Cảm biến công nghiệp - Chương 9

Tài liệu “Giáo trình cảm biến công nghiệp “ được biên soạn cho chuyên ngành cơ điện tử gồm 12 chương, giới thiệu những kiến thức cơ bản về cảm biến, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các đặc

- 142 -Chơng IX Cảm biến đo lu lợng Và MứC CHấT lu 9.1. Cảm biến đo lu lợng 9.1.1. Lu lợng và đơn vị đo Lu lợng chất lu là lợng chất lu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian. Tuỳ theo đơn vị tính lợng chất lu (theo thể tích hoặc khối lợng) ngời ta phân biệt: - Lu lợng thể tích (Q) tính bằng m3/s, m3/giờ . - Lu lợng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ . Lu lợng trung bình trong khoảng thời gian t = t2 - t1 xác định bởi biểu thức: tVQtb= hoặc tmGtb= (9.1) Trong đó V, m là thể tích và khối lợng chất lu chảy qua ống trong thời khoảng gian khảo sát. Lu lợng tức thời xác định theo công thức: dtdVQ = hoặc dtdmG = (9.2) Để đo lu lợng ngời ta dùng các lu lợng kế. Tuỳ thuộc vào tính chất chất lu, yêu cầu công nghệ, ngời ta sử dụng các lu lợng kế khác nhau. Nguyên lý hoạt động của các lu lợng kế dựa trên cơ sở: - Đếm trực tiếp thể tích chất lu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định t. - Đo vận tốc chất lu chảy qua công tơ khi lu lợng là hàm của vận tốc. - Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lu lợng là hàm phụ thuộc độ giảm áp. Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp. 9.1.2. Công tơ thể tích Công tơ thể tích đo thể tích chất lu chảy qua công tơ bằng các đếm trực tiếp lợng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác định của công tơ. Sơ đồ nguyên lý của công tơ thể tích kiểu bánh răng hình ôvan trình bày trên hình 9.1. - 143 -Côngtơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp với nhau (hình 9.1a). Dới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng (2) quay và truyền chuyển động tới bánh răng (1) (hình 9.1b) cho đến lúc bánh răng (2) ở vị trí thẳng đứng, bánh răng (1) nằm ngang. Chất lỏng trong thể tích V1 đợc đẩy sang cửa ra. Sau đó bánh răng (1) quay và quá trình tơng tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong buồng V2 đợc đẩy sang cửa ra. Trong một vòng quay của côngtơ thể tích chất lỏng qua côngtơ bằng bốn lần thể tích V0 (bằng V1 hoặc V2). Trục của một trong hai bánh răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài côngtơ. Thể tích chất lu chảy qua côngtơ trong thời gian t = t2 - t1 tỉ lệ với số vòng quay xác định bởi công thức: ()12vNNqV = (9.3) Trong đó: qV - thể tích chất lu chảy qua công tơ ứng với một vòng quay. N1, N2 - tổng số vòng quay của công tơ tại thời điểm t1 và t2. Thông thờng thể tích chất lu chảy qua công tơ đợc biểu diễn dới dạng: ()1c2ccNNqV = (9.4) qc - hệ số công tơ (thể tích chất lu chảy qua công tơ ứng với một đơn vị chỉ thị trên công tơ). Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị công tơ tại thời điểm t1 và t2. Lu lợng trung bình: ( )1212vtbttNNqtVQ== (9.5) Lu lợng tức thời: V1 V2 2 1 Hình 9.1 Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tícha) b)c) - 144 - nqdtdNqdtdVQvv=== (9.6) Với dtdNn = là tốc độ quay trên trục công tơ. Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện ngời ta dùng một trong ba cách dới đây: - Dùng một nam châm nhỏ gắn trên trục quay của của công tơ, khi nam châm đi qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện. Đếm số xung điện theo thời gian sẽ tính đợc tốc độ quay của trục công tơ. - Dùng tốc độ kế quang. - Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp. Giới hạn đo của công tơ loại này từ 0,01 - 250 m3/giờ, độ chính xác cao (0,5 - 1)%, tổn thất áp suất nhỏ nhng có nhợc điểm là chất lỏng đo phải đợc lọc tốt và gây ồn khi làm việc. động quay của tang đợc truyền đến cơ cấu đếm đặt bên ngoài vỏ công tơ. Công tơ khí kiểu quay có thể đo lu lợng đến 100 - 300 m3/giờ, cấp chính xác 0,25; 0,5. 9.1.3. Công tơ tốc độ Hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu tạo của một công tơ tốc độ tuabin hớng trục. Bộ phận chính của công tơ là một tuabin hớng trục nhỏ (2) đặt theo chiều chuyển động của dòng chảy. Trớc tuabin có đặt bộ chỉnh dòng chảy (1) để san phẳng dòng rối và loại bỏ xoáy. Chuyển động quay của tuabin qua bộ bánh răng - trục vít (3) truyền tới thiết bị đếm (4). Để đo lu lợng dòng khí ngời ta sửdụng công tơ khí kiểu quay. Công tơ (hình9.2) gồm vỏ hình trụ (1), các cánh (2,4,7,8),tang quay (3) và cam (6). Khi cánh (4) ở vịtrí nh hình vẽ , áp suất chất khí tác độnglên cánh làm cho tang (3) quay. Trong quátrình quay các cánh luôn tiếp xúc với mặtngoài cam (6) nhờ các con lăn (5). Trongmột vòng quay thể tích chất khí bằng thểtích vành chất khí giữa vỏ và tang. Chuyển Hình 9.2 Công tơ khí kiểu quay 1) Vỏ 2, 4,7&8) Cánh 3) Tang quay 5) Con lăn 6) Cam 1 2 3 4 5 786 - 145 - Tốc độ quay của công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy: kWn = Trong đó: k - hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo công tơ. W- tốc độ dòng chảy. Lu lợng thể tích chất lu chảy qua công tơ: nkFWFQ == (9.7) Với: F - tiết diện dòng chảy. n - tốc độ quay của tuabin (số vòng quay trong một giây). Nếu dùng cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của công tơ trong một khoảng thời gian từ t1 đến t2 sẽ nhận đợc thể tích chất lỏng chảy qua công tơ: ndtkFdQdtdV == =21ttndtkFV Hay: ()12NNkFV = (9.8) Với =21tt12ndtkFNN Hình 9.3 Sơ đồ cấu tạo công tơ tốc độ tuabin hớng trục 1) Bộ chỉnh dòng chảy 2) Tuabin 3) Bộ truyền bánh răng-trục vít 4) Thiết bị đếm 1 234 - 146 -Công tơ tốc độ tuabin hớng trục với đờng kính tuabin từ 50 - 300 mm có phạm vi đo từ 50 - 300 m3/giờ, cấp chính xác 1; 1,5; 2. Để đo lu lợng nhỏ ngời ta dùng công tơ tốc độ kiểu tiếp tuyến có sơ đồ cấu tạo nh hình 9.4. Tuabin công tơ (1) đặt trên trục quay vuông góc với dòng chảy. Chất lu qua màng lọc (2) qua ống dẫn (3) vào công tơ theo hớng tiếp tuyến với tuabin làm quay tuabin. Cơ cấu đếm liên kết với trục tuabin để đa tín hiệu đến mạch đo. Công tơ kiểu tiếp tuyến với đờng kính tuabin từ 15 - 40 mm có phạm vi đo từ 3 - 20 m3/giờ, cấp chính xác 2; 3. 9.1.4. Lu lợng kế màng chắn a) Nguyên lý đo Các cảm biến loại này hoạt động dựa trên nguyên tắc đo độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua màng ngăn có lỗ thu hẹp. Trên hình 9.5 trình bày sơ đồ nguyên lý đo lu lợng dùng màng ngăn tiêu chuẩn. Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc chất lu tăng lên và đạt cực đại (W2) tại tiết diện B-B, do đó tạo ra sự chênh áp trớc và sau lỗ thu hẹp. Sử dụng một áp kế vi sai đo độ chênh áp này có thể xác định đợc lu lợng của dòng chảy. Giả sử chất lỏng không bị nén, và dòng chảy là liên tục, vận tốc cực đại của dòng chảy tại tiết diện B-B đợc xác định theo biểu thức: ()21222pp2m1W à= Trong đó: p1, p2 - áp suất tĩnh tại tiết diện A-A và B-B. - tỉ trọng chất lu. Hình 9.4 Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến 1) Tuabin 2) Màng lọc 3) ống dẫn 12 3 - 147 - - hệ số tổn thất thuỷ lực. m - tỉ số thu hẹp của màng ngăn, m = F0/F1. à - hệ số thu hẹp dòng chảy, à = F2/F0. Thờng ngời ta không đo độ giảm áp p = p1 - p2 ở tiết diện A-A và B-B, mà đo độ giảm áp p = p1 - p2 ngay trớc và sau lỗ thu hẹp. Quan hệ giữa p và p có dạng: 21'2'1pppp = Khi đó: ()21222pp2mW à= và lu lợng khối lợng của chất lu: ()210220222pp2FmFWFWG àà=à== Hay: ()210pp2FG = (9.9) Với 22màà= gọi là hệ số lu lợng. Hình 9.5 Phân bố vân tốc và áp suất của một dòng chảy lý tởng qua lỗ thu hẹp F1 F0 F2W1 W2p2p1 p1 p2p2pp1 w1w2p3pw3AB C - 148 -Từ các biểu thức trên và F0 = d2/4, ta nhận đợc công thức xác định lu lợng khối (G) và lu lợng thể tích (Q) của dòng chất lu: ()212pp24dG = (9.10) ()212pp24dQ = (9.11) Trong trờng hợp môi trờng chất lu chịu nén, thì khi áp suất giảm, chất lu giản nở, làm tăng tốc độ dòng chảy so với khi không chịu nén, do đó phải đa thêm vào hệ số hiệu chỉnh ( < 1), khi đó các phơng trình trên có dạng: ()21ppcG = (9.12) ()21pp1cQ = (9.13) ở đây: ( )4/2c = là hằng số. - tỉ trọng chất lu tại cửa vào của lỗ thu hẹp. Đối với các dòng chất lu có trị số Reynol nhỏ hơn giá trị tới hạn, khi đo không thể dùng màng ngăn lỗ thu hẹp tiêu chuẩn vì khi đó hệ số lu lợng không phải là hằng số. Trong trờng hợp này, ngời ta dùng các màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt nh màng ngăn có lỗ côn (hình 9.6a), giclơ hình trụ (hình 9.6b), giclơ cong (hình 9.6c) . Trên cơ sở thực nghiệm ngời ta xác định hệ số lu lợng cho mỗi lỗ thu hẹp và xem nh không đổi trong phạm vi số Reynol giới hạn. Hình 9.6 Cấu tạo màng ngăn lỗ thu hẹp đặc biệt dùng để đo lu lợng dòng chảy chất lu có số Reynol nhỏ a) b)c) - 149 -b) Sơ đồ hệ thống đo Tuỳ theo yêu cầu sử dụng, ngời ta có thể sử dụng hệ thống đo thích hợp. Trên hình 9.7 trình bày sơ đồ khối của một số hệ thống đo dùng màng chắn. 9.1.5. Lu lợng kế điện từ Nguyên lý của lu lợng kế điện từ dựa trên định luật cảm ứng điện từ: khi có một dây dẫn chuyển động trong từ trờng, cắt các đờng sức của từ trờng thì trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dây dẫn. Sơ đồ nguyên lý của lu lợng kế điện từ biểu diễn trên hình 9.8. 2 1 Q 31Q543 1 Q46873 1Q4611 7 10 9 31Q467 9 12Hình 9.7 Sơ đồ hệ thống đo lu lợng dùng màng ngăn 1) Màng ngăn 2) Lu lợng kế vi sai 3) Bộ biến đổi độ giảm áp 4) Dụng cụ đo thứ cấp 5) Bộ tích phân lu lợng 6) Dụng cụ tính khối lợng chất lu 7) Thiết bị tính toán 8) Biến đổi tỉ trọng chất lu trong điều kiện làm việc 9) Bộ biến đổi nhiệt độ 10) Bộ biến đổi áp suất 11) Bộ biến đổi tỉ trọng trong điều kiện định mức 12) Bộ biến đổi tỉ trọng chất lu ở 20oC a) b)c)d) đ)N S 1234Hình 9.8 Sơ đồ lu lợng kế điện từ 1 & 2) Điện cực 3) ống kim loại 4) Milivôn kế 5) Nam châm 5 - 150 -Lu lợng kế gồm ống kim loại không từ tính (3) bên trong có phủ lớp vật liệu cách điện (sơn êmay, thuỷ tinh hữu cơ) đặt giữa hai cực của một nam châm (5) sao cho trục ống vuông góc với đờng sức của từ trờng. Trong mặt phẳng vuông góc với đờng sức, có hai điện cực (1) và (2) đợc nối với milivôn kế (4). Khi chất lu có tính dẫn điện chảy qua ống, trong chất lu xuất hiện một suất điện động cảm ứng (E) : QDB4BWDE== (9.14) Trong đó: B - cờng độ từ trờng. W- tốc độ trung bình của dòng chảy. D - đờng kính trong của ống. Q - lu lợng thể tích của chất lu. Khi B = const thì E sức điện động cảm ứng tỉ lệ với lu lợng thể tích Q. Lu lợng kế điện từ với từ trờng không đổi có nhợc điểm là trên các cực xuất hiện các sức điện động phụ (do phân cực) làm sai lệch kết quả đo. Để khắc phục nhợc điểm trên, ngời ta dùng lu lợng kế điện từ dùng nam châm điện xoay chiều, tuy nhiên từ trờng xoay chiều lại làm méo tín hiệu ra. Lu lợng kế điện từ đợc dùng để đo lu lợng của chất lỏng có độ dẫn điện không nhỏ hơn 10-5 - 10-6 Simen/m. Chúng có u điểm: đo lu lợng không cần phải đo tỉ trọng chất lỏng, các phần tử hạt, bọt khí và tác động của môi trờng (nh nhiệt độ, áp suất, .) nếu chúng không làm thay đổi độ dẫn điện của chất lu sẽ không ảnh hởng đến kết quả đo. Lu lợng kế điện từ với đờng kính ống từ 10 - 1.000 mm có thể đo lu lợng trong từ 1 - 2.500 m3/giờ với vận tốc dòng chảy từ 0,6 - 10 m/s với cấp chính xác 1; 2,5. 9.2. Cảm biến đo và phát hiện mức chất lu 9.2.1. Mục đích và phơng pháp đo Mục đích việc đo và phất hiện mức chất lu là xác định mức độ hoặc khối lợng chất lu trong bình chứa. Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngỡng. - 151 - Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lu còn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngỡng, cảm biến đa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngỡng có đạt hay không. Có ba phơng pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lu: - Phơng pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện. - Phơng pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lu. - Phơng pháp bức xạ dựa trên sự tơng tác giữa bức xạ và chất lu. 9.2.2. Phơng pháp thuỷ tĩnh Phơng pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lu trong bình chứa. Trên hình 9.9 giới thiệu một số sơ đồ đo mức bằng phơng pháp thuỷ tĩnh. Trong sơ đồ hình 9.9a, phao (1) nổi trên mặt chất lu đợc nối với đối trọng (5) bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lu 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 lu. Trong sơ đồ hình 9.9b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lu, phía trên đợc 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 lu: gShPF = Trong đó: P - trọng lợng phao. h - chiều cao phần ngập trong chất lu của phao. S - tiết diện mặt cắt ngang của phao. - khối lợng riêng của chất lu. Hình 9.9 Sơ đồ đo mức theo phơng pháp thuỷ tĩnh a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai 1 2 3 4 65 12hhp01 [...]... diện B-B đợc xác định theo biểu thức: () 21 22 2 pp 2 m 1 W à = Trong đó: p 1 , p 2 - áp suất tĩnh tại tiết diện A-A và B-B. - tỉ trọng chất lu. Hình 9. 4 Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiÕp tuyÕn 1) Tuabin 2) Mµng läc 3) è ng dÉn 1 2 3 - 145 - Tốc độ quay của công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy: kWn = Trong ®ã: k - hƯ sè tØ lƯ phơ thc cÊu tạo công tơ. W- tốc... (hình 9. 6b), giclơ cong (hình 9. 6c) Trên cơ sở thực nghiệm ngời ta xác định hệ số lu lợng cho mỗi lỗ thu hẹp và xem nh không đổi trong phạm vi sè Reynol giíi h¹n. Hình 9. 