Bài giảng ĐO LƯỜNG NHIỆT Chương 5 Đo mức chất lỏng Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt – Lạnh

14 5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh tiếp  Trong 1 số loại lò hơi có kích thước lớn, để thuận tiện cho việc quan sát mức ống thủy, chuyển bộ phận chỉ thị xuống dưới tới vị trí sàn thao

CHƯƠNG V

ĐO MỨC CHẤT LỎNG

LEVEL MEASUREMENT

2

5.1 Dụng cụ đo mức kiểu cơ khí

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ

5.4 Dụng cụ đo mức kiểu điện dung

5.5 Dụng cụ đo mức kiểu trọng lƣợng

5.6 Một số dụng cụ đo mức kiểu khác

Nội dung

Đo mức

với điểm so sánh, thường là đáy của bể hoặc bình chứa vật chất

 Các pha có thể là lỏng/khí, rắn/khí hoặc lỏng/lỏng không trộn lẫn được

chứa, bể chứa hoặc để đảm bảo AT cho TB

 2 bài toán: đo mức liên tục (chỉ thị mức) và báo tín hiệu giới

hạn của mức (rơle mức)

 Có nhiều p/p và công nghệ đo với ưu, nhược điểm riêng

 Chọn p/p nào phụ thuộc vào quá trình CN, bản chất của ứng

dụng cụ thể, độ CX cần thiết và cân nhắc về kinh tế

5.1 Dụng cụ đo mức kiểu cơ khí

5.1.1 Loại phao chìm (phao cân bằng)

 Lực trọng lƣợng của phao:

F m g  S b g

6

5.1 Dụng cụ đo mức kiểu cơ khí (tiếp)

 Lực đẩy Arsimét đối với phần chiều dài của phao nằm trong chất lỏng cùng với phần còn lại nằm trong KK:

 Lực tổng hợp tác động lên phao:

F R = F G - F Đ

 Mức chất lỏng tính từ mép dưới của phao:

 Bằng cách đo F R thích hợp, suy ra LP và suy ra mức

KK CL

F b

S g L

5.1 Dụng cụ đo mức kiểu cơ khí (tiếp)

8

5.1 Dụng cụ đo mức kiểu cơ khí (tiếp)

5.1.2 Loại phao nổi

 Thường sử dụng phao dạng hình trụ cho kết cấu lắp ráp phía trên

P CL

 

5.1 Dụng cụ đo mức kiểu cơ khí (tiếp)

 Thường sử dụng phao dạng hình cầu cho kết cấu lắp ráp ngang

10

5.1 Dụng cụ đo mức kiểu cơ khí (tiếp)

 Rơle mức kiểu phao nổi

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh

 Có thể sử dụng ống thủy tinh tròn hoặc kính thủy tinh dẹt

để quan sát mức trong bình chứa hoặc bể chứa

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

14

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

 Trong 1 số loại lò hơi có kích thước lớn, để thuận tiện cho việc quan sát mức ống thủy, chuyển bộ phận chỉ thị

xuống dưới tới vị trí sàn thao tác bằng cách sử dụng: HT

camera, HT gương phản xạ hoặc Ống thủy hạ thấp

- Vd Ống thủy hạ thấp

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

5.2.2 Dụng cụ đo mức kiểu AK và hiệu AK

 Trong 1 dung tích kín, AS tĩnh tại A là PA và tại B là PB:

16

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

1- Đo mức chất lỏng trong bình chứa hở

- Khi bình chứa hở PA = P kq , do đó:

- (PB- Pkq) là AS dƣ do đó có thể dùng AK để đo hoặc sử dụng bộ chuyển đổi AS

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

2- Đo mức chất lỏng trong bình chứa kín

- Để biết mức chất lỏng phải đo đƣợc hiệu AS:

- Có thể dùng hiệu AK hoặc bộ chuyển đổi AS

- Cách đấu nối nhƣ Hình vẽ

  

18

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

- AS trong buồng (+) của bộ chuyển đổi:

- AS trong buồng (-) của bộ chuyển đổi:

- Độ chênh AS giữa 2 buồng:

- Nếu và không đổi thì độ chênh AS giữa 2 buồng

sẽ tỷ lệ với chiều cao mức chất lỏng trong bình

- Trong thực tế, nhiều khi thay đổi do thay đổi tỷ lệ

giữa pha khí và pha lỏng trong đường ống dẫn tới buồng

AS (-) Do đó phải có những biện pháp thích hợp để giảm

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

- Khi chất lỏng có độ nhớt cao, dễ kết tinh, có nhiều tạp

chất, dễ ngưng tụ,…, để tránh cho đường ống dẫn AS bị tắc, bị ăn mòn và để duy trì chiều cao h2 không đổi, sử

dụng các bình cách ly, chứa chất lỏng cách ly có 

20

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

- AS trong buồng (+) của bộ chuyển đổi:

- AS trong buồng (-) của bộ chuyển đổi:

- Độ chênh AS giữa 2 buồng:

- Trong NMNĐ, nguyên lý trên được áp dụng để đo mức nước trong bao hơi của lò hơi, bình ngưng TB và các

bình gia nhiệt

- Trong quá trình vận hành, AS trong các TB trên thường thay đổi theo phụ tải nên khối lượng riêng của nước và hơi cũng thay đổi dẫn đến mức nước thay đổi

- Để loại trừ ảnh hưởng này, sử dụng bình cân bằng hoặc mạch điện tử để hiệu chỉnh

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

22

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

24

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

3- Đo mức chất lỏng trong bình chứa, sử dụng HT sục khí

CL

P h  g

5.2 Dụng cụ đo mức kiểu thủy tĩnh (tiếp)

3- Đo mức chất lỏng trong bình chứa, sử dụng HT sục khí

26

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ

Nguyên lý làm việc chung:

 Cảm biến siêu âm SRF05

 HT đo lường đánh giá thời gian t của gói tín hiệu phát đi

 Đầu phát và đầu thu có thể kết hợp làm 1

2.d

t  v

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

 Các sóng có thể là: siêu âm, rađa hoặc lazer

 Đối với sóng rađa và lazer, khoảng thời gian lan truyền rất ngắn (vài nanô giây), đòi hỏi phải sử dụng các p/p đánh giá đặc biệt hoặc phải kéo dài thời gian thông qua việc lấy

mẫu

28

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

 Các sóng có thể là dạng xung đƣợc điều chế, không

đƣợc điều chế hoặc các dạng đặc biệt khác

a)

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

b)

30

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

c)

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

5.3.1 Dụng cụ đo mức kiểu siêu âm

 Sóng siêu âm: sóng âm có tần số từ 20 kHz đến 200 kHz

 Đầu thu-phát thường kết hợp làm 1, sử dụng bộ chuyển đổi áp điện, màng đàn hồi cách ly với m/t

32

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

 Sóng âm là các dao động cơ học (sóng đàn hồi) Dụng

cụ đo mức trong CN thường sử dụng sóng siêu âm có

Vd: ở cùng t0 phòng, sóng âm lan truyền trong kk với v

khoảng 340 m/s, lan truyền trong nước với v khoảng

1.496 m/s

1 E

v    





5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

 Với cùng 1 c/s, trong các m/t khác nhau, khoảng cách

sóng âm có thể lan truyền khác nhau

I

Z Z

P P

34

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

 Z KK << Z CL, HS phản xạ ở bề mặt phân cách coi =1

(Hầu nhƣ 100% sóng phản xạ ngƣợc lại)

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

- Không tiếp xúc với m/t đo, không có phần tử chuyên

động do đó bảo dưỡng ít hơn

- Thường lắp ráp phía trên đỉnh bình chứa nên ít xảy ra vấn đề rò rỉ m/c

- Các bọt hoặc hơi nặng phía trên bề mặt chất lỏng hấp thụ sóng siêu âm và sự khuấy động, rối loạn mạnh bề mặt làm cho kết quả đo sẽ không CX

- Ảnh hưởng bởi t0 và tạp âm m/t xung quanh

- Không phù hợp làm việc trong m/t chân không hoặc AS cao ( > 2 bar)

36

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

5.3.2 Dụng cụ đo mức kiểu rađa

 Nguyên lý giống như kiểu siêu âm, chỉ khác là sử dụng sóng cực ngắn (sóng điện từ) có f = 1 GHz - 300 GHz

 Các dụng cụ đo mức trong CN thường sử dụng dải tần

số xung quanh 10 GHz là thích hợp

 Chia làm 2 nhóm:

- Loại rađa không tiếp xúc

- Loại rađa tiếp xúc (rađa sóng dẫn)

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

38

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

 Tốc độ lan truyền sóng cực ngắn trong m/t phụ thuộc vào

hằng số điện môi của nó:

- hằng số điện môi tương đối của vật chất (so với hằng

số điện môi của chân không tuyệt đối)

(300.000 km/s)

 Hằng số điện môi của kk ở đ/k Ptc (~1 bar) và t0

tc (~273 K) gần bằng 1

 Hằng số điện môi của bất kỳ 1 chất khí nào cũng phụ

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

11

40

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

a/ Dụng cụ đo mức kiểu rađa sóng liên tục được điều chế tần số

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

b/ Dụng cụ đo mức kiểu rađa xung

Xung phát đi với tần số 5,8 GHz và độ rộng 0,8 ns

42

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

44

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

thanh KL song song hoặc kết cấu ống và 1 thanh KL

đồng trục

 Giống như rađa không tiếp xúc, hằng số điện môi trong m/c sẽ tạo nên sự thay đổi trở kháng và phản xạ ngược tới đầu thu

 Thời gian cần thiết để các xung đi xuống dưới và quay ngược trở lại được xác định để đo mức chất lỏng

 Sự suy giảm tín hiệu rất nhỏ, hiệu quả hơn 20 lần so với rađa không tiếp xúc vì thanh dẫn tạo ra đường năng

lượng tập trung hơn Vì thế, có thể đo mức các chất lỏng

có hằng số điện môi thấp, thậm chí < 1,4

 Các yếu tố: cuộn xoáy bề mặt CL, bọt, hơi, các vật cản trong bình không ảnh hưởng tới sự ĐL

46

5.3 Đo mức dựa trên cơ sở sóng phản xạ (tiếp)

5.3.3 Dụng cụ đo mức kiểu Lazer

 Sử dụng xung của ánh sáng lazer phản xạ

ở bề mặt chất lỏng

 Ánh sáng từ một nguồn lazer sẽ được

Phản chiếu khỏi bề mặt chất lỏng được đo

mức đi vào một đoạn tích điện kép

 Hệ thống đo mức có thể cài đặt mà không

ảnh hưởng bởi bản chất của thùng chứa vì chùm lazer là rất hẹp

 Phương pháp không ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường xung quanh, và có thể sử dụng với các mạch kín với điều kiện là một tấm kính được lắp phía trên bể chứa

 Phải có một bề mặt phản xạ đầy đủ để cho ánh sáng lade phản hồi

 Sự có mặt của bụi hay lớp hơi dày trong không gian giữa bộ phận phát tia lazer và chất lỏng sẽ làm phân tán ánh sáng, làm yếu tín hiệu và tạo ra khó khăn trong việc xác định mức

 Đắt đỏ

5.4 Dụng cụ đo mức kiểu điện dung

của các chất lỏng so với nước và hơi nước

 Hằng số điện môi và độ dẫn điện của một số chất:

- Chất lỏng có và được coi là thuộc nhóm dẫn điện

6

10 S m/

48

5.4 Dụng cụ đo mức kiểu điện dung (tiếp)

 Kết cấu của các dụng cụ đo mức khác nhau đối với các CL dẫn điện và không dẫn điện (chủ yếu là điện cực có cách điện hoặc không)

 Điện cực có thể dạng thanh, dạng hình trụ hoặc tấm phẳng đƣợc nhúng 1 phần trong CL

 Loại phổ biến hơn cả là loại cọc hình trụ đƣợc lắp thẳng

5.4 Dụng cụ đo mức kiểu điện dung (tiếp)

 Đối với kết cấu đối xứng và quay đƣợc nhƣ trên:

 Nếu nhƣ chất lỏng có độ dẫn điện cao:

 Nếu nhƣ điện cực không cách điện:

0

3 2

2

1 ln 1 ln

h C

d d

2ln

h C

d d

d C

d

h   

0 2 3

2ln

h C

d C

d

h  

50

5.4 Dụng cụ đo mức kiểu điện dung (tiếp)

5.4 Dụng cụ đo mức kiểu điện dung (tiếp)

 Hình dạng bên ngoài của 1 số kết cấu:

- Giá thành rẻ, đơn giản trong dịch vụ, thuận tiện khi lắp ráp,

sử dụng trong dải t0 rộng: -40 đến +200 0C, p<6 MPa

- Không phù hợp đo mức CL nhớt, có hình thành lớp màng,

52

5.5 Dụng cụ đo mức kiểu trọng lượng

 Xác định mức CL trong bình bằng cách đo trực tiếp tổng trọng lượng của bình và vật chất

 Bộ CB tải trọng thường là biến dạng kiểu điện trở hoặc kiểu thủy lực (pittông và xi lanh)

 Khi CL trong bình bị khuấy trộn quá mạnh, bề mặt khó xác định thì dùng pp trọng lượng là hợp lý

53

5.6 Một số dụng cụ đo mức kiểu khác

1- Dụng cụ đo mức kiểu phóng xạ (thường là tia ) 

dò trong trường hợp không có chất lỏng

µ là hệ số hấp thụ khối lượng cho chất lỏng

ρ là khối lượng riêng của chất lỏng

54

5.6 Một số dụng cụ đo mức kiểu khác

2- Cảm biến mức kiểu sợi quang học

→ a: Lượng ánh sáng tổn thất phụ thuộc vào tỷ lệ phần sợi quang học được nhúng chìm trong chất lỏng

Hiệu ứng này được phóng đại nếu sử dụng sắp xếp thay thế trong b, trường hợp ánh sang được phản xạ từ một sợi đầu vào, vòng quanh một lăng kính,

và sau đó đi vào một sợi tín hiệu ra Ánh sáng bị mất từ phần này đi vào chất lỏng tùy theo độ sâu của chất lỏng bao quanh lăng kính

55

5.6 Một số dụng cụ đo mức kiểu khác

3- Cảm biến đo mức kiểu rung

 Thiết bị này bao gồm hai bộ dao động

áp điện được cố định bên trong một

pha được sử dụng để theo dõi các thay

đổi trong tần số cộng hưởng và điều chỉnh

tần số kích thích áp dụng cho ống bởi các bộ dao động áp điện

 Kết quả đo mức chất lỏng do đó thu được trong trường hợp tần số đầu ra của bộ dao động khi ống cộng hưởng

56

5.6 Một số dụng cụ đo mức kiểu khác

4- Cảm biến đo mức kiểu điện trở