CÁC CẢM BIẾN (202702) ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG GVHD: TS.Trần Hải Nam SVTH: LỚP: VP K17 – CDT 10/2021 Mục lục Mục lục1 Danh sách hình ảnh3 Chương 1: Tổng quan5 1.1.Cơ bản về động lực học lưu chất5 1.2.Đặc trưng của lưu chất7 1.3.Trạng thái dòng chảy9 1.4.Mối quan hệ giữa vận tốc và lưu lượng9 1.5.Cảm biến lưu lượng nước SEA YF-S201 DN1510 1.5.1Giới thiệu10 1.5.2Cấu tạo và nguyên lý hoạt động12 Chương 2: Nguyên lý vật lý của các loại cảm biến lưu lượng15 2.1.Đo lưu lượng thể tích15 2.1.1Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp15 2.1.2Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine27 2.1.3Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ29 2.1.4Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex32 2.1.5Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ Positive Displacement35 2.1.6Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm39 2.2.Đo lưu lượng khối lượng42 2.2.1Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt42 2.2.2Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis52 Chương 3: Vật liệu và công nghệ chế tạo56 3.1.Vật liệu56 3.1.1Silicon56 3.1.2Ceramic58 3.2.Công nghệ chế tạo58 3.2.1Quang khắc (Photolithography)59 3.2.2Vi gia công silicon (Silicon Micromachining)61 Chương 4: Hàm truyền của cảm biến lưu lượng nước66 4.1.Mô hình toán học66 4.2.Hàm truyền cảm biến tìm từ thực nghiệm67 4.3.Hàm truyền cảm biến tìm từ mạch điện70 Chương 5: Sơ đồ mạch điện của cảm biến72 5.1.Cấu tạo mạch điện của cảm biến lưu lượng72 5.2.Mạch điện tử ứng dụng cảm biến lưu lượng YF-S20174 Chương 6: Xử lí số liệu81 Kết luận82 Tài liệu tham khảo83
CÁC CẢM BIẾN (202702) ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG GVHD: TS Trần Hải Nam SVTH: LỚP: VP K17 – CDT 10/2021 Mục lục Mục lục Danh sách hình ảnh Chương 1: Tổng quan 1.1 Cơ động lực học lưu chất 1.2 Đặc trưng lưu chất 1.3 Trạng thái dòng chảy 1.4 Mối quan hệ vận tốc lưu lượng 1.5 Cảm biến lưu lượng nước SEA YF-S201 DN15 10 1.5.1 Giới thiệu 10 1.5.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 12 Chương 2: Nguyên lý vật lý loại cảm biến lưu lượng 15 2.1 Đo lưu lượng thể tích 15 2.1.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp 15 2.1.2 Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine 27 2.1.3 Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ 29 2.1.4 Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex 32 2.1.5 Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ Positive Displacement 35 2.1.6 Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm 39 2.2 Đo lưu lượng khối lượng 42 2.2.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt 42 2.2.2 Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis 52 Chương 3: Vật liệu công nghệ chế tạo 56 3.1 Vật liệu 56 3.1.1 Silicon 56 3.1.2 Ceramic 58 3.2 Công nghệ chế tạo 58 3.2.1 Quang khắc (Photolithography) 59 3.2.2 Vi gia công silicon (Silicon Micromachining) 61 Trang Chương 4: Hàm truyền cảm biến lưu lượng nước 66 4.1 Mơ hình tốn học 66 4.2 Hàm truyền cảm biến tìm từ thực nghiệm 67 4.3 Hàm truyền cảm biến tìm từ mạch điện 70 Chương 5: Sơ đồ mạch điện cảm biến 