BÀI tập lớn cơ học kỹ THUẬT 2 CHỦ đề THIẾT bị đo lưu LƯỢNG CHẤT LỎNG

- Đo lưu lượng là hoạt động xác định giá trị của lưu lượng chảy qua một đường ống hay kênh… - Đo lưu lượng giúp chúng ta có thể xác định được thời gian để lưu chất có thể lấp đầ̀y bồn c

CHỦ ĐỀ: THIẾT BỊ ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG

Sinh viên : Trần Văn Bắc Mã SV : 20020874

Mã Học Phần: EMA2037_1 Năm họ̣c : 2021-2022

Hà Nội, năm 2022

Mục Lục

A KHÁI QUÁT ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG 1

I Lưu lượng là gì? 1

II Đo lưu lượng là gì? 1

III Cơ sở để đo lưu lượng chất lỏng 1

B Thiết bị đo lưu lượng 2

I Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất 3

Đo lưu lượng với ống Venturi 4

II Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ 7

1 Nguyên lý đo 7

2 Ưu nhược điểm 9

3 Ứng dụng 10

4 Hướng dẫn lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng điện từ 10

III Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm 13

1 Đo lưu lượng siêu âm theo phương pháp thời gian chuyển tiếp 14

A KHÁI QUÁT ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG

I Lưu lượng là gì?

- Lưu lượng là thuật ngữ chỉ số lượng hay khối lượng vật chất (vật thể) di

chuyển qua một vị trí cụ thể nào đó trong khoảng thời gian nhất định

VD: lưu lượng sông là lưu lượng nước chảy qua mặt cắ́t ngang của lòng sông tại

một vị trí nào đó trong một đơn vị thời gian

II Đo lưu lượng là gì?

- Đo lưu lượng là hoạt động xác định giá trị của lưu lượng chảy qua một đường ống hay kênh…

- Đo lưu lượng giúp chúng ta có thể xác định được thời gian để lưu chất có thể lấp đầ̀y bồn chứa hay mất bao lâu để lưu chất xả hết khỏi nơi chứa

VD: Các công ty nước sạch đo lưu lượng dòng chảy chảy qua các đường ống

cấp nước mà chúng ta sử dụng hàng ngày để xác định lưu lượng nước chúng ta

đã dùng, căn cứ vào đó để tính được tiền nước

III Cơ sở để đo lưu lượng chất lỏng

Để có thể đo lưu lượng của các lưu chất chúng ta căn cứ vào các cơ sở sau:

- Vận tốc chất lỏng: tính vận tốc của chất lỏng chạy qua một tiết diện đã biết

- Dung tích của chất lỏng chảy qua 1 đơn vị thời gian

- Khối lượng lưu chất chảy qua 1 đơn vị thời gian

- Sự chênh lệch áp suất của chất lỏng khi qua tiết diện hẹp

- Các tính chất dẫn nhiệt, điện, sóng… của lưu chất

Page | 1

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

B Thiết bị đo lưu lượng

- Để có thể đo lưu lượng của chất lỏng, chúng ta dùng các thiết bị bao gồm lưulượng kế, cảm biến đo lưu lượng Các thiết bị đo lưu lượng hoạt động dựa trênxác định lượng chất lỏng chảy qua xung quanh các cảm biến đo lưu lượng từ đógiúp xác định chính xác các kết quả của phép đo lưu lượng

- Để có thể đo lưu lượng chất lỏng, ta có thể sử dụng các phương pháp sau:+ Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất

+ Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ

+ Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm

Cảm biến đo lưu lượng điện từ Máy đo lưu lượng siêu âm

I Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất

- Đây là nguyên lý đo được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp.Nguyên lý đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất dựa trên phương

với Q : lưu lượng thể tích

trình tính lưu lượng thể tích

K : hệ số : chênh áp

- Theo đó, chúng ta sẽ sử dụng các thiết bị tạo chênh lệch áp suất bằng cách thayđổi thiết diện ngang của ống (theo hướng nhỏ lại) như:

Đo lưu lượng với ống Venturi

Ống Venturi

Cấu tạo: gồm 3 phầ̀n

+ Phầ̀n hội tụ: Thiết diện của ống giảm dầ̀n theo chiều dòng chảy khiến vận tốc

dòng chảy tăng lên và áp suất giảm xuống

+ Phầ̀n cổ ống: thiết diện của ống là nhỏ nhất Tại đây, áp suất đạt giá trị thấp

nhất, đồng thời vận tốc đạt giá trị lớn nhất

+ Phầ̀n phân kỳ: thiết diện của ống tăng dầ̀n theo chiều dòng chảy Vận tốc của

chất lỏng giảm dầ̀n đồng thời áp suất chất lỏng tăng lên

Cấu tạo ống Venturi

Page | 4

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

Xét môi trường chất lỏng đang chảy, trong ống sẽ có các dạng năng lượng sau

m: khối lượngg: gia tốc trọng trườngh: chiều cao so với gốc thế năngNăng lượng do áp

suất

P : áp suất: khối lượng riêng chất lỏngĐộng năng

 + = +  (P1-P2)= (1) * Xét tại phầ̀n hội tụ có tiết

diện D: A1=

Tại cổ ống có tiết diện d: A2=

Theo phương trình liên tục: cùng một lúc, cùng một khối lượng chảy qua mỗimặt cắ́t ngang tức là tốc độ dòng chảy như nhau đối với chất lưu không nénđược

 Lưu lượng được tính theo∆ công thức: Q=

Để xác định độ chênh áp P, ta lắ́p một áp kế vào ống Venturi như hình sau:

Page | 6

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

Bên trong áp kế chứa chất lỏng khác với chất lỏng cầ̀n đo, có khối lượng riêng lớn (như thuỷ ngân ρ m = 13600 kg/m 3 ), độ chênh∆ mực chất lỏng ở 2 bên ống là h Khi đó

độ chênh áp được tính theo công thức: P= ρm.g.h

- Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế dạng từ tính dựa trên cơ sở của địnhluật cảm ứng điện từ Faraday: Nếu một dây dẫn điện chuyển động trong từtrường vuông góc với phương chuyển động và với dây dẫn thì trong dây dẫnxuất hiện một hiệu điện thế có độ lớn tỉ lệ với cường độ từ trường và vận tốc củachuyển động

- Đặc điểm của định luật cảm ứng này cũng áp dụng cho chuyển động của chất lỏng dẫn điện trong ống qua từ trường

Cấu tạo đồng hồ đo lưu lượng điền từ

- Trong máy đo lưu lượng điện từ, 1 dòng điện được đặt vào cuộn dây gắ́n bênngoài thân máy đo để tạo ra từ trường Chất lỏng chảy qua đường ống đóng vaitrò là chất dẫn điện và tạo ra một điện áp ( E ) tỷ lệ với tốc độ dòng chảy (v)

- Theo định luật cảm ứng điện từ : ( 3)

với E: điện áp tạo ra trong chất dẫn điện

V: vận tốc chất dẫn điện

B: Cường độ từ trường

L: Khoảng cách 2 đầ̀u bản cực (Đường kính ống)

Page | 8

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

- Theo nguyên tắ́c này, khi chất dẫn điện đi qua từ trường B, điện áp E tạo ra tỷ

lệ thuận với vận tốc V của chất lỏng, mật độ từ trường B và chiều dài chất dẫn.Điện áp E được nhận bởi các điện gắ́n trong thân máy đo và được gửi đến máyphát để tính toán lưu lượng Q dựa trên kích thước ống

- Xét lưu lượng Q được tính theo công thức:

Với A: diện tích mặt cắ́t ngang của ống đo lưu lượng   ( 4 )

Từ (3)  

Thay vào (4)  

- Để có thể sử dụng nguyên tắ́c đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính cầ̀n phảitồn tại từ trường trong ống đo, do đó ống đo cầ̀n làm từ vật liệu không cản trở từtrường

- Ống đồng hồ phải có lớp lót bên trong cách điện để tránh ngăn mạch tín hiệu đo

- Điện áp E được đo bằng 2 điện cực kim loại tiếp xúc điện với môi chất

2 Ưu nhược điểm * Ưu điểm:

 Sự cản trở dòng chảy gầ̀n như bằng 0 nên được dùng để đo các chất huyềnphù nặng như: bùn, nước thải, bột gỗ

 Không bị thay đổi về tỷ trọng, độ nhớt, áp suất, nhiệt độ Không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự xáo trộn dòng chảy thượng lưu

 Cho kết quả đo chính xác, có thể sử dụng làm đồng hồ 2 chiều

 Đồng hồ được sử dụng rộng rãi cho các dịch vụ bùn nhờ các lớp lót như polyurethane, cao su và cao su có độ mài mòn tốt hoặc chống xói mòn.

* Nhược điểm:

 Chỉ sử dụng cho các chất lỏng có độ dẫn điện hợp lý

 Kích thước, chi phí của các cuộn dây và các mạch không tăng tương thíchvới kích thước của ống đo khiến đồng hồ đo cho ống có kích thước nhỏ thườngcồng kềnh và đắ́t tiền

- Sử dụng phổ biến trong các nhà máy; khu chiết xuất chất lỏng, khu công

nghiệp dùng đo lưu lượng nước sạch, nước thải

Đồng hồ đo lưu lượng điện từ trong các nhà

máy 4 Hướng dẫn lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng điện từ

Page | 10

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

a Yêu cầu về môi trường lắp

- Lắ́p đồng hồ ở nơi thoáng mát, rộng rãi, thuận tiện cho việc bảo dưỡng Nênthêm mái che cách nhiệt và thông gió cho đồng hồ nếu lắ́p đồng hồ ngoài trời.Đảm bảo môi trường xung quang dao động từ 50C  550C

- Tránh các nguồn có rung động mạnh, nếu đường ống có độ rung lớn cầ̀n có giá

đỡ cố định 2 bên lưu lượng kế điện từ

- Tránh lắ́p ở các nơi có khí ăn mòn, khi lắ́p cầ̀n có biện pháp thông gió

- Do đồng hồ đo dựa trên nguyên tắ́c của định luật cảm ứng điện từ , vì vậykhông nên lắ́p đặt ở nơi có từ trường gây hiện tượng nhiễu điện như động cơđiện, máy biến áp, máy biến tầ̀n,… khi đó bức xạ từ trường mạnh sẽ làm ảnhhưởng đến sự chính xác của phép đo

- Độ dẫn của chất lỏng phải đồng đều, không nên lắ́p đặt đồng hồ đo lưu lượng điện tử ở những nơi không có độ dẫn ổn định

- Đảm bảo chắ́c chắ́n không tạo ra bọt khí khi lắ́p lưu lượng kế điện từ vào hệ thống, đường ống phải luôn luôn chứa đầ̀y lưu chất

b Yêu cầu về đường ống

- Lưu lượng kế điện từ phải lắ́p đặt nằm ngang trên đường ống Trục của lưu lượng kế phải đồng tâm với trục đường ống

- Đường kính trong của đường ống phải bằng với đường kính trong của lưu lượng kế

- Yêu cầ̀u của ống rẽ nhánh: Để đảm bảo môi chất sử dụng bình thường không

đường ống trước và sau đồng hồ Đồng thời khi bảo dưỡng cầ̀n lắ́p đặt thêm đường ống dẫn lưu chất tránh hiện tượng bị nghẽn khi bảo dưỡng.

- Không nên ngâm cả đồng hồ vào môi trường lưu chất Mặc dù nó có khả năngchống nước nhưng chúng ta chỉ nên để ngập phầ̀n thân của đồng hồ vào lưu chất

để cho phầ̀n hiển thị hoạt động tốt nhất

c Phương pháp lắp đặt lưu lượng kế dạng điện từ

Đồng hồ đo lưu lượng dạng điện thường được kết nối với ống nước bằng mặt bích Khi lắ́p đặt ta cầ̀n một vài lưu ý như sau:

- Đồng hồ nên được lắ́p ở phầ̀n dưới của ống nằm ngang và hướng thẳng đứnglên trên, tránh lắ́p đặt ở điểm cao nhất của đường ống và hướng thẳng đứngxuống dưới

- Không lắ́p trực tiếp ở vị trí tiếp nối với đường ống có rẽ nhánh đi xuống

- Không lắ́p van điều khiển hoặc van chặn trước đồng hồ

Page | 12

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

- Tìm vị trí thấp nhất trong hệ thống đường ống để lắ́p đồng hồ

- Đối với đường ống thẳng thì khoảng cách tối ưu nhất trước đồng hồ là 10D

- Ống đo của đồng hồ phải luôn luôn đầ̀y lưu chất Đó là yêu cầ̀u bắ́t buộc để đồng hồ có thông số là chính xác nhất

- Chú ý đến hướng mũi tên chỉ dòng chảy của lưu chất Đồng hồ chỉ đo được kếtquả chính xác khi lắ́p đúng chiều đo của nó

- Nếu sử dụng cho lưu lượng có lắ́ng cặn hạt rắ́n hoặc các loại bùn chúng ta nênlắ́p thiết bị đo lưu lượng điện từ theo phương thẳng đứng hướng từ dưới lên trêntránh hiện tượng lắ́ng cặn trong ống đo của thiết bị

- Dây nguồn cấp và dây tín hiệu phải gọn gàng, an toàn Tránh tình trạng đứt, hởgây nguy hiểm cho người sử dụng và ảnh hưởng tới kết quả đo của đồng hồ

III Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm

- Lưu lượng kế siêu âm hoạt động dựa theo sự thay đổi của sóng siêu âm truyềntrong môi chất ở mức tầ̀n số nằm ngoài phạm vi mà con người có thể nghe được.Tai người nghe được âm thanh trong khoảng 20Hz20kHz Máy đo lưu lượngsiêu âm sẽ hoạt động ở tầ̀n số nằm ngoài phạm vi này, từ mức 25kHz trở lên

- Vận tốc C là giá trị vận tốc truyền của sóng trong môi chất và thay đổi theomật độ của môi chất đo Khi một xung âm thanh truyền từ vị trí cố định A đến vịtrí B sẽ có vận tốc C=L.t

trong đó C: Vận tốc âm thanh

L: khoảng cách từ A đến B

t : khoảng thời gian âm thanh truyền từ A đến B

Thời gian thay đổi khi vật mang âm thanh đang chuyển động, vận tốc khi đó làtổng của vận tốc âm thanh trong môi chất đo và vận tốc môi chất đo Tính năngnày được áp dụng trong lưu lượng kế siêu âm

1 Đo lưu lượng siêu âm theo phương pháp thời gian chuyển tiếp

Page | 14

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

Xét chất lỏng có vận tốc V Xung âm truyền từ A  B trong chất lỏng với vận

tốc C+V sau khoảng thời gian t1: t1 =

Thời gian cầ̀n thiết để xung lực đi từ B về A là t2: t2=

Giả thiết vận tốc truyền âm C=const 

 Vận tốc dòng chảy trong môi chất:

Trên thực tế, khi thiết kế đồng hồ đo, người ta thường lắ́p đặt đầ̀u dò theođường chéo, sóng âm tạo với dòng chảy 1 góc α như hình vẽ Khi đó vận tốcdòng chảy trong môi chất là:

2 Đo lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler

- Đối với phép đo lưu lượng siêu âm sử dụng hiệu ứng Doppler, trong môitrường đo phải có các chất không đồng nhất hoặc tạp chất để một phầ̀n nănglượng âm thanh có thể bị phản xạ

- Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu Bộ phát thực hiện lan truyền sóngsiêu âm với tầ̀n số f1 vào trong chất lỏng có vận tốc là v Giả sử rằng hạt vật chấthoặc các bọt trong chất lỏng di chuyển với cùng vận tốc Những hạt vật chất nàyphản xạ sóng lan truyền đến bộ thu với một tầ̀n số f2

- Sự thay đổi tầ̀n số được tính theo công thức:

với: f1-tầ̀n số phát xạ f2- tầ̀n số phản xạ V:

tốc độ dòng chảy C:

vận tốc âm thanhα: góc dòng chảy và chùm siêu âm

Page | 16

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

Vận tốc dòng chảy tính được:

3 Cách bố trí lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng siêu âm a Lắ́p đặt:

Lưu lượng kế siêu âm có 2 thiết kế: hệ thống in-line và hệ thống kẹp (calm on)

- Trong thiết kế inline, đầ̀u dò siêu âm được lắ́p cứng trong thành ống và tiếpxúc trực tiếp hoặc gián tiếp với phương tiện đo, khi đó xung âm thanh không cầ̀n

đi qua thành ống giúp hệ thống đo in-line có thể đạt được độ chính xác tốt hơn

In-line tiếp xúc trực tiếp vớ́i máy đo In-line tiếp xúc gián tiếp vớ́i máy đo

- Trong hệ thống kẹp (clamp on), các đầ̀u dò siêu âm được gắ́n bên ngoài đườngống Chùm siêu âm phải đi qua thành ống và bất kỳ lớp phủ nào, khi đó chùmsiêu âm sẽ không truyền thẳng mà bị khúc xạ, các định luật phản xạ và khúc xạ

sẽ được xem xét

Clamp on

b Bố trí đầ̀u dò

- Cảm biến lưu lượng siêu âm theo phương pháp thời gian chuyển tiếp thường

có 2 phương pháp lắ́p đặt đầ̀u dò, đó là phương pháp W và phương pháp V

- Nếu đường kính ống D<200mm và có 1 trong các điều kiện sau:

+ Độ đục của chất lỏng cầ̀n đo cao, không nhận được tín hiệu hoặc tín hiệu yếu khi đo bằng phương pháp chữ V

+ Thành trong của đường ống được lót

+ Tuổi thọ đường ống quá lâu, thành trong bị bám bẩn nghiêm trọng

Khi đó sẽ lắ́p đặt đầ̀u do theo phương pháp Z

Page | 18

Trầ̀n Văn Bắ́c 20020874

54_h cCFQAAAAAdAAAAABAD