Giáo trình Thiết bị đo lường được biên soạn với các nội dung chính như sau: Hệ đo lường Met (Metric system); Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, mức và lưu lượng (Temperature, Pressure, Level, and Flow); Cảm biến, phần tử đo thứ cấp, bộ biến đổi và bộ truyền tín hiệu; Van điều khiển, cơ cấu chấp hành và bộ định vị van; Công tắc và thiết bị quang điện. Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƯƠNG 1: HỆ ĐO LƯỜNG MET (METRIC SYSTEM)
Các loại đơn vị đo
Trong hầu hết các công việc khoa học và kỹ thuật, việc thực hiện các phép đo chính xác các đại lượng vật lý đóng vai trò vô cùng quan trọng Một phép đo đơn giản là việc so sánh một đại lượng vật lý với một đơn vị đo tiêu chuẩn, như foot, lit hoặc pound Việc này đòi hỏi phải xác định rõ các đơn vị đo phù hợp để mô tả chính xác đại lượng vật lý đó Đôi khi, một đơn vị đo riêng lẻ không đủ để mô tả đầy đủ một đại lượng vật lý phức tạp, yêu cầu sử dụng nhiều đơn vị hoặc các hệ đo khác nhau để đảm bảo độ chính xác.
Việc xác định đơn vị đo cho một đại lượng vật lý là cần thiết vì cùng một đại lượng có thể được đo bằng nhiều đơn vị khác nhau, chẳng hạn như chiều dài có thể được đo bằng inch, feet, yard, mile, mm, cm, m hoặc km với cùng một kết quả chính xác.
Ngày nay, cả hệ thống Anh và hệ mét đều được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực thiết kế, xây dựng và kỹ thuật Việc hiểu biết về cả hai hệ thống đo lường là rất cần thiết để đảm bảo chính xác trong công việc Các giá trị đo lường chính thường liên quan đến các yếu tố như chiều dài, diện tích và thể tích, có thể được biểu diễn một cách dễ dàng trên cả hai hệ thống này.
- Kích thước và khoảng cách
Bảng 1-1 trình bày những giá trị thường thấy ở cả hai hệ Anh và met
Giá trị Hệ Anh Hệ met
Kích thước Inch và feet Centimet và met
Trọng lượng Ounce và pound Gam và kilogam
Thể tích (khô) Inch khối và feet khối Centimet khối và met khối
Thể tích (lỏng) Quart và gallon Lit Áp suất Pound/inch khối Pascal và bar
Bảng 1-1: Các đơn vị đo hệ Anh và hệ met
Hiểu rõ về hệ mét giúp việc đo lường trở nên dễ dàng hơn nhiều so với hệ Anh do hệ mét dựa trên hệ thập phân, với các tiếp đầu ngữ thể hiện hệ số nhân 10 Hệ thống Anh cũ hơn, yêu cầu ghi nhớ các hệ số chuyển đổi như 1 mile bằng 5.280 feet hoặc 1 inch bằng 1/12 foot, trong khi hệ mét quy đổi đơn giản hơn với 1 cm bằng 1/100 m và 1 km bằng 1.000 m Một lợi thế lớn của hệ mét là ít cần cộng trừ phân số so với hệ Anh Bảng 1-2 cung cấp danh sách các đơn vị đo phổ biến trong hệ Anh để tham khảo.
Hệ mét được trình bày một cách logic, với các tiếp đầu ngữ thể hiện theo thứ tự độ lớn, phù hợp để đo lường chính xác hơn so với đơn vị foot và pound, vốn không thể diễn tả các giới hạn về kích thước này Các tiếp đầu ngữ trong hệ mét, được liệt kê rõ ràng trong bảng 1-3, giúp sắp xếp các đơn vị đo theo trình tự hợp lý, từ đó nâng cao độ chính xác trong các phép đo lường khoa học và kỹ thuật.
Các tiếp đầu ngữ phổ biến nhất trong hệ mét bao gồm mega (M), kilo (k), centi (c), milli (m) và micro (μ), giúp biểu diễn các giá trị đo lường một cách chính xác và dễ hiểu Mặc dù các tiếp đầu ngữ này có thể gây nhầm lẫn ban đầu, nhiều người vẫn sử dụng chúng hàng ngày trong các đơn vị đo lường như megawatt, kilometer, centimeter, millivolt và microamp Việc hiểu rõ các đơn vị này là yếu tố quan trọng để đo lường chính xác và truyền đạt thông tin kỹ thuật một cách hiệu quả.
1 US gallon (gal) 0,1337 foot khối (cu ft)
Bảng 1-2: Các đơn vị đo hệ Anh phổ biến
Các đơn vị tiền tố trong hệ thống đo lường gồm có micro- (μ), biểu thị phần triệu, với giá trị là 0,000001 hoặc 10^-6; milli- (m), tương ứng một phần nghìn, bằng 0,001 hoặc 10^-3; centi- (c), đại diện cho một phần trăm, là 0,01 hoặc 10^-2; deci- (d), biểu thị một phần mười, bằng 0,1 hoặc 10^-1 Các đơn vị lớn hơn bao gồm deka- (da), tượng trưng cho mười, với giá trị 10; hecto- (h), là một trăm, bằng 100 hoặc 10^2; kilo- (k), đại diện nghìn, với giá trị 1.000 hoặc 10^3; mega- (M), tương ứng một triệu, là 1.000.000 hoặc 10^6; và giga- (G), biểu thị một tỷ, với giá trị 1.000.000.000 hoặc 10^9.
Bảng 1-3: Các tiếp đầu ngữ hệ met
Chiều dài, diện tích và thể tích
Các con số trong các chuyên ngành thường biểu thị các đại lượng vật lý quan trọng Để các đại lượng này trở nên có ý nghĩa, việc gán đơn vị đo phù hợp là rất cần thiết, giúp thể hiện rõ ràng các thông số về chiều dài, diện tích, và thể tích Việc sử dụng đúng đơn vị đo không chỉ nâng cao tính chính xác mà còn giúp truyền đạt thông tin một cách rõ ràng, hiệu quả hơn trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật.
Chiều dài thường đề cập đến cạnh dài của một đối tượng hoặc bề mặt, có thể được đo bằng đơn vị trong hệ Anh hoặc hệ mét Bảng 1-4 trình bày mối quan hệ giữa các đơn vị đo chiều dài phổ biến trong hai hệ đo lường khác nhau, giúp người dùng dễ dàng chuyển đổi và hiểu rõ hơn về các đơn vị này Hình 1-2 so sánh trực quan giữa đơn vị inch và centimet, cung cấp cái nhìn rõ ràng về sự khác biệt về kích thước giữa hai đơn vị đo này.
Các số nhân trong bảng 1-4 được sử dụng để chuyển đổi từ hệ này sang hệ kia Đơn vị Centimet Inch Foot Met Kilomet
Bảng 1-4: Số nhân chuyển đổi chiều dài Đơn vị met
Ban đầu, mét được định nghĩa là bằng 1/10.000.000 của góc phần tư đường kinh tuyến trái đất, tức là khoảng cách từ cực Bắc đến xích đạo Đây chính là nguồn gốc của tên gọi đơn vị mét Khoảng cách này được khắc lên một thanh kim loại lưu giữ tại Pháp, thể hiện nỗ lực tiêu chuẩn hóa đơn vị đo lường quốc tế.
Năm 1866, Mỹ hợp pháp hóa việc sử dụng hệ mét và đặt một bản sao thanh kim loại này tại Cục Tiêu chuẩn Mỹ Vào tháng 10 năm 1983, các nhà khoa học trên thế giới đã định nghĩa lại đơn vị mét để tránh sai số nhỏ phát sinh từ thanh chuẩn tại Pháp Hiện nay, một mét được xác định dựa trên khoảng cách ánh sáng đi trong 1/299.792.458 giây, tương đương với 39,37 inch Người sử dụng hệ mét thường không cần phải nhớ chính xác các giá trị này trong thực tế.
Để lắp đặt bảng thiết bị với chiều cao cần thiết là 122 cm từ sàn nhà, chúng ta cần chuyển đổi đơn vị từ centimet sang inch Theo quy đổi, 1 inch bằng 2,54 cm Vì vậy, chiều cao cần thiết bằng 122 cm chia cho 2,54, kết quả khoảng 48 inch Như vậy, chiều cao lắp đặt bảng thiết bị phù hợp là khoảng 48 inch từ sàn nhà để đảm bảo đúng yêu cầu.
122 cm = 48,0314” = 48” (làm tròn) Hoặc đổi sang feet
Diện tích đề cập đến phép đo bề mặt của một vật thể hai chiều, là yếu tố quan trọng trong các công việc đo lường khí Ví dụ, khi theo dõi dòng không khí đi qua một ống, người ta sử dụng máy đo vận tốc khí (velometer) để đo vận tốc không khí Để xác định lưu lượng khí, việc biết diện tích của ống là điều cần thiết, đặc biệt khi ống có hình dạng như hình hộp chữ nhật, vuông hoặc tròn.
Diện tích của một hình chữ nhật được tính bằng chiều dài nhân với chiều rộng, thường viết là l x w Trong hệ đo lường Anh, các đơn vị đo diện tích phổ biến nhất là foot vuông (ft²) và inch vuông (in²) Để chuyển đổi diện tích giữa các hệ đo lường khác nhau, cần chuyển đổi từng kích thước của hình, bao gồm chiều dài và chiều rộng, như trình bày trong Hình 1-4 Ngoài ra, diện tích cũng có thể được tính toán dựa trên các giá trị trong hệ mét để đảm bảo tính chính xác.
Cùng một nguyên lý áp dụng cho hình chữ nhật, như trình bày trong hình 1-5
Diện tích của một đối tượng hình tròn được tính bằng công thức sau:
- π = một hằng số là 3,14159 (thường được rút gọn là 3,14)
- r = bán kính của hình tròn
Khi thay đổi kích thước của một hình tròn, chỉ cần điều chỉnh bán kính để thay đổi kích thước của hình Nếu chỉ biết đường kính của hình tròn, bạn có thể dễ dàng tính bán kính bằng cách chia đôi đường kính đó Đơn vị đo của bán kính sẽ xác định đơn vị cho các kết quả tính toán, ví dụ như nếu bán kính đo bằng inch, diện tích sẽ tính bằng inch vuông; nếu đo bằng mét, diện tích sẽ là mét vuông.
Pi là hằng số quan trọng trong hình học, dùng để tính các đường tròn Giá trị của Pi được khuyến nghị sử dụng đến hai chữ số thập phân, giúp đảm bảo độ chính xác trong các tính toán Việc ghi nhớ giá trị của Pi là cần thiết để áp dụng hiệu quả trong các bài toán liên quan đến hình tròn và các hình học khác.
Trong ví dụ tại hình 1-6, cần chuyển đổi đơn vị từ centimet sang inch để đảm bảo chính xác trong quá trình tính toán Phương trình này, giống như các phương trình khác, hoạt động độc lập với hệ đo lường, không phân biệt hệ Anh hay hệ Mét Do đó, kết quả tính diện tích vẫn giữ nguyên độ lớn dù sử dụng hệ đo lường nào, đảm bảo tính nhất quán và chính xác trong các phép tính kỹ thuật.
Hình 1-3: Hình dạng của ống
DIỆN TÍCH = CHIỀU DÀI X CHIỀU RỘNG
Hình 1-4: Chuyển đổi diện tích hình vuông từ hệ Anh sang hệ met
DIỆN TÍCH = CHIỀU DÀI X CHIỀU RỘNG
Hình 1-5: Chuyển đổi diện tích hình chữ nhật từ hệ Anh sang hệ met
VÌ VẬY, BÁN KÍNH = 2/2,54 = 0,7874 in DIỆN TÍCH = 3,14 x (0,7874 in x 0,7874 in)
Hình 1-6: Chuyển đổi diện tích hình tròn thừ hệ met sang hệ Anh
Thể tích là khoảng không gian chiếm giữ bởi một vật thể 3 chiều, ví dụ như một phòng trong tòa nhà, được tính bằng phép nhân của ba chiều dài, rộng, cao Trong hệ đo lường Anh, đơn vị đo thể tích phổ biến nhất là feet khối (ft³) hoặc inch khối (in³) Đôi khi, để đo thể tích chính xác hơn, cần sử dụng thiết bị chuyên dụng, đặc biệt trong các trường hợp đo thể tích dòng khí hoặc dung tích bồn chứa Ví dụ, để tính thể tích dòng không khí qua ống dẫn, ta nhân diện tích (chiều dài x chiều rộng) của ống với vận tốc dòng khí, kết quả thường được biểu thị bằng feet khối trên phút (ft³/phút hay CFM) Ngoài ra, việc đo thể tích của bồn chứa chất lỏng cũng là một yêu cầu phổ biến, có thể thực hiện dễ dàng bằng cách theo dõi mức chất lỏng và tính toán dựa trên các kích thước còn lại của bồn.
Hình 1-7 trình bày cách đo đạc ba chiều của một hình hộp chữ nhật, như một căn phòng Thể tích của hộp được tính bằng tích của chiều dài, chiều rộng và chiều cao Khi chuyển đổi thể tích giữa các hệ đo lường, cần nhớ rằng từng kích thước của hình hộp phải được chuyển đổi riêng biệt, bao gồm chiều dài, chiều rộng và chiều cao, như mô tả trong hình 1-7.
Phương pháp tính thể tích này phù hợp để đo thể tích của các vật chứa hình hộp, nhưng không áp dụng cho các bồn bể và vật chứa hình trụ, như đã trình bày trong hình 1-8 Đối với các bể chứa hình trụ, chẳng hạn như bể chứa nước thải, thể tích được tính bằng cách nhân diện tích hình tròn của mặt đáy hoặc mặt đỉnh với chiều cao hoặc chiều dài của bể.
Ví dụ về bể hình trụ yêu cầu chuyển đổi cả bán kính và chiều cao sang đơn vị hệ Anh như trình bày trong hình 1-9 để tính thể tích chính xác theo đơn vị đo của hệ Anh Việc chuyển đổi này đảm bảo kết quả tính toán thể tích phù hợp với tiêu chuẩn đo lường của hệ Anh, giúp ích cho các ứng dụng kỹ thuật và thiết kế Chuyển đổi các giá trị này là bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình tính toán thể tích bể hình trụ bằng đơn vị hệ Anh.
THỂ TÍCH = DÀI X RỘNG X CAO
Hình 1-7: Chuyển đổi thể tích của một khối hình hộp chữ nhật
THỂ TÍCH = DIỆN TÍCH DÁY X CHIỀU CAO
Hình 1-8: Tính toán thể tích của một bồn chứa hình trụ tròn theo đơn vị đo hệ met
THỂ TÍCH = (πr 2 ) x h THỂ TÍCH HỆ MET = 37,680 cm 3
VÌ VẬY, THỂ TÍCH HỆ ANH LÀ:
Hình 1-9: Chuyển đổi thể tích trụ tròn từ hệ met sang hệ Anh
Thể tích khô được xác định khi đo thể tích của một không gian bằng feet khối hoặc mét khối, thường dùng cho các vật liệu rắn Trong khi đó, thể tích ướt liên quan đến lượng chất lỏng chứa trong bình và yêu cầu các phép đo chuyên dụng, như pint, quart, và gallon trong hệ đo lường Anh Các đơn vị đo thể tích ướt này giúp xác định chính xác lượng chất lỏng, phù hợp với các ứng dụng liên quan đến chất lỏng và hàng hóa chứa đựng.
Chuyển đổi trọng lượng
Trọng lượng thực tế là lực tác động của một đối tượng lên bề mặt trái đất, được tạo thành từ khối lượng của vật và lực hút của trọng lực Trái Đất Trong hệ đo lường Anh, đơn vị đo trọng lượng phổ biến gồm pound (lb) và ounce (oz), giúp xác định chính xác trọng lượng của vật Bảng 1-6 trình bày các đơn vị đo trọng lượng được sử dụng trong cả hệ Anh và hệ mét, hỗ trợ dễ dàng chuyển đổi và so sánh giữa các hệ đo lường khác nhau.
Trong công việc đo lường, việc chuyển đổi trọng lượng đòi hỏi sự chính xác cao và phù hợp với nhiều quy trình khác nhau, bao gồm các công thức phức tạp trong sản xuất và hóa học Ví dụ, khi hệ thống đo lường cần theo dõi việc đổ đầy một bể trộn với 1.200 kg chất rắn dạng hạt, nhưng trọng lượng lại được đo bằng pound, cần thực hiện chuyển đổi chính xác để đảm bảo tỷ lệ thành phần là chính xác Việc áp dụng các công thức chuyển đổi phù hợp là yếu tố then chốt để duy trì độ chính xác và độ tin cậy trong quá trình đo lường.
Bảng 1-6 cho biết 1 kg = 2,205 pound, vì vậy đem nhân 1.200 với 2,205 sẽ được 2.646 pound Đây sẽ là trọng lượng đúng bên trong bể trộn một thành phần
Unit Kg Pound Ounce Gam
Áp suất và nhiệt độ
Áp suất và nhiệt độ có mối liên hệ chặt chẽ, vì chúng thường phụ thuộc lẫn nhau trong các hệ thống kín Khi một trong hai yếu tố này thay đổi, thành phần còn lại có thể bị ảnh hưởng theo tỷ lệ, góp phần vào sự vận hành hiệu quả của các quá trình như chu trình máy lạnh Mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất là yếu tố then chốt trong nhiều quá trình công nghiệp và hệ thống đo lường công nghiệp, giúp cung cấp dữ liệu quan trọng trong việc kiểm soát và tối ưu hóa hoạt động.
Khi vỏ xe ô tô chứa 32 pound khí, điều này tương đương với lực 32 psig tác dụng lên thành trong của vỏ xe so với áp suất khí quyển ngoài Tổng áp suất tuyệt đối tác dụng lên lốp xe là 46,7 psia, tính bằng cách cộng giá trị psig với áp suất khí quyển khoảng 14,7 psi tại mực nước biển Thay đổi của áp suất khí quyển theo chiều cao ảnh hưởng đến giá trị đo, do đó cần cộng thêm áp suất khí quyển để xác định áp suất tuyệt đối khi cần thiết Hiểu rõ khái niệm này rất quan trọng trong lĩnh vực đo lường và bảo trì lốp xe.
Cả chất lỏng và khí đều có khả năng tạo ra áp suất trong các hệ thống khác nhau Khi khí bị nén vào một không gian nhỏ hơn, nó sẽ tạo ra áp suất cao và giãn nở cũng như giảm áp suất khi không gian được mở rộng hoặc khí thoát ra Trong khi đó, chất lỏng thường được xem là không chịu nén hoặc ít chịu nén hơn so với khí.
Trong hệ đo lường Anh, đơn vị Pound trên inch vuông (psi) thường được sử dụng để đo áp suất, trong khi đó trong hệ mét, đơn vị phù hợp là Newton trên mét vuông (N/m²), còn gọi là pascal (Pa) do triết gia Pháp Blaise Pascal đóng góp Một pascal tương đương với lực của một newton tác dụng lên diện tích một mét vuông Để bơm phồng lốp ô tô bình thường đến khoảng 28 psi, cần khoảng 200.000 pascal (200 kPa) áp suất Áp suất lốp ô tô thường được đo bằng đơn vị kPa hoặc psi, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật và các hướng dẫn sử dụng.
Hình 1-11: Nhãn áp suất của lốp ô tô
Khi cần sử dụng áp suất cao hơn, đơn vị bar (b) trong hệ mét rất tiện lợi, vì một bar bằng 14,5 psi hoặc 100 kPa Bar thường được sử dụng trên nhiều đồng hồ đo áp suất (hình 1-12) cùng với đơn vị psig, giúp đo lường chính xác hơn trong các ứng dụng kỹ thuật Ngoài ra, các nhà dự báo thời tiết thường sử dụng đơn vị bar để mô tả sự thay đổi của áp suất khí quyển, giúp người dân dễ dàng hiểu và theo dõi dự báo thời tiết Thuật ngữ millibar, tương đương với 0,001 bar (b), cũng phổ biến trong lĩnh vực khí tượng để biểu thị áp suất khí quyển một cách chính xác hơn.
Hình 1-12: Đồng hồ áp suất có đơn vị đo hệ Anh và hệ met
Phần tiếp theo sẽ trình bày mối quan hệ giữa các đơn vị trong hệ mét với các đơn vị áp suất phổ biến trong hệ Anh, giúp người đọc hiểu rõ hơn về cách chuyển đổi và so sánh các đơn vị đo áp suất Đồng thời, bài viết cũng giới thiệu khái niệm đo áp suất cùng lúc, đó là phương pháp đo nhiều chỉ số áp suất cùng một lúc để đảm bảo độ chính xác và tiện lợi trong các ứng dụng kỹ thuật.
1.4.1 Áp suất tuyệt đối Áp suất khí quyển tiêu chuẩn đặt lên bề mặt trái đất là 14,696 psi đo tại mực nước biển với nhiệt độ không khí là 70 o F Đối với hầu hết các ứng dụng thực tế, con số này được làm tròn là 14,7 psi Áp suất khí quyển cũng được thể hiện là 29,9213 inHg, bằng với 14,969 psi Giá trị làm tròn cho inHg là 29,92 Áp suất khí quyển tiêu chuẩn trong hệ met bằng 101.325 pascal, hoặc 101,325 kPa Tính bằng bar, giá trị là 1,01325
Các điều kiện thời tiết thường gây ra những biến đổi nhỏ trong áp suất khí quyển Áp suất khí quyển thực tế, còn gọi là áp suất khí áp kế, thường không được xem xét trong các phép đo áp suất quá trình, nhưng lại vô cùng quan trọng khi làm việc với áp suất cực thấp Việc nhận biết và điều chỉnh áp suất khí quyển giúp đảm bảo độ chính xác trong các phép đo áp suất kỹ thuật và quy trình tự nhiên.
Hầu hết các đồng hồ đo chênh áp đều đo sự chênh lệch giữa áp suất thực trong hệ thống và áp suất khí quyển Áp suất đồng hồ (hoặc áp suất tương đối) được ký hiệu là psig, trong khi đó áp suất tổng trong hệ thống là áp suất tuyệt đối, ký hiệu là psia; trong hệ đo mét, chữ 'a' và 'g' được đặt trong ngoặc đơn, ví dụ như kPa(a) cho áp suất tuyệt đối và kPa(g) cho áp suất tương đối Áp suất tuyệt đối bằng tổng của áp suất tương đối và áp suất khí quyển, được thể hiện qua các công thức: psia = psig + 14,7 psi; kPa(a) = kPa(g) + 101,325 kPa; bar(a) = bar(g) + 1,01325 bar.
1 Một đồng hồ đo áp suất hơi chỉ thị giá trị 295 psig Tìm áp suất tuyệt đối psia = psig + 14,7 psi psia = 295 + 14,7 psi psia = 309,7
2 Một dây chuyền lọc dầu chỉ thị áp suất là 108 kPa Tìm áp suất tuyệt đối kPa(a) = kPa + 101,325 kPa kPa(a) = 108 + 101,325 kPa kPa(a) = 209,325 Áp suất đôi khi được tính theo atmosphere, trong đó một atmosphere bằng với 14,696 psi Bảng 1-7 cung cấp bảng chuyển đổi một số giá trị áp suất giữa hệ Anh và hệ met
Phép nhân Hệ số nhân Kết quả
Psi 2,04 Ich thủy ngân (inHg) inH2O 0,0361 Psi inH2O 249,089 Pa ftH2O 0,433 Psi inHg 0,491 Psi
Bảng 1-7: Bảng chuyển đổi đơn vị đo áp suất Áp suất khí quyển
Bầu khí quyển mặc dù không thể nhìn thấy (hầu hết nơi) và trọng lượng của nó không thể cảm nhận trực tiếp, vẫn có khối lượng nhờ chứa hơi nước và khí như oxi Các nhà khoa học đã xác định rằng bầu khí quyển gây ra áp suất 14,7 psi tại mực nước biển Tại các độ cao trên mực nước biển, áp suất khí quyển giảm do lượng không khí bên trên ít đi, chẳng hạn như ở Denver, Colorado, ở độ cao khoảng 5.000 feet, áp suất khí quyển bình thường là 12,1 psi.
Các hệ thống cấp nước đô thị thường xác định áp suất dựa trên áp suất thủy tĩnh hoặc chiều cao của bồn chứa Áp suất trong hệ thống có thể dễ dàng chuyển đổi giữa dạng tương đối và áp suất tĩnh bằng công thức phù hợp Việc hiểu rõ mối liên hệ này giúp tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo ổn định áp lực trong hệ thống cấp nước đô thị.
- h = chiều cao/độ sâu, tính bằng feet
- d = khối lượng riêng của chất lỏng tính bằng lb/ft3 (62,43 lb/ft3 đối với nước)
- 144 = được sử dụng để chuyển đổi ft2 sang in2
Trong hệ met, công thức cũng gần giống nhưng sử dụng đơn vị đo khác Hệ số chuyển đổi 1,4 cũng bị loại bỏ
- h = chiều cao tính bằng met
- d = khối lượng riêng tính bằng kg/m3 (1.000 kg/m3 đối với nước)
- g = gia tốc trọng trường (9,81 m/s2) Áp suất lốp ô tô
Nếu bạn là fan đua ô tô, bạn biết rằng thay đổi nhỏ về áp suất lốp, chỉ khoảng 0,5 psi, có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý của xe đua Không khí nén chứa hơi nước, khi lốp xe nóng lên, áp suất bên trong sẽ tăng lên, ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu đua Vì lý do này, các đội đua thường sử dụng khí nitơ để bơm lốp, bởi khí nitơ khô và không phản ứng với nhiệt độ, giúp duy trì áp suất ổn định hơn trong quá trình thi đấu.
Ví dụ, mực nước trong bồn chứa được duy trì ở mức 150 feet tính từ đáy bồn Áp suất tại đáy bồn do cột nước này gây ra có thể được tính dựa trên chiều cao mực nước và độ cao của cột nước Việc xác định áp suất tại đáy bồn là bước quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất của hệ thống chứa nước Công thức tính áp suất cột nước giúp các kỹ sư dự đoán chính xác lực tác động lên thành bồn chứa khi mực nước đạt mức 150 feet Đây là một ví dụ minh họa rõ ràng về cách xác định áp suất trong các hệ thống chứa nước dựa trên chiều cao cột nước.
Từ đó, ta có thể xác định rằng mỗi feet cột nước tạo ra áp suất khoảng 2,31 psig Áp suất thủy tĩnh này rất dễ dàng chuyển đổi sang đơn vị hệ mét để phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ÁP SUẤT, MỨC VÀ LƯU LƯỢNG (TEMPERATURE, PRESSURE, LEVEL, AND FLOW)
Đo nhiệt độ
Mô tả được quá trình đo nhiệt độ
- Phân biệt được các loại đơn vị đo nhiệt độ
- Mô tả được các thiết bị và phương pháp dùng để đo nhiệt độ
Phân biệt các thiết bị đo đặc biệt, nêu được các biến mà mỗi thiết bị có thể đo được, và mô tả nguyên lý hoạt động của chúng
Các thuật ngữ chuyên ngành:
- Distance-to-spot ratio (D:S): Là tỷ số giữa khoảng cách từ một thiết bị đo hồng ngoại đến đối tượng đo, với đường kính của vùng đo nhiệt độ
- Chất không định hình (Fluid): Một vật chất, chẳng hạn như chất lỏng hoặc chất khí, có xu hướng chảy hoặc thích ứng theo hình dáng của bình chứa
- Điện trở (Resistance): Độ cản trở dòng điện của vật chất
- Vận tốc (Velocity): Tốc độ chuyển động theo một hướng cho trước
Khi hai vật tiếp xúc nhiệt, vật có nhiệt độ cao hơn sẽ nguội đi và vật lạnh hơn sẽ trở nên ấm hơn, cho đến khi không còn sự trao đổi nhiệt, hình thành trạng thái cân bằng nhiệt Thiết bị đo nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý này, khi đặt cảm biến tiếp xúc với đối tượng cần đo, vật liệu bên trong máy đo sẽ thay đổi cho đến khi đạt được sự cân bằng nhiệt với đối tượng đó.
Vào năm 1724, Gabriel Fahrenheit đã xây dựng hệ thống đo nhiệt độ dựa trên thủy ngân làm chất lỏng chuẩn Ông đã hiệu chuẩn thang đo bằng cách sử dụng một máy đo nhiệt tiếp xúc với hỗn hợp muối biển, đá lạnh và nước để xác định các điểm cố định Điểm sôi của nước được ông xác định ở 212 vạch và điểm đóng băng ở 32 vạch trên thang đo Nhờ đó, thang đo độ Fahrenheit chính thức ra đời, trở thành phương pháp đo nhiệt độ phổ biến.
Hệ đo Fahrenheit vẫn được sử dụng rộng rãi ngày nay Tuy nhiên, các loại cồn không độc hại như anhydrous ethanol và isoamyl acetate đã thay thế thủy ngân làm chất lỏng chuẩn Mặc dù các thang đo khác như Rankine và Kelvin đã phát triển để phù hợp với nhiệt độ cực cao hoặc thấp, nhưng chúng đều dựa trên cùng nguyên lý cơ bản của thang đo Fahrenheit.
Nhiệt độ có thể được đo bằng bốn thang đo khác nhau: F, C, K và R
Thang độ Fahrenheit (°F) được sử dụng phổ biến trong đo lường công nghiệp tại Mỹ, giúp định lượng chính xác các nhiệt độ trong nhiều lĩnh vực Theo thang đo này, điểm sôi của nước tại mực nước biển là 212°F, trong khi điểm đóng băng của nước là 32°F, thể hiện rõ sự khác biệt giữa các mức nhiệt độ trong hệ thống đo lường này.
Thang độ R được sử dụng trong một số ứng dụng khoa học để đo nhiệt độ Trong thang đo này, điểm sôi của nước tại mực nước biển là 672°R, còn điểm đóng băng của nước là 492°R, giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng xác định các mức nhiệt quan trọng trong phân tích và thí nghiệm.
Tham khảo hình 2-1 Lưu ý rằng cả thang đo nhiệt theo độ F và thang đo nhiệt theo độ
R có 180 o giữa điểm đóng băng và điểm sôi của nước Như vậy chúng có cùng giá trị của một độ
Thang độ C, còn gọi là thang bách phân, là hệ thống đo nhiệt độ phổ biến được sử dụng trong hệ mét và công nghiệp đo lường nhiệt độ Trong thang độ C, điểm sôi của nước tại mực nước biển là 100°C, còn điểm đóng băng của nước là 0°C, giúp dễ dàng xác định và so sánh các mức nhiệt độ khác nhau.
Thang độ Kelvin (K) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khoa học và thiết kế kỹ thuật, với điểm sôi của nước tại mực nước biển là 373 K và điểm đóng băng là 273 K Thang độ C và K đều chia khoảng cách giữa điểm đóng băng và điểm sôi của nước thành 100 độ, cho thấy rằng hai hệ thống này có cùng độ chia nhỏ, nhưng bắt đầu từ các điểm khác nhau.
Chuyển đổi nhiệt độ là kỹ năng cần thiết khi bạn cần đổi giữa các thang đo khác nhau, đặc biệt là giữa thang độ Fahrenheit và Celsius, điều này rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày Mặc dù có nhiều bảng chuyển đổi sẵn có giúp bạn dễ dàng tra cứu, nhưng hiểu rõ cách chuyển đổi bằng phương pháp toán học là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác.
Hình 2-1: Các thang đo nhiệt độ
Sử dụng công thức sau để chuyển đổi từ độ C sang độ F: oF = (1,8 x o C) + 32
Sử dụng công thức sau để chuyển đổi độ F sang độ C: oC =( o F -32)/1,8 Các ví dụ sau minh họa cách sử dụng các công thức chuyển đổi nhiệt độ
Chuyển đổi 20 o C sang o F: oF = (1,8 x o C) + 32 oF = (1,8 x 20) + 32 oF = 36 + 32 oF = 68
Chuyển đổ 392 o F sang o C: oC = ( o F – 32)/1,8 oC = (392 – 32)/1,8 oC = 360/1,8 oC = 200
Chuyển đổi 85 o C sang o F: oF = (1,8 x o C) + 32 oF = (1,8 x 85) + 32 oF = 153 + 32 oF = 185
Chuyển đổi 86 o F sang o C: oC = ( o F – 32)/1,8 oC = (86 – 32)/1,8 oC = 54/1,8 oC = 30
Nhiệt kế lưỡng kim chứa một phần tử làm từ hai dải kim loại khác nhau liên kết với nhau dưới dạng lò xo xoắn ốc hoặc cuộn, giúp đo nhiệt độ chính xác nhờ sự giãn nở và co lại của kim loại khi nhiệt độ thay đổi Khi nhiệt độ tăng, phần tử bung ra và kéo theo cơ cấu chỉ thị di chuyển trên thang đo, phản ánh mức nhiệt tương ứng Quá trình hiệu chuẩn nhiệt kế lưỡng kim được thực hiện bằng cách nhúng vào chậu nước lạnh có nhiệt độ đã biết, sau đó điều chỉnh cơ cấu chỉ thị để đạt đúng giá trị nhiệt độ chuẩn, đảm bảo độ chính xác của thiết bị đo nhiệt độ.
Nhiệt kế lưỡng kim là một lựa chọn bền vững và kinh tế cho môi trường công nghiệp, với độ chính xác ổn định ngay cả khi nhiệt độ biến động ngoài phạm vi đo Tuy nhiên, phần tử lưỡng kim có thể bị làm cứng khi tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, dẫn đến giảm độ nhạy của nhiệt kế và kết quả đo không chính xác.
Hình 2-2: Nhiệt kế lưỡng kim
TRƯỜNG Nhiệt kế thủy ngân
Làm sạch thủy ngân bị tràn là công việc vô cùng khó khăn và nguy hiểm do tính chất độc hại của nó Thủy ngân là chất gây ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường, đặc biệt khi rò rỉ vào các dòng sông và đại dương qua các bãi chôn lấp cuối cùng, gây tác động tiêu cực lâu dài Ngoài ra, tiếp xúc với thủy ngân có thể gây ra các vấn đề về thần kinh và nhiều bệnh tật khác ảnh hưởng đến sức khỏe con người Do đó, việc xử lý và làm sạch thủy ngân cần được thực hiện bởi các chuyên gia có kinh nghiệm để đảm bảo an toàn và giảm thiểu các tác động xấu tới môi trường và cộng đồng.
Vì lý do bảo vệ môi trường, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã nỗ lực giảm thiểu việc sử dụng nhiệt kế thủy ngân trong các ứng dụng công nghiệp Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Hoa Kỳ (NIST) đã ngưng hiệu chuẩn các nhiệt kế thủy ngân, góp phần hạn chế tác động môi trường Một số tiểu bang đã ban hành lệnh cấm bán nhiệt kế thủy ngân, thúc đẩy các giải pháp thay thế an toàn và bền vững Thủy ngân có thể được tái chế an toàn, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường; ví dụ, NIST đã phân phối thủy ngân từ hơn 8.000 nhiệt kế thủy ngân cũ đến các nhà máy chế tạo đèn huỳnh quang compact Thủy ngân trong nhiệt kế đủ để sản xuất khoảng 125 bóng đèn CFL, thể hiện rõ tiềm năng tái chế giúp giảm lượng chất độc hại ra môi trường.
Thiết bị Thermocouple (TC - hình 2-3) hoạt động dựa trên nguyên lý khi hai kim loại không giống nhau tiếp xúc, tạo ra một điện áp có thể đo được Điện áp này biến đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ, giúp xác định chính xác nhiệt độ môi trường Khi kết nối TC vào mạch điện, chỉ cần sử dụng vôn kế phù hợp để đo điện áp mà nó sinh ra, từ đó tính toán nhiệt độ chính xác Đây là phương pháp đo nhiệt độ phổ biến và hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.
Các loại Thermocouple (TC) khác nhau có phạm vi nhiệt độ đo được phù hợp với từng kiểu, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo Nhiệt độ tương ứng với điện áp chỉ thị trong mạch đo của TC được xác định dựa trên bảng chuyển đổi của loại TC cụ thể đang sử dụng, đảm bảo kết quả đo chính xác và tin cậy.
Các kiểu Thermocouple (TC) được phân biệt bằng các ký tự và thường xác định bằng màu sắc của các dây dẫn trong cặp dây tạo thành TC Tuy nhiên, mã màu có thể khác nhau theo các tiêu chuẩn khác nhau, ví dụ như theo Tiêu chuẩn Bắc Mỹ (ANSI/ASTM E230) Bảng 2-1 trình bày các kiểu TC dùng trong đo lường, đi kèm dải nhiệt độ hoạt động và màu sắc dây dẫn tương ứng, lưu ý rằng phạm vi nhiệt độ được thể hiện là nhiệt độ mà TC có thể ứng dụng trong thực tế.
Kiểu cặp nhiệt Kim loại sử dụng Màu dây dẫn Phạm vi nhiệt độ
Bảng 2-1: Bảng cặp nhiệt điện
Đo áp suất
Mô tả quá trình đo áp suất
- Phân biệt các loại đơn vị đo áp suất khác nhau
- Mô tả các thiết bị và phương pháp được sử dụng để đo áp suất
Các điều kiện có thể gây hỏng hóc các thiết bị đo áp suất bao gồm áp lực vượt quá giới hạn tối đa, nhiệt độ bất thường, môi trường có chất ăn mòn hoặc bụi bẩn tích tụ Để bảo vệ thiết bị đo khỏi các tác nhân gây hại này, các thiết bị bảo vệ như van an toàn, bộ lọc bụi và thùng bảo vệ được sử dụng nhằm duy trì độ chính xác và tuổi thọ của các thiết bị đo áp suất trong quá trình vận hành Việc đảm bảo các điều kiện môi trường phù hợp và lắp đặt các thiết bị phòng ngừa góp phần giảm thiểu rủi ro hỏng hóc, nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống đo lường.
Xác định được các thiết bị đo cụ thể, nêu được đại lượng mà mỗi thiết bị có thể đo, và
Các thuật ngữ chuyên ngành:
Áp suất tuyệt đối là lực tác động theo mọi hướng của khí quyển, phản ánh chính xác mức độ nén của không khí trong hệ thống Nó được tính bằng tổng của áp suất tương đối và áp suất khí quyển, giúp đo lường chính xác hơn trong các ứng dụng kỹ thuật và khoa học Hiểu rõ về áp suất tuyệt đối giúp đảm bảo các quá trình vận hành an toàn và hiệu quả trong các lĩnh vực đòi hỏi đo lường chính xác về áp suất không khí.
- Áp suất khí quyển (Atmospheric pressure): Là áp suất tác động do trọng lượng của không khí bên trên bề mặt trái đất
- Áp suất chênh (differential pressure): Sự khác nhau giữa áp suất đo được tại hai điểm trong một hệ thống
Áp suất tương đối, hay còn gọi là gauge pressure, là áp suất của một hệ thống đo bằng đồng hồ áp suất, phản ánh sự chênh lệch giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển cục bộ.
Áp suất là độ lớn của lực tác dụng lên một đơn vị diện tích của vật thể Nó đo lường mức độ tác dụng của lực trên một diện tích nhất định và được biểu diễn bằng công thức toán học: Áp suất = Lực tác dụng / Diện tích Áp suất đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vật lý và kỹ thuật, giúp hiểu rõ các hiện tượng liên quan đến lực và diện tích tác dụng.
Trong đo lường lực, trọng lượng là một phép đo phổ biến được biểu diễn bằng các đơn vị như ounce, pound, và tấn, trong khi hệ mét sử dụng gam, kilogam, và tấn Diện tích thường được đo bằng inch vuông, foot vuông, và yard vuông, còn trong hệ mét là centimet vuông và mét vuông Áp suất có thể được tính bằng cách chia trọng lượng của vật cho diện tích đáy của nó, như đã trình bày trong hình 2-12.
Hình 2-12: Quan hệ giữa diện tích, áp suất và lực 2.2.1 Đơn vị đo áp suất Áp suất thường được chỉ thị bằng một trong các đơn vị đo sau:
- Pound trên in vuông (psi)
- Pacal (Pa) hoặc kilopascal (kPa)
- In nước (in H2O hoặc in wc)
- In thủy ngân (in Hg)
Trong đo lường áp suất, việc phân biệt giữa áp suất khí quyển và áp suất tuyệt đối là cực kỳ quan trọng Áp suất tuyệt đối, được đo bằng pound trên in vuông tuyệt đối (psia) hoặc kilopascal tuyệt đối (kPa [tuyệt đối]), không liên quan đến áp suất khí quyển Trong khi đó, áp suất tương đối (psig hoặc kPa [tương đối]) xem xét sự tồn tại của áp suất khí quyển, với điểm bắt đầu 0 psig tương ứng với mức áp suất khí quyển hiện tại.
Áp suất khí quyển tại mực nước biển khoảng 14,7 psia (101,33 kPa tuyệt đối), tương đương với 0 psig (tương đối) Trong hệ đo mét, áp suất khí quyển là 101,33 kPa tuyệt đối, nên 0 kPa tương đối bằng 101,33 kPa tuyệt đối Để chuyển đổi từ áp suất tương đối (psig hoặc kPa tương đối) sang áp suất tuyệt đối, cần cộng thêm áp suất khí quyển vào giá trị áp suất tương đối, theo công thức: psia = psig + áp suất khí quyển.
Áp suất tuyệt đối (Pa [tuyệt đối]) được xác định bằng tổng của áp suất tương đối (Pa [tương đối]) và áp suất khí quyển Để chuyển đổi từ áp suất tuyệt đối sang áp suất tương đối, cần trừ đi giá trị của áp suất khí quyển từ áp suất tuyệt đối Công thức toán học thể hiện rõ ràng mối quan hệ này: Pa [tuyệt đối] = Pa [tương đối] + áp suất khí quyển.
Psig = psia – áp suất khí quyển Hoặc:
Pa [tương đối] = Pa [tuyệt đối] – áp suất khí quyển
Thay thế áp suất khí quyển cục bộ bằng cách đo và biểu thị bằng chiều cao của cột chất lỏng để có kết quả chính xác hơn trong các công thức Áp suất có thể được thể hiện bằng đơn vị như inch hoặc milimet nước (in H2O hoặc mm H2O) hoặc thủy ngân (in Hg hoặc mm Hg) Ví dụ, 1 inch nước tương đương với áp suất 0,0360 psi (0,2482 kPa), nghĩa là áp suất này có thể chống đỡ được một cột nước cao 1 inch (25,4 mm).
Thủy ngân nặng hơn nước nên cần nhiều áp suất hơn để chống đỡ một cột thủy ngân có chiều cao giống như cột nước Do đặc điểm này, đơn vị đo thủy ngân thường được sử dụng để đo các áp suất cao, trong khi các đơn vị đo nước thường được dùng để đo các áp suất thấp.
Bảng 2-2 cung cấp các hệ số chuyển đổi áp suất phổ biến giúp chuyển đổi dễ dàng giữa các đơn vị như psi, kPa, in H₂O và in Hg Để biết thêm các hệ số chuyển đổi áp suất chi tiết hơn, bạn có thể tham khảo bảng trong phụ lục của tài liệu Các hệ số này rất hữu ích trong các ứng dụng kỹ thuật và đo lường áp suất chính xác.
Bảng 2-2: Các hệ số chuyển đổi áp suất phổ biến 2.2.2 Tính toán áp suất
Dưới đây là các ví dụ thực tế để làm việc với các đơn vị đo áp suất
Một đồng hồ áp suất đo áp suất tương đối hiển thị giá trị là 50 psi Trong đó, áp suất khí quyển tiêu chuẩn là 14,7 psi Để tính áp suất tuyệt đối, ta cộng giá trị đo được với áp suất khí quyển, kết quả là 64,7 psia This calculation giúp hiểu rõ hơn về cách đo áp suất tuyệt đối trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật.
Một thiết bị đo áp suất tuyệt đối hiển thị giá trị 42,5 psia, trong khi áp suất khí quyển cục bộ là 14,6 psi Để tính áp suất tương đối (psig), ta trừ áp suất khí quyển từ giá trị áp suất tuyệt đối, kết quả là 27,9 psig Điều này giúp xác định chính xác áp suất khí trong hệ thống so với áp suất khí quyển, rất quan trọng trong các ứng dụng đo áp suất chính xác.
Tính áp suất tác dụng gây ra bởi một khối rắn cân nặng 24 kg với diện tích mặt đáy là 8 cm 2 ? Á𝑝𝑝 𝑝𝑝𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 = 𝐿𝐿ự𝑐𝑐
Trong nhiều trường hợp, cần đo sự chênh lệch áp suất giữa hai điểm liên quan để xác định áp suất chênh, còn gọi là DP, D/P hoặc ΔP Áp suất chênh được tính bằng cách trừ đi giá trị áp suất thấp từ giá trị áp suất cao, giúp xác định chính xác sự khác biệt về áp suất tại các điểm đo Hình 2-13 minh họa rõ ràng quá trình đo áp suất chênh bằng cách thể hiện sự chênh lệch giữa các mức cột nước trong các ống của dụng cụ đo áp suất đơn giản, gọi là áp kế ống chữ U (manometer).
Khi thực hiện tính toán áp suất chênh, hai giá trị áp suất đo được phải ở cùng đơn vị đo
2.2.4 Các thiết bị đo áp suất
Các thiết bị đo áp suất phổ biến bao gồm áp kế hình ống (manometer), cảm biến áp suất kiểu bellow, ống Bourdon, và cảm biến màng (diaphragm) Những thiết bị này được sử dụng để đo áp suất và áp suất chênh lệch trong hệ thống, giúp đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn Trong đó, áp kế hình ống (manometer) là thiết bị phổ biến nhất để đo áp suất tĩnh, còn cảm biến bellow và ống Bourdon thích hợp để đo áp suất cao hơn hoặc trong các ứng dụng công nghiệp.
Đo mức
Mô tả được quá trình đo mức
- Mô tả được các thiết bị và phương pháp được sử dụng để đo mức trực tiếp
- Mô tả được các thiết bị và phương pháp được sử dụng để đo mức gián tiếp
- Giải thích được cách tính mức dựa vào áp suất
- Mô tả được các thiết bị và phương pháp được sử dụng để đo mức dựa vào áp suất
Để đảm bảo đo chính xác mức chất lỏng hoặc rắn, cần xác định rõ các loại dụng cụ đo mức phù hợp Mỗi dụng cụ đo mức có khả năng đo các biến số khác nhau như chiều cao cột chất lỏng, mức tồn kho hoặc áp suất của môi chất, tùy thuộc vào loại thiết bị Nguyên lý hoạt động của từng dụng cụ đo mức cũng cần được mô tả chi tiết để lựa chọn phù hợp với yêu cầu ứng dụng, giúp tối ưu hóa quá trình kiểm soát và vận hành hệ thống.
Các thuật ngữ chuyên ngành:
- Điện dung (capacitance): Là khả năng tích điện
Tụ điện (capacitor) là linh kiện điện tử dùng để lưu trữ điện tích một cách hiệu quả Nó gồm một hoặc nhiều cặp bản cực được ngăn cách bởi vật liệu cách điện, còn gọi là chất điện môi, giúp giữ điện năng và duy trì điện áp ổn định trong mạch điện Tụ điện là thành phần quan trọng trong các thiết bị điện tử, đảm bảo hoạt động ổn định và truyền tải điện năng an toàn.
- Độ dẫn điện (conductance/conductivity): Là khả năng dẫn dòng điện của một vật liệu
- Điện môi (dielectric): Vật chất mà khả năng dẫn điện rất thấp; vật cách điện
Áp suất tĩnh hay còn gọi là áp suất thủy tĩnh, là áp suất của chất lỏng hoặc khí tác động lên diện tích nhất định tại đáy bình chứa Đây là yếu tố liên quan mật thiết đến chiều cao của chất lỏng trong bình, vì áp suất tĩnh tỷ lệ thuận với chiều cao của chất lỏng đó Hiểu rõ về áp suất tĩnh giúp ta xác định chính xác lực tác động của môi chất lên các bề mặt trong hệ thống chứa đựng.
- Mức (level): Là một phép đo chiều cao của một vật chất Một phép đo mức thường được chuyển đổi dễ dàng sang phép đo thể tích
Tỷ trọng (specific gravity) là tỷ số giữa khối lượng của một vật chất với khối lượng của cùng một thể tích nước, phản ánh mức độ nặng nhẹ của chất so với nước Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến tỷ trọng, vì khối lượng riêng của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ Tỷ trọng của nước tại các điểm nhiệt độ khác nhau được sử dụng làm chuẩn tham chiếu, tùy thuộc vào nguồn gốc của bảng tỷ trọng được sử dụng để xác định chính xác hơn.
Việc đo chiều cao của một chất trong bồn, thường được thực hiện bằng các đơn vị như ft, in, mét hoặc cm, được gọi là đo mức Mức đo này sau đó thường được chuyển đổi thành thể tích để tính toán chính xác hơn Có nhiều phương pháp đo mức khác nhau, trong đó có thiết bị đo trực tiếp mức, đo mức gián tiếp dựa trên các biến số liên quan đến mức, và đo mức dựa trên đo áp suất để đảm bảo độ chính xác và phù hợp từng nhu cầu sử dụng.
2.3.1 Đo mức trực tiếp Đo mức trực tiếp được thực hiện bằng cách sử dụng vài loại dụng cụ đo khác nhau bao gồm các que thăm và dây đo, kính ngắm, hệ thống phao-cáp, và bộ thế chỗ Những dụng cụ này thường có các vạch chỉ thị mức trực quan
2.3.1.1 Que thăm và dây dọi
Dạng thiết bị đo mức đơn giản và lâu đời nhất là một que dài có thang đo đã được hiệu chuẩn để đo độ sâu của chất lỏng, phương pháp này vẫn còn được sử dụng ngày nay, ví dụ như kiểm tra mức dầu trong động cơ ôtô Hệ thống đo mức sử dụng que thăm được thể hiện rõ trong hình 2-23.
Lượng nhiên liệu trong các bồn chứa xăng ngầm thường được đo bằng các cực dài đã hiệu chuẩn, giúp đảm bảo độ chính xác cao Phương pháp này sử dụng dây dọi, gồm một dây mềm có quả nặng ở một đầu, và thước cuộn thép có các quả nặng đặc biệt để đo mức nhiên liệu Mặc dù cách đo này có vẻ đơn giản, nhưng cho độ chính xác tới 0,1% với dải đo lên tới 20 ft (6,1 m), vượt trội so với hầu hết các phương pháp đo mức khác trong ngành nhiên liệu.
Mặc dù que thăm và dây dọi là những phương pháp đo chính xác trong một số ứng dụng, chúng có nhược điểm lớn như không thể cung cấp kết quả đo liên tục Ngoài ra, các thiết bị này cũng gặp khó khăn trong việc cung cấp phép đo mức chính xác khi sử dụng trong các bồn áp suất, gây hạn chế trong nhiều tình huống đo lường công nghiệp.
Hình 2-23: Đo mức dùng que thăm 2.3.1.2 Kính ngắm
Phương pháp đo mức trực tiếp bằng kính ngắm, còn gọi là kính đo, sử dụng một ống trong suốt kết nối với bồn chứa để quan sát mức chất lỏng Khi mức chất lỏng trong bồn thay đổi, mức trong kính ngắm cũng thay đổi theo, giúp chỉ thị chính xác mức thật trong bồn Tuy nhiên, điều kiện bên trong bồn, như các bọt khí sinh ra trong quá trình hoạt động của nồi hơi, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này Trong khi mức trong kính ngắm không thay đổi do các điều kiện tạo hơi bên trong nồi hơi, mức nước thực tế bên trong bồn có thể cao hơn nhiều so với mức quan sát được qua kính.
Các lựa chọn cho kính ngắm gồm có van lắp đặt ở đỉnh và đáy nhằm cách ly thiết bị khỏi bồn, đồng thời van bi tại các ngõ kết nối đầu vào giúp ngăn chặn dòng chất lỏng chảy ra ngoài khi kính ngắm bị vỡ.
Hình 2-24: Kính ngắm đo mức 2.3.1.3 Hệ thống phao và cáp
Dụng cụ phao được sử dụng để đo trực tiếp mức chất lỏng hoặc chất rắn Trong hệ thống phao-cáp, phao được nối với ròng rọc bằng một sợi dây hoặc cáp mềm, và phần quay của ròng rọc kết nối với bộ chỉ thị để hiển thị mức đo Hệ thống đo mức kiểu phao-cáp giúp xác định chính xác độ cao của mức chất lỏng, thường được minh họa rõ nét trong hình 2-25 Khi phao di chuyển lên, đối trọng giữ cho dây cáp căng, giúp bộ chỉ thị theo dõi vị trí chính xác trên thang đo Các phương pháp kết nối khác như dây xích hoặc thước cuộn kim loại cũng được sử dụng để nâng cao độ chính xác và tránh trượt Ngoài ra, các mô hình điện tử trang bị mã hóa cho ròng rọc giúp truyền vị trí đo đến thiết bị hiển thị, nâng cao hiệu quả và độ chính xác của hệ thống đo mức.
Khi mức chất lỏng tăng, áp suất tác động lên vật thể giữ ở trạng thái cố định sẽ tăng theo sự gia tăng của mức chất lỏng Ngược lại, giảm mực chất lỏng sẽ làm giảm áp suất ứng dụng lên vật Đây là nguyên lý hoạt động của thiết bị đo mức kiểu thế chỗ, giúp xác định chính xác mức chất lỏng trong các ứng dụng công nghiệp Một bộ thế chỗ cùng thiết bị đo momen xoắn được trình bày trong hình 2-26, minh họa rõ quá trình đo lường dựa trên nguyên tắc này.
Hình 2-26: Bộ thế chỗ và ống momen xoắn để đo mức trong bồn hở
Bộ thế chỗ moment xoắn thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp để đo mức chất lỏng sạch có tỷ trọng không đổi Các bộ thế chỗ này thường được treo trong các ống đứng bên ngoài của hệ thống, giúp đo mức liên tục chính xác Hệ thống còn được trang bị đồng hồ đo mức và van cách ly để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Sự bố trí này giúp dễ dàng hiệu chuẩn lại hoặc bảo trì bộ thế chỗ mà không cần vào trong bồn
Hoạt động của bộ thế chỗ liên quan đến sự thay đổi mức chất lỏng bên trong ống đứng, ảnh hưởng đến áp suất tác dụng lên bộ thế chỗ Khi mức chất lỏng tăng, lực tác dụng lên bộ thế chỗ cũng tăng, dẫn đến việc bộ thế chỗ đi lên rất ít Lực này truyền qua tay đòn của ống momen xoắn kết nối với bộ thế chỗ, tạo ra momen xoắn làm ống momen xoắn bị xoắn Sự xoắn của ống momen xoắn khiến thanh gắn với nó quay, mang lại tín hiệu phản ánh sự dịch chuyển của bộ thế chỗ và ống xoắn Thông thường, hệ thống sử dụng tín hiệu điện từ xa hoặc thiết bị khác để gửi dữ liệu vị trí này, vì không lắp đặt bộ chỉ thị trực quan tại chỗ.
Một số thiết bị đo mức gián tiếp bằng cách đo các biến có liên quan, chẳng hạn như độ dẫn điện hoặc điện trở
Đo lưu lượng
Mô tả quá trình đo lưu lượng
- Phân biệt các loại đơn vị đo lưu lượng
- Giải thích ảnh hưởng của ma sát và các đặc tính dòng chảy khác đến lưu lượng
- Mô tả các loại thiết bị và phương pháp dùng để đo lưu lượng thông qua áp suất chênh
- Mô tả các loại thiết bị và phương pháp đo lưu lượng khác ngoài loại chênh áp
Các thiết bị đo lường như đồng hồ đo điện áp, ampe kế, cùng các loại cảm biến nhiệt độ, áp suất đều có đặc điểm riêng biệt nhằm đo các biến vật lý khác nhau trong hệ thống kỹ thuật Mỗi thiết bị đều có khả năng đo các biến như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và áp suất, phù hợp với mục đích sử dụng cụ thể Nguyên lý hoạt động của từng thiết bị dựa trên các hiện tượng vật lý như cảm biến dựa trên thay đổi điện trở, cảm biến dựa trên phản ứng nhiệt hoặc cảm biến dựa trên thay đổi áp suất Hiểu rõ đặc điểm và nguyên lý của từng thiết bị giúp đảm bảo đo lường chính xác và tối ưu trong quá trình vận hành hệ thống kỹ thuật hoặc nghiên cứu khoa học.
- Tỉ số beta (beta ratio): Là tỷ số giữa đường kính lỗ khoan của tấm đục lỗ (orifice plate) (d) với đường kính trong của đường ống (D)
- Lưu lượng (flow): Thể tích hoặc khối lượng thực tế của chất lưu đi qua một điểm cho trước trong một đơn vị thời gian
- Dòng chảy tầng (laminar flow): Dòng chất lưu mà ở đó nó di chuyển theo từng lớp với độ hỗn loạn thấp
- Khối lượng (mass): Lượng vật chất mà một vật thể chứa đựng; thường được coi là tương đương với cân nặng
Lưu lượng khối lượng (mass flow rate) là lượng chất đi qua một diện tích xác định trong một khoảng thời gian nhất định, được tính bằng tích của lưu lượng thể tích và khối lượng riêng của chất đó Đây là chỉ số quan trọng trong các hệ thống năng lượng và kỹ thuật nhằm đo lường dòng chảy của chất lỏng hoặc khí, thường được biểu diễn bằng đơn vị như kilogram trên phút hoặc pound trên giờ Hiểu rõ lưu lượng khối lượng giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển và xử lý chất trong các ứng dụng công nghiệp.
Dòng chảy nhiều pha (multi-phase flow) là quá trình dòng chảy đồng thời của các vật liệu có trạng thái hoặc pha khác nhau như rắn, lỏng hoặc khí, hoặc có tính chất hóa học khác nhau nhưng cùng cùng một trạng thái hoặc pha Trong đó, pha chính là dòng chảy liên tục, còn pha phụ bị phân tán vào pha chính liên tục, góp phần tạo nên hiện tượng dòng chảy phức tạp và đa dạng trong các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp.
- Lưu lượng thể tích (volumetric flow rate): Thể tích của chất lưu đi qua một điểm cho trước trong một đơn vị thời gian
Lưu lượng (flow) thể hiện lượng chất lưu đi qua một điểm trong một đơn vị thời gian, là khái niệm quan trọng trong lĩnh vực chất lưu Mặc dù phần lớn mọi người thường liên tưởng đến chất lỏng khi nói về chất lưu, nhưng thực tế, khí cũng là một dạng chất lưu quan trọng cần được ghi nhớ Có ba kiểu dòng chảy chất lưu phổ biến: dòng chảy tầng, dòng chảy rối và dòng chảy quá độ, như minh họa trong hình 2-35.
Dòng chảy tầng xảy ra khi chất lưu chảy theo lớp rất ổn định và ít nhiễu loạn, giúp duy trì dòng chảy mượt mà qua ống Trong quá trình dòng chảy tầng qua ống, các lớp chất lưu gần thành ống chảy chậm hơn do tác dụng của ma sát, như đã trình bày trong hình 2-35A Tốc độ dòng chảy gần thành ống thường nhỏ hơn so với các lớp nằm ở giữa ống, đảm bảo tính đồng nhất của dòng chảy Tuy nhiên, sự xuất hiện của vật thể nhô ra hoặc đường ống đổi hướng có thể gây nhiễu loạn, phá vỡ trạng thái dòng chảy tầng và làm gián đoạn quá trình chảy ổn định.
Dòng chảy rối, như trong hình 2-35B, thường không ổn định do nhiều nguyên nhân khác nhau Các vật thể nhô ra trong dòng chảy gây ra nhiễu loạn và đổi hướng dòng chảy, trong khi sự hòa nhập các dòng chất lưu ở các tốc độ khác nhau cũng góp phần làm tăng nhiễu loạn Ngoài ra, vị trí và cách lắp đặt thiết bị đo lưu lượng ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ và độ chính xác của thiết bị, cần được chú ý để đảm bảo hiệu quả vận hành.
Dòng chảy quá độ, như minh họa trong hình 2-35C, là dạng trung gian giữa dòng chảy rối và dòng chảy tầng, khiến việc dự đoán tính chất của nó trở nên khó khăn Chất lưu di chuyển theo hướng chuyển tiếp, xen kẽ giữa dòng chảy rối và dòng chảy tầng, tạo ra các đặc điểm phức tạp và không thể dễ dàng phân tích.
Hình 2-35: Dòng chất lưu, mũi tên ngắn hơn chỉ thị vận tốc nhỏ hơn
Chất lưu chảy qua hầu hết mọi đường ống có khả năng xuất hiện cả ba kiểu dòng chảy, điều này xảy ra ở bất cứ điểm nào dọc theo chiều dài của ống Hiểu rõ các đặc điểm của các kiểu dòng chảy này là rất quan trọng để xác định chính xác lưu lượng chất lưu và vị trí đặt thiết bị đo Việc nhận biết các kiểu dòng chảy giúp tối ưu hóa quá trình đo lường và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống ống dẫn chất lỏng.
Các thiết bị đo lưu lượng thường được lắp đặt nằm ngang nhằm đảm bảo ảnh hưởng của trọng lực lên thiết bị luôn ở mức cố định, giúp đo chính xác hơn Trong trường hợp lắp đặt thiết bị theo chiều dọc, cần thực hiện hiệu chuẩn để bù trừ các tác động của trọng lực, đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.
Các thiết bị phụ như sediment traps và straightening vanes đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đo lưu lượng, giúp bảo vệ thiết bị khỏi các điều kiện quá trình bất lợi Sediment trap được lắp đặt để ngăn chặn các cặn bã và tạp chất đi vào thiết bị đo lưu lượng, từ đó duy trì độ chính xác của phép đo Trong khi đó, straightening vane giúp làm mịn dòng chảy, giảm nhiễu loạn và nâng cao hiệu quả đo lường trong hệ thống Việc sử dụng các thiết bị phụ này là bước quan trọng để đảm bảo độ tin cậy và chính xác của các thiết bị đo lưu lượng trong quá trình vận hành.
Vanes thường được đặt trong ống phía trước thiết bị đo lưu lượng, có thể dạng bó ống hoặc sắp xếp dạng lưới Chức năng của vanes là giảm sự nhiễu loạn trong dòng chảy của chất lưu, giúp cải thiện độ chính xác của kết quả đo.
Hình 2-36: Straightening vanes 2.4.1 Đơn vị đo lưu lượng
Dòng chảy có thể được mô tả thông qua vận tốc, thể tích hoặc khối lượng Vận tốc đo lường tốc độ chuyển động của chất lưu, phản ánh thời gian cần thiết để chất lưu di chuyển qua một khoảng cách nhất định Khi đo vận tốc chất lưu, lưu lượng thường được biểu diễn bằng đơn vị chiều dài như inch, feet, hoặc mét trong một đơn vị thời gian, ví dụ như 4 ft/s hoặc 90 km/h Điều này giúp hiểu rõ tốc độ dòng chảy của chất lưu trong các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp.
Thể tích là lượng chất lỏng, rắn hoặc khí tính theo không gian ba chiều, đóng vai trò trong việc đo lượng chất chứa trong một khoảng không gian nhất định Lưu lượng thể tích thể hiện lượng chất lưu đi qua một điểm cố định trong một khoảng thời gian nhất định, giúp xác định tốc độ dòng chảy của chất lưu Vận tốc của chất lưu và tiết diện ngang của đường ống hoặc vật chứa là các yếu tố chính trong phép tính lưu lượng thể tích Nhân vận tốc và diện tích tiết diện sẽ cho ra kết quả lưu lượng thể tích, và công thức tính lưu lượng thể tích dựa trên mối quan hệ này giúp phân tích dòng chảy hiệu quả hơn.
- A = tiết diện ngang của đường ống
Vận tốc trung bình của chất lưu trong ống được xác định bằng công thức phù hợp với tính chất của dòng chảy Khi lưu lượng thể tích của chất lưu di chuyển với vận tốc trung bình 2 m/s qua một ống có tiết diện ngang 2 m², lưu lượng thể tích của chất lưu sẽ được tính bằng phương trình phù hợp, giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống ống dẫn và nâng cao hiệu suất truyền tải chất lưu.
Q = 4 m 3 /s Tương tự, lưu lượng thể tích của một chất lưu di chuyển với vận tốc 8 ft/s qua đường ống có tiết diện ngang 0,8 ft 2 là:
Lưu lượng thể tích được biểu diễn bằng đơn vị đo thể tích trên một đơn vị thời gian
Lưu lượng khối lượng thể hiện lượng vật chất di chuyển qua một diện tích nhất định trong một khoảng thời gian, dựa trên khối lượng của chất lưu Khối lượng thường được xem như là trọng lượng của vật liệu, vì vậy vật liệu nặng hơn có khối lượng lớn hơn Sự khác biệt về khối lượng của cùng một kích thước giữa viên kẹo dẻo và viên đá minh họa rõ ràng cho vai trò của khối lượng trong đo lường lưu lượng Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng khối lượng gồm khối lượng riêng của chất lưu và lưu lượng thể tích Công thức tính lưu lượng khối lượng giúp xác định lượng chất lưu di chuyển trong một thời gian cụ thể.
- Ρ = khối lượng riêng của chất lưu
Sử dụng công thức, khi một chất lưu có khối lượng riêng là 2 kg/m 3 di chuyển với lưu lượng thể tích là 5 m 3 /s, lưu lượng khối lượng là:
Lưu lượng khối lượng thường được biểu diễn bằng đơn vị khối lượng trên một đơn vị thời gian, chẳng hạn như 15 pound/giờ hoặc 50 gam/phút