72 5.1 Cấu tạo mạch điện cảm biến lưu lượng 72 5.2 Mạch điện tử ứng dụng cảm biến lưu lượng YF-S201 74 Chương 6: Xử lí số liệu 81 Kết luận 82 Tài liệu tham khảo 83 Trang Danh sách hình ảnh Hình 1-1: a Ống dịng chảy b Dịng chảy qua mặt cắt Hình 1-2: Biên dạng vận tốc dịng chảy ống Hình 1-3: Vận tốc dòng chảy (trường hợp lý tưởng) Hình 1-4; Vận tốc dịng chảy với ảnh hưởng tính nhớt lực ma sát Hình 1-5: Vận tốc dòng chảy với Hình 1-6: Vận tốc dòng chảy với Hình 1-7: Cảm biến lưu lượng nước SEA YF S201 DN15 10 Hình 1-8: Mối quan hệ số vòng quay lưu lượng cảm biến 11 Hình 1-9: Tất phận cảm biến 12 Hình 1-10: Các thành phần cảm biến 13 Hình 1-11: Bảng thành phần cấu tạo cảm biến vật liệu tạo thành 13 Hình 1-12: Nguyên lý hoạt động cảm biến 14 Hình 2-1: Tiết diện ngang số dạng ống đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp .16 Hình 2-2: Hình ảnh cảm biến lưu lượng sử dụng nguyên lý chênh áp 17 Hình 2-3: Ống venturi 18 Hình 2-4: Tấm orifice lắp đặt đường ống 20 Hình 2-5: Sự chênh áp dòng chảy 20 Hình 2-6: Ống pilot hai đường ống 21 Hình 2-7: Cấu tạo ống pilot trung bình 23 Hình 2-8: Elbow meters 24 Hình 2-9: Flow Nozzles 25 Hình 2-10: Sơ đồ dịng chảy Flow Nozzles 26 Hình 2-11: Sơ đồ đo lưu lượng nguyên lý turbine 27 Hình 2-12: Cấu tạo thiết bị đo lưu lượng nguyên lý turbine 28 Hình 2-13: Nguyên lý đo lưu lượng điện từ 30 Hình 2-14: Cấu tạo máy đo lưu lượng điện từ 31 Hình 2-15: Hình ảnh lớp lót cảm biến lưu lượng điện từ hãng Emerson 31 Hình 2-16: Sơ đồ cấu trúc nguyên lý Vortex 33 Hình 2-17: Kiểu dòng chảy tiêu biểu đường ống loại Vortex 34 Hình 2-18: Cảm biến lưu lượng kiểu Vortex đặc trưng 34 Hình 2-19: Sơ đồ ngun lý cơng tơ thể tích 36 Hình 2-20: Cơng tơ khí kiểu quay 37 Hình 2-21: Quá trình lưu chất qua bầu 38 Hình 2-22: Hình ảnh thực tế cảm biến lưu lượng sử dụng nguyên lý chiếm chổ 38 Hình 2-23: Sơ đồ nguyên lý phương pháp thời gian chuyển tiếp 39 Hình 2-24: Sơ đồ nguyên lý phương pháp Doppler 40 Hình 2-25: Lắp đặt cảm biến lưu lượng theo nguyên lý siêu âm 41 Hình 2-26: Thiết bị đo lưu lượng sử dụng nguyên lý gia nhiệt 44 Hình 2-27: Dạng lắp đặt cảm biến lưu lượng sử dụng ngun lí gia nhiệt .44 Hình 2-28: Cầu cân không cấp nhiệt không đổi cho lưu kế dây nóng .46 Hình 2-29: a Đầu dị dây nóng b Đầu dị màng nóng dạng hình nón .47 Hình 2-30: a Thiết kế đơn giản nhiệt lưu kế hai cảm biến b Mặt cắt ngang đầu dò nhiệt độ 48 Hình 2-31: Hàm truyền nhiệt lưu kế 49 Hình 2-32: a Nhiệt lưu kế hai thành phần b Hàm truyền nhiệt lưu kế .50 Hình 2-33: a Mạch điều khiển nhiệt lưu kế với PWM b Tín hiệu cấp nhiệt PWM 50 Hình 2-34: Cảm biến lưu lượng khí gia cơng vi mơ 51 Hình 2-35: a Cảm biến dịng khí vi mơ với thiết kế điện trở tự gia nhiệt b Mạch điện cảm biến 52 Hình 2-36: Hiệu ứng Coriolis luồng gió thổi bán cực trái đất .53 Hình 2-37: Cấu tạo cảm biến lưu lượng theo nguyên lý Coriolis 54 Hình 3-1: Các hiệu ứng hữu ích silicon ứng dụng chế tạo cảm biến 56 Hình 3-2: Ảnh hưởng nồng độ tạp chất lên hệ số nhiệt độ PS SCS 57 Hình 3-3: Biểu đồ thể thay đổi điện trở tác động lực 58 Hình 3-4: Quang khắc dương âm 60 Hình 3-5: Ăn mịn đẳng hướng mặt nạ 62 Hình 3-6: Cấu trúc đơn giản ăn mịn KOH 63 Hình 3-7: Cấu trúc Mesa 63 Hình 3-8: Ăn mòn quanh silicon pha boron 64 Hình 3-9: Ăn mịn khơ cấu trúc nhọn 65 Hình 4-1: Hàm truyền (a) chức truyền nghịch đảo (b) máy đo gió nhiệt 66 Hình 4-2: Sơ đồ nối chân cảm biến vi điều khiển 67 Hình 4-3: Mối quan hệ đầu vào - đầu đo 68 Hình 4-4: Đồ thị đầu vào - đầu đo 69 Hình 4-5: Đồ thị đường cong đáp ứng hệ bậc 69 Hình 4-6: Ước lượng hàm truyền hệ thống 70 Hình 4-7: Sai số ước lượng 70 Hình 5-1: Sơ đồ cảm biến Hall 72 Hình 5-2: Cảm biến Hall dạng Analog Digital 72 Hình 5-3: Cảm biến Hall tích hợp Trigger Schmitt 73 Hình 5-4: Sơ đồ cảm biến lưu lượng 73 Hình 5-5: Arduino UNO R3 74 Hình 5-6: Sơ đồ nối dây 77 Hình 5-7: Sơ đồ nối dây thực tế 77 Hình 5-8: Kết hiển thị Serial Monitor Arduino IDE 79 Chương 1: Tổng quan Cảm biến đo lưu lượng sử dụng nhiều lĩnh vực đo đặc chất lỏng, chất khí, dùng mơi trường có tính chất lý hóa cao, độc hại, ngồi cịn làm nhiệm vụ giám sát điều khiển tự động trình sản xuất 1.1 Cơ động lực học lưu chất Một nguyên tắc vật lý khối lượng đại lượng bảo tồn Nó khơng thể tạo phá hủy Tuy nhiên, có dịng chảy khối lượng chảy qua ranh giới, tổng dịng chảy vào dịng chảy phải không Khi hai đo khoảng thời gian, khối lượng vào hệ thống (Min) khối lượng hệ thống (Mout) thì: dMin dt = dM out dt Trong kỹ thuật khí, để đo lường lưu lượng người ta thường dùng (nước, dầu, dung môi, xăng, v.v.), khơng khí khí (oxy, nitơ, CO, CO2, metan CH4, nước, v.v.) Khi nói "tốc độ dịng chảy” có nghĩa tốc độ chuyển động thể tích cực nhỏ mà ta xét khối chất lỏng chuyển động Trong dòng chảy ổn định, vận tốc dịng chảy điểm định khơng đổi theo thời gian (Hình -1a) Trong dịng ổn định, phân bố dịng khơng phụ thuộc vào thời gian Một vectơ vận tốc tiếp tuyến với đường thẳng điểm z Bất kỳ ranh giới dòng chảy bao bọc chùm dịng chảy (hay cịn gọi bó) gọi ống dịng chảy Vì ranh giới ống bao gồm dịng chảy, khơng chất lỏng vượt qua ranh giới ống dòng chảy ống hoạt động giống đường ống có hình dạng cố định Dịng chảy vào đường ống đầu, có mặt cắt ngang A1 đầu qua mặt cắt A2 Vận tốc vật chất chuyển động bên ống dịng nói chung có độ lớn khác điểm khác dọc theo ống Hình 1- 1: a Ống dịng chảy b Dòng chảy qua mặt cắt Lưu lượng qua mặt phẳng định (Hình -1b) khoảng thời gian xác định Δt là: Q= V ∆t = ∫ ∆x ∆t dA = vdA ∫ Trong v vận tốc khối chất lỏng xét mặt cắt dA, Δx độ dịch chuyển thể tích V Hình -2 cho thấy vận tốc chất lỏng khí ống thay đổi mặt cắt ngang Hình 1- 2: Biên dạng vận tốc dòng chảy ống Thường thuận tiện xác định vận tốc trung bình: v= a ∫ vdA A Khi đo vận tốc cảm biến có kích thước nhỏ đáng kể so với kích thước đường ống, người ta cần lưu ý khả phát sai số vận tốc max, vận tốc trung bình nằm khoảng Tích vận tốc trung bình diện tích mặt cắt ngang gọi thông lượng, tốc độ dòng chảy hay lưu lượng dòng chảy Đơn vị SI m3 / s Lưu lượng: Q = Ava = ∫ vdA Do đó, cảm biến lưu lượng thường đo vận tốc trung bình v a Do đó, để xác định tốc độ dịng chảy, phải biết diện tích mặt cắt ngang ống dòng A Mối quan hệ khối lượng thể tích vật liệu khơng nén thông qua khối lượng riêng ρ Nghĩa M = ρV Một tham số quan trọng q trình cơng nghệ lưu lượng chất chảy qua ống dẫn, muốn nâng cao chất lượng sản phẩm hiệu hệ thống điều khiển tự động q trình cơng nghệ cần phải đo xác thể tích lưu lượng chất Mơi trường đo khác đặc trưng tính chất lý hố u cầu cơng nghệ ta có nhiều phương pháp đo dựa nguyên lý khác nhau, số lượng vật chất xác định khối lượng thể tích tương ứng với đơn vị đo (kg, tấn) hay đơn vị đo thể tích (m3, lít), lưu lượng vật chất số lượng chất chảy qua tiết diện ngang ống dẫn đơn vị thời gian Lưu lượng thể tích: Q ( m3 / s ; m3 / h …) Lưu lượng khối lượng: G (kg/s; kg/giờ; tấn/giờ …) Cần phải phân biệt khác lưu lượng tức thời lưu lượng trung bình: − Lưu lượng trung bình khoảng thời gian xác định theo biểu thức: Qtb = ∆V ∆t Trong đó: ∆V , ∆m sát Gtb = ∆m ∆t thể tích khối lượng chất lưu chảy qua ống thời gian khảo − Lưu lượng tức thời xác định theo công thức: Q= dV dm G= dt dt Đối với chất khí, để kết đo khơng phụ thuộc vào điều kiện áp suất, nhiệt độ, ta quy đổi điều kiện chuẩn (nhiệt độ 2000C, áp suất 760 mm thuỷ ngân) 1.2 Đặc trưng lưu chất Mỗi lưu chất đặc trưng yếu tố sau: − Khối lượng riêng: khối lượng đơn vị thể tích lưu chất: m ρ = V , (kg / m3 ) Trong m khối lượng lưu chất, V thể tích khối lưu chất − Hệ số nhớt động lực hệ số nhớt động học: Tính nhớt: tính chống lại dịch chuyển, biểu sức dính phân tử hay khả lưu động lưu chất, tính chất quan trọng lưu chất nguyên nhân gây tổn thất lượng lưu chất chuyển động, chúng có chuyển động tương đối, nảy sinh ma sát tạo nên biến đổi phần thành nhiệt đi, tính nhớt đặc trưng tính nhớt động lực, hệ số phụ thuộc vào loại lưu chất Có nhiều cách để đo độ nhớt, cách thức đơn giản thường phòng thí nghiệm trường đại học sử dụng để chứng minh tồn độ nhớt xác định giá trị là: Cho càu rơi chất lỏng tác dụng trọng lực, đo khoảng cách (d) thời gian (t) cầu rơi, tính vận tốc u Hệ số nhớt động lực tính theo phương trình sau: µ= Trong đó: µ 2∆pgr3 9u : hệ số nhớt động lực (Pa.s ) g = 9.81m / s2 : gia tốc trọng trường r : bán kính cầu (m) u = d / t : vận tốc rơi cầu (m/s) Để nhấn mạnh mối quan hệ tính nhớt khối lượng riêng lưu chất người ta đưa µ ν= ρ hệ số nhớt động học: Trong ν : hệ số nhớt động học (stoke) (1stoke = 104 m2 / s ) µ : hệ số nhớt động lực (Pa.s ) ρ : khối lượng riêng lưu chất ( kg / m3 ) − Trị số Reynold (Re): Tất yếu tố kể có ảnh hưởng đến dòng chảy lưu chất ống dẫn, người ta kết hợp chúng với tạo đại lượng thể đặc trưng lưu chất số Reynolds thường kí hiệu Re tính theo cơng thức: Re = ρul ul = µ ν Trong ρ : khối lượng riêng chất lưu ( kg / m3 ) ... Hình 1-7: Cảm biến lưu lượng nước SEA YF S201 DN15 10 Hình 1-8: Mối quan hệ số vịng quay lưu lượng cảm biến 11 Hình 1-9: Tất phận cảm biến 12 Hình 1-10: Các thành phần cảm biến ... loại cảm biến lưu lượng 15 2.1 Đo lưu lượng thể tích 15 2.1.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp 15 2.1.2 Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine 27 2.1.3 Đo lưu lượng. .. trình Những nguyên lý đo lưu lượng trình bày Chương Một công dụng phố biến cảm biến lưu lượng xác định lưu lượng vật liệu qua đường ống với kích thước biết trước Nhớ lưu lượng lượng chất lỏng, chất