GIÁO TRÌNH: CÁC LOẠI CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

Chơng I Các Khái niệm đặc trng 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lợng vật lý đại lợng tính chất điện cần đo thành đại lợng điện đo xử lý đợc Các đại lợng cần đo (m) thờng tính chất điện (nh nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trng (s) mang tính chất điện (nh điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lợng đo Đặc trng (s) hàm đại lợng cần đo (m): s = F (m ) (1.1) Ngời ta gọi (s) đại lợng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lợng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) 1.1.2 Phân loại cảm biến Các cảm biến đợc phân loại theo đặc trng sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích (bảng 1.1) Bảng 1.1 Hiện tợng Chuyển đổi đáp ứng kích thích - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ Hiện tợng vật lý - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ - Biến đổi hoá học Hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hoá Sinh học - Biến đổi vật lý - 5- - Hiệu ứng thể sống - Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2) Bảng 1.2 - Biên pha, phân cực Âm - Phổ - Tốc độ truyền sóng - Điện tích, dòng điện Điện - Điện thế, điện áp - Điện trờng (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi - Từ trờng (biên, pha, phân cực, phổ) Từ - Từ thông, cờng độ từ trờng - Độ từ thẩm - Biên, pha, phân cực, phổ Quang - Tốc độ truyền - Hệ số phát x¹, khóc x¹ - HƯ sè hÊp thơ, hƯ sè xạ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc Cơ - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lợng, tỉ trọng - VËn tèc chÊt l−u, ®é nhít - NhiƯt ®é Nhiệt - Thông lợng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt - Kiểu Bức xạ - Năng lợng - Cờng độ - 6- - Theo tính cảm biến (bảng 1.3) Bảng 1.3 - Độ nhạy - Khả tải - Độ xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - §é chän läc - Ti thä - §é tun tính - Điều kiện môi trờng - Công suất tiêu thụ - Kích thớc, trọng lợng - Dải tần - Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4) Bảng 1.4 - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trờng, khí tợng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân - Phân loại theo thông số mô hình mạch thay : + Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động đợc đặc trng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến 1.2 Đờng cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm Đờng cong chuẩn cảm biến đờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lợng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lợng đo (m) đầu vào - 7- Đờng cong chuẩn biểu diễn biểu thức đại số dới dạng s = F (m ) , đồ thị nh hình 1.1a s s si mi m m a) b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến a) Dạng đờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đờng cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị mi cha biết m thông qua giá trị đo đợc si s Để dễ sử dụng, ngời ta thờng chế tạo cảm biến có phụ thuộc tuyến tính đại lợng đầu đại lợng đầu vào, phơng trình s= F(m) cã d¹ng s = am +b víi a, b hệ số, đờng cong chuẩn đờng thẳng (hình 1.1b) 1.2.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giá trị s đo đợc đại lợng điện đầu giá trị m đại lợng đo có tính đến yếu tố ảnh hởng, sở xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị đà biết xác mi m, đo giá trị tơng ứng si s dựng đờng cong chuÈn s s2 s1 m1 m2 m H×nh 1.