Báo Cáo Giữa Kỳ Cảm Biến Lưu Lượng Và Mức Điều Khiển Quá Trình.pdf

- Tìm hiêu đặc các cảm biên lưu lượng kiêu từ trường, tuabin, kiêu thế chỗ, dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng, dựa vào động lực và nhiệt - Tổng hợp báo cáo và PowerPoint 10/10 Dan

TONG LIEN DOAN LAO DONG VIET NAM

TRUONG DAI HOC TON ĐỨC THẮNG

KHOA DIEN — DIEN TU

ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

TON DUC THANG UNIVERSITY

BAO CAO GIUA KY

CAM BIEN LUU LUONG VA MUC

DIEU KHIEN QUA TRINH

Người hướng dân: TS Lê Anh Tuấn

THANH PHO HO CHI MINH, NAM 2022

LOI CAM ON

Tôi xin chân thành cảm ơn,nhà trường thầy cô bạn bè anh chị, gia đình đã giúp đỡ nhóm tôi hoàn thành đề tải này, xin chân thành cảm ơn, chân thành cảm ơn TS Lê Anh Tuấn đã giúp đỡ nhóm em trong quá trình hoàn thành báo cáo này, cảm ơn thầy cô khoa Điện- Điện tử đã giúp nhóm em trong thoi gian qua

TP Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng l] năm 2022

Tác giả

- Tìm hiêu đặc các cảm biên lưu lượng kiêu

từ trường, tuabin, kiêu thế chỗ, dựa vào độ

xoáy của dòng chất lỏng, dựa vào động lực và nhiệt

- Tổng hợp báo cáo và PowerPoint

10/10

Dang Tan Khanh

- Tim hiéu về định nghĩa và đặc các cảm biến

lưu lượng theo nguyên lý chênh áp, nguyên lý Vortex, nguyén lý siêu âm

10/10

Tran Quang Tuan

- Thiét ké mach dién do luong va dung

Proteus mô phỏng mạch Giái thích kết qua

mô phỏng Viết Chương trình vi điều khiển

Vẽ kết nối phân cứng và mạch nguyên lý nếu

chọn vi điều khiến

10/10

Trần Minh Trí

- Tìm hiểu về các cảm biên mức độ dẫn điện,

độ rung, áp suất đo mức nước và công tắc

Trần Thanh Hải - Tìm hiêu định nghĩa và đặc trưng các cảm

biến mức đo điện dung, quang, do bằng song siéu am va Radar 10/10

Các cảm biến lưu lượng thể tích - Sang ng T1 ng Tnhh 9

1 _ Nguyên lý đo của phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp 9 Các loại thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý chênh áp: s- 5c ca II

a Tam Orifice cccceccccessceseessessessessessessessvssessvessesresiesressessessessssessressesseeses II

b Ong V€nẨUH: 2 1 20122212 112111 152 1 kg HH net 12

c Pilot tubes e 14

Cd Elbow meters: occ ccccccccecccceeneceeceeeneeeseeseeeseeseeesecseeeseesenesenseseeeeeens 15

a Nguyên lý sử dụng siêu âm dé do lường ceccieeererererrerrre 20

b Uu diém va nhugc diém cia cam bién siéu Am 21

c Cam bién sir dung phương pháp siêu âm để đo lường 22

4 Cảm biến lưu lượng kiểu từ trường 5s ncnhnxngHgrườn 24

5 Cảm biến kiểu thế chỗ -5c:2ct St tre 25

6 Cảm biến lưu lượng kiểu tuabin 52 ST 1E tế gu 27 7 Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lông (Cảm biến kiểu Vortex)28

1 Các cảm biến dựa vào động lực 5 ccnctgH Hường 30

2 Các cảm biến dựa vào nhiỆt S5 ST E1 H2 11 1 re 32

3 Cảm biến đo bằng sóng siêu âm S5 ST E1 tr rưyn 40

4 Cam biến mức Radar 5c S22 E12 E112 E tren 43

5 Cam biến mức độ dẫn điện (điện trở) 52 sen 45

6 Cảm biến mức độ rung (Tuning Fork) 5-5 SE set 46

7 Cảm biến áp suất đo mức nước 2s HH He 47

§% Công tắc phao ch HH trau 48

C CODE TÌM HIẾU CẢM BIẾN SIÊU ÂM 2- 522cc 49

D MÔ PHÒNG PROTEUS - 2-52 22 21221122112112211211221212212112 te 51

L Lura chon cam Biét.c.cccccccccccccccccsseseseseseveseveveseseverevevevesevavesevssecsesevivsssavsvesvavseses 51

IL Lựa chọn mạch điều khiển 2.22 ST SE E125 15551155155 ng HH tre 33

II Lựa chọn LCT G119 SS n1 HS S1 115K TT TT nà 54

IV Kết nỗi cảm biến lưu lượng với ATdu1no: các cscs sxtrrtre 55

V _ Nguyên lý hoạt động L Q20 122112211211 1211 1222281111115 rườ 56

Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIÊN LƯU LƯỢNG VÀ MỨC

A.CẢM BIÊN LƯU LƯỢNG

o m3/min (mét khéi trên phút)

© gallons/min (gallons trén phut)

Il Giới thiệu về phương pháp đo lưu lượng

Trong cuộc sông hàng ngày cũng như trong công nghiệp, đo lưu lượng là một trong những phép đo được sử dụng rộng rãi nhất Đề xác định đượng lưu lượng cũng như khối lượng chính xác, chúng ta cần những thiết bị chuyên dụng để đo lường Chúng ta có khá nhiều nguyên lý đo lưu lượng và hầu hết các nguyên lý đo điều cho kết quả khá chính xác

so với thực tế

Cảm biến lưu lượng (thường được gọi là “đồng hồ đo lưu lượng”) là một thiết bị điện

tử có chức năng đo hoặc điều chỉnh tốc độ dòng chảy của chất lỏng và khí trong Ống Công dụng là xác định lưu lượng của vật liệu qua đường ống với kích thước biết trước Ill Các phương pháp đo lưu lượng

Đo lưu lượng thể tích (Volumetric Flow-rate):

® - Đo lưu lưu lượng theo nguyên lý chênh áp

¢ Do lưu lượng theo nguyên lý turbine

® Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ

® Do luu lượng theo nguyên ly Vortex

® - Đo lưu lưu lượng theo nguyên lý chiếm chỗ

¢ Do lưu lượng theo nguyên lý siêu âm (ultrasonics)

® Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng (Cảm biến kiểu Vortex)

Đo lưu lượng khối lượng (Mass Flow-rate):

® - Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt

® Đo lưu lượng theo nguyên ly Coriolis

Các cảm biến lưu lượng thể tích

1 Nguyên lý đo của phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp Đây là nguyên lý đo được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp quá trinh (process industry).Nguyén ly do nay diva trén phương trình tính lưu lượng thê tích:

10

lãi

Hinh 2:Thiét bi đo lưu lượng khí dạng chênh áp

Tình 3: Thiết bị đo lưu lượng chất lỏng dạng chênh áp

Các loại thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý chênh áp:

Do dòng chảy tồn tại cả 2 pha (lỏng và khí) sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo Đề loại bỏ

điều này người ta sử dụng tam Orifice co đục lô Theo đó, nêu lưu chất là chât khí thì tâm

Orifice sé duoc đục lỗ ở phía đáy dòng chảy (đề lỏng có thê đi qua) và nêu lưu chât là chât lỏng thì tâm Orifice được đục lỗ ở phía trên dòng chảy

Ưu điểm:

Độ ổn định tốt

Dé dang lap dat va bao tri

Chi can sur dung chung | loai transmitter ma khong can quan tam dé kích thước của đường ông

Gia thanh thap

sẽ tăng Ta sẽ đo áp suất tại 2 điểm:

Trước đoạn thu hẹp

Sau đoạn ông thăng (tức là trước khi ông được mở rộng)

13

Ưu điểm:

Độ chính xác, độ tim cậy cao

Có thê dùng cho lưu chất dạng vữa hoặc chất lỏng có nhiều tạp chất

Chí cần sử dụng chung | loại transmitter ma khéng can quan tam dé kích thước của đường ông

Nhược điểm:

Giá thành cao

Quá trình lắp đặt cân có thêm giá đỡ

Doan ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thăng

14

Yêu cầu mức độ chênh áp không quá lớn

Độ chính xác phụ thuộc vào thông sô của dòng chảy

Doan ông lắp đặt thiết bị phải là đoạn ông thăng

15

Giá thành sản phẩm không cao

Dé dang lap dat

Có khả năng đo 2 chiều

Ton that ap suat thap

Chi can su dung chung | loai transmitter ma khong can quan tam để kích

thước của đường ông

Nhược điểm:

Chí sử dụng đối với dòng chảy có vận tốc thấp, tốc độ ôn định

17

Chi can su dung chung | loai transmitter ma khéng cân quan tâm đề kích

thước của đường ông

Nhược điểm:

Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thăng

Giá thành cao

Cần phải có thiết bị calibration để hiệu chỉnh

2 Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex

a Nguyên lý đo:

Nguyên lý đo này cũng được sử dụng đối với lưu chất là lỏng, hơi hoặc khí Nguyên

lý đo này được mô tả như sau: Người ta sử dụng một thiết bị dạng hình côn (Bluf Body

of Vortex Shedder) đặt vuông góc và chắn giữa dòng chảy Khi lưu chất gặp thiết bị này

nó sẽ hình thành các điểm xoáy Vortex ở phía hạ nguồn, lưu lượng càng lớn thì các điểm xoáy này cảng nhiều

18

Mỗi dòng xoáy sẽ tao ra áp lực nhỏ Sự dao động của áp lực này sẽ được ghi lại bởi các cảm biến và chuyền đôi thành tín hiệu xung điện Những dòng xoáy được tạo ra rất đều nhau trong giới hạn cho phép của thiết bị đo Vì vậy tần số của dòng xoáy tỉ lệ với

lưu lượng thể tích

Hằng số tí lệ được tính theo công thức sau:

Hệ số K-Factor phụ thuộc vào:

- _ Hình dạng hình học của thiết bị đo

- Tốc độ dòng chảy, tính chất và mật độ (density) của dòng chảy Do đó phụ thuộc

vào loại chất cần đo lưu lượng là lỏng, hơi hay khi

19

Nguyên lý đo Vortex bi ảnh hưởng bởi sự rung động của đường Ống, sự sui bot cua lưu chât Tuy nhiên, trong thực tê thiết bị đo theo nguyên lý này cho ket quả khá chính xác (sai số <0,5%)

b Các cảm biến sử dụng phương pháp đo Vortex

Một số sử dụng cảm biến DSC sensor (Differential Switched Capacitance)

20

Một số thiét bi con tich hop thém cam bién nhiét d6 (Pt1000) dé do va hiéu chỉnh các

thông số được chính xác hơn

Không đo được đối với chất dang vữa hoặc chất lỏng có độ nhớt cao

Người sử dụng không thể kiêm tra sự hiệu chính (calibration)

Dùng cho dòng chảy rối

Có thé phải sử dụng tam loc

Thiết bị có thể bị hư hại bởi su dao động của dòng chảy

3 Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm

a Nguyên lý sử dụng siêu âm để đo lường

Đây là phương pháp sử dụng nguyên lý sóng siêu âm, Các thiết bị đo này có I bộ cảm biến gồm máy phát sóng siêu âm và thu sóng siêu âm, có 2 phương pháp đo thông

dụng :

- Do độ chênh lệch tần số siêu âm, gọi là Doppler frequency shift

® - Nguyên lý này được thực hiện bằng cách gửi I chùm tín hiệu xuyên qua | cai ống Lưu lượng được đo dựa trên nguyên tắc song âm đi theo hướng dòng chảy cân ít thời gian hơn so với đi theo hướng ngược lại Nếu vận tốcbằng 0 thì độ chênh lệch thời gian là deltaT= 0 Nếu ta biết được các thông số về đường kính ống, vật liệu và chiều dày của thành ống, góc khúc xạ thì ta có thê tính được vận tốc của dòng chảy, rồi từ đó tính được lưu lượng thê tích

21

- Đô chênh léch thoi gian — Difference in transit times

® - Nguyên lý này được thực hiện bằng cách gửi I chùm tín hiệu xuyên qua | cai ống Lưu lượng được đo dựa trên nguyên tắc sóng âm đi theo hướng dòng chảy cân ít thời gian hơn so với đi theo hướng ngược lại Nếu vận tốc bằng 0 thì độ chênh lệch thời gian là deltaT = 0 Nếu ta biết được các thông số về đường kính ống, vật liệu và chiều dày của thành ống, góc khúc xạ thì ta có thê tính được vận tốc của dòng chảy, rồi từ đó tính được lưu lượng thê tích

b Ưu điềm và nhược điềm của cảm biên siêu âm

Thiết kế nhỏ gọn nhưng vẫn đạt chuẩn công nghiệp

Điều chỉnh được khoảng cách bất kỳ trong khoảng cách mà cảm biến đo được

Độ chính xác cao so với cảm biến điện dung

Thời gian đáp ứng nhanh

Gia thành cạnh tranh

Đo được hầu hết các loại chất rắn và chất lỏng

Lap dat dé dang

Nhược điểm:

Cảm biếu siêu âm sẽ có điểm chết không đo được nằm gần cảm biến

Khoảng cách lắp đặt với thành bồn phải có một khoảng cách phù hợp với

khoảng cách đo của cảm biến

Không thể đo được khi có vật cản trong phạm vi đo

Nhiệt độ max 80oC và áp suất làm việc thấp max l bar

Các trường hợp có bọt thì cảm biến không phân biệt được

Để đo chính xác chúng ta cần phải cài đặt lại theo khoảng cách đo

Cảm biến sử dụng phương pháp siêu âm để đo lường

23

4 Cảm biến lưu lượng kiểu từ trường

Các máy đo lưu lượng kiểu từ trường được sử dụng để đo lưu lượng thẻ tích của chat lỏng hoặc chất dang vita (Axit, chất ăn da, thép nóng chảy, ) dẫn điện Chúng sử

dụng định luật cảm ứng điện từ của Faraday, sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng khi dây dẫn

chuyên động trong trường điện từ, tương tự với máy phát điện; khi vật dẫn điện đi qua từ

trường, một điện áp sẽ được tạo ra Điện áp cảm ứng tỉ lệ với vận tốc của lưu lượng dòng chảy và được đưa đến bộ khuếch đại thông qua 2 điên cực đo Dòng chảy càng nhanh,

điện áp tạo ra càng lớn

Máy đo lưu lượng kiêu từ trường không có bộ phận chuyền động

25

Hình 4: Cấu tạo máy đo lưu lượng kiểu từ trường

Điện áp tạo ra khi vật liệu dẫn điện chạy qua ống được đo bởi các điện cực cảm

biến lắp trên thành ống chuyên đôi điện áp này thành tín hiệu điện ngõ ra tý lệ thuận với

lưu lượng thể tích

Ưu điểm:

- _ Độ chính xác cao (1/- 0.5% of full scale)

- — Vì chỉ phụ thuộc vào vận tốc của dòng lưu chất vào, không phụ thuộc vào khối lượng riêng, độ nhớt hay áp suất tĩnh của lưu chat

- - Có thê đo được 2 chiều

- Kho hiéu chinh (calibration)

- Kich thuoc Ién va nặng

5 Cam bién kiéu thế chỗ

Các cảm biến kiều thế chỗ dựa vào nguyên lý tính toán các lượng chất lỏng riêng biệt khi nó chảy liên tục qua một khoang chứa của thiệt bị Thê tích của khoang chứa

26

(biết trước) là thể tích của mỗi lượng chất lỏng chảy vào đấy Các cảm biến gởi ra một tín

hiệu mỗi khi một khoang chứa đây Lưu lượng được xác định bằng cách nhân thể tích của

khoang chứa với số lượng tín hiệu trên một phút Chúng có thể được dùng đề tính tông

thể tích hoặc một phần cũng như đề đo lưu lượng thê tích của chất lỏng và khí với độ

chính xác cao

Các máy đo lưu lượng kiểu thé chỗ tích cực có thé str dụng một trong những cơ chế sau đây đề cách ly và chuyên động mỗi khi có một lượng chất lỏng đi qua:

« - Các màng ngăn mềm dẻo

« _ Pittông chuyên động qua lại

« _ Pittông chuyển động quay

« Cánh quạt quay

« - Bánh công tác và hộp số

Hình 5: trình bày một cảm biến lưu lượng kiểu thế chỗ tích cực sử dụng kiểu bánh

công tác khi có dòng chất lỏng đi qua làm bánh công tác quay một chu kỳ Các cánh quạt này khi quay sẽ tự khóa lẫn nhau, lần lượt đóng và mở khoang chứa khi chat long di qua may do

27

quat — rotor

Khi vật liệu quá trình chảy qua máy đo, cánh quạt sẽ lập tức cach ly chất lỏng trong ngăn được tạo bởi các cánh quạt và vỏ của máy đo Một tín hiệu được gởi ra từ máy đo mỗi khi trục rotor hoàn thành một vòng quay, Số lượng vòng quay trên phút có thể được

sử dụng đề xác định lưu lượng thê tích bởi bì thê tích của các ngăn máy đo là biết trước

Do các bộ phận chuyền động của đồng hồ đo kiều thế chỗ tích cực cần phải được làm bằng máy tỉnh vi, nó ít được lựa chọn sử dụng trong trường hợp các chất ăn mòn hoặc các chất ăn mòn hoặc các chất lỏng có đặc tính phủ lên hay bào mòn thiết bị nó tiếp xúc

- Phụ thuộc vào sự hao mòn cơ khi

- _ Khó khăn trong việc lắp đặt, sửa chữa và thay thé, thiết bị thay thế phải phù hợp với các thiết bị hiện hữu

- _ Cần phải có thiết bị lọc

6 Cảm biến lưu lượng kiểu tuabin

Các cảm biến lưu lượng kiều tuabin hoạt động theo nguyên lý là khi một chất lỏng chạy qua sẽ làm tuabin xoay với tốc độ tỷ lệ với lưu lượng chất lỏng Khi chất lỏng đi qua khắp cánh rotor, chúng quay Một đầu cảm biến được gắn trên thành của tuabin, may do

sẽ phát hiện được sự hiện diện của từ trường nam châm vĩnh cửu (được gắn trên rotor hoặc trên một trong các cảnh cua rotor) khi no di qua ung với mỗi vòng quay của tuabin Cảm biến từ trường sẽ gởi ra một tín hiệu xung ứng với mỗi vòng quay của tuabin Số lượng xung trong một khoảng thời gian cho trước có thê được sử dụng đề xác định lưu

lượng

28

Để chính xác, điều quan trọng là dòng chảy thăng ở dạng đồng nhất và sự hỗn loạn là

nhỏ nhất khi nó tiếp xúc với tuabin

Ưu điềm:

Độ chính xác cao, khoảng 0.25% hoặc có thể cao hơn cao hơn

Có thê đo được với mức lưu lượng rat lớn hoặc ở mức nhỏ

Thích ứng với khoảng thay đổi nhiệt độ và áp suất lớn

Đo được cả 2 chiều

Nhược điểm:

7

Dễ bị hao mòn và hư hỏng nếu dòng lưu chất bẩn và không được bôi trơn

Dễ bị hư hỏng nếu bị vượt quá tốc độ cho phép hay dòng chảy bị dao động

Cần phải bào trì và hiệu chỉnh của nhà sản xuất hoặc trung tâm bảo trì sau | thoi

gian sử dụng

Độ thích ứng bị ảnh hưởng bới độ nhớt cao và mật độ thấp

Giá thành tương đối cao

Cần có bộ lọc

Nhà cung cấp phải được yêu cầu bảo trì và calib chính xác

Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng (Cảm biến kiểu Vortex) Khi một dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào một dốc đứng đặc vuông góc với đòng chảy sẽ tạo ra các vùng xoáy Tốc độ tạo xoáy trong dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng tăng Các cảm biến lưu lượng kiểu xoáy này được tạo ra đề hoạt động với chất

lỏng, khí hoặc hơi

Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có 3 phần:

e© _ Thân gián đoạn dòng chảy — có chức năng tạo ra các kiêu xoáy định trước tùy thuộc vào hình dáng thân

29

¢ Mét cam biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyên đôi sự rung động này thành các

30

không phụ thuộc vào nhiệt độ, hình thái dòng chảy, áp suất, độ nhớt, khối lượng riêng của

lưu chât Loại cảm biên nay làm việc tôt nhật với các chât lỏng hoặc chat dạng vữa

1 Các cảm biên dựa vào động lực

Trong một cảm biến lưu lượng khối lượng dựa vào động lực, lưu lượng ổi qua một ống cảm biến hình bán nguyệt hoặc hình tròn mà nó bị dao động với biên độ và tần số

biết trước khi nó còn rỗng Khi ống được điền đầy chất lỏng, tần số và biên độ dao động giảm xuống Chất lỏng càng nặng, tần số và biên độ càng giảm Động lực của chất lỏng đi qua ống dao động bị uốn cong làm chất lỏng tác dụng một lực lên thành ống làm cho ông hơi bị xoắn Độ xoắn tăng khi lưu lượng khối lượng tăng và nó được sử dụng đề đo lưu

cuộn dây từ tính Các cảm biến ở đạng nam châm và cụm cuộn dây được gắn trên đầu

vào và đầu ra của cả hai ông dòng Khi các cuộn dây di chuyên qua từ trường do nam châm tạo ra, chúng tạo ra một điện áp dưới dạng sóng hình sin

Trong điều kiện không có dòng chảy, sóng hình sin đầu vào và đầu ra cùng pha với nhau Khi chất lỏng di chuyển qua các ống, các ông xoắn theo tỷ lệ lưu lượng khối

Lượng xoắn này được phát hiện bởi các cảm biến đầu vào và đầu ra, dựa trên sự dịch pha

(chênh lệch thời gian) xảy ra trong sóng hình sin được tạo bởi hai cảm biến Lưu lượng

31