Cảm biến lưu lượng và đo mức chất lỏng

CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG VÀ MỨC CHẤT LỎNG

NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH

1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƯU

LƯỢNG

 1.1 Khái niệm chung về đo lưu lượng

 Chất lưu là loại chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại ở điều kiện nhiệt độ, áo suất nhất định Dưới tác động của ngoại lực hoặc có

độ chênh áp suất chất lưu có thể chuyển động.

 Lưu lượng chất lưu: là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian

 Cảm biến đo lưu lượng thực hiện đo số chất lỏng đi qua một điểm trong một khoảng thời gian nào đó.

 Phạm vi: Chất khí, chất lỏng, chất dạng vữa hoặc chất rắn dạng bột.

 Các thông số cần đo lường: Lưu lượng, vận tốc chất lưu, khối lượng riêng, áp suất và nhiệt độ ở các vị trí khác nhau của lưu chất

1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƯU

LƯỢNG

 1.1 Khái niệm chung về đo lưu lượng

 Tuỳ theo đơn vị tính lượng chất lưu (theo thể tích hoặc khối lượng) người ta phân biệt:

 - Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m 3 /s, m 3 /giờ

 - Lưu lượng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ

1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƯU LƯỢNG

 1.2 Đặc trưng của lưu chất

 Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bởi tính chất hóa

lý và các yêu cầu công nghệ, do đó có nhiều phương pháp đo

dựa trên những nguyên lý khác nhau Số lượng vật chất được xác định bằng khối lượng và thể tích của nó tương ứng với các đơn vị đo hoặc đơn vị thể tích:

 Lưu lượng chất được đo bằng thể tích trên đơn vị thời gian

 Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian: ∆t = t2 – t1

1.2 Đặc trưng của lưu chất

 Mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc

 Tổng năng lượng của bất cứ dòng chất lỏng nào cũng được tạo lên từ 3 thành phần: áp suất, vận tốc và độ cao Số lượng của mỗi thành phần có thể thay đổi được nhưng tổng năng lượng không đổi trừ khi năng lượng bị lấy đi hay thêm vào chất lỏng.

 Lưu lượng thể tích cho trước đi qua một ống nhỏ hơn thì vận tốc sẽ tăng lên và áp suất sẽ giảm đi.

 Độ nhớt, khối lượng riêng và ma sát là các yêu tố quan trọng khi lựa chọn loại cảm biến lưu lượng sao cho phù hợp Độ nhớt có ảnh hưởng đến sự chuyển động của vật chất khi chảy qua đường ống

 Độ nhớt càng cao thì lực cản dòng chảy càng lớn

 Tốc độ dòng chảy: Tốc độ dòng chảy

đề cập đến thể tích chất lỏng đi qua

một điểm hoặc phần cụ thể của đường ống trong một đơn vị thời gian

1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƯU

LƯỢNG

1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG

 Đo lưu lượng bằng phương pháp đếm xung

 Nguyên lý: dựa trên số vòng quay của tuabin trong 1 đơn vị thời gian tỷ lệ với tốc độ dòng chảy.

2 CÔNG TƠ THỂ TÍCH

 Công tơ thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua công tơ bằng các đếm trực tiếp lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác định của công tơ

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

 Ở vị trí ban đầu chất lưu làm quay bánh răng (2) đẩy thể tích chất lỏng (V1) sang cửa ra đồng thời làm bánh răng (1) quay theo (vị trí b)

 – Ở vị trí (c) chất lưu làm bánh răng (1) quay → quá trình lặp lại

 – Thể tích chất lưu đẩy sang cửa ra: qv = V1 + V2 = 2V0

 Đếm số vòng quay hoặc đo tốc độ → Q tức trung bình hoặc Q tức thời

 – Thường đo thể tích chất lưu ∆V trong khoảng thời gian t1đến t2

2.3 Đặc điểm

 – Giới hạn đo từ 0,01 - 250 m3/giờ,

 – Cấp chính xác 0,5; 1,

 – Tổn thất áp suất nhỏ,

 – Yêu cầu chất lỏng đo phải được lọc tốt,

 – Gây ồn khi làm việc

3 CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG

 Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian

 Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế

 Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở:

 - Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định Δt.

 - Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc.

 - Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc độ giảm áp.

 Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp.

3.1 Cảm biến đo lưu lượng theo thể tích

 Nguyên lý đo: Đếm trực tiếp lượng thể tích chất lưu đi qua buồng chứa có thể tích xác định của cảm biến

 Lưu lượng trung bình

(qv – thể tích chất lưu đi qua cảm biến trong một vòng quay của trục

cảm biến)

Lưu lượng tức thời:

3 CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG

 Laser Doppler

 Sự thay đổi về tần số:

3 CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG

Cảm biến lưu lượng lực cản Cảm biến dạng tuabin

3 CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

  

3.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa trên

nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

 3.2.1 Định nghĩa áp suất

 Áp suất là tỷ số giữa lực tác động vuông góc lên

một mặt với diện tích của nó

3.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa trên

nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

 3.2.2 Bộ phận tạo nên sự chênh lệch áp suất

 Kiểu cảm biến lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất là dựa vào phép đo áp suất rơi trên một đoạn ống thu hẹp

Cảm biến đo lưu lượng dựa vào áp suất

Nguyên lý đo dựa vào áp suất của chất lỏng chuyển động tỷ lệ với lưu lượng, áp suất được xác định bằng cảm biến áp suất, chiều chuyển động của chất đo và lưu lượng có thể tính được

3.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa trên

nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

 3.2.2 Bộ phận tạo nên sự chênh lệch áp suất

 Ống co: dùng để tạo sự chênh lệch áp suất (giữa vị trí ống chưa co và ống co) nên ống

co phải là những linh kiện cơ học rất bền bỉ, cấu trúc đơn giản và không có các phần tử di động để chịu được những điều kiện khắc nghiện

 Ống Pilot tube dựa trên sự chênh lệch áp suất nhưng không tạo sự „co” trực tiếp trên dòng chảy

3.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa trên

nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

Cảm biến lưu lượng kiểu tấm đục lỗ đơn giản là hạn chế bề mặt diện tích dịch chuyển trong ống, điều này gây ra giảm áp suất trong dòng chảy Cảm biến này yêu cầu có 2 lỗ áp suất, một phần ở trên và ở dưới để hạn chế áp suất, lưu lượng tỷ lệ với áp suất sai lệch giữa những lỗ này và được tính bằng công thức:

Cảm biến lưu lượng kiểu ống Venturi

Q – Lưu lượng (m 3)C

A: Mật độ diện tích d: Mật độ trọng lượng của chất

lỏng

P 1 , P 2 là sai lệch áp suất trong ống

g: Gia tốc rơi tự do

3.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa trên

nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

 Cảm biến kiểu ống Venture

 Ống Venture là bộ hạn chế từ từ trong đường ống, nó làm tăng tốc độ chất lỏng trong vùng bị hạn chế Vùng này có tốc độ cao hơn và áp suất nhỏ hơn Lưu lượng tỉ lệ với sự sai lệch áp suất giữa P2 và P1 Cảm biến lưu lượng ống Venture có khuynh hướng giữ dòng chảy êm hơn nhưng cảm đĩa màng và ống Venture đều gây ra giảm áp suất trong ống

Ứng dụng cảm biến Venture thực tế

3.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

 Ống Pitot là một thiết bị dùng để đo tốc độ lưu lượng của

chất lỏng hoặc khí trong các hệ thống khác nhau

lý Bernoulli của động lực học chất lỏng (cho thấy mối quan hệ giữa áp suất và tốc độ dòng chảy của chất lỏng)

 Ống thẳng đứng, nhỏ, đối diện trực tiếp với dòng chảy để đo tổng áp suất.

 Ống khác bố trí vuông góc để đo áp suất tĩnh

áp suất động, từ đó có thể tính toán được tốc độ dòng chảy

Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất

3.2 Đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc

sự chênh lệch áp suất

 Cảm biến kiểu ống Pitot: Ống Pitot là một ống hở nhỏ mà nó

đưa vào trong dòng chảy Đầu đo thực tế gồm 2 ống: một ống cho dòng chảy và đưa ra áp suất động (thường gọi là đầu tốc) và một đầu mở vuông góc với dòng chảy và đưa ra áp suất tĩnh Áp suất động luôn lớn hơn áp suất tĩnh, sự sai lệch giữa hai áp suất

tỷ lệ với tốc độ và đó chính là lưu lượng

 Ứng dụng: Trong công nghiệp và hàng không.

• Trong hàng không, ống Pitot được sử dụng để đo tốc độ của máy bay so với không khí xung quanh

• Trong hệ thống điều hòa không khí, ống Pitot giúp đo tốc độ dòng khí trong các ống dẫn

• Trong công nghiệp dầu khí, ống Pitot đo tốc độ dòng chảy của dầu hoặc khí trong các đường ống

3.3 Đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy

 Tần số biến mất của dòng xoáy (hoặc tần số xuất hiện) là một

hiệu ứng dùng để đo lưu lượng bằng thể tích):

 b – đường kính vật cản

 f – tần số dòng xoáy

 v – vận tốc dòng xoáy

 Với điều kiện S không phụ thuộc trị số Reynold:

 A – diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy

3.3.1 Cấu tạo

 Thân gián đoạn dòng chảy – có chức năng tạo ra các kiểu xoáy định trước tùy thuộc vào hình dáng thân.

 Cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các xung điện.

 Bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức năng gửi tín hiệu đã được hiệu chuẩn đến các thành phần khác của vòng điều khiển

Nguyên lý hoạt động Hình dáng vật cản

3.3 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần

số dòng xoáy

 3.3.2 Nguyên tắc hoạt động

hiệu ứng phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất.

 Cảm biến độ xoáy sử dụng một đặc tính của chất lỏng

để xác định lưu lượng Khi một dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào một dốc đứng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ tạo ra vùng xoáy Tốc độ tạo xoáy trong dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng tăng

Của cảm biến đo lưu lượng với nguyên tắc tần số dòng xoáy.

4 CẢM BIẾN ĐO MỨC

 4.1 Khái quát chung

 Mức: là chiều cao của chất lỏng hay hạt có tiết diện thay đổi

để kiểm tra chế độ làm việc của thiết bị, điều khiển các quá trình sản xuất

 Cảm biến đo mức là một thiết bị được sử dụng để đo lường mức độ của một chất lỏng hoặc rắn trong một bình chứa

 Đối tượng đo: đo mức chất lỏng, chất rắn trong từng hệ thống, bồn chứa

 Có nhiều loại cảm biến đo mức khác nhau, bao gồm cảm biến siêu âm, cảm biến ánh sáng, cảm biến điện dung, và nhiều công nghệ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng

 Phân loại:

 1 Cảm biến siêu âm đo mức nước - chất rắn

 2 Cảm biến điện dung đo mức nước - chất rắn

 3 Cảm biến radar đo khoảng cách

 4 Cảm biến áp suất đo mức nước

 5 Cảm biến đo mức chênh áp

 - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện

 - Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu

 Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu

4.2 Phân loại cảm biến đo mức

 Cảm biến đo mức sẽ đo được tỷ lệ phần trăm, số lít, khối lượng, thể tích của môi chất chứa trong silo, bồn chứa khi vật liệu bên trong tăng hoặc giảm.

 1 Cảm biến siêu âm đo mức nước - chất rắn: Loại cảm biến siêu

âm đo mức ứng dụng sóng siêu âm để đo mức chất lỏng, chất rắn

trong các thiết bị công nghiệp

 Nguyên lý: Hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát sóng điện từ và tính toán khoảng cách, thời gian phản hồi sóng nhận được để tính toán mức nước, chất lỏng, rắn.

 2 Cảm biến điện dung đo mức nước - chất rắn: Cảm biến điện

dung đo mức chất lỏng/ chất rắn ứng dụng nguyên lý thay đổi điện dung giữa tụ điện, để đo và xác định mức nước. 

 3 Cảm biến radar đo khoảng cách: Cảm biến radar hoạt động trên nguyên lý sóng liên tục, có điều khiển tần số Khi sóng được phản hồi lại từ 1 đối tượng, cảm biến radar sẽ dựa trên thời gian và bước sóng để xác định khoảng cách.

4.2 Phân loại cảm biến đo mức

 4 Cảm biến áp suất đo mức nước: Cảm biến áp suất đo mức dựa trên tính toán áp lực cột nước lên biến áp để xác định mức nước, chất lỏng trong đường ống kín.

 5 Cảm biến đo mức chênh áp: Loại cảm biến đặc biệt này đo được mức chênh lệch áp suất ở 2 khu vực khác nhau, so sánh về mức chênh lệch áp Từ đó tính toán được độ sâu mức nước, lưu lượng gió, chiều cao cột nước trong khu vực.

Đo mức liên tục Đo mức điểm

4.3 Cảm biến báo mức

 4.3.1 Cảm biến báo mức là thiết bị được sử dụng để xác định chất lỏng, chất rắn để đến vị trí lắp đặt hay chưa Thông qua bộ cảm biến báo mức, hệ thống máy bơm - van sẽ bổ sung hoặc ngừng cung cấp thêm vật chất vào bồn chứa, để đảm bảo mức vật chất theo yêu cầu.

 4.3.2 Phân loại: Các loại cảm biến báo mức:

• Cảm biến báo mức cánh xoay – cho chất rắn

• Cảm biến báo mức điện dung cho chất rắn – chất lỏng

• Phao báo mức nước

• Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản

• Cảm biến quang

• Cảm biến rung – tần số

4.3.3 Nguyên lý hoạt động

 Nguyên lý hoạt động của cảm biến báo mức đầy silo dạng xoay khá đơn giản Ở trạng thái bình thường lúc cấp nguồn điên thì cảm biến sẽ quay liên tục, với tốc độ khoảng 5-6  vòng / phút Ở trạng thái này thì Relay vẫn mở

 Sau khi nguyên liệu ngập ngang cánh xoay, lúc này nguyên liệu cảng cánh xoay lại với một lực đủ lớn Cánh sẽ ngưng xoay lúc này Relay sẽ chuyển trạng thái mở sang trạng thái đóng Khi nguyên liệu bị hụt xuống dưới mức cảm biến xoay thì cảm biến sẽ quay lại, Relay chuyển trạng thái đóng sang mở

Cảm biến báo mức cánh xoay – cho chất rắn

Cảm biến báo mức điện dung cho chất rắn – chất lỏng

 Cảm biến mức điện dung dùng để phát hiện mức điểm và đo mức liên tục (trong chất lỏng)

trên sự thay đổi của điện dung để thực hiện phép đo mức chất lỏng/mức Điện cực đo mức và bình chứa tạo thành hai điện cực của một tụ điện Giá trị điện dung thay đổi theo bình chứa.