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến a) Chuẩn đơn giản Trong trờng hợp đại lợng đo có đại lợng vật lý tác động lên đại lợng đo xác định cảm biến sử dụng không nhạy với tác động - 8- đại lợng ảnh hởng, ngời ta dùng phơng pháp chuẩn đơn giản Thực chất chuẩn đơn giản đo giá trị đại lợng đầu ứng với giá xác định không đổi đại lợng đo đầu vào Việc chuẩn đợc tiến hành theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: giá trị khác đại lợng đo lấy từ mẫu chuẩn phần tử so sánh có giá trị biết trớc với độ xác cao - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với cảm biến so sánh đà có sẵn đờng cong chuẩn, hai đợc đặt điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với giá trị đại lợng đo ta nhận đợc giá trị tơng ứng cảm biến so sánh cảm biến cần chuẩn Lặp lại tơng tự với giá trị khác đại lợng đo cho phép ta xây dựng đợc đờng cong chuẩn cảm biến cần chuẩn b) Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ trễ từ), giá trị đo đợc đầu phụ thuộc vào giá trị tức thời đại lợng cần đo đầu vào mà phụ thuộc vào giá trị trớc của đại lợng Trong trờng hợp nh vậy, ngời ta áp dụng phơng pháp chuẩn nhiều lần tiến hành nh sau: - Đặt lại điểm cảm biến: đại lợng cần đo đại lợng đầu có giá trị tơng ứng với điểm gốc, m=0 s=0 - Đo giá trị đầu theo loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại đại lợng đo đầu vào - Lặp lại trình đo với giá trị giảm dần từ giá trị cực đại Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đờng cong chuẩn theo hai hớng đo tăng dần đo giảm dần 1.3 Các đặc trng 1.3.1 Độ nhạy cảm biến a) Khái niệm Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m có liên hệ tuyến tính: s = S.m Đại lợng S xác định biểu thức S = (1.2) s đợc gọi độ nhạy cảm biến m Trờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S cảm biến xung quanh - 9- giá trị mi đại lợng đo xác định tỷ số biến thiên s đại lợng đầu biến thiên m tơng ứng đại lợng đo đầu vào quanh giá trị đó: ∆s ⎞ S=⎜ ⎟ ⎝ ∆m ⎠ m = m (1.3) i Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S không đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lợng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - ảnh hởng đại lợng vật lý khác (không phải đại lợng đo) môi trờng xung quanh Thông thờng nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tơng ứng với điều kiện làm việc định cảm biến b) Độ nhạy chế độ tĩnh tỷ số chuyển đổi tĩnh Đờng chuẩn cảm biến, xây dựng sở đo giá trị si đầu tơng ứng với giá trị không đổi mi đại lợng đo đại lợng đạt đến chế độ làm việc danh định đợc gọi đặc trng tĩnh cảm biến Một điểm Qi(mi,si) đặc trng tĩnh xác định điểm làm việc cảm biến chế độ tĩnh Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) độ đốc đặc trng tĩnh điểm làm việc xét Nh vậy, đặc trng tĩnh tuyến tính độ nhạy chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc Đại lợng ri xác định tỷ số giá trị si đầu giá trị mi đầu vào đợc gọi tỷ số chuyển ®æi tÜnh: ⎛s⎞ ri = ⎜ ⎟ ⎝ m ⎠Q (1.4) i Tõ (1.4), ta nhËn thÊy tû sè chuyÓn đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi S đặc trng tĩnh đờng thẳng qua gốc toạ độ c) Độ nhạy chế độ động Độ nhạy chế độ động đợc xác định đại lợng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian Giả sử biến thiên đại lợng đo m theo thời gian có dạng: m(t ) = m + m cos ωt - 10- (1.5) Trong m0 giá trị không đổi, m1 biên độ tần số góc biến thiên đại lợng đo đầu cảm biến, hồi đáp s có dạng: s(t ) = s + s1 cos(t + ) Trong đó: - s0 giá trị không đổi tơng ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 đờng cong chuẩn chế độ tĩnh - s1 biên độ biến thiên đầu thành phần biến thiên đại lợng đo gây nên - độ lệch pha đại lợng đầu vào đại lợng đầu Trong chế độ động, độ nhạy S cảm biến đợc xác định tỉ số biên độ biến thiên đầu s1 biên độ biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc đợc xét Q0, theo c«ng thøc: ⎛s ⎞ S = ⎜⎜ m1 Q Độ nhạy chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lợng đo, S = S (f ) Sự biến thiên độ nhạy theo tần số có nguồn gốc quán tính cơ, nhiệt điện đầu đo, tức cảm biến thiết bị phụ trợ, chúng cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên đại lợng đo Bởi xét hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo cảm biến cách tổng thể 1.3.2 Độ tuyến tính a) Khái niệm Một cảm biến đợc gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lợng ®o Trong chÕ ®é tÜnh, ®é tuyÕn tÝnh chÝnh lµ không phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lợng đo, thể đoạn thẳng đặc trng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lợng đo nằm vùng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm không phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lợng đo, đồng thời thông số định hồi đáp (nh - 11- tần số riêng f0 dao động không tắt, hệ số tắt dần không phụ thuộc vào đại lợng đo Nếu cảm biến không tuyến tính, ngời ta đa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đợc đầu tỉ lệ với thay đổi đại lợng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh đợc gọi tuyến tính hoá b) Đờng thẳng tốt Khi chuẩn cảm biến, từ kết thực nghiệm ta nhận đợc loạt điểm tơng ứng (si,mi) đại lợng đầu đại lợng đầu vào Về mặt lý thuyết, cảm biến tuyến tính, đờng cong chuẩn đờng thẳng Tuy nhiên, sai số đo, điểm chuẩn (mi, si) nhận đợc thực nghiệm thờng không nằm đờng thẳng Đờng thẳng đợc xây dựng sở số liệu thực nghiệm cho sai sè lµ bÐ nhÊt, biĨu diƠn sù tun tính cảm biến đợc gọi đờng thẳng tốt Phơng trình biểu diễn đờng thẳng tốt đợc lập phơng pháp bình phơng bé Giả sử chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phơng trình có dạng: s = am + b Trong ®ã: a= b= N.∑ s i m i −∑ s i ∑ m i N.∑ m 2i − (∑ m i ) ∑ s i ∑ m 2i − ∑ m i s i ∑ m i N.∑ m 2i − (∑ m i ) c) §é lệch tuyến tính Đối với cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, ngời ta đa khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định độ lệch cực đại đờng cong chuẩn đờng thẳng tốt nhất, tính % dải đo 1.3.3 Sai số độ xác Các cảm biến nh dụng cụ đo lờng khác, đại lợng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lợng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo đợc giá trị thực đại lợng cần đo Gọi x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tơng đối cảm biến đợc tính b»ng: - 12- δ= ∆x 100 x [%] Sai sè cđa bé c¶m biÕn mang tÝnh chÊt −íc tÝnh bëi biết xác giá trị thực đại lợng cần đo Khi đánh giá sai số cảm biến, ngời ta thờng phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống: sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo đợc Sai số hệ thống thờng sù thiÕu hiĨu biÕt vỊ hƯ ®o, ®iỊu kiƯn sử dụng không tốt gây Các nguyên nhân gây sai số hệ thống là: Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lợng chuẩn không + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng +Do xử lý kết đo - Sai số ngẫu nhiên: sai số xuất có độ lớn chiều không xác định Ta dự đoán đợc số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên nhng dự đoán đợc độ lớn dấu Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lợng ảnh hởng không đợc tính đến chuẩn cảm biến Chúng ta giảm thiểu sai số ngẫu nhiên số biện pháp thực nghiệm thích hợp nh bảo vệ mạch đo tránh ảnh hởng nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù ảnh hởng nhiệt độ, tần số, vận hành chế độ thực phép đo lờng thống kê 1.3.4 Độ nhanh thời gian hồi đáp Độ nhanh đặc trng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lợng đầu đại lợng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lợng đợc sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh Độ nhanh tr khoảng thời gian từ đại lợng đo thay đổi đột ngột đến biến thiên đại lợng đầu khác giá trị cuối lợng giới hạn tính % Thời gian hồi đáp tơng ứng với % xác định khoảng thời gian cần - 13- thiết phải chờ đợi sau có biến thiên đại lợng đo để lấy giá trị đầu với độ xác định trớc Thời gian hồi đáp đặc trng cho chế độ độ cảm biến hàm thông số thời gian xác định chế độ Trong trờng hợp thay đổi đại lợng đo có dạng bậc thang, thông số thời gian gồm thời gian trễ tăng (tdm) thời gian tăng (tm) ứng với tăng đột ngột đại lợng đo thời gian trễ giảm (tdc) thời gian giảm (tc) ứng với giảm đột ngột đại lợng đo Khoảng thời gian trễ tăng tdm thời gian cần thiết để đại lợng đầu tăng từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lợng khoảng thời gian tăng tm thời gian cần thiết để đại lợng đầu tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng céng cña nã m m0 t s s0 0,9 0,1 t tdm tm tdc tc Hình 1.3 Xác định khoảng thời gian đặc trng cho chế độ độ Tơng tự, đại lợng đo giảm, thời gian trể giảm tdc thời gian cần thiết để đại lợng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lợng khoảng thời gian giảm tc thời gian cần thiết để đại lợng đầu giảm từ 10% ®Õn 90% biÕn thiªn biÕn thiªn tỉng cỉng cđa nã Các thông số thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp 1.3.5 Giới hạn sử dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt Khi tác động vợt ngỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến, ngời sử dụng cần phải biết rõ giới hạn a) Vùng làm việc danh định - 14- Bộ chuyển đổi kiểu áp trở làm việc dải nhiệt độ từ - 40oC đến 125oC phụ thuộc vào độ pha tạp Ngời ta bù trừ ảnh hởng nhiệt độ cách đa thêm vào chuyển đổi phận hiệu chỉnh đợc điều khiển qua đầu đo nhiệt độ JT d) Bộ chuyển đổi kiểu áp điện Bộ chuyển đổi kiểu áp điện, dùng phần tử biến đổi phần tử áp điện, cho phép biến đổi trực tiếp ứng lực dới tác động lực F áp suất gây nên thành tín hiệu điện D d Trục điện p Trục quang a) b) Hình 8.14 Cảm biến kiểu áp trở a) Phần tử áp điện dạng b) Phần tử áp điện dạng ống áp suất (p) gây nên lực F tác động lên áp điện, làm xuất hai mặt áp điện mộtđiện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng: Q = kF Víi F = p.S, ®ã: Q = kpS Trong đó: k - số áp điện, trờng hợp thạch anh k = 2,22.10-12 C/N S - diện tích hữu ích màng Để tăng điện tích Q ng−êi ta ghÐp song song mét sè b¶n cùc với Đối với phần tử áp điện dạng ống, điện tích cực xác định theo công thøc: Q = kF 4dh (8.29) D − d2 Trong đó: D, d - đờng kính đờng kính phần tử áp điện h - chiều cao phần phủ kim loại - 140 - Giới hạn cảm biến áp suất dùng biến đổi ¸p ®iƯn tõ 2,5 - 100 MPa, cÊp chÝnh x¸c 1,5;2 Bộ biến đổi áp điện có hồi đáp tần số tốt nên thờng dùng để đo áp suất thay đổi nhanh, nhiên chúng có nhợc điểm nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ - 141 - Chơng IX Cảm biến đo lu lợng Và MứC CHấT lu 9.1 Cảm biến đo lu lợng 9.1.1 Lu lợng đơn vị đo Lu lợng chất lu lợng chất lu chảy qua tiết diện ngang ống đơn vị thời gian Tuỳ theo đơn vị tính lợng chất lu (theo thể tích khối lợng) ngời ta phân biệt: - Lu lợng thể tích (Q) tÝnh b»ng m3/s, m3/giê - L−u l−ỵng khèi (G) tính kg/s, kg/giờ Lu lợng trung bình khoảng thời gian t = t2 - t1 xác định bëi biĨu thøc: Q tb = ∆m ∆V hc G tb = t t (9.1) Trong V, m thể tích khối lợng chất lu chảy qua ống thời khoảng gian khảo sát Lu lợng tức thời xác định theo công thức: Q= dV dt G= dm dt (9.2) Để đo lu lợng ngời ta dùng lu lợng kế Tuỳ thuộc vào tính chất chất lu, yêu cầu công nghệ, ngời ta sử dụng lu lợng kế khác Nguyên lý hoạt động lu lợng kế dựa sở: - Đếm trực tiếp thể tích chất lu chảy qua công tơ khoảng thời gian xác định t - Đo vận tốc chất lu chảy qua công tơ lu lợng hàm vận tốc - Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp dòng chảy, lu lợng hàm phụ thuộc độ giảm áp Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện nhờ 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 đếm trực tiếp lợng thể tích qua buồng chứa tích xác định công tơ Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tích kiểu bánh hình ôvan trình bày hình 9.1 - 142 - Côngtơ gồm hai bánh hình ôvan (1) (2) truyền động ăn khớp với (hình 9.1a) Dới tác động dòng chất lỏng, bánh (2) quay truyền chuyển động tới bánh (1) (hình 9.1b) lúc bánh (2) vị trí thẳng đứng, bánh (1) nằm ngang Chất lỏng thể tích V1 đợc đẩy sang cửa Sau bánh (1) quay trình tơng tự lặp lại, thể tích chất lỏng buồng V2 đợc đẩy sang cửa Trong vòng quay côngtơ thể tích chất lỏng qua côngtơ bốn lần thể tích V0 (bằng V1 V2) Trục hai bánh liên kết với cấu đếm đặt côngtơ V2 V1 a) b) c) Hình 9.1 Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tích Thể tích chất lu chảy qua côngtơ thêi gian ∆t = t2 - t1 tØ lÖ với số vòng quay xác định công thức: V = q v (N − N ) (9.3) Trong đó: qV - thể tích chất lu chảy qua công tơ ứng với vòng quay N1, N2 - tổng số vòng quay công tơ thời điểm t1 t2 Thông thờng thể tích chất lu chảy qua công tơ đợc biểu diễn dới dạng: V = q c (N c − N c1 ) (9.4) qc - hệ số công tơ (thể tích chất lu chảy qua công tơ ứng với đơn vị thị công tơ) Nc1, Nc2 - số thị công tơ thời điểm t1 t2 Lu lợng trung bình: Q tb = V q v (N − N ) = ∆t t − t1 L−u l−ỵng tøc thêi: - 143 - (9.5) Q= Víi n = dV dN = qv = qvn dt dt (9.6) dN tốc độ quay trục công tơ dt Để đếm số vòng quay chuyển thành tín hiệu điện ngời ta dùng ba cách dới đây: - Dùng nam châm nhỏ gắn trục quay của công tơ, nam châm qua cuộn dây đặt cố định tạo xung điện Đếm số xung điện theo thời gian tính đợc tốc độ quay trục công tơ - Dùng tốc độ kế quang - Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số điện áp Giới hạn đo công tơ loại từ 0,01 - 250 m3/giờ, độ xác cao (0,5 1)%, tổn thất áp suất nhỏ nhng có nhợc điểm chất lỏng đo phải đợc lọc tốt gây ồn làm việc Để đo lu lợng dòng khí ngời ta sử dụng công tơ khí kiểu quay Công tơ (hình 9.2) gồm vỏ hình trụ (1), cánh (2,4,7,8), tang quay (3) cam (6) Khi cánh (4) vị trí nh hình vẽ , áp suất chất khí tác động lên cánh làm cho tang (3) quay Trong trình quay cánh tiếp xúc với mặt cam (6) nhờ lăn (5) Trong vßng quay thĨ tÝch chÊt khÝ b»ng thĨ Hình 9.2 Công tơ khí kiểu quay 1) Vá 2, 4,7&8) C¸nh 3) Tang quay 5) Con lăn 6) Cam tích vành chất khí vỏ tang Chuyển động quay tang đợc truyền đến cấu đếm đặt bên vỏ công tơ Công tơ khí kiểu quay đo lu lợng đến 100 - 300 m3/giờ, cấp xác 0,25; 0,5 9.1.3 Công tơ tốc độ Hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu tạo công tơ tốc độ tuabin hớng trục Bộ phận công tơ tuabin hớng trục nhỏ (2) đặt theo chiều chuyển động dòng chảy Trớc tuabin có đặt chỉnh dòng chảy (1) để san phẳng dòng rối loại bỏ xoáy Chuyển động quay tuabin qua bánh trục vít (3) truyền tới thiết bị đếm (4) - 144 - 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 Tốc độ quay công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy: n = kW Trong ®ã: k - hƯ sè tØ lƯ phơ thc cấu tạo công tơ W- tốc độ dòng chảy Lu lợng thể tích chất lu chảy qua công tơ: Q = WF = F n k (9.7) Víi: F - tiết diện dòng chảy n - tốc độ quay tuabin (số vòng quay giây) Nếu dùng cấu đếm để đếm tổng số vòng quay công tơ khoảng thời gian từ t1 đến t2 nhận đợc thể tích chất lỏng chảy qua công t¬: dV = dQdt = F ndt k V= F t2 ∫ ndt k t1 V= F (N − N1 ) k Hay: Víi N − N1 = (9.8) F t2 ∫ ndt k t1 - 145 - Công tơ tốc độ tuabin hớng trục với đờng kính tuabin từ 50 - 300 mm có phạm vi đo tõ 50 - 300 m3/giê, cÊp chÝnh x¸c 1; 1,5; 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 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 Hình 9.4 Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến 1) Tuabin 2) Màng lọc 3) ống dẫn Công tơ kiểu tiếp tuyến víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 15 - 40 mm cã phạm vi đo từ - 20 m3/giờ, cấp xác 2; 9.1.4 Lu lợng kế màng chắn a) Nguyên lý đo Các cảm biến loại hoạt động dựa nguyên tắc đo độ giảm áp suất dòng chảy 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 màng ngăn, vận tốc chất lu tăng lên đạt cực đại (W2) tiết diện B-B, tạo chênh áp trớc sau lỗ thu hẹp Sử dụng áp kế vi sai đo độ chênh áp xác định đợc lu lợng dòng chảy Giả sử chất lỏng không bị nén, dòng chảy liên tục, vận tốc cực đại dòng chảy tiết diện B-B đợc xác định theo biểu thức: W2 = ξ−µ m 2 (p1 − p ) Trong đó: p1, p2 - áp suất tĩnh tiÕt diƯn A-A vµ B-B ρ - tØ träng chÊt l−u - 146 - ξ - hƯ sè tỉn thÊt thủ lùc m - tØ sè thu hĐp cđa mµng ngăn, m = F0/F1 - hệ số thu hẹp dòng chảy, = F2/F0 B F2 F0 F1 A C W1 W2 p’1 p’2 ∆p p’1 δp p3’ p1 p2 p2 w2 w1 w3 Hình 9.5 Phân bố vân tốc áp suất dòng chảy lý tởng qua lỗ thu hẹp Thờng ngời ta không đo độ giảm áp p = p1 - p2 tiết diện A-A B-B, mà đo độ giảm áp p = p1 - p2 trớc sau lỗ thu hẹp Quan hệ p p có dạng: p 1' − p '2 = ψ p − p Khi ®ã: W2 = ψ (p1 − p ) à2 m lu lợng khèi l−ỵng cđa chÊt l−u: G = W2 F2 ρ = W2 µF0 ρ = µψ ξ−µ m 2 F0 2ρ(p − p ) Hay: G = αF0 2ρ(p − p ) Víi α = µψ ξ−µ m 2 (9.9) gäi lµ hÖ sè lu lợng - 147 - Từ biểu thức F0 = d2/4, ta nhận đợc công thức xác định lu lợng khối (G) lu lợng thể tích (Q) cđa dßng chÊt l−u: G=α πd 2ρ(p − p ) (9.10) Q=α πd (9.11) (p1 − p ) ρ Trong tr−êng hợp môi trờng chất lu chịu nén, áp suất giảm, chất lu giản nở, làm tăng tốc độ dòng chảy so với không chịu nén, phải đa thêm vào hệ số hiệu chỉnh ( < 1), phơng trình có dạng: G = cαε ρ(p − p ) (9.12) (p1 − p ) ρ (9.13) Q = c đây: ( ) c = / lµ h»ng sè ρ - tØ träng chÊt l−u cửa vào lỗ thu hẹp Đối với dòng chất lu có trị số Reynol nhỏ giá trị tới hạn, đo dùng màng ngăn lỗ thu hẹp tiêu chuẩn hệ số lu lợng số Trong trờng hợp này, ngời ta dùng 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 sở thực nghiệm ngời ta xác định hệ số lu lợng cho lỗ thu hẹp xem nh không đổi phạm vi số Reynol giới hạn a) c) b) 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 - 148 - b) Sơ đồ hệ thống đo Tuỳ theo yêu cÇu sư dơng, ng−êi ta cã thĨ sư dơng hƯ thống đo thích hợp Trên hình 9.7 trình bày sơ ®å khèi cđa mét sè hƯ thèng ®o dïng mµng ch¾n 1 Q Q Q 3 a) b) c) 1 Q Q 10 11 12 đ) d) Hình 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 điều kiện làm việc 9) Bộ biến đổi nhiệt độ 10) Bộ biến đổi áp suất 11) Bộ biến đổi tỉ trọng điều kiện định mức 12) Bộ biến đổi tØ träng chÊt l−u ë 20oC 9.1.5 L−u l−ỵng kÕ điện từ Nguyên lý lu lợng kế điện từ dựa định luật cảm ứng