THIET BI DO LUONG DUOC

b) ðại lượng ño ngẫu nhiên: Là ñại lượng ño mà sự thay ñổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì ta ñều nhận ñược ñại lượng ng[r]

ðẠI HỌC ðÀ NẴNG

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HÓA

KỸ THUẬT VÀ THIẾT BỊ ðO LƯỜNG

Giáo trình đại học

Th.S GVC Trần Thế Truyền

1.4 Các ñặc trưng kỹ thuật ño lường

1.4.1 ðại lượng đo (tín hiệu đo)

1.4.2 ðiều kiện ño

1.4.3 ðơn vị ño

1.4.4 Thiết bị ño phương pháp ño

1.4.5 Người quan sát 10

1.4.6 Kết ño 10

1.5 Cấu trúc dụng cụ ño 11

1.5.1 Phân loại dụng cụ đo: 11

1.5.2 Các đặc tính dụng cụ ño 12

1.5.3 Sơ ñồ khối dụng cụ ño 14

1.6 Các phần tử chức thiết bị ño 15

1.6.1 Mạch ño lường dụng cụ thứ cấp 15

1.6.2 Các chuyển ñổi ño lường thứ cấp 16

CHƯƠNG 2: ðO LƯU LƯỢNG 18

2.1 Tổng quan 18

2.1.1 Lưu chất 18

2.1.2 Lưu lượng 18

2.1.3 ðơn vị 18

2.2 Cơ sở lý thuyết 18

2.3.Các loại thiết bị 21

2.3.1 Màng ngăn có lỗ 21

2.3.2 Ống Venturi 24

2.3.3 Ống Pitot 28

2.3.4 Lưu lượng kế dạng bia 33

2.3.5 Lưu lượng kế có tiết diện thay ñổi 34

2.3.7 Lưu lượng kế siêu âm 39

2.3.8 Lưu lượng kế turbine 41

CHƯƠNG 3: ðO MỨC 45

3.1 Khái niệm chung 45

3.1.1 ðịnh nghĩa 45

3.1.2 ðơn vị ño 45

3.1.3 Phân loại 45

3.2 ðo mức phương pháp ño áp suất thủy tĩnh 45

3.2.1 Nguyên tắc 45

3.2.2 Các phương pháp 46

3.3 ðo mức chuyển ñổi ñiện 47

3.3.1 ðo mức chuyển ñổi biến trở: 47

3.3.2 ðo mức chuyển ñổi ñiện dung 48

CHƯƠNG IV: ðO ÁP SUẤT 50

4.1 Khái niệm chung 50

4.1.1 ðịnh nghĩa 50

4.1.2 ðơn vị ño 50

4.1.3 Phân loại 50

4.1.4 Các phương pháp ño áp suất 50

4.2 Thiết bị ño áp suất 51

4.2.1 ðo áp suất khí gần Pkq 51

4.2.2 ðo áp suất lớn áp suất khí quyển: 52

4.2.3 ðo áp suất nhỏ áp suất khí 54

4.2.4 Áp kế ñiện trở lực căng 57

4.2.5 Áp kế áp ñiện 58

4.2.6 ðo áp suất thiết bị số 59

CHƯƠNG V: ðO NHIỆT ðỘ 62

5.1 Khái niệm chung 62

5.1.1 ðịnh nghĩa 62

5.1.2 ðơn vị ño nhiệt ñộ 62

5.1.3.Nguyên lý 62

5.1.4 Các phương pháp ño nhiệt ñộ 62

5.1.5 Phân loại nhiệt kế: 63

5.2 ðo nhiệt ñộ phương pháp trực tiếp 64

6.1 Khái niệm chung 79

6.2 Phương pháp điện hóa 79

6.2.1 Ngun lý chung 79

6.2.2 Phân loại 79

6.2.3 Phương pháp ñiện dẫn 79

6.2.4 Phương pháp ñiện 81

6.2.5 Phương pháp Culông 83

6.2.6 Phương pháp phân cực 84

6.3 Phương pháp ion hoá 85

6.3.1 Nguyên lý chung 85

6.3.2 Phân loại 86

6.3.3 Chân không kế 86

6.3.4 Phương pháp phân tích ion hố nhiệt 87

6.3.5 Phương pháp phân tích khối phổ 87

6.4 Các phương pháp phổ 88

6.4.1 Nguyên lý 88

6.4.2 Phân loại 89

6.4.3 Thiết bị phân tích khí so màu 90

6.5 Phương pháp nhiệt từ ñiện dung 91

6.5.1 Nguyên lý 91

6.5.2 Ứng dụng 91

6.5.3 Thiết bị phân tích khí nhiệt điện trở 91

6.6 Phương pháp sắc ký 92

6.6.1 Nguyên lý 92

6.6.2 Phân loại 92

CHƯƠNG

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT ðO LƯỜNG

1.1 MỞ ðẦU

1.2 ðỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI PHÉP ðO 1.2.1 ðịnh nghĩa

1.2.1.1 ðo lường

Sự ñánh giá ñịnh lượng hay nhiều thơng số đối tượng nghiên cứu thực cách ño ñại lượng vật lý ñặc trưng cho thơng số

Vậy đo lường q trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với ñơn vị ño

Kết ño lường giá trị số ñại lượng cần ño (Ax), tỉ số đại lượng cần đo (X) đơn vị đo (X0)

Vậy q trình đo viết dạng: Ax =

0

X X

Từ ta có: X = Ax X0 (1-1)

Phương trình (1-1) gọi phương trình phép đo, rõ so sánh ñại lượng cần ño với mẫu cho kết số

1.2.1.2 ðo lường học

Ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp ñể ño ñại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu ñơn vị ño ñược gọi ño lường học 1.2.1.3 Kỹ thuật ño lường

Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành ño lường học vào phục vụ sản xuất ñời sống gọi kỹ thuật ño lường

1.2.2 Phân loại cách thực phép ño

ðể thực phép đo người ta sử dụng nhiều cách khác nhau:

a) ðo trực tiếp: Là cách ño mà kết nhận ñược trực tiếp từ phép ño

Cách ño cho kết Thực tế ña số phép ño ñều sử dụng cách ño trực tiếp

Ví dụ: ðo điện áp dùng vơn kế, mặt vơn kế khắc độ sẵn vơn

trình:

rt1 = r20 [1 + α (t1 - 20) + β(t1 - 20)2 ] rt2 = r20 [1 + α (t2 - 20) + β(t2 - 20)2 ] Giải ta ñược α,β

d) ðo thống kê:

ðể ñảm bảo ñộ xác phép đo nhiều phải sử dụng cách ño thống kê Tức ño nhiều lần sau lấy giá trị trung bình

Cách đo ñặc biệt hữu hiệu tín hiệu ño ngẫu nhiên cần kiểm tra độ xác dụng cụ ño

1.3 CÁC ðẠI LƯỢNG CẦN ðO TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

- Lưu lượng

- ðo mức chất lỏng - Áp suất

- Nhiệt ñộ - Tỷ trọng - ðộ nhớt …

1.4 CÁC ðẶC TRƯNG CỦA KỸ THUẬT ðO LƯỜNG

Trong kỹ thuật đo lường có đặc trưng sau ñây: - ðại lượng cần ño

- ðiều kiện ño - ðơn vị ño

- Phương pháp ño, thiết bị ño

1.4.1 ðại lượng đo (tín hiệu đo)

1 Theo tính chất thay đổi đại lượng đo Có thể chia thành:

a) ðại lượng ño tiền ñịnh: Là ñại lượng ño ñã biết trước quy luật thay ñổi theo thời gian chúng, (hoặc nhiều) thông số chúng chưa biết cần phải đo

Ví dụ: Cần phải đo độ lớn (biên độ) tín hiệu hình sin

ðại lượng đo tiền định thường tín hiệu chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vng

Các thơng số cần đo thường biên ñộ, tần số, góc pha …

b) ðại lượng ño ngẫu nhiên: Là ñại lượng ño mà thay ñổi theo thời gian không theo quy luật

Nếu ta lấy giá trị tín hiệu ta nhận đại lượng ngẫu nhiên

Ta thấy thực tế ña số ñại lượng ño ñều ngẫu nhiên Vì đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh khơng thể đo phép đo thơng thường Trong trường hợp ta phải sử dụng phương pháp đo đặc biệt ño lường thống kê

2 Theo cách biến đổi tín hiệu đo Có thể chia thành:

a) Tín hiệu đo tương tự (analog): (Tín hiệu đo liên tục) biến đổi thành tín hiệu đo khác tương tự

Ứng với tín hiệu đo người ta chế tạo dụng cụ ño tương tự

Ví dụ: Một ampe mét có kim tương ứng với cường độ dịng điện b) Tín hiệu ño số (digital): (Tín hiệu ño rời rạc) tức biến đổi từ tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Ứng với tín hiệu đo người ta chế tạo dụng cụ ño số

3 Theo chất đại lượng đo: Có thể chia thành

a) ðại lượng ño lượng: Tức ñại lượng đo mà thân mang lượng

lượng cần ño X tức Y = f(X) 1.4.2 ðiều kiện đo

Các thơng tin ño lường gắn chặt với môi trường sinh ñại lượng ño

Khi tiến hành phép đo ta phải tính đến ảnh hưởng mơi trường ñến kết ño ngược khi sử dụng dụng cụ đo phải khơng ảnh hưởng đến ñối tượng ño

Ví dụ: ðể ño cường ñộ dịng điện ta dùng ampe mét Dịng điện cần đo I =

R U

Nhưng mắc ampe mét vào để đo điện trở ampe mét RA dịng điện thực tế ño ñược là:

∆ = (Iño - I)/Iño =

R R R R U R U R R U A A

A = −

+ − +

Như muốn cho phép ño dịng điện xác RA phải có giá trị nhỏ

Ngoài ta phải ý đến mơi trường bên ngồi ảnh hưởng đến kết phép ño

Những yếu tố mơi trường bên ngồi là: Nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, từ trường bên ngồi, độ rung, độ lệch áp suất cao thấp so với áp suất trung bình, bụi bẩn …

Những yếu tố phải ñiều kiện chuẩn ðiều kiện chuẩn ñiều kiện ñược quy ñịnh theo tiêu chuẩn quốc gia, khoảng biến độ yếu tố bên ngồi mà suốt khoảng dụng cụ đo đảm bảo ñộ xác quy ñịnh

A

ðối với loại dụng cụ đo có khoảng tiêu chuẩn ghi đặc tính kỹ thuật

Trong thực tế ta thường phải tiến hành ño nhiều ñại lượng lúc lại phải truyền tín hiệu đo xa, tự động ghi lại gia cơng thơng tin

Cho nên cần phải tính đến điều kiện ño khác ñể chọn thiết bị ño tổ chức phép ño cho tốt

1.4.3 ðơn vị đo

ðể sử dụng hệ thống ñơn vị người ta ñã thành lập hệ thống ñơn vị quốc tế (SI) (năm 1960) thơng qua hội nghị quốc tế vê mẫu cân Trong hệ thống đơn vị ñược xác ñịnh sau:

- ðơn vị chiều dài mét (m)

- ðơn vị khối lượng kilogam (kg) - ðơn vị thời gian giây (s)

- ðơn vị cường độ dịng điện ampe (A) - ðơn vị nhiệt ñộ ñộ Kelvin (0K)

- ðơn vị cường ñộ sáng Candela (Cd) - ðơn vị số lượng vật chất mol (mol)

Trên ñây bảy ñơn vị Ngồi cịn có đơn vị kéo theo 1.4.4 Thiết bị ño phương pháp ño

1.4.4.1 Thiết bị ño

Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát

Chúng có tính chất đo lường học, tức tính chất có ảnh hưởng đến kết sai số phép ño

Thiết bị ño lường gồm nhiều loại là: Thiết bị mẫu, chuyển đổi ño lường, dụng cụ ño lường, tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thơng tin ño lường

Mỗi loại thiết bị ñều có chức riêng 1.4.4.2 Phương pháp đo

Các phép ño ñược thực phương pháp ño khác phụ thuộc vào phương pháp nhận thơng tin đo nhiều yếu tố khác đại lượng ño lớn hay nhỏ, ñiều kiện ño, sai số, u cầu

Trong đó: ðại lượng cần ño X ñược ñưa qua biến ñổi (Bð) biến ñổi tương tự số (A/D) biến thành số Nx

ðơn vị ñại lượng ño X0 ñược biến ñổi thành N0, sau ñó ñược so sánh ñại lượng cần ño với ñơn vị ño qua so sánh (SS) Quá trình ñược thực phép chia NX/N0

Kết qủa ño ñược thể biểu thức: X = (NX / N0.) Xo

2 Phương pháp ño so sánh

Là phương pháp đo có cấu trúc mạch vịng, nghĩa có khâu phản hồi

Trong đó:

SS - Bộ so sánh Bð - Bộ biến ñổi

A/D , D/A - Bộ biến ñổi số - tương tự CT - Chỉ thị kết

Tín hiệu đo X so sánh với tín hiệu Xk tỉ lệ với đại lượng mẫu XO Qua so sánh ta có: X - Xk = ∆X

X SS Bð A/D

Xk

CT

D/A

1.4.5 Người quan sát

đó người ựo gia cơng kết ựo

Nhiệm vụ người quan sát đo phải nắm phương pháp đo, am hiểu thiết bị đo mà sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đốn khoảng đo để chọn thiết bị cho phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu phù hợp với điều kiện mơi trường xung quanh

Biết ñiều khiển q trình đo để có kết mong muốn Sau nắm phương pháp gia cơng kết đo để tiến hành gia cơng (có thể tay hay dùng máy tính) số liệu thu sau ño

Biết xét đốn kết đo xem đạt yêu cầu hay chưa, cĩ cần thiết phải đo lại hay khơng, phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê 1.4.6 Kết đo

Kết ño mức coi xác Một giá trị ñược gọi giá trị ước lượng ñại lượng ño Nghĩa giá trị ñược xác ñịnh thực nghiệm nhờ thiết bị ño Giá trị gần với giá trị thực mà ñiều kiện coi thực

để ựánh giá sai lệch giá trị ước lượng giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số phép ựo hiệu giá trị thực giá trị ước lượng

Sai số phép đo có vai trị quan trọng kỹ thuật đo lường Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt u cầu hay khơng

Có nhiều nguyên nhân gây nên sai số: - Do phương pháp đo khơng hồn thiện

- Do biến ñộng ñiều kiện bên vượt ñiều kiện tiêu chuẩn ñược quy ñịnh cho dụng cụ đo mà ta chọn

- Ngồi cịn yếu tố khác dụng cụ ño khơng cịn đảm bảochính xác nữa, cách đọc người quan sát cách ñặt dụng cụ ño khơng quy định

Kết đo số kèm theo ñơn vị ño hay ñường cong tự ghi, ghi lại trình thay ñổi ñại lượng ño theo thời gian

ñược biến ñổi thành ñại lượng Y theo đường thẳng, nghĩa khơng có khâu phản hồi

* Dụng cụ ño kiểu biến ñổi bù: Là loại dụng cụ ño sử dụng khâu phản hồi với chuyển ñổi ngược ñại lượng Y thành ñại lượng bù XK bù với tín hiệu cần ño X

Mạch đo vịng khép kín Thường phép so sánh ñược diễn sau chuyển ñổi sơ cấp

1.5.1.2 Theo phương pháp so sánh ñại lượng đo Có thể phân thành

* Dụng cụ ño kiểu ñánh giá trực tiếp: Là loại dụng cụ ño ñã ñược khắc ñộ theo ñơn vị ñại lượng ño từ trước, ño ñại lượng ño ñược so sánh với kết

* Dụng cụ ño kiểu so sánh: Là loại dụng cụ ño mà việc so sánh ñược thực qua lần ño

Dụng cụ ño kiểu ñánh giá trực tiếp ñược thực theo sơ ñồ biến ñổi thẳng Còn dụng cụ ño kiểu so sánh ñược thực theo sơ ñồ biến ñổi bù 1.5.1.3 Theo phương pháp cho thơng tin đo

Có thể chia thành:

* Dụng cụ đo tương tự: Có số hàm liên tục ñại lượng ño Dụng cụ ño tương tự bao gồm:

- Dụng cụ ño kim chỉ: Kết ño ñược ñọc số kim lên mặt ñã khắc ñộ sẵn

- Dụng cụ ño thị số: Là dụng cụ ño mà đại lượng đo liên tục biến ñổi thành rời rạc kết ño cho dạng số (thập phân hay nhị phân)

1.5.1.4 Theo loại đại lượng đo

Có thể chia thành loại dụng cụ ño mang tên ñại lượng ño Ví dụ: Vơnmét, ampemét, ơmmét

1.5.1.5 Theo mục đích sử dụng

Có thể chia thành dụng cụ ño ñể bàn hay xách tay 1.5.1.6 Theo mức độ bảo vệ

Có thể chia thành dụng cụ đo kín nước, dụng cụ kín bụi, dụng cụ chống va đập

1.5.2 Các đặc tính dụng cụ đo

Dụng cụ đo có đặc tính 1.5.2.1 Sai số dụng cụ ño

* Nguyên nhân gây sai số: Có thể ngun nhân phương pháp ño gây nguyên nhân ñấy có tính quy luật Cũng yếu tố biến ñộng ngẫu nhiên mà Trên sở ñó ta phân biệt hai loại sai số:

- Sai số hệ thống: Còn gọi sai số bản, sai số mà giá trị ln khơng đổi hay thay đổi có quy luật Sai số ngun tắc loại trừ

- Sai số ngẫu nhiên: Là sai số mà giá trị thay đổi ngẫu nhiên biến động mơi trường bên ngồi (như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất …) Sai số gọi sai số phụ

* Tiêu chuẩn ñể ñánh giá ñộ xác dụng cụ ño cấp xác Cấp xác dụng cụ ño giá trị sai số cực ñại mà dụng cụ đo mắc phải Người ta quy định cấp xác dụng cụ ño ñúng sai số tương ñối quy ñổi dụng cụ ño ñó:

γn % =

N m

X

∆

x 100%

XN: Là giá trị cực ñại thang ño

∆m: Là sai số tuyệt ñối cực ñại

ñó thang ño ñược khắc ñộ ñều ðại lượng C =

S

1

gọi số dụng cụ ño Nếu dụng cụ ño bao gồm nhiều khâu biến đổi, khâu có độ nhạy riêng nó: S1, S2,… Sn độ nhạy tồn dụng cụ đo là:

S = S1 S2 S3 … Sn 1.5.2.3 ðiện trở dụng cụ đo cơng suất tiêu thụ

* ðiện trở vào: Mỗi dụng cụ đo có gía trị điện trở vào ðiện trở lớn hay nhỏ tuỳ thuộc tính chất đối tượng đo

ðiện trở vào phải lớn mà tín hiệu khâu trước (của chuyển đổi sơ cấp chẳng hạn) dạng áp, nghĩa dòng vào phải nhỏ cơng suất tiêu thụ phải (ví dụ vơnmét cần phải có điện trở vào lớn tốt)

* ðiện trở ra: ðiện trở dụng cụ đo xác định cơng suất truyền tải cho chuyển ñổi ðiện trở nhỏ cơng suất lớn

Thường để mạch đo có hiệu người ta cố gắng làm phù hợp trở kháng chuyển ñổi trước với trở kháng vào chuyển ñổi tiếp sau

1.5.2.4 ðộ tác động nhanh

ðộ tác ñộng nhanh dụng cụ ño thời gian ñể xác lập kết ño thị

ðối với dụng cụ tương tự thời gian khoảng 4s Cịn dụng cụ số đo hàng nghìn điểm đo 1s

Việc sử dụng máy tính đo ghi lại với tốc ñộ nhanh nhiều, mở khả thực có phép đo lường thống kê

ðộ tin cậy dụng cụ ño phụ thuộc nhiều yếu tố: - ðộ tin cậy linh kiện dụng cụ ño - Kết cấu dụng cụ đo khơng q phức tạp

- ðiều kiện làm việc dụng cụ đo có phù hợp với tiêu chuẩn hay khơng

Nói chung độ tin cậy dụng cụ ño ñược xác ñịnh thời gian làm việc tin cậy ñiều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định khơng

đã có cơng trình nghiên cứu ựộ tin cậy dụng cụ ựo ựiều kiện nước ta (nhiệt ựới, ẩm, nóng) từ ựó mà rút biện pháp nâng cao ựộ tin cậy dụng cụ ựo

1.5.3 Sơ ñồ khối dụng cụ ño

Một dụng cụ đo có ba phận là: Chuyển đổi sơ cấp, mạch đo cấu thị Ta xét khâu chức

1.5.3.1 Chuyển ñổi sơ cấp

Làm nhiệm vụ biến ñổi ñại lượng ño thành tín hiệu điện

ðộ xác ñộ nhạy dụng cụ ño ñều ñịnh khâu

1.5.3.2 Mạch ño

Là khâu thu thập, gia cơng thơng tin đo sau chuyển đổi sơ cấp Mạch đo khâu tính otná, thực phép tính sơ đồ mạch

Tuỳ thuộc vào dụng cụ ño biến ñổi thẳng hay dụng cụ ño so sánh mà mạch ño có cấu trúc khác

Mạch ño thường sử dụng kỹ thuật vi ñiện tử vi xử lý ñể nâng cao đặc tính kỹ thuật dụng cụ đo

1.5.3.3 Cơ cấu thị

Cơ cấu thị khâu cuối dụng cụ đo, làm nhiệm vụ thể kết ño lường dạng số so với ñơn vị sau qua mạch đo Có thể phân biệt ba cách thị kết ño:

- Chỉ thị kim bảng ñã khắc ñộ sẵn, việc so sánh người thực

Chuyển ñổi sơ cấp

1.6.1 Mạch ño lường dụng cụ thứ cấp

1 Mạch ño lường: Là thiết bị kỹ thuật làm nhiệm vụ biến đổi, gia cơng thơng tin tính tốn, phối hợp tin tức với hệ vật lý thống

Ta coi mạch đo lường khâu tính tốn, thực phép tính đại số sơ ñồ mạch nhờ vào kỹ thuật ñiện tử theo yêu cầu kỹ thuật thiết bị ño

Phân loại mạch ño: Theo chức mạch ño mà ta phân thành nhiều loại mạch đo sau:

- Mạch tỷ lệ: Là mạch thực phép nhân (hoặc chia) với hệ số k Nghĩa đại lượng vào x đại lượng kx

ðại diện cho loại là: Phân áp, biến áp, biến dòng

- Mạch khuếch ñại: Cũng giống mạch tỷ lệ, Mạch khuếch ñại làm nhiệm vụ nhân thêm hệ số K gọi hệ số khuếch ñại

Tuy nhiên mạch khuếch đại cơng suất lớn cơng suất vào, nghĩa đại lượng vào ñiều khiển ñại lượng

- Mạch gia cơng tính tốn: Bao gồm mạch thực phép tính đại số cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân

- Mạch so sánh: Là mạch so sánh hai ñiện áp

Mạch thường ñược sử dụng thiết bị ño dùng phương pháp so sánh

- Mạch tạo hàm: Là mạch tạo hàm số theo yêu cầu phép đo nhằm mục đích tuyến tính hóa đặc tính tín hiệu đo đầu phận cảm biến

- Mạch ño sử dụng kỹ thuật vi xử lý: Là mạch đo có cài đặt vi xử lý để tạo cảm biến thơng minh, khắc độ máy tính, nhớ gia cơng sơ số liệu đo

2.Dụng cụ thứ cấp hay thiết bị ngoại vi thiết bị ghép nối: phận ghép nối với thiết bị đo bàn phím, hình, máy in, hệ thu thập số liệu, kênh liên lạc nhằm mục đích tăng độ nhạy, độ xác, thuận tiện cho việc nhập số liệu, kiểm tra số liệu, ñọc kết

Thiết bị đo đại, xác mạch đo phức tạp 1.6.2 Các chuyển ñổi ño lường thứ cấp

1.6.2.1 Các ñịnh nghĩa

* Chuyển ñổi ño lường: Là thiết bị thực quan hệ hàm ñơn vị hai ñại lượng vật lý với độ xác định

Như chuyển ñổi ño lường làm nhiệm vụ biến ñổi từ ñại lượng vật lý sang ñại lượng vật lý khác Mối quan hệ hàm tuyến tính hay phi tuyến

* Chuyển ñổi ño lường sơ cấp: Là chuyển ñổi ño lường mà ñại lượng vào đại lượng khơng điện đại lượng đại lượng điện

Phương trình chuyển ñổi ñược viết sau: Y = f(X)

Trong đó: X đại lượng khơng điện cần đo Y ñại lượng ñiện sau chuyển ñổi

* ðầu ño: Khi chuyển ñổi sơ cấp ñược ñặt vỏ hộp có kích thước hình dáng khác phù hợp với chỗ ñặt ñiểm ño ñể tạo thành loại dụng cụ ñược gọi đầu đo, cảm biến hay cịn gọi sensor

ðể thực phép ño ñại lượng khơng điện phương pháp điện ta phải có ñầu ño (cảm biến) mà phần tử bên chuyển đổi sơ cấp

ða số chuyển ñổi sơ cấp ñều dựa hiệu ứng vật lý: Hiệu ứng nhiệt ñiện, quang ñiện, hóa điện, cộng hưởng từ hạt nhân… mà ñộ xác, ñộ nhạy, ñộ tác ñộng nhanh … ñều phụ thuộc vào thành tựu khoa học công nghệ chế tạo chúng

1.6.2.2 Phân loại chuyển ñổi sơ cấp

1 Dựa nguyên lý chuyển ñổi: Mà phân thành

- Chuyển ñổi nhiệt ñiện: Dựa tượng nhiệt điện ðại lượng khơng điện làm thay đổi sức điện động nhiệt điện hay điện trở

- Chuyển ñổi ñiện tử ion: Trong đại lượng khơng điện làm thay đổi dịng điện từ hay dịng ion chạy qua

- Chuyển ñổi lượng tử: Dựa tượng cộng hưởng từ hạt nhân cộng hưởng từ ñiện tử

2 Theo tính chất nguồn điện: Mà phân thành

- Chuyển đổi phát điện: Có đại lượng điện áp V, sức điện động E, dịng điện I, đại lượng vào đại lượng khơng đổi cần đo

Ví dụ: Trong chuyển đổi cảm ứng, cặp nhiệt ñiện , chuyển ñổi áp ñiện … ñại lượng vào thơng số cần đo tốc độ quay, nhiệt ñộ, áp suất ðại lượng sức ñiện ñộng cảm ứng ECƯ, sức ñiện ñộng nhiệt ñiện ENð điện tích q

- Chuyển đổi thơng số: Trong đại lượng thơng số ñiện trở R, ñiện cảm L … chuyển ñổi ñiện cảm, ñiện dung

CHƯƠNG 2: ðO LƯU LƯỢNG

2.1 TỔNG QUAN 2.1.1 Lưu chất

Có thể chất lỏng, khí hay chí vài trường hợp chất rắn dạng bụi

2.1.2 Lưu lượng

Là lượng lưu chất chảy ống dẫn ñơn vị thời gian 2.1.3 ðơn vị

Trong hệ SI, lưu lượng thể tích biểu thị m3/s ; m3/h …các ñơn vị khác ñược dùng làm m3/d

ðối với hệ đơn vị Mỹ, có ñơn vị gpm (gallon per minute), gpd (gallon per day)

* Trong trường hợp chất lỏng, cần biết khối lượng riêng, ta tính lưu lượng khối lượng: Qm = Qv ρ

ρ khối lượng riêng lưu chất

* Trong trường hợp chất khí, lưu lượng biểu thị cách: - Trong trường hợp lưu chuyển: Biểu thị “m3 thực tế” theo gía trị áp suất nhiệt độ khí xét

- Trong ñiều kiện bình thường 250C 101.3 kPa: biểu thị m3/s - Trong ñiều kiện tiêu chuẩn 00C 101.3 kPa: biểu thị Nm3/s Trong trường hợp, biết lưu lượng khối lượng khí để tránh lẫn lộn

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương trình Bernouli ứng dụng làm sở cho việc ño vận tốc lưu lượng chất lỏng ống dẫn

Tại tiết diện ống dẫn nằm ngang, áp suất chung tổng áp suất tĩnh học (pth) áp suất ñộng lực (

2

w

ρ

): p = pth +

2

pw

(1)

Ống Venturi ống có tiết diện hình 2.1:

Hình 2.1: Ống Venturi

Nhờ hình dạng ñều ñặn mà tổn thất áp suất khơng vượt q 15% độ chênh lệch áp suất chung

Lưu lượng chất lỏng chảy qua ống Venturi ñược xác định cách giải đồng thời phương trình Bernoulli phương trình lưu lượng

Lập phương trình Bernoulli cho mặt cắt f1 f2 vị trí A1 A2 cạnh g g p g g p 2 2 2 1 ω ρ ω

ρ + = + (2)

Hay: h =

g g p p 2 2

1 ω ω

ρ

− = −

, [m] (3) Ở ñây

g p

ρ

g p

ρ

2 : Thế riêng tĩnh học mặt cắt f

1 f2

g 2 ω g 2 ω

: Thế riêng vận tốc mặt cắt trên, [m]

2 2 2       = f f ω ω (4) 2 2 2 2       =       = d d f f ε ω ε ω ω

ε: Hệ số ñiều chỉnh, phụ thuộc vào cấu tạo màng chắn mặt cắt f2 d: ðường kính lỗ màng chắn

Thay giá trị

ω vào phương trình (3): h =               − 2 1 d d g ε ω (5) Từ vận tốc dịng mặt cắt f2 (tại màng chắn):

ω2 = 4

1 2       − d d gh ε (6)

Vì thực tế tỷ lệ

1

d d

nhỏ (

4

ñến

3

) nên bỏ qua

4       d d ε ,

khi đó: ω2 = 2gh, [m/s] (7)

Lưu lượng chất lỏng chảy ống dẫn bằng: Q = µ d 2gh

4 π

[m3/s] (8)

Với: µ - hệ số lưu lượng có tính ma sát lỗ màng chắn tượng thắt dòng chất lỏng chảy qua

Có thể xác định µ theo Re sau:

Khi Re < 25: µ =

Re 25

Khi 25 < Re < 300: µ =

Re Re +

Khi 300 < Re < 10000: µ = 0.592 + 1/4

Re 27

Khi Re > 10000: µ = 0.592 +

Re

5 Rotamètre

6 Lưu lượng kế siêu âm Lưu lượng kế ñiện từ Turbine

9 Lỗ ñập tràn (Canal Jaugeur - Parshall) 10 Lưu lượng kế thể tích (Déversoirs) 11 Xốy nước (Tourbillon - Vortex) Chúng ta xem xét loại

2.3.1 Màng ngăn có lỗ (Orifice plate) a Cấu tạo:

* Màng ñĩa kim loại mỏng, chịu ăn mịn mài mịn, có đục lỗ (thường hình trịn) đồng tâm với ống dẫn, ngồi có dnạg khác: Lệch tâm, hình viên phấn (sử dụng trường hợp lưu chất có dạng huyền phù) hình 2.2:

(1) (2) (3)

Hình 2.2: Vách ngăn

Trên màng có lỗ nhỏ để xả phần ngưng tụ (condensat) lưu chất khí, trường hợp lưu chất lỏng lỗ nhỏ dùng ñể xả khí,

ðộ dày lớp màng Ep thường ÷ 12mm, phụ thuộc vào đường kính ống dẫn (D) nhỏ 0,05D

Hình vẽ 2.3 phát hoạ sơ thiết bị (thường ñược dùng nhất)

Chiều dày e phần hoạt ñộng lỗ màng khoảng Ep/3 Ở phía lỗ màng vát mép góc 300 đến 450 Bề mặt màng phải nhẵn, ñộ nhám phải tuân theo tiêu chuẩn

Nếu màng dùng ñể ño lưu lượng theo chiều bên lỗ phải nhẵn khơng vát mép Lớp màng lồng vào mặt bích đặt vng góc với trục dịng chảy

Có thể thay đổi đường kính lỗ màng nhờ vào cửa sập bên giống cấu tạo cửa chớp máy ảnh

ðầu ño áp suất ñược tiêu chuẩn hố, phép đo th đoạn đầu đoạn cuối ðầu đo đính vào mặt bích hay đường ống

* ðẦU ðO ðÍNH TRÊN MẶT BÍCH

Theo khoảng cách ñầu ño bề mặt tương ứng màng, có loại đầu đo mặt bích

25 - 25 mm ; 1” - 1”

Khi ñầu ñược ñặt góc đường óng dẫn màng (0 - 0), đầu dị dẫn trực tiếp lên đo áp, qua buồng trung gian hình vịng cung gọi buồng ño áp suất cao, cho phép ñạt ñược giá trị áp suất trung bình ñiểm tiết diện ñường chảy lưu chất, cho phép giảm hiệu ứng chảy xốy xảy

* ðẦU ðO ðÍNH TRÊN ðƯỜNG ỐNG

Các đầu dị gắn vào mặt ống - tiêu chuẩn hố Các ñầu dò ñược sử dụng trường hợp đầu dị đặt mặt bích khơng sử dụng (do khơng gian, mặt lắp đặt .) Trong hình 2.5 dưới, khoảng cách VC hàm đường kính ống dẫn, tỷ số β, số Reynolds dịng chảy Khi β = 0,4 VC = 0,7D Trên nguyên tắc đầu dị vị trí VC sử dụng đường dính ống dẫn D > 150 mm

Số Re hàm tỷ số β đường kính ống dẫn D: Re minimal Remaximal D < 100 mm

β < 0.5 10000 ÷ 15000 106

β < 0.5 20000 ÷ 45000 106 D > 100 mm

45000 107

Khi Re < 10000, cần hiệu chỉnh lại hệ số lưu lượng Hệ số β có giá trị nên nằm khoảng 0,2 ÷ 0,7

ðối với màng đo, khơng có giới hạn sử dụng lưu lượng, giới hạn áp suất

B Các ñặc trưng: Ưu ñiểm:

Áp suất nhiệt ñộ giới hạn 2000 psi , 3000C

ðộ xác đạt ± 0,2% ñiều kiện vận hành nằm giới hạn cho phép, ñạt ± 0,2% ñiều kiện vận hành nằm phạm vi cho phép

Dễ dàng tái sử dụng, ñộ tin cậy cao Nhược ñiểm:

Gây tổn thất áp suất lớn, ñặc biệt sử dụng với bơm có lưu lượng lớn Tổn thất đạt 40% ÷ 70% áp suất đường ống dẫn

Khơng thích hợp với lưu chất có chứa chất rắn dạng huyền phù, lưu chất loại làm phép ño sai lệch nhiều

2.3.2 Ống Venturi

A Các loại Ống Venturi:

Có nhiều loại thiết bị dạng Venturi: - Ống Venturi cổ ñiển

- Ống Dallo

- Tuyère - Venturi - Ống Gentile

Bao gồm phận:

- Một ống cylinder có đường kính với ống dẫn, nơi đặt đầu dị áp suất tĩnh cao

- Một ống thắt dần hình trụ, áp suất tĩnh giảm áp suất ñộng tăng

- Một ống nhỏ hình trụ (col cylindre) tạo nên chỗ thắt dịng, đặt đầu áp suất thấp

- Một ống có dạng phân kỳ

Các kích thước tiêu chuẩn hố (nêu hình vẽ 2.6)

Góc phân kỳ khoảng 70 ÷ 150, góc 70 tương ứng với tổn thất áp suất cực tiểu Ống nhỏ hình trụ ( col cylindre) chế tạo kim loại có bề mặt nhẵn

Cũng có trường hợp ống Venturi có tiết diện hình chữ nhật, nhiên loại sử dụng

Các đầu dị áp suất p1 p2 thường nằm eo hình vịng cung * ðặc trưng:

Ống Venturi ñược sử dụng cho ống dẫn có đường kính 25 mm - 3000mm

Số Re lưu chất phải > 150.000;

Hệ số décharge phải gần 0,98 ;

Tỷ số β nằm khoảng 0,3 - 0,7;

Tổn thất áp suất thiết bị gây 10% - 14% áp suất dòng;

ðộ xác đạt ± 0,5% thang mở rộng Sẽ xác cần hiệu chỉnh Re < 150.000 hay > 2.000.000;

Chúng ñược sử dụng cho lưu chất có chất rắn dạng huyền phù hạn chế dùng cho nước sinh hoạt

ðối với lỗ dị áp suất, cần định kỳ vệ sinh để thơng lỗ C Ống Dall:

Cấu trúc tương tự ống Venturi cổ ñiển ngắn nhẹ

Gồm thân hình nón kim loại nhẹ hay nhựa, bề mặt nhẵn (Hình 2.7) Hai thân hình nón tách rời kênh hay vết cắt hình vành khuyên (gap)

Thiết bị không dùng trường hợp lưu chất chứa hàm lượng lứon huyền phù

Ống Dall ñược chế tạo thép ñặc biệt nhựa gia cố sợi thủy tinh Kích thước nhỏ lần so với đường kính ống dẫn ñược lồng vào bên ống dẫn

Thiết bị dùng cho đường ống có đường kính 100 - 1200 mm ðộ xác ñạt ± 0,5% - ± 3% ñối với thang ño mở rộng

Sự tổn thất áp suất ống Dall gây 1/2 so với tổn thất áp suất dùng ống Venturi cổ ñiển

* Chú ý: Sự tụt áp (áp suất tĩnh) dịng lưu chất qua họng thắt tạo khoảng chân khơng cục (tạo lực hút), ứng dụng nhiều thực tế Ví dụ: Trong thiết bị bơm chlore, bơm nước, ñầu ñốt hút nhiên liệu

Tương tự cấu tạo ống Venturi phần ống phân kỳ ñược thay ống tuyère, ñiều giúp thiết bị bớt cồng kềnh hơn, tổn thất áp suất nhỏ so với ống Venturi cổ ñiển

Loại thiết bị ñược cho phép ño lưu lượng theo chiều, có cấu trúc hình học đối xứng, gọi ống Venturi có hệ số β cao

Hoạt ñộng dựa nguyên tắc gióng ống Pitot ñầu dò áp suất Chiều dài ống khoảng gấp đơi đường kính ống dẫn

Áp suất tồn phần nhận qua eo hình vịng cung, lưu chất ñượctiếp nhận hàng loạt lỗ ñịnh hướng phía đầu dịng chảy phân bố ñặn toàn chu vi ống dẫn

Một số lỗ khác định hướng phía cuối dịng chảy - cho phép xác ñịnh áp suất tĩnh Từ ñộ chênh lệch áp suất đo được, suy vận tốc dịng chảy lưu lượng thể tích

Tổn thất áp suất tương ñối thấp (< 15% ñộ chênh lệch áp suất ño ñược) Hơn ống Gentile không cần ống thẳng trước sau thiết bị trừ có van điều chỉnh lắp ñầu ống

Thiết bị ñược cải tiện cồng kềnh so với ống Dall, lắp đặt đường ống với đường kính 2m, sử dụng cho dịng chảy có Re từ 100.000 - 800.000 mà không cần hiệu chỉnh hệ số déccharge ðộ xác so sánh với ống Dall

2.3.3 Ống Pitot

A Nguyên tắc hoạt động

Dựa phương trình Bernoulli, theo áp suất toàn phần PT tổng áp suất tĩnh ps áp suất ñộng học pd

Người ta xác ñịnh vận tốc tức thời ñiểm B, ñộ chênh lệch áp suất ∆p ñược ño áp kế cho phép xác ñịnh vận tốc này:

pT = pS + pd

pd = pT - ps = ∆p =

2

v

ρ (*) v =

ρ

p

∆

2

(**)

v: Vận tốc dòng chảy (m/s)

ρ: Khối lượng riêng (kg/m3)

∆p: ðộ chênh lệch áp suất

Cửa B nhận gía trị áp suất tồn phần gọi điểm đến, hay điểm tác ñộng, ñây vận tốc thực tế

Chú ý ñộ chênh lệch áp suất ñây có ý nghĩa khác với độ chênh lệch áp suất ñiểm thắt thiết bị kể trên; chênh lệch áp suất ñiểm thắt áp suất tĩnh, trường hợp áp suất ñộng

Một vài quan niệm cho cần đưa vào cơng thức hệ số hiệu chỉnh ñể bù lại phần yếu ñi áp suất tĩnh

Sự yếu sinh chảy rối ống nhận áp suất toàn phần Nó bỏ qua vận tốc nhỏ ngưỡng

Có nhiều loại ống Pitot, chúng nghiên phần lưu lượng kế cho dòng chảy tự

- ðầu dò Prandt - Ống Venturi kép - Ống Pitot kiểu S

- Ống Pitot kiểu phân bố theo hình vành khun ðầu dị Prandt (Hình 2.11)

Gồm có đầu dị nằm giá đỡ: - ðầu dị B cho phép đo áp suất tồn phần PT

- ðầu dị khác lỗ nằm bên hơng - cho phép xác ñịnh áp suất tĩnh ps

ðể xác định giá trị lưu lượng tồn phần ống dẫn từ vận tốc tức thời, cần biết tiết diện A ống dẫn phân bố vận tốc tồn bề mặt để xác ñịnh vận tốc trung bình Vmoy

Q = VmoyA

ðể xác định vận tốc trung bình, phương pháp áp dụng: Phương pháp gần đúng:

- Sự cân ñối vận tốc lớp ñồng tâm

Các phương pháp ñược sử dụng tất trường hợp tính tốn vận tốc trung bình

* Vận tốc trục dịng chảy:

Vận tốc trung bình tính theo cơng thức sau: Vmoy = Vaxe x Fp

Vmoy: Vận tốc trung bình

Vaxe: Vận tốc trục dòng chảy

Fp: Hệ số mặt cắt - ñược xác ñịnh theo số Re biểu thức tốn học phức tạp, tóm tắt bảng sau:

Re Fp

4 x 103 0.791

104 0.800

4 x 104 0.811

105 0.817

4 x 105 0.827

106 0.841

4 x 106 0.866

Loại có độ nhạy gấp 15 lần so với loại Pitot nhờ vào tăng vận tốc họng ống Venturi

3 Ống Pitot kiểu S (Hình 2.13)

Giới thiệu version khác ống Pitot, thơng thường dùng để đo vận tốc khí ống khói, chúng phân biệt rõ ràng vị trí đo áp suất

Về tương tự kiểu S Vị trí đo áp suất tồn phần thực ống gaine phân bố từ lỗ màng

Vận tốc ño ñược vận tốc trung bình lưu chất 2.3.4 Lưu lượng kế dạng bia (Cible)

ðặc biệt ñược dùng cho lưu chất có độ nhớt cao, có nhiều vật chất dạng huyền phù, hay có nhiệt độ cao

* Ngun lý hoạt động

Hình 2.15 phát hoạ ngun lý hoạt ñộng: Lực tác ñộng lên bia tỷ lệ thuận với áp suất ñộng chất lỏng, mặt trái nhận áp suất toàn phần, mặt phải nhận áp suất tĩnh:

Áp suất ñộng tỷ lệ với bình phương vận tốc lưu chất, đo nhờ vào hệ thống tay địn qua chuyển đổi khí động học cân lực, hay qua chuyển ñổi ñiện Vận tốc trung bình: Vmoy = ρpd

2

Và lưu lượng: Q = A ρ pd

2

2.3.5 Lưu lượng kế có tiết diện thay đổi - Rotamètres

Dùng để đo lưu lượng tức khí chất lỏng, ống hình trụ tiết diện khơngđều nằm thẳng đứng, ln làm thuỷ tinh, phần tiết diện loe hướng lên phía

Phía bên có bố trí phao nổi, phao có hình trụ trịn tiết diện thay ñổi ñều, van từ lên ño mức lưu lượng lưu chất (Hình 2.16)

Trong Rotamètres trái với lưu lượng kế thắt dòng (lưu chất di qua vị trí thứt có tiết diệ khơng đổi độ chênh lệch áp suất hàm lưu lượng ), tiết diện ống lưu chất ñi qua thay ñổi lưu lượng ñộ chênh lệch áp suất qua phao khơng đổi Phao di chuyển tuyến tính với lưu lượng

* Ngun lý hoạt động

Khi lưu lượng 0, phao nằm ñáy ống ño, lưu lượng lưu chất > , chênh lệch áp suất ñẩy phao lên theo phương tăng tiết diện ống ño, khoảng cách thành ống ño phao tăng

Phao ñạt cân ñộng lực áp suất chất lỏng hướng lên với trọng lực biểu kiến phao thiết bị

- Trọng lực biểu kiến phao trọng lực trực trừ ñi lực ñẩy Archimède:

Vfρfg = Vfρg = Vf (ρf - ρ)g - Thuỷ lực tác ñộng lên phao là:

F = ∆p x Af

Af : Diện tích phần tiết diện cắt ngang lớn phao Vf ρf : Thể tích khối lượng riêng phao

ρ : Khối lượng riêng lưu chất g : Gia tốc trọng trường

Từ đó, ta có:

Q = K1 A p

f A Vf

g ∆     

ρ ρ f

Người ta nhận thấy lưu lượng tỷ lệ trực tiếp với phần tiết diện ống ño A lưu chất qua, tức vị trí thành phao thành ống

Góc ϕ ống ño nhỏ, khoảng từ - 60, thay ñổi tiết diện ngang ống tỉ lệ với dịch chuyển theo chiều thẳng ñứng phao, thang ño lưu lượng ñược khắc phần thuỷ tinh thực tế tuyến tính

2.3.6 Lưu lượng kế ñiện từ

Lưu lượng kế ñiện từ (DEM) ñã ñược dùng lần ñầu vào năm 1958 Mỹ, ñể ño lưu lượng natri lỏng

DEM thiết bị tĩnh, khơng có phần động nào, cho phép đạt độ xác cao, ño vận tốc tức thời chất lỏng ăn mịn, nhớt, khó thao tác tay nhiễm, ñiều kiện ñộ dẫn ñiện lớn µS/cm vận tốc chảy > 1./s

D: Chiều dài dây dẫn (m)

V: Vận tốc di chuyển dây dẫn (m/s)

Trong trường hợp chất lỏng chảy, coi chất lỏng tập hợp nhiều dây dẫn di chuyển từ trường khơng đổi (hình 2.17)

Với nguyên tắc trên, thiết bị gồm phận:

- Một cuộn dây ñể cung cấp từ trường

- Hai ñiện cực ñể nhận ñiện áp cảm ứng ñiện từ sinh lưu chất chảy qua với vận tốc v

D tương ứng với đường kính ống, hay khoảng cách ñiện cực, với giá trị B D biết, ta tính lưu lượng Q qua E:

Q = v A A: Tiết diện ống (m2)

Lưu lượng có quan hệ tuyến tính với đ đo được, điện tỷ lệ trực tiếp với vận tốc dòng chảy

ðiện sinh thông thường xoay chiều, có giá trị khoảng vài mV Thơng thường, dịng xoay chiều CA mạng ñược cấp nguồn cuộn dây sinh từ trường, bên cạnh xuất ngày nhiều DEM ñược cung cấp nguồn dịng chiều CC xung động

2.3.6.2 Thiết bị

Như lưu lượng kế khác, DEM gồm phần: - Capteur

- Các ñầu ño

A Capteur: (Hình 2.18)

chuyển tín hiệu phân tích điện, với dịng từ - 20mA, tần số - 1000Hz hay giá trị khác (tín hiệu số)

2.3.7 Lưu lượng kế siêu âm

Thiết bị ñược phân biệt với loại khác: Khơng có phận động hay tĩnh bên ống dẫn

Có thể ño lưu lượng tức thời chất lỏng tinh khiết, chất lỏng có vật chất rắn dạng huyền phù, chứa bọt khí

Trong y học, dùng ñể ño vận tốc máu mạch Có loại: - Lưu lượng kế thời gian hành trình

- Lưu lượng kế hiệu ứng Doppler 2.3.7.1 Lưu lượng kế thời gian hành trình

A Nguyên lý

Vận hành dựa sở thay ñổi vận tốc lan truyền âm chất lỏng chảy so với vận tốc lan truyền âm chất lỏng tĩnh: Vận tốc tăng siêu âm lan truyền theo chiều dòng chảy, vận tốc giảm lan truyền theo chiều ngược lại

Sự khác thời gian hành trình sóng âm, phát sinh từ khác vận tốc lan truyền biểu kiến hàm tốc ñộ chảy

- Nếu chiều dòng chảy trùng với trục lan truyền sóng âm: (H 2.19a) v = ∆t

l c

2

v : Vận tốc chảy chất lỏng ñầu dò ;

∆t : Chênh lệch thời gian điểm đầu cuối lộ trình; c : Vận tốc lan truyền siêu âm chất lỏng tĩnh; l : Khoảng cách đầu dị ;

- Nếu đầu dị bố trí chéo thì: (H2.19b) v = ∆t

θ cos

2

l c

Với θ góc trục dịng chảy với trục lan truyền Khoảng cách đầu dị lần so với ñường kính ống dẫn

- ðối với lưu lượng đường kính lớn, người ta thường dùng đầu dị kim, ñầu phát nhận ñược ñặt nơi có vận tốc tương ứng với vận tốc trung bình, nói chung đầu cách thành bình khoảng D/5 (D: đường kính đường ống dẫn) (H 2.19c)

B Thiết bị lắp ñặt

Các ñầu dị hay chuyển đổi lắp đặt bên hay bên ống dẫn

Tần số sóng siêu âm phát gần MHz

K : Hằng số, phụ thuộc vào đặc trưng sóng tới

∆ f : ðộ chênh lệch tần số

A Thiết bị

Bộ chuyển ñổi hay ñầu thu phát nằm ngồi ống dẫn (Hình 2.20), điều quan trọng thành ống dẫn phải truyền âm, ống dẫn bê tơng, đất sét gang có độ xốp cao khơng thích hợp chúng hấp thụ tồn sóng âm

Hình 2.20 Lưu lượng kế siêu âm hiệu ứng Doppler B ðặc trưng

- Phương pháp áp dụng cho chất lỏng có bọt khí hay chất lỏng chứa 0,2% - 60% chất rắn dạng huyền phù, chất rắn dạng bụi dòng chảy

- Lưu lượng kế hiệu ứng doppler sử dụng cho chất lỏng có lẫn khơng khí mà lưu lượng kế thời gian hành trình khơng áp dụng

- Sai số phép ño gần ± 3% 2.3.8 Lưu lượng kế turbine

Các lưu lượng kế turbine cho phép đo lưu lượng thể tích tức thời hay lấy giá trị trung bình

Thường ñược dùng ñể ño lưu lượng chất lỏng, để đo chất khí, lưu lượng kế có chút thay ñổi cấu tạo turbine

2.3.8.1 Nguyên lý hoạt ñộng

Turbine hay cánh quạt nhiều mái chèo, cịn gọi rotor đặt đồng trục với ống dẫn

B ðo vận tốc quay

Vận tốc quay turbine ñược ño nhờ vào detector đặt ngồi thân lưu lượng kế

Detector có cấu tạo bao gồm cuộn dây ñiện từ, hoạt ñộng theo cách: Réluctance Inductance

*Réluctance

Trong phương pháp này, từ trường ñược tập trung ñiểm

Các cánh quạt rotor làm vật liệu thuận từ bị hút nam châ Khi qua cánh quạt gần mặt nó, từ tính lại thay ñổi làm phát ñiện cuộn dây

Tần số dao ñộng ñiện tỷ lệ vứoi vận tốc lưu lượng chất lỏng

ðối với phương pháp này, nam châm vĩnh cửu lồng khít vào bên rotor

ðối với vịng quay hồn tồn, nam châm cung cấp điện có xung động, với tần số tỷ lệ với vận tốc chảy lưu lượng chất lỏng (Hình 2.23)

Module điện tập hợp tín hiệu tương ứng với dao động dạng phân tích hay số tùy theo yêu cầu ñiều khiển: Hiển thị, ñếm hay ñiều chỉnh

C Kiểm ñịnh

Việc kiểm ñịnh lưu lượng kế turbine ñược thực nhà máy, thiết bị thắt dòng cài vào phần ñầu hay phần cuối lưu lượng kế

Nhà sản xuất cung cấp đồ thị có liên quan ñến ñiều kiện làm việc khác (nhiệt ñộ, ñộ nhớt, lưu chất ), dựa vào ñó ñể ñánh giá

3.1.3 Phân loại

1 Dựa vào chức năng: Phân thành - ðo mức môi trường làm việc - ðo khối lượng chất lỏng Theo phạm vi ño: Phân thành

- Phạm vi ño rộng: Giới hạn từ 0,5 - 20m - Phạm vi ño hẹp: Giới hạn từ - 500mm Dựa vào nguyên lý hoạt ñộng: Phân thành

- ðo mức cột nước thuỷ tĩnh

- ðo mức chuyển ñổi ñiện (biến trở, ñiện dung )

3.2 ðO MỨC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ðO ÁP SUẤT THỦY TĨNH 3.2.1 Nguyên tắc

Nguyên tắc phương pháp ño áp suất thủy tĩnh P cột chất lỏng có độ cao h tỉ trọng ς khơng đổi

3.2.2 Các phương pháp

1 ðo mức áp kế (Hình 3.1a)

Áp suất đo từ áp kế liên quan ñến hiều cao h mức: P = ς g h

2 ðo mức áp kế vi sai bể hở: (Hình 3.1b) a Cấu tạo

1 Áp kế vi sai Bình so sánh (Bình cân bằng) Ống đẩy Van

b Nguyên tắc

Áp kế vi sai (1) ñược nối qua ống ñẩy (2) nối với bể chứa bình so sánh (3) Bình cân (3) dùng ñể bù áp suất tĩnh tạo cột chất lỏng h1 ống đẩy

Trong qúa trình đo bình cân gĩư khơng đổi van (4) dùng để trì mức khơng đổi bình (3)

Khi trọng lượng riêng khơng đổi với h1 == h2 ta có độ giảm áp suất đo áp kế vi sai

∆P = ς g h

3 ðo mức áp kế vi sai với bể có áp suất cao (Hình 3.1c)

2 Sợi dây Biến trở

3 Puly Lò xo xoắn

4 Trục Cơ cấu cam

2 Nguyên tắc

Phao (1) phản ánh mức lỏng cần ño ñược nối với sợi dây (2) gắn vào puli (3) Khi puli quay trục (4) gắn với trượt (5) quay theo trượt biến trở (6)

ðầu dây biến trở mắc vào mạch đo

ðường kính puli tính cho chu vi có độ dài khoảng cách mức cần đo

ðể giữ cho dây treo phao ln căng, hệ thống gắn thêm lị xo xoắn (7) cấu cam (8) để puli quay ñược vòng

3 Ứng dụng

- Thiết bị dùng để đo mức chất lỏng có phạm vi từ vài chục centi met ñến vài mét

3.3.2 ðo mức chuyển ñổi ñiện dung Cấu tạo (Hình 3.3)

1 Chuyển đổi ñiện dung: Là kim loại thẳng, phủ lớp chống ăn mịn hóa học

2 Thùng kim loại: ðựng chất lỏng MC - Mạch cầu không cân C1, C2 - Tụ ñiện MF - Máy phát cao tần

CL - Bộ chỉnh lưu Rñ/c - ðiện trở ñiều chỉnh ðTK - ðiện tự ñộng

2 Nguyên tắc

Chuyển ñổi ñiện dung (1) ñược ñặt thùng chất lỏng (2)

Khi thùng rỗng, ñiện dung thùng 8pF Lúc ñầy chất lỏng ñiện dung tăng lên ñến 30pF

Chuyển ñổi ñiện dung ñược mắc vào nhánh mạch cầu không cân (MC), nhánh thứ hai gồm tụ C1 (8pF) tụ C2 (22pF) mắc song song qua khoá K

Hai nhánh khác MC cuộn dây thứ cấp máy biến áp

Mạch cầu ñược cung cấp máy phát cao tần (MF) có tần số - 10MHz

ðiện áp MC ñược chỉnh lưu qua chỉnh lưu (CL)

CHƯƠNG IV: ðO ÁP SUẤT

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG 4.1.1 ðịnh nghĩa

Áp suất lực tác dụng đơn vị diện tích theo phương thẳng ñứng

F = F/S = Áp lực / diện tích

Áp suất ñại lượng ñể xác ñịnh trạng thái nhiệt ñộng học chất

Áp suất tuyệt ñối (Ptñ), áp suất khí (Pkg) áp suất ño (Pñ) quan hệ theo ñẳng thức: Ptñ = Pkq + Pñ

4.1.2 ðơn vị ño

ðơn vị ño áp suất phụ thuộc vào hệ thống ño ðơn vị ño áp suất Pascal (Pa) Pa = N/m2

Ngồi dùng: Bar, atm, mm H2O, mmHg (Tor) Dãi ño áp suất từ 10-12 , 1011 Pa

4.1.3 Phân loại

1 Dựa vào áp suất cần ño

- Áp kế: ðo áp suất dư

- Khí áp kế: ðo áp suất khí khí - Chân khơng kế: ðo độ chân khơng

- Áp kế tuyệt đối: ðo áp suất tính từ tuyệt ñối - Áp kế vi sai: ðo ñộ chênh áp

2 Dựa vào nguyên lý làm việc

- ðo phương pháp trực tiếp - ðo phương pháp gián tiếp 4.1.4 Các phương pháp ño áp suất

ðo áp suất ño lực theo hai phương pháp:

1 ðo áp suất chuyển ñổi phản ánh trực tiếp ñại lượng ño

- Chuyển ñổi áp từ đo áp suất đến 10 MN/m2 - Chuyển đổi áp điện đo áp suất ñến 100 MN/m2

- Chuyển ñổi ñiện trở dây đo áp suất đến 100 - 400MN/m2

- Giới hạn ño Baromet từ 680 - 800mm Hg

1 Baromet chất lỏng a Cấu tạo (Hình 4.1)

1 Ống thuỷ tinh hình chữ U Cột thủy ngân

3 Thang ño

b Nguyên tắc

Ống chữ U (1) gồm đầu kín dài so với đầu hở, ống chứa ñầy thuỷ ngân (2) đầu kín tạo thành khoảng chân khơng

Trọng lượng cột Hg đầu kín cân với trọng lượng cột khơng khí chất lỏng

Thang ño milimét (3) ñặt hai khuỷu ống, số ño thể hiệu số ñộ cao hai ống

Hiệu số áp suất khơng khí theo mmHg

Chỉ số đo phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường cần đo, cần phải nhân với hiệu số ñiều chỉnh kèm theo loại Baromet

2 Baromet hình ống: a Cấu tạo (Hình 4.2)

b Nguyên tắc

Áp suất khơng khí tác dụng lên ống kim loại kín rỗng uốn cong (1) Nhờ vào hệ thống địn bẫy (2) nên dao động áp suất ñược khuyết ñại ñược kim (3) thang đo

3 Baromet tự ghi (Hình 4.3)

Cấu tạo gồm cánh tay địn đè lên ngịi bút đặt băng giản đồ áp suất - Thời gian Băng giản ñồ ñược dán trống quay

Trống quay chuyển ñộng ñược nhờ phận dây cót 4.2.2 ðo áp suất lớn áp suất khí quyển:

Thiết bị sử dụng Manomet

1 Manomet chất lỏng, hở loại thẳng (Hình 4.4)

Loại có độ nhạy cao so với áp kế thẳng, nhánh nghiêng chất lỏng di chuyển khoảng lớn

Áp suất cột h (tính mmHg) tính: h = 1.sin α

Với: l - Chiều dài cột chất lỏng

α - góc nghiêng

3 Manomet chất lỏng kín (Hình 4.6)

Gồm ống hình chữ U kín đầu, đầu hở nối với hệ thống áp suất cần ño

Khoảng khơng nằm chất lỏng (Hg) nhánh kín vật ño ðo chiều dài cột Hg theo thang ño

4 Manomet kim loại dạng lò xo (Hình 4.7)

Cấu tạo nắp đàn hồi nối với hệ thống địn bẫy gắn với kim

Áp suất cần ño tác dụng lên bên nắp, cịn áp suất khí tác dụng lên phía

Kim thang ño hiệu số hai áp suất

5 Manomet kim loại dạng hình ống (Hình 4.8)

Cấu tạo ống hở ñầu ñược uốn cong, ñầu hở ñược nối với hệ thống cần ño áp suất

Khi có áp suất , ống kim loại tác động lên hệ thống địn bẫy, dao động khuyếch ñại ñược kim thang ño

Cấu tạo ống thuỷ tinh hình chữ U Khố nối với hệ thống Bầu Hg Khố thơng với khí Bầu khí c Nguyên tắc

- Vị trí ban ñầu: Mực Hg bầu cân

- Vị trí đo: Mở khố (1) để nối với hệ thống cần đo, đồng thời mở khố (2) từ từ khơng khí vào bầu Hg (3)

- Dưới tác dụng áp suất khí quyển, Hg ñược dâng lên áp kế nén khoảng không bầu (4)

Áp suất khí hiệu số h hai mực Hg ñược ño thang chia Thường tiến hành ño nhiều lần

2 Áp kế Maxleot a Ứng dụng

b Cấu tạo (Hình 4.10)

Cấu tạo ống thuỷ tinh hình chữ U Bầu thuỷ ngân Bầu

2,8 Các ống 6,7 Ống mao quản

3,4 Các khoá

c Nguyên tắc

ðầu ống (8) ñược gắn với hệ thống cần đo

Khi đo, mở từ từ khố (3) để khơng khí vào bầu (1), tác dụng áp suất khí quyển, Hg dâng lên đầy bầu (5), trước áp suất bầu (5) áp suất cần đo

Có thể điều chỉnh tốc độ khơng khí nhờ khố (4) Lúc khí bầu (5) nặng bị nén lại mao quản (6)

Áp suất khí nén hiệu số h hai mực thuỷ ngân mao quản (6) (7)

a Nguyên tắc: Giống áp kế Maxleot

Khi ño quay áp kế ngược chiều kim ñồng hồ, dựa vào mức Hg, ñồng thời nhánh bên có lắp thang đo logarit ta xác ñịnh ñược áp suất hệ

Thường áp kế có vùng đo: - Từ 10-4 - 10-1 mmHg - Từ 10-1 - 10 mmHg - Từ 10 - 500 mmHg b Ưu ñiểm:

Lượng Hg sử dụng (khoảng 80 - 300g) 4.2.4 Áp kế ñiện trở lực căng

1 Cấu tạo: (Hình 4.12)

Thiết bị gồm ống rỗng tròn thép, bề mặt ống có dính điện trở lực căng RT RX mắc với ñiện trở R tạo thành mạch cầu

RT, RX - ðiện trở lực căng (ñiện trở Tenxơ) R - ðiện trở

2 Nguyên tắc:

Khi có áp suất Px cần ño, bề mặt ống bị nén biến dạng ðộ biến dạng tính:

ε = Px r/ E h Trong đó:

PX - Áp suất cần ño r - ðường kính ống h - Chiều dày thành ống E - Mơđun đàn hồi thép

ðộ biến dạng ε ñược phản ánh nhờ ñiện trở lực căng RT, cịn điện trở RK đính dọc ống dùng ñể bù nhiệt ñộ

Khi ñiện áp U = const điện áp đầu mạch cầu ∆U tỉ lệ với PX ðể tăng tín hiệu cần mắc thêm khuếch ñại (Kð)

3 Ứng dụng:

- Dãi ño áp suất : 5.104 - 107 Bar - Sai số quy ñịnh : ±1,5%

- Do quán tính nhỏ nên thiết bị thường dùng ño áp suất biến thiên nhanh tính hiệu ñược ghi dao ñộng kí (cơ khí ñiện tử)

4.2.5 Áp kế áp ñiện

1 Cấu tạo: (Hình 4.13)

1 ðiện cực Màng đàn hồi

2 Nguyên tắc:

Dưới tác dụng áp suất P, màng ñàn hồi (4) tạo nên lực nén lên áp ñiện thạch anh (2) có đường kính D = mm, chiều dày δ = 1mm

ðiện tích q xuất ñiện cực (1) ñược ñưa vào khuếch ñại ñiện tử (5) Bộ Kð có tổng trở 1013Ω

Quan hệ điện tích q áp suất P là: Q = K F P

Với: K Hệ số

F Diện tích hữu ích màng

3 Ứng dụng:

- Giới hạn ño: 2,5 - 100Mpa - Cấp xác 1,5 -

- Dùng ñể ño kiểm tra áp suất hệ thống có dịng chảy nhanh

4.2.6 ðo áp suất thiết bị số Nguyên lý

- Biến lực, áp suất thành tần số ñiện ápơ - ðo tần số ñiện áp dụng cụ số

1 Màng 4,5 Phân cực

2 Giá ñỡ Kð Bộ khuyếch ñại Màng rung

Các chi tiết 1, 2, ñược chế tạo thành khối loại vật liệu

b Nguyên tắc:

Áp suất ño P tác ñộng lên màng (1), qua giá ñỡ (2) kéo căng màng rung (3)

Tần số dao ñộng màng rung chưa có P 3kHz, có áp suất tầng số tăng lên kHz

Dao động màng rung trì nhờ biến ñổi ñiện từ phân cực (4) cung cấp ñầu Kð

ðiện áp ñưa vào Kð lấy từ biến ñổi ñiện từ phân cực (5) (4) dao ñộng màng rung

ðiện áp Ur ñồng với tần số màng

c Sơ đồ khối: (Hình 4.15)

CHƯƠNG V: ðO NHIỆT ðỘ

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG 5.1.1 ðịnh nghĩa

Nhiệt ñộ ñại lượng ñặc trưng cho độ nóng vật xác định theo lượng động học bên q trình chuyển ñộng phân tử

Nhiệt ñộ biểu theo ñơn vị tuyệt ñối đại lượng khơng có kích thước

5.1.2 ðơn vị ño nhiệt ñộ

1 Thang nhiệt ñộ ñộng học (Thang nhiệt ñộ tuyệt ñối) Dựa sở ñịnh luật thứ hai nhiệt ñộng học

Thang có tính chất tuyến tính khơng phụ thuộc vào tính chất vật đo

ðộ Kenvin (oK)là đơn vị ño nhiệt ñộ theo thang nhiệt ñộng

ðối với thang này, ñiểm chuẩn thực nghiệm ñiểm ba nước (Nhiệt ñộ cân ba trạng thái Rắn - Lỏng - Hơi): t00 = 273,16 oK

2.Thang nhiệt ñộ quốc tế (Thang nhiệt ñộ bách phân - Cenxiut) ðơn vị ño ñộ Cenxiut (oC)

Theo thang ñiểm tan nước ñá ñiểm sơi nước điều kiện tiêu chuẩn 00C 1000C

Mối liên quan nhiệt ñộ Kenvin (T) nhiệt ñộ bách phân (t): T = t + 273,15 (oK)

T = T - 273,16 (oC)

Vì nhiệt độ điểm ba nước cao nhiệt ñộ nước ñá ñang tan 0,01oK

5.1.3.Nguyên lý

ðể ño nhiệt ñộ vật phải dựa tượng truyền nhiệt (dẫn nhiệt, ñối lưu xạ nhiệt)

Nhiều ñại lượng vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ, thơng qua việc đo thơng số vật lý vật để từ suy nhiệt ñộ

5.1.4 Các phương pháp ño nhiệt ñộ

Dựa vào nguyên lý, ta chia thành nhóm sau:

1 Nhiệt kế co dãn: ðo biến thiên thể tích vật (chủ yếu chất lỏng) nhiệt ñộ biến thiên

2 Nhiệt kế áp suất: ðo thay đổi áp suất (khí, hơi, lỏng) theo nhiệt độ khơng gian kín

3 Nhiệt kế điện: Gồm có

− Nhiệt kế ñiện trở

− Cặp nhiệt ñiện

− Nhiệt kế bán dẫn (Tecmisto)

4 Nhiệt kế quang học: Gồm có

− Hoả kế quang học

− Hoả kế xạ

Bảng 5.1: Dụng cụ phương pháp ño với dãi ño khác

Nhiệt ñộ 0C

Nhiệt kế -270 1000 2000 3000 100000

Nhiệt ñiện trở - Platin

- Niken - ðồng - Bán dẫn Cặp nhiệt ñiện - Vật liệu quý - Vật liệu thường Hoả quang kế - Bức xạ - Màu sắc

- Cường ñộ sáng

5.2 ðO NHIỆT ðỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP 5.2.1 Nhiệt kế co giãn (Hình 5.1)

Cấu tạo ống thuỷ tinh, bên có mao quản bầu chức chất lỏng tuỳ theo khoảng nhiệt ñộ cần ño

Bảng 5.2: Các chất lỏng sử dụng nhiệt kế

Chất lỏng chứa nhiệt kế

Khoảng nhiệt ñộ ño 0C Thuỷ ngân

Rượu etylic Toluen Pentan

1 Nhiệt kế thuỷ ngân

Có hai dạng :

a Nhiệt kế thủy ngân dạng hình ống:

Ống mao quản đặt bảng có chia độ ống ñặt b Nhiệt kế thủy ngân dạng hình đũa:

Ống mao quản có thành dày, thành ngồi mao quản đuợc khắc độ

2 Nhiệt kế nạp khí

Trong mao quản nạp loại khí khơng tác dụng với Hg, chẳng hạn khí Nitơ

Loại đo nhiệt độ đến + 5500C Nếu khơng có khí trơ khoảng nhiệt ñộ Hg bay

5.2.2 Nhiệt kế áp suất

- Dạng khí dạng lỏng - Dạng

Nguyên tắc hoạt ñộng nhiệt kế dạng khí lỏng dựa vào việc đo áp suất chất khí chất lỏng

Nguyên tắc hoạt ñộng nhiệt kế dạng dựa vào việc đo áp suất bão hồ

Cả hai áp suất ñều phụ thuộc vào nhiệt ñộ

1 Cấu tạo(Hình 5.2)

1 Bầu nhiệt kế Bánh hình quạt Ống mao quản Kim

3 Lò xo áp kế rỗng Thang chia ñộ Thanh truyền

2 Nguyên tắc:

ðối với nhiệt kế dạng khí lỏng nạp chất vào đầy bầu nhiệt kế

ðối với nhiệt kế dạng nạp 2/3 chất, phần thể tích cịn lại nạp chất

Ống mao dẫn (2) nối bầu (1) với áp kế lị xo rỗng (3) nạp chất lỏng có nhiệt độ sơi cao (thường dùng hỗn hợp Nước - Glyxerin)

t0 khác chúng tạo thành sức ñiện ñộng: Eab (t1, t0) = Eab (t1) - Eab (t0)

Nếu giữ cho nhiệt độ t0 khơng đổi t1 phụ thuộc vào mơi trường đo nhiệt độ thì:

Eab (t1, t0) = Eab (t1) - C = f(t) Với C số

Các kim loại a, b (cặp nhiệt) ñược chế tạo từ chất khác phụ thuộc vào dãi nhiệt ñộ làm việc (từ -276 ÷ + 17000C)

Bảng 5.3: Các cặp nhiệt điện thơng dụng Cặp nhiệt Dải nhiệt độ

làm việc

Sức ñiện

ñộng (mV) ðộ xác

ðồng/ Constantan

Φ = 1,63 mm - 270 ÷ 370 - 6,25 ÷ 19

(- 400C ÷ 1000C) ± 0,8% (- 1000C ÷ 3500C) ± 0,75% Cromel/ Alumel

Φ = 3,25 mm - 270 ÷ 1250 - 5,35 ÷ 50,63

( 00C ÷ 4000C) ± 30C (4000C ÷ 8000C) ± 0,75% Cromel/ Constantan

Φ = 3,25 mm - 276 ÷ 870 - 9,8 ÷ 66,4

( 00C ÷ 4000C) ± 30C (4000C ÷ 8700C) ± 0,75% Platin - Rodi (10%)

/Plain

Φ = 0,51 mm

- 50 ÷ 1500 - 0,23 ÷ 15,5

( 00C ÷ 6000C) ± 2,5% (6000C ÷ 15000C) ± 0,4% Platin - Rodi

/ Plain Rodi (30/6)

Φ = 0,51 mm

0 ÷ 1700 ÷ 12,42 (8700C ÷ 17000C) ± 0,5%

1 Dây kim loại Vỏ thép Ống sứ cách ñiện ðầu nối

3 ðầu hàn

Trong dây kim loại ñược lồng vào ống sứ cách điện, bên ngồi vỏ thép khơng rỉ chịu ñược nhiệt ñộ cao ðầu dây ñược nối vào hộp đầu nói thị

3 Mạch đo nhiệt kế nhiệt ngẫu: (Hình 5.5)

Rđ - ðiện trở ñường dây Rñc - ðiện trở ñiều chỉnh Rp, Rf - ðiện trở mV mV - milivolmet

5.2.4 Nhiệt kế nhiệt ñiện trở Nguyên lý

Nhiệt kế nhiệt ñiện trở sử dụng chuyển ñổi nhiệt ñiện trở

Chuyển ñổi nhiệt ñiện trở thiết bị biến ñổi nhiệt ñộ thành thay ñổi thống số ñiện trở R

RT = f(t)

Với t nhiệt ñộ

2 Phân loại Chia thành :

- Nhiệt ñiện trở kim loại - Nhiệt ñiện trở bán dẫn

3 Nhiệt điện trở kim loại: a Cấu tạo: (Hình 5.6)

Nhiệt kế kim loại ñược chế tạo dạng kim loại màng mỏng kim loại có điện trở suất thay ñổi theo nhiệt ñộ

Các nhiệt ñiện trở kim loại thường làm bằng: Platin, Niken, ðồng Thiết bị ñược chế tạo theo hai dạng:

- Nhiệt ñiện trở dây quấn: (Hình 5.6a)

1 Dây nhiệt ñiện trở Bột Oxit nhôm Ống sứ cách ñiện Vỏ bọc

b Nguyên tắc:

Quan hệ nhiệt ñộ ñiện trở ñược biểu diễn: RT = R0 ( +α.t)

Với: R0 - ðiện trở ñiều kiện chuẩn

α - Hệ số nhiệt ñộ t - Nhiệt ñộ môi trường

Bảng 5.4: Hệ số αααα dãi nhiệt ñộ sử dụng

Vật liệu αααα (1/ 0C) Dãi nhiệt ñộ, 0C

Các nhiệt ñiện trở bán dẫn ñược chế tạo với hình dáng khác nhau: Hình trụ, đĩa, vịng …

1 ðiện trở Hai ñầu Vỏ kim loại Cách ñiện

b Nguyên tắc:

Quan hệ điện trở nhiệt độ tính: RT = R0 Exp [B(1/T - 1/T0)]

Với:

R0 - ðiện trở nhiệt ñộ tuyệt ñối T0

B - Hệ số nằm khoảng 3000 - 5000 0K ðộ nhạy nhiệt ñộ:

- ðiện trở bán dẫn có độ nhạy nhiệt cao, gấp hàng chục lần nhiệt ñiện trở kim loại

- Dãi nhiệt ñộ làm việc từ vài ñộ tuyệt ñối (0K) ñến 3000C

5 Mạch ño nhiệt ñiện trở (Hình 5.8)

Thường sử dụng mạch cầu kết hợp với mạch khuếch ñại ñể tăng ñộ nhạy thiết bị

Trong đó:

R1, R2, R3, RT: Các ñiện trở mạch cầu RT: Nhiệt ñiện trở

5.3 ðO NHIỆT ðỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIÁN TIẾP 5.3.1 Hoả quang kế quang học (HQK cường ñộ sáng)

1 Nguyên lý

Phương pháp dựa ñịnh luật xạ vật ñen tuyệt ñối Bức xạ nhiệt vật ñược ñặc trưng mật ñộ phổ Eλ

Eλ số lượng xạ ñơn vị thời gian với ñơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng

Eλ = ελ.C1.λ-5.e- C2/λ.T1 Với:

ελ : Hệ số < ελ <

C1, C2: Hằng số C1 = 37,03.10-7Jm2/s, C2 = 1,432.10-2 mđộ

λ : độ dài sóng 0,4 µm < λ < 0,7µm T1 : Nhiệt độ tuyệt đối

1 Kính vật Thị kính

2 Bộ lọc ánh sáng Bóng đèn chuẩn Bộ chắn quang học Thang ño

4 Bộ lọc ánh sáng ñỏ ðối tượng ño

3 Nguyên tắc

Cường ñộ sáng ñối tượng đo (8) vào kính vật (1), chắn làm yếu ñi nhờ chắn quang học (3)

Góc quay chắn (3) tương ứng với cường độ sáng tính thang đo (7)

Dụng cụ có hai giới hạn đo, sau chắn (3) lọc ánh sáng (2) ñược sử dụng nhiệt độ đo lớn 14000C

Thị kính (5) dùng ñể ngắm ñối tượng ño (8), trước thị kính có lọc ánh sáng đỏ (4), sợi đốt bóng đèn chuẩn (6) ngắm trực tiếp

Cường độ sáng nguồn nhiệt (Tđo) bóng ñèn chuẩn (Tch) ñược so sánh mắt (Hình 5.10)

ðọc vị trí chắn thang ño (7) ñể suy nhiệt ñộ

4 Ưu nhược ñiểm a Ưu ñiểm:

Dễ sử dụng

Giới hạn ño rộng: từ 8000C ñến khoảng 30000C

ðộ xác cao (Sai số ± 1%): cường độ sáng thay đổi lớn gấp 10 lần thay ñổi nhiệt ñộ

b Nhược ñiểm:

Kết phụ thuộc kinh nghiệm người ño Khơng tự ghi tự điều chỉnh

Chỉ đo ánh sáng chói vật khơng phải nhiệt ñộ thực vật

5 Hoả quang kế quang học tự động cân a Cấu tạo (Hình 5.11a)

1 ðối tượng ño Bộ lưu chỉnh

2 Khe hở Chỉ thị miliampemet (mA) Tấm chắn Bộ lọc ánh sáng

4 Tế bào quang ựiện Lá chắn Bộ khuếch ựại xoay chiều 10 đèn mẫu b Nguyên tắc

1 Nguyên lý:

ðối với vật ñen tuyệt ñối, lượng xạ toàn phần ñơn vị bề mặt là:

E0T = σ T4p Với: σ = 4,96.10-2 J/m2s grad4 Tp: Nhiệt ñộ vật theo lý thuyết ðối với vật thực ET = εTσ T4t

εT: Hệ số xạ tổng, εT < Tt: nhiệt ñộ thực vật

Hoả quang kế phát xạ ñược khắc ñộ theo ñộ xạ vật ñen tuyệt ñối, đo đối tượng thực thì:

Tt = Tp (1/εT)1/4

1 Ống kim loại mỏng ðường rãnh

2 Nhiệt ñiện trở Tấm kính thủy tinh Gương cầu lõm ðối tượng ño Hộp chắn

3 Nguyên tắc

Dụng cụ gồm ống kim loại mỏng (1), phía cuối gắn gương cầu lõm (3) Chùm tia phát từ ñối tượng (7) ñược gương lõm phản xạ hội tụ nhiệt điện trở (2) đốt nóng

Nhiệt ñiện trở ñược ñặt hộp chắn (4) ñược mắc vào mạch cầu tự cần

ðể tránh tia phản xạ từ thành ống, bên gia cơng đường rãnh (5)

ðể bảo vệ thiết bị, đầu ống gắn kính thuỷ tinh (6)

4 ðặc ñiểm

Hoả kế xạ có dãi đo nhiệt độ rộng: từ 20 đến 25000C

ðể đạt độ xác chùm tia sáng từ ñối tượng ñến dụng cụ phải trùm hết tầm nhìn ống kính (đường kính D)

Nhược điểm: độ xác khơng cao khó kiểm tra 5.3.3 Hoả quang kế màu sắc

1 Nguyên lý

Hoả quang kế màu sắc dụng cụ ño nhiệt dựa phương pháp ño tỉ số cường ñộ xạ hai ánh sáng có bước sóng khác λ1 λ

Trong dụng cụ có thiết bị tính, tự động giải phương trình kết nhiệt độ cần đo

2 Cấu tạo(Hình 5.13)

1 Hệ thống thấu kính Thiết bị ñiều chỉnh ñộ nhạy Kð ðĩa lọc ánh sáng Bộ chỉnh lưu

3 ðộng Bộ chuyển mạch

3 Nguyên tắc

Cường ñộ xạ từ ñối tượng ño A qua hệ thống thấu kính (1) tập trung ánh sáng ñĩa (2) ðĩa quay quanh trục nhờ ñộng (3)

Sau ánh sáng qua ñĩa ñi vào tế bào quang ñiện (4)

Trên ñĩa khoan số lỗ, đặt lọc ánh sáng xanh, cịn nửa đặt lọc ánh sáng ñỏ

Khi ñĩa quay tế bào quang ñiện nhận ánh sáng ñỏ xanh với tần số ñịnh phụ thuộc tốc ñộ quay ñộng

Dịng quang điện qua khuếch đại (5) sau đưa vào chỉnh lưu pha (7)

Nhờ chuyển mạch (8) tín hiệu chia thành hai phần ñược ño chia (9)

4 Ưu nhược ñiểm a Ưu ñiểm:

Khơng phụ thuộc vào khoảng cách đo

Khơng phụ thuộc vào hấp thụ xạ môi trường

- Môi trường - Sinh học - Y tế

ðối tượng nghiên cứu chất khí, chất lỏng vật rắn

Nhiệm vụ ño nồng ñộ riêng chất nhóm mơi trường nhiều thành phần với ñiều kiện khác như: nhiệt ñộ, áp suất, vận tốc …

Dãi thay ñổi thành phần nồng ñộ rộng với ñiều kiện khác nên phương pháp dụng cụ ño khác

Ở ñây xét phương pháp ñiện dùng ñể ño nồng ñộ thành phần

6.2 PHƯƠNG PHÁP ðIỆN HÓA 6.2.1 Nguyên lý chung

Các dụng cụ đo nồng độ theo phương pháp điện hố ñều dựa ứng dụng chuyển ñổi ñiện hoá

6.2.2 Phân loại: Phân thành :

− Phương pháp ñiện dẫn

− Phương pháp ñiện

− Phương pháp Culông

− Phương pháp phân cực 6.2.3 Phương pháp ñiện dẫn:

1 Nguyên lý:

ðây phương pháp ño ñiện dẫn dung dịch nhờ chuyển ñổi ñiện dẫn tiếp xúc khơng tiếp xúc

Dùng để đo nồng ñộ muối dung dịch, nước ngưng ðo ñộ mặn nước biển

Xác ñịnh nồng ñộ chất khí thay đổi điện dẫn dung dịch đưa vào chất khí cần phân tích

Ví dụ: Xác định nồng độ CO2 khí, cách đưa chất khí vào dung dịch KOH, xảy phản ứng:

2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O

Muối ñược tạo thành làm thay ñổi ñiện dẫn dung dịch ðo ñiện dẫn dung dịch xác ñịnh ñược nồng ñộ CO2 chất khí

3 Cấu tạo: (Hình 6.1)

rx - chuyển ñổi ñiện dẫn

rk - ñiện trở hiệu chỉnh sai số nhiệt ñộ rs - ñiện trở giảm sai số nhiệt ñộ

4 Nguyên tắc:

Chuyển ñổi ñiện dẫn rx ñược mắc vào mạch cầu tự động dịng xoay chiều ðiện trở hiệu chỉnh sai số nhiệt ñộ rk ñược ñặt dung dịch ño rk ñược mắc song song với ñiện trở rs nhằm giảm sai số nhiệt ñộ

Khi nồng độ thay đổi làm điện trở rx thay ñổi ñiện áp mạch cầu tỷ lệ với rx, qua suy nồng độ cần ño

Sự thay ñổi nồng ñộ dung dịch gây nên thay đổi thơng số mạch ñiện làm tần số thay ñổi, ño tần số mV xác ñịnh ñược nồng ñộ dung dịch

6.2.4 Phương pháp ñiện thế: Nguyên lý:

ðây phưong pháp ño ñiện cực, dựa nguyên lý sử dụng chuyển ñổi Ganvanic

2 Ứng dụng:

- Sử dụng dụng cụ pH mét - Sử dụng thiết bị phân tích khí

3 Thiết bị phân tích khí a Cấu tạo: (Hình 6.3)

1 Anod Phụ tải

2 Catod Bộ khuếch ñại

b Nguyên tắc:

Thiết bị dùng ño nồng độ thấp Oxi hỗn hợp khí

Chuyển đổi phần tử Ganvanic kiềm, có anod (1) làm chì nhúng dung dịch điện phân, catod (2) lưới bạc ghép giấy lọc

Khi có chất khí cần phân tích qua, Oxi khuếch tán theo bề mặt catod (2), chất điện phân xảy phản ứng điện hố xuất sức điện động có tỷ lệ với nồng độ Oxi hợp chất khí cần phân tích

Sức ñiện ñộng ban ñầu ñược bù ñiện áp mạch cầu (3) mắc ngược với ñiện áp rơi phụ tải (4) chuyển ñổi

c ðặc tính:

- Hiệu điện áp đưa vào khuếch ñại (5) ñến dụng cụ tự ghi (6) - Giới hạn ño thiết bị từ 0,001% ñến 0,1% O2 theo khối lượng - Sai số bản: ± ( -10)%

- Hằng số thời gian: 0,25 - phút, phụ thuộc tốc ñộ diễn q trình điện cựa tùy thuộc cấu trúc chuyển ñổi

4 Dụng cụ pH mét: a Ứng dụng:

- ðo hoạt ñộ ion Hydro - Kiểm tra q trình hố học

S chuyển ñổi Ganvanic Kð Bộ khuếch ñại mA Miliampemet

Ex Sức ñiện ñộng chuyển ñổi Uk ðiện áp bù

R.ðiện trở bù sai số nhiệt ñộ

c Nguyên tắc:

Dụng cụ ñược xây dựng theo nguyên lý bù

Ở ñầu vào mạch KD ñặt sức ñiện ñộng Ex, mạch phản hồi Kð có điện áp bù Uk, đó:

∆U = Ex - Uk

Khi hệ số khuếch đại đủ lớn thì: Ex≅ Uk Nên : Ex ≅ Uk = I.R

Mà : Ex = f (pH) Do vậy: I = 1/R.f(pH)

Lúc thị mA giá trị ñộ pH cần đo d ðặc tính

- Giới hạn ño ñộ pH từ -1 ñến +14

- Sai số dụng cụ: ± 0,05 ñơn vị pH 6.2.5 Phương pháp Culông:

1 Nguyên lý:

2 Ứng dụng:

- ðo nồng ñộ thành phần chất lỏng chất khí - ðo độ ẩm khí

3 Cấu tạo: (Hình 6.5)

1 Chuyển đổi ống cách ñiện 2,3 ðiện cực xoắn

4 Nguyên tắc

Hai ñiện cực xoắn (2,3) ñược ñặt mặt chuyển ñổi (1)

Các ñiện cực rãnh xoắn chúng ñược phủ màng mỏng P2O5 Màng có điện trở lớn dạng khơ điện trở giảm hút ẩm

Khí cần đo ñưa qua ống (1) với tốc ñộ không ñổi, lúc liên tục diễn hai q trình:

- Sự hút ẩm màng ñể tạo thành axit phốtphoric: P2O5 + H2O = 2HPO3

- Q trình điện phân ñể tái sinh anhidritphốtphoric 2HPO3 H2 + 0,5O2 + P2O5

Dịng điện phân I tỷ lệ với ñộ ẩm tuyệt ñối khí

5 ðặc tính:

- Dải ño ñộ ẩm từ 10-4 ñến 1% khối lượng - Sai số ± ( -10)%

ðiện áp tương ứng với ñoạn dịng tăng đột ngột dùng để phân tích định tính, giá trị chúng tương ứng với điện ion tách ra, giá trị cho bảng chuyên dùng

Dòng I1, I2, I3 phụ thuộc nồng ñộ ion tương ứng dung dịch giá trị chúng dùng để phân tích định lượng

4 ðặc tính

Ngưỡng nhạy cảm phân cực ký ñạt 10-7 - 10-9 mol/l

Thường dùng ñiện cực giọt thuỷ ngân ñể phân tích cation, có điện phân cực vào khoảng từ - 3V

Các ñiện cực rắn vàng, platin, niken dùng để phân tích anion muối nóng chảy

Khắc độ phân cực ký theo dung dịch chuẩn

6.3 PHƯƠNG PHÁP ION HOÁ: 6.3.1 Nguyên lý chung:

6.3.2 Phân loại:

Phổ biến sử dụng: Chân khơng kế Khối phổ kế

3 Thiết bị phân tích ion hố nhiệt 6.3.3 Chân khơng kế

1 Phân loại

Trong chân khơng kế có ba loại chuyển đổi chính:

Chuyển đổi tự phát xạ điện tử: ion hố chất khí xảy tác dụng ñiện áp cao

Chuyển ñổi phát xạ nhiệt điện tử: q trình ion hố catốt bị đốt nóng làm điện tử bắn với gia tốc có lượng đến 15eV, đủ để ion hố chất khí

Chuyển đổi phóng xạ ion: sử dụng nguồn xạ α β ñể ion hố chất khí với chu kỳ bán phân huỷ lớn

2 Cấu tạo: (Hình 6.7)

ðây cấu tạo chân khơng kế catốt đốt nóng

Khi trị số điện áp anốt dịng điện khơng thay đổi dịng ion hố dụng cụ (1) tỷ lệ với nồng độ chất khí đèn

3 ðặc tính:

1,2.ðiện cực Bộ khuếch ñại Dụng cụ tự ghi

3 Ngun tắc:

Khí Hydro cháy khơng khí khơng tạo thành ion lửa Hydro có điện trở lớn (1012 - 1014Ω)

Khi đưa vào với Hydro chất khí cần nghiên cứu, cháy phân nhiệt xảy tượng ion hố phân tử hợp chất ñiện trở ñiện cực ( 2) chuyển đổi bị giảm dịng điện tăng lên

ðiện áp rơi ñiện trở R qua khuếch ñại (3) ñến dụng cụ ghi (4)

4 ðặc tính:

Cho phép xác định nồng độ thấp hợp chất hữu Tốc ñộ ñưa vào chuyển ñổi: 10-12 - 10-14 g/s

6.3.5 Phương pháp phân tích khối phổ:

1 Ứng dụng: Dùng để phân tích hợp chất có nhiều thành phần

1 Nguồn ion hoá Bộ thu dòng ion ðiện cực catốt Hệ thống tập trung Bình chân khơng Bộ khuếch đại Nam châm ñiện tử Thiết bị ghi

3 Ngun tắc:

Khí phân tích đưa vào nguồn ion hố (1) gắn bình chân khơng (3) Dưới tác dụng ñiện cực catốt (2) phân tử khí ion hố nhờ hệ thống tập trung (6) phân tử ion hoá hướng vào từ trường ñồng nam châm ñiện từ (4)

Bằng cách thay ñổi từ cảm B ñiện áp tăng tốc U, chùm ion tương ứng với thành phần ño hợp chất ñược ñưa vào thu dòng ion 95), ñược khuếch ñại (7) ñưa vào thiết bị ghi (8)

4 ðặc tính:

Ngưỡng nhạy cảm thiết bị đạt 0,1 - 0,0001% thể tích

Hàm lượng nhỏ thành phần phân tích chất rắn 10-13 Hg

6.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ 6.4.1 Nguyên lý:

- ðo ñộ ẩm …

2 Phương pháp siêu âm:

Dựa khác tốc ñộ lan tuyền dao ñộng siêu âm mơi trường lỏng khí khác

Ví dụ: dùng phân tích hợp chất hữu khí có chứa Hydro, tốc độ lan truyền sóng siêu âm Hydro lớn gấp lớn khơng khí

3 Phương pháp phổ kế vô tuyến:

Là phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân, cộng hưởng thuận từ điện tử quang phổ sóng cực ngắn

Ứng dụng:

ðo nồng ñộ nước mềm (H2O) nước cứng (D2O) Phân tích hợp chất nhiều thành phần với sai số ± 1% Phân tích chất khí

4 Phương pháp điện quang:

Dựa hấp thụ có chọn lọc tia xạ tán xạ ánh sáng thành phần chất cần phân tích dải sóng siêu âm hồng ngoại

Phổ biến có hai phương pháp sau:

a Phương pháp phổ hồng ngoại: (Phương pháp quang âm)

Là phương pháp dựa hấp thụ chọn lọc xạ hồng ngoại tần số thấp chất khí khác

b Phương pháp so màu

5 Phương pháp phóng xạ:

Là phương pháp dựa khác mức ñộ hấp thụ phản xạ tia xạ Rơnghen tai phóng xạ thành phần cần phân tích

Ứng dụng:

Xác định nồng độ nguyên tố nặng dung dicj ðo ñộ ẩm ñất, than bùn vật liệu xây dựng

6.4.3 Thiết bị phân tích khí so màu: Cấu tạo: (Hình 6.10)

1 Băng thị đèn chiếu

φ1 - φ2 - Phần tử ñiện quang

2 Nguyên tắc

Bằng cách ño mức ñộ nhuộm băng thị (1) phụ thuộc nồng ñộ chất khí cần đo

Trong dụng cụ người ta sử dụng phương pháp so sánh dòng ánh sáng ñèn (2) phản chiếu từ băng thị với dòng ánh sáng trực tiếp từ ñèn (2) qua hai phần tử quang ñiện φ1, φ2 tự ñộng cân

3 Ứng dụng

Dùng ñể ño nồng ñộ thấp khí: Cl2, SO2, NH3, H2S, NO

4 ðặc tính

6.5.2 Ứng dụng

- ðể ño nồng ñộ H2, He, CO2, SO2, Cl2 - Dùng đo độ chân khơng

6.5.3 Thiết bị phân tích khí nhiệt điện trở Cấu tạo (Hình 6.11)

2 Nguyên tắc

Hai nhiệt điện trở R1, R3 đặt hộp có hợp chất khí phân tích qua Hai nhánh cịn lại cầu hai nhiệt ñiện trở R2, R đặt hộp kính chứa hợp chất khí có nồng ñộ ñã biết trước, tương ứng với giá trị ñầu thang ño

3 ðặc tính

6.6 PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ 6.6.1 Nguyên lý

- Phương pháp thực cách chia hợp chất thành thành phần riêng rẽ nhờ tượng hút

- Dùng để phân tích hợp chất phức tạp 6.6.2 Phân loại:

Các phương pháp sắc ký phân tích khí thường gặp:

1 Phương pháp hấp thụ khí

- Dùng để phân tích hợp chất chứa khí có nhiệt độ sơi thấp (như: H2, CO, CH4 )

- Chất hút ñá xốp cứng

2 Phương pháp khí lỏng

- Dùng để phân tích hợp chất phức tạp gồm thành phần gần với nhiệt độ sơi

- Chất hút chất lỏng khơng bay bơi chất xốp cứng

3 Phương pháp sắc nhiệt ký:

- Là phương pháp thực với nhiệt ñộ khác cột sắc ký - ðộ nhạy ñộ chọn lọc cao

4 Phương pháp mao dẫn:

- Là phương pháp tách hợp chất cột mao dẫn, bên thành cột ñược thấm ướt chất lỏng khơng bay

- Dùng để phân tích nhanh thành phần nhỏ khí 6.6.3 Thiết bị sắc kí khí

1 Cấu tạo: (Hình 6.12)

1- Cột sắc khí 3- Dụng cụ tự ghi

Các chuyển ñổi chuyển đổi nhiệt điện, ion hố, phóng xạ Tín hiệu ñầu chuyển ñổi ñược ghi dụng cụ tự ghi (3)

ðường cong sắc phổ (4) gồm ñỉnh (Pic) riêng rẽ, pic tương ứng với thành phần ñịnh

Nồng ñộ chất ñược xác ñịnh theo tỉ số diện tích khoảng nhọn với diện tích tất sắc phổ