuôi tôm, nuôi cá, trại giống

 Lưu ý: Tốc độ nước phun ra tại đầu Venturi nếu mạnh sẽ ảnh hưởng đến tôm

con đặc biệt tôm trong giai đoạn vừa lột vỏ, tôm còn nhỏ Bởi vì giai đoạn này thân tôm còn rất yếu, vòi phun mạnh có thể gây tổn thương cho tôm, chết tôm Trong công nghiệp, Venturi được sử dụng rất rộng rãi như lọc bụi, lọc khí, xử lý nước thải, phun sơn, gom bụi Nguyên tắc hoạt động đo lưu lượng dựa trên cơ sở của sự chênh lệch áp suất do có sự giảm tiết diện đột ngột của dòng lưu chất

Công thức tính lưu lượng đo:

Q=√2Gc ρ √P 1−P 2

Trong đó: Gc= 1 kg.m/N.m2

P (N/m2): áp suất lưu chất trong ống

 (kg/m3): khối lượng riêng lưu chất

2 NOZZLE

17

- Trong một số thiết kế, cơ cấu nạp dây có thể được lắp đặt vào mỏ hàn kéo dây

qua một ống mềm từ cuộn dây ở xa, hoặc kết hợp với bộ nạp dây thông thườngtạo thành hệ thống nạp dây kiểu đẩy kéo Loại súng hàn này có thể làm việc với các loại dây hàn thép hoặc nhôm có đường kính nhỏ (0,8mm đến 1,6mm)

 Công dụng:

- Sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp giấy, thép, nhựa giúp tẩy rửa sạch bề mặt khỏi bụi bẩn, dầu mỡ, làm sạch bề mặt kim loại

- Có thể điều chỉnh áp lực với khoảng rộng, độ

chính xác cao, góc độ phun đa dạng Dạng vòi

phun là dạng phổ biến để đo lưu lượng chất

lỏng.Có thể lắp ghép linh hoạt, phù hợp với

nhiều hệ thống sản xuất giấy khác nhau

- Giới hạn: Lưu lượng: 30-2.804 (lít/phút), Cột

áp: 1.2 – 91.5 (m)

 Nguyên lý đo lưu lượng:

3 ORIFICE

- cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng chảy Khi chất lỏngchảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng rakhỏi 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 dòng chảy Dựavào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy

- Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice): chênh lệch áp suấttrước và sau lỗ tròn Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thứcp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thứcQ2=KΔp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thứcp, p1 - áp suất trước tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K - hệ số, phụ thuộcvào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ orifice

Công dụng: Đồng hồ đo lưu lượng hơi nước bảo hòa, hơi hóa nhiệt , khí nén, khí N2,

O2, H2, Nước, Dầu Tải Nhiệt

 Giơi hạn: Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp

- Phao nổi ( Float): chịu tác động bởi trọng lực và lực nâng của dòng lưu chất

- Dòng lưu chất: (Flow): lưu lượng dòng lưu chất càng lớn làm cho phao nâng càng cao đến vị trí cân bằng ( equilibrium )

- Khi không có dòng lưu chất do trọng lực tác dộng làm cho phao rơi xuống vị trí 0

- Lưu lượng kế kiểu phao đo được cả chất lỏng và chất khí

5 CÁC DỤNG CỤ ĐO LƯU LƯỢNG THEO NGUYEN TẮC KHÁC

- Bánh răng chủ động được nối với trục của bơm quay và kéo theo bánh

răng bị động quay Chất lỏng ở trong các rãnh răng theo chiều quay củacác bánh rangvận chuyển từ khoang hút đếnkhoang đẩy vòng theo vỏ bơm.Khoang hút và khoang đẩyđược ngăn cách với nhau bởi nhữngmặt tiếp xúccủa các bánh răng ăn khớp và được xem là kín

- Khi một cặp bánh răng vào khớp ở khoang đẩy, chất lỏng được đưa vào

khoang đẩy bị chèn épvà dồn vào đường ống đẩy Đó là quá trình Đồng thời với quá trình đẩy, tại khoang hút có một cặp bánh răng ra khớp,dung tích củakhoang hút được dãn ra, áp suất ở khoang hút giảm và chấtlỏng sẽ được hút vào buồng hút từ bểchứa thông qua ống hút vào bơm.Nếu áp suất trên mặt thoáng là áp suất khí quyển thì áp suất ở khoang hút

đẩy.-sẽ là áp suất chân không

- Cặp bánh răng được lắp trong vỏ đúc

- Chất lỏng được chứa trong khoảng không gian giữa bánh răng và vỏ dụng

cụ sẽ ép chất lỏng ra ngoài

 Sơ đồ cấu tạo lưu lượng kế tuabin hướng trục

- Khi một chất lỏng chạy qua sẽ làm turbine xoay với tốc độ tỷ lệ với lưulượng chất lỏng Khi chất lỏng đi qua khắp cánh rotor chúng quay.Một đầucảm biến được gắn trên thành của turbine, máy đo sẽ phát hiện được sựhiện diện của từ trường nam châm vĩnh cửu( được gắn trên rotor hoặc cáccánh của rotor) khi nó đi qua ứng với mỗi vòng quay của turbine Cảm biến

từ trường sẽ gửi ra một tín hiệu xung ứng với mỗi vòng quay của turbine

Số lượng xung trong một khoản thời gian cho trước có thể được sử dụng đểxác định lưu lượng

- Các cảm biến lưu lượng kiểu turbine có thể được sử dụng với chất lỏng vàkhí nhưng chúng được thiết kế để được hoạt đông trong một giới hạn lưulượng xác định trước Cho dù dòng chảy quá trình là gì, nó không được lẫncác hạt có thể làm hỏng cánh turbine

- Lưu lượng kế tuabin hướng trục với đường kính tuabin từ 50-300mm có

phạm vi đo từ 50-300m3/h, cấp chính xác 1;1,5;2

21