điện từ: có dây dẫn chuyển động từ trờng, cắt đờng sức từ trờng dây dẫn xuất suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ chuyển động dây dẫn Sơ đồ nguyên lý lu lợng kế điện từ biểu diễn h×nh 9.8 N S H×nh 9.8 Sơ đồ lu lợng kế điện từ & 2) Điện cực 3) ống kim loại 4) Milivôn kế 5) Nam châm - 149 - Lu lợng kế gồm ống kim loại không từ tính (3) bên có phủ lớp vật liệu cách điện (sơn êmay, thuỷ tinh hữu cơ) đặt hai cực nam châm (5) cho trục ống vuông góc với đờng sức từ trờng Trong mặt phẳng vuông góc với đờng sức, có hai điện cực (1) (2) đợc nối víi miliv«n kÕ (4) Khi chÊt l−u cã tÝnh dÉn ®iƯn ch¶y qua èng, chÊt l−u xt hiƯn mét suất điện động cảm ứng (E) : E = BWD = 4B Q πD (9.14) Trong ®ã: B - c−êng độ từ trờng W- tốc độ trung bình dòng chảy D - đờng kính ống Q - l−u l−ỵng thĨ tÝch cđa chÊt l−u Khi B = const 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 cực xuất sức điện động phụ (do phân cực) làm sai lệch kết đo Để khắc phục nhợc điểm trên, ngời ta dùng lu lợng kế điện từ dùng nam châm điện xoay chiều, nhiên từ trờng xoay chiều lại làm méo tín hiệu Lu lợng kế điện từ đợc dùng để đo lu lợng chất lỏng có độ dẫn điện không nhỏ 10-5 - 10-6 Simen/m Chúng có u điểm: đo lu lợng không cần phải đo tỉ trọng chất lỏng, phần tử hạt, bọt khí tác động môi trờng (nh nhiệt độ, áp suất, ) chúng không làm thay đổi độ dẫn điện chất lu không ảnh hởng đến kết đo Lu lợng kế điện từ với đờng kính ống từ 10 - 1.000 mm đo lu lợng từ - 2.500 m3/giờ với vận tốc dòng chảy từ 0,6 - 10 m/s víi cÊp chÝnh x¸c 1; 2,5 9.2 Cảm biến đo phát mức chất lu 9.2.1 Mục đích phơng pháp đo Mục đích việc đo phất mức chất lu xác định mức độ khối lợng chất lu bình chứa Có hai dạng đo: đo liên tục xác định theo ngỡng - 150 - Khi đo liên tục biên độ tần số tín hiệu đo cho biết thể tích chất lu lại bình chứa Khi xác định theo ngỡng, cảm biến đa tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin tình trạng mức ngỡng có đạt hay không Có ba phơng pháp hay dùng kỹ thuật đo phát mức chất lu: - Phơng pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện - Phơng pháp điện dựa tính chất điện chất lu - Phơng pháp xạ dựa tơng tác xạ chất lu 9.2.2 Phơng pháp thuỷ tĩnh Phơng pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lu bình chứa Trên hình 9.9 giới thiệu số sơ đồ đo mức phơng pháp thuỷ tĩnh 2 p0 h h 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 Trong sơ đồ hình 9.9a, phao (1) mặt chất lu đợc nối với đối trọng (5) dây mềm (2) qua ròng rọc (3), (4) Khi møc chÊt l−u thay ®ỉi, phao (1) nâng lên hạ xuống làm quay ròng rọc (4), cảm biến vị trí gắn với trục quay rßng räc sÏ cho tÝn hiƯu tØ lƯ víi møc chất lu Trong sơ đồ hình 9.9b, phao hình trụ (1) nhúng chìm chất lu, phía đợc treo cảm biến đo lực (2) Trong trình đo, cảm biến chịu tác động lực F tØ lƯ víi chiỊu cao chÊt l−u: F = P gSh Trong đó: P - trọng lợng phao h - chiỊu cao phÇn ngËp chÊt l−u cđa phao S - tiết diện mặt cắt ngang phao - khối lợng riêng chất lu - 151 - g - gia tốc trọng trờng Trên sơ đồ hình 9.9c, sử dụng cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình chứa Một mặt màng cảm biến chịu áp suất chất lu gây ra: p = p + gh Mặt khác màng cảm biến chịu tác động áp suất p0 áp suất đỉnh bình chứa Chênh lệch áp suất p - p0 sinh lực tác dụng lên màng cảm biến làm biến dạng Biến dạng cđa mµng tØ lƯ víi chiỊu cao h cđa chÊt lu bình chứa, đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ biến đổi điện thích hợp 9.2.3 Phơng pháp điện Các cảm biến đo mức phơng 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 