6 Cấu tạo màng ngăn lỗ thu hẹp đặc biệt dùng để đo lu lợng dòng chảy chất lu có số Reynol nhỏ a) b) c) - 146 - Công tơ tốc độ tuabin hớng trục víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 50 - 300 mm cã phạm vi đo từ 50 - 300... qua công tơ: n k F WFQ == (9. 7) Với: F - tiết diện dòng chảy. n - tốc độ quay của tuabin (số vòng quay trong một giây). Nếu dùng cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của công tơ trong một khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 sẽ nhận đợc thể tích chất lỏng chảy qua công tơ: ndt k F dQdtdV == ∫ = 2 1 t t ndt k F V Hay: () 12 NN k F V −= (9. 8) Víi ∫ =− 2 1 t t 12 ndt k F NN H×nh 9. 3... dùng công tơ tốc độ kiểu tiếp tuyến có sơ đồ cấu tạo nh hình 9. 4. Tuabin công tơ (1) đặt trên trục quay vuông góc với dòng chảy. ChÊt l−u qua mµng läc (2) qua èng dÉn (3) vào công tơ theo hớng tiếp tuyến với tuabin làm quay tuabin. Cơ cấu đếm liên kết với trục tuabin ®Ĩ ®−a tÝn hiƯu ®Õn m¹ch ®o. Công tơ kiểu tiếp tuyến víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 15 - 40 mm cã phạm vi đo từ 3 - 20... do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo. Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chÊt l−u trong b×nh chøa 1 2 3 a) h 1 2 3 b) Hình 9. 11 Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ a) Cảm biến phát hiện ngỡng b) Cảm biến đo mức liên tục 1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bé thu 3) ChÊt l−u ... m 3 /giờ, cấp chính xác 2; 3. 9. 1.4. Lu lợng kế màng chắn a) Nguyên lý đo Các cảm biến loại này hoạt động dựa trên nguyên tắc đo độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua màng ngăn có lỗ thu hẹp. Trên hình 9. 5 trình bày sơ đồ nguyên lý đo lu lợng dùng màng ngăn tiêu chuẩn. Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc chất lu tăng lên và đạt cực đại (W 2 ) tại tiết diện B-B, do đó tạo ra sự chênh... - 148 - Từ các biểu thức trên và F 0 = d 2 /4, ta nhận đợc công thức xác định lu lợng khối (G) và lu lợng thể tích (Q) của dßng chÊt l−u: () 21 2 pp2 4 d G −ρ π α= (9. 10) () 21 2 pp 2 4 d Q − ρ π α= (9. 11) Trong trờng hợp môi trờng chất lu chịu nén, thì khi áp suất giảm, chất lu giản nở, làm... ndt k F dQdtdV == ∫ = 2 1 t t ndt k F V Hay: () 12 NN k F V −= (9. 8) Víi ∫ =− 2 1 t t 12 ndt k F NN H×nh 9. 3 Sơ đồ cấu tạo công tơ tốc độ tuabin hớng trục 1) Bộ chỉnh dòng chảy 2) Tuabin 3) Bộ truyền bánh răng-trục vít 4) Thiết bị đếm 1 2 3 4 - 154 - Khi mức chất lu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu... () 21 ppcG = (9. 12) () 21 pp 1 cQ = (9. 13) ở đây: ( ) 4/2c = là hằng số. - tỉ trọng chất lu tại cửa vào của lỗ thu hẹp. Đối với các dòng chất lu có trị số Reynol nhỏ hơn giá trị tới hạn, khi đo không thể dùng màng ngăn lỗ thu hẹp tiêu chuẩn vì khi đó hệ số lu lợng không phải là hằng số. Trong trờng hợp này, ngời ta dùng các màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt nh màng ngăn có lỗ côn (hình 9. 6a), . tính chất điện của chất lu. Các cảm biến thờng dùng là cảm biến dộ dẫn và cảm biến điện dung. a) Cảm biến độ dẫn Các cảm biến loại này dùng để đo mức các. phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai 1 2 3 4 65 12hhp01 - 152 - g - gia tốc trọng trờng. Trên sơ đồ hình 9. 9c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai