Chương 2 : HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG
2.4 Đo mức chất lỏng
2.4.1 Khái niệm chung.
a. Định nghĩa
Mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay các hạt trong các thiết bị công nghê.
b. Đơn vị đo
Mức được đo bằng đơn vị chiều dài c. Phân loại
* Dựa vào chức năng phân thành + Đo mức môi trường làm việc + Đo khối lượng chất lỏng. * Theo phạm vi đo phân thành
+ Phạm vi đo rộng: giới hạn từ 0,5 – 20m + Phạm vi đo hẹp: giới hạn từ 0 – 500m. * Dựa vào nguyên lý hoạt động phân thành
+ Đo mức bằng cột thủy tĩnh
+ Do mức bằng các chuyển đổi điện (biến trở, điện dung…).
2.4.2 Đo mức bằng phương pháp thủy tĩnh.
Phương pháp thủy tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa. Trên hình 2.9 giới thiệu một số sơ đồ đo mức phương pháp thủy tĩnh:
Hình 2.9 Sơ đồ mức theo phương pháp thủy tĩnh.
a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai.
1. phao; 2. dây mềm; 3,4. ròng rọc; 5. đối trọng; 6. cảm biến.
Trong sơ đồ hình 2.9a, phao (1) nối trên bề mặt chất lưu được nối với đối trọng (5) bằng dây mềm(2) qua ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống làm quay rịng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của rịng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu. Trong sơ đồ hình 2.9b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được treo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu:
. . .
F= −P ρg S h
Trong đó: P – trọng lượng phao.
h – là chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao. S – là tiết diện mặt cắt ngang của phao.
ρ - là khối lượng của chất lưu.
g – là gia tốc trọng trường.
Trên sơ đồ hình 2.9c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng mạng (1) đặt sát đáy bình chứa. Một mặt cắt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:
. .
o
p= p +ρg h
Mặt khác màng cảm biến chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh
bình chứa. Chênh lệch áp suất p - p0 sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa, được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.
2.4.3 Phương pháp điện.
Các cảm biến đo mức bằng phương 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 của chất lưu . Các cảm biến thường dùng là cảm biến độ dẫn và cảm biến điện dung.
a) Cảm biến độ dẫn.
Các cảm biến loại này thường để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ điện dẫn ~ 50μScm-1) . Trên hình 2.10 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thơng dụng.
Hình 2.10: Cảm biến độ dẫn.
a) Cảm biến hai điện cực b) Cảm biến một điện cực c) Cảm biến phát
hiện mức.
Sơ đồ cảm biến hình 2.10a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện. Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V( để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực). Dịng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng.
Sơ đồ cảm biến hình 2.10b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại.
Sơ đồ cảm biến hình 2.10c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực cịn lại nối với thành bình kim loại, vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng. Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ.
b) Cảm biến tụ điện.
Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc trong một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình làm bằng kim loại. Chất điện mơi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và khơng khí ở phần khơng có chất lỏng. Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi
theo mức chất lỏng trong bình chứa. Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện mơi của khơng khí (thường là gấp đơi)
Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngồi có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trị chất điện mơi cịn chất lưu đóng vai trị điện cực thứ hai.