chất lu Các cảm biến thờng dùng cảm biến dộ dẫn cảm biến điện dung a) Cảm biến độ dẫn Các cảm biến loại dùng để đo mức chất lu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50àScm-1) Trên hình 9.10 giới thiệu số cảm biến độ dẫn ®o møc th«ng dơng h h hmin a) c) b) Hình 9.10 Cảm biến độ dẫn a) Cảm biến hai ®iƯn cùc b) C¶m biÕn mét ®iƯn cùc c) C¶m biến phát mức Sơ đồ cảm biến hình 9.10a gồm hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, điện cực đợc nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh tợng phân cực điện cực) Dòng điện chạy qua điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài phần điện cực nhúng chìm chất lỏng Sơ đồ cảm biến hình 9.10b chØ sư dơng mét ®iƯn cùc, ®iƯn cùc thø hai bình chứa kim loại - 152 - Sơ đồ cảm biến hình 9.10c dùng để phát ngỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phơng ngang, điện cực lại nối với thành bình kim loại,vị trí điện cực ngắn ứng với mức ngỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện mạch thay đổi mạnh biên độ b) Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng chất cách điện, tạo tụ điện hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng điện cực kết hợp với điện cực thứ hai thành bình chứa thành bình làm kim loại Chất điện môi hai điện cực chất lỏng phần điện cực bị ngập không khí phần chất lỏng Việc đo mức chất lu đợc chuyển thành ®o ®iƯn dung cđa tơ ®iƯn, ®iƯn dung nµy thay đổi theo mức chất lỏng bình chứa Điều kiện để áp dụng phơng pháp số điện môi chất lỏng phải lớn đáng kể số điện môi không khí (thờng gấp đôi) Trong trờng hợp chất lu chất dẫn điện, để tạo tụ điện ngời ta dùng điện cực kim loại bên có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi chất lu đóng vai trò điện cực thứ hai 9.2.4 Phơng pháp xạ Cảm biến xạ cho phép đo mức chất lu mà không cần tiếp xúc với môi trờng đo, u điểm thích hợp đo mức điều kiện môi trờng đo có nhiệt độ, áp suất cao môi trờng có tính ăn mòn mạnh Trong phơng pháp cảm biến gồm nguồn phát tia (1) thu (2) đặt hai phía bình chứa Nguồn phát thờng nguồn xạ tia (nguồn 60 Co 137Cs), thu buồng ion hoá chế độ phát mức ngỡng(hình 9.11a), nguồn phát thu đặt đối diện vị trí ngang mức ngỡng cần phát hiện, chùm tia nguồn phát mảnh gần nh song song Tuỳ thuộc vào mức chất lu (3) cao hay thấp mức ngỡng mà chùm tia đến thu bị suy giảm không, thu phát tín hiệu tơng ứng với trạng thái so với mức ngỡng chế độ đo mức liên tục (hình 9.11b), ngn ph¸t (1) ph¸t chïm tia víi mét góc mở rộng quét lên toàn chiều cao mức chất lu cần kiểm travà thu - 153 - 1 2 3 h a) b) Hình 9.11 Cảm biến đo mức tia xạ a) Cảm biến phát ngỡng b) Cảm biến đo mức liên tục 1) Nguồn phát tia xạ 2) Bé thu 3) ChÊt l−u Khi møc chÊt l−u (3) tăng hấp thụ chất lu tăng, chùm tia đến thu (2) bị suy giảm, ®ã tÝn hiƯu tõ bé thu gi¶m theo Møc độ suy giảm chùm tia xạ tỉ lệ víi møc chÊt l−u b×nh chøa - 154 - ... nhng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến 1.4 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến Các cảm biến đợc chế tạo dựa sở tợng vật lý đợc phân làm hai loại: - Cảm biến tích cực: cảm biến hoạt động nh máy phát,... tích, điện áp hay dòng - Cảm biến thụ động: cảm biến hoạt động nh trở kháng đáp ứng (s) điện trở, độ tự cảm điện dung 1.4.1 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực đợc chế tạo... nhiệt cảm biến môi trờng đo - Giảm trao đổi nhiệt cảm biến môi trờng bên Chúng ta hÃy khảo sát trờng hợp đo cảm biến tiếp xúc Lợng nhiệt truyền từ môi trờng vào cảm biến xác định theo công thức: