Nghiên cứu các thiết bị đo lưu lượng bằng phương pháp kiểu điện cảm mạch từ hở

Tài liệu tham khảo Nghiên cứu các thiết bị đo lưu lượng bằng phương pháp kiểu điện cảm mạch từ hở

Mục lục

Lời nói đầu 2

Phần I : Tổng quan về các phơng pháp và thiết bi đo lu lợng đợc truyền dẫn trong đờng ống kín 4

1-Lu lợng kế dòng xoáy: 4

2-Lu lợng kế nhiệt 5

3- Lu lợng kế Pitot 5

4- Lu lợng kế áp suất vi sai 6

5- Lu lợng kế Coriolis: 8

6- Lu lợng kế dùng chuyển đổi cơ 9

Phần II: Tính toán thiết kế lu lợng kế loại Rôtamet – hiện số và hệ thống đo và khống chế nhiệt độ 15

1- Cấu tạo và chức năng các bộ phận chính của dụng cụ đo 15

2-Thiết kế và phân tích hoạt động của từng khối 16

Phần III -Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh lu lợng cung cấp 25

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên

Lời nói đầu

Trong nền kinh tế thị trờng mở cửa nớc ta hiện nay, việc mở rộng thơng mại và giao lu kinh tế giữa các nớc trong khu vực và thế giới là một

xu thế tất yếu Xu thế đó không chỉ tạo ra cơ hội hoà nhập và phất triển kinh tế mà còn đặt nớc ta vào một môi trờng cạnh tranh gay gắt trong phạm vi khu vực và thế giới Trong đó nổi cộm lên vấn đề là nhằm nâng cao chất lợng sản phẩm, vấn đề này luôn đợc coi là một nhân tố cơ bản

của sự cạnh tranh, nó không chỉ quyết định sự thành công hay thấy bạicủa mỗi một doanh nghiệp mà còn ảnh hởng đến sự tăng trởng hay tụt hậucủa nên kinh tế

Để nâng cao chất lợng sản phẩm thì đòi hỏi rất nhiều yếu tố Nhng

có một yếu tố quan trọng đó là đòi hỏi một quá trình sản xuất nghiêm túc.Bởi khi có một quá trình sản xuất tốt sẽ tạo ra những sản phẩm có chất l-ợng cao Chất lợng của mỗi sản phẩm nó đợc hoà nhập vào và đợc thểhiện ra ngay trên chất lợng lao động Ta không thể hy vọng rằng có sảnphẩm đạt chất lợng cao nếu không thực sự lao động một cách nghiêm túc.Chính vì thế trong sản xuất đo lờng là một phơng pháp để nhận biết chất l-ợng sản phẩm Và từ đó dụng cụ đo trở thành một trong những công cụlao động góp phần tạo ra lao động chất lợng cao và tạo ra các sản phẩmtốt

Một trong các dụng cụ đo đó là thiết bị đo lu lợng Đo lu lợng có tầmquan trọng đặc biệt trong các mạng lới vận chuyển chất đốt (ống dẫn gas,ống dẫn dầu) và trong mọi thiết bị công nghiệp khi cần khống chế lợngchất lỏng tham gia vào các quá trình nh ở lò phản ứng hoá học, nhà máysản xuất xi măng, năng lợng, động cơ đốt trong v v …

Các vấn đề đã đợc tìm hiểu:

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về đo lu lợng, các phơng pháp đo, các thiết

bị đã đợc sử dụng và chào bán tại Việt Nam

- Nghiên cứu và thiết kế thiết bị đo lu lợng bằng phơng pháp kiểu

điện cảm mạch từ hở

- Chế tạo và chạy thử

2

Phần I : Tổng quan về các phơng pháp và thiết bi đo lu lợng đợc

truyền dẫn trong đờng ống kín.

1-Lu lợng kế dòng xoáy:

Lu lợng kế dòng xoáy dựa trên nguyên lý khi chất lỏng gặp một vậtcản sẽ bị phân thành các dòng xoáy ở phía sau vật (hình vẽ) Tốc độ dòngchảy đợc xác định bằng cách đếm số xoáy trong một đơn vị thời gian và

đợc đo cảm biến nhạy với biến thiên dao động áp suất

V=tần số xoáy/k, ở đây k là hệ số phụ thuộc vào số Reynol và tỷtrọng của chất lỏng nhng không đổi trong dải lu lợng rộng

Đặc điểm của lu lợng kế dòng xoáy:

- Chịu đợc tốc độ cao nhng có thể nhạy với dao động bên ngoài.,

- ít đợc sử dụng để đo lu lợng thấp

2-Lu lợng kế nhiệt:

Lu lợng kế nhiệt có cấu tạo gồm một ống mao dẫn bằng kim loạimảnh có đờng kính nhỏ Phía ngoài của ống kim loại đơc cuốn một sợidây đốt bằng điện trở, hai cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ của dòngchảy ở đầu vào và đầu ra của ống dây( t1 đo nhiệt độ ở đầu vào, t2 đo nhiệt

độ ở đầu ra)

Khi không có dòng chảy( tức là lu lợng chảy qua ống Q=0) thì sựtruyền nhiệt ra hai phía của sợi đốt là nh nhau, khi đó hiệu ứng nung nóng

sẽ đối xứng và trong trờng hợp này t1=t2

Khi lu lợng Q0 thì lúc này t1 giảm và t2 tăng, sự khác nhau giữa t1

4

Khi có dòng chảy Khi ch a có

vùng giảm áp phía bên cạnh và sau cảm biến Trong một ống Pitot trungbình có nhiều đầu áp suất

đặt trên ống ở các vị trí có độ cao khác nhau cho phép thu đợc áp suấttrung bình đại diện cho dòng chảy trong toàn ống

Đặc điểm của lu lợng kế Pitot:

Dòng xoáy

Vùng áp suất thấp Vùng áp

Trên hình vẽ khi dòng chất lỏng chảy qua một ống có lỗ thu hẹp thìtốc độ của dòng chảy sau lỗ sẽ tăng lên so với tốc độ dòng chảy trớc lỗthu hẹp, áp suất chất lỏng ở cửa ra giảm và tạo nên sự chênh áp suất ởphía trớc và phía sau lỗ Sử dụng áp suất kế vi sai đo độ chênh áp P này tasuy ra lu lợng.

Đối với các chất có hệ số Reynol nhỏ hơn giá trị tới hạn nh dầu mỏ,parafin khi đó không dùng đợc các lỗ hẹp tiêu chuẩn vì hệ số lu lợngkhông phải là hằng số Ngời ta sử dụng thiết bị có lỗ thu hẹp đặc biệt nhmàng ngăn có lỗ côn, giclơ hình trụ, giclơ cong màng kép

Đặc điểm của lu lợng kế áp suất vi sai:

- Cấu tạo đơn giản, chắc chắn

- Làm việc không gây tiếng ồn, dễ chế tạo hàng loạt

- Lắp đặt bằng măng sét hoặc nối xen kẽ

- Gây tổn hao lu lợng dòng chảy

Phạm vi sử dụng:

- Đo đợc trong môi trờng bất kỳ

Giá thành thấp và đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực

5- Lu lợng kế Coriolis:

Nguyên lý hoạt động của lu lợng kế là gia tốc coriolit(nhà vật lýpháp 1792-1843) xuất hiện khi một vật đồng thời chịu tác dụng củachuyển động quay và chuyển động tịnh tiến Gia tốc Coriolit tơng ứng vớilực: F=2m..v

F=0 C

B A

L u l ợng kế Coriolis.

Trong lu lợng kế một cuộn dây kích thích đặt ở vị trí C (hình vẽ).ống đo chịu tác động xung quanh trục AB Khi các hạt chất lỏng dichuyển với vận tốc v chúng tạo nên lc Coriolis tác dụng nên hai nửa ốngtheo hai chiều ngợc nhau Theo chiều AC tốc độ chất lỏng bị chậm lại còntheo chiều CB chúng đợc gia tốc thêm Điều này làm cho ống bị biếndạng rất nhỏ cùng với dao động cơ sở Chuyển động tổng hợp đợc đo nhờcảm biến điện cảm đặt giữa A và B Khi có lu lợng chảy qua ống có sựlệch pha giữa dao động ở A và B Góc lệch pha này tơng ứng với khoảngthời gian và tỷ lệ thuận với lu lợng cần đo.

ở đây k là một hằng số, f là tần số dao động, Q là lu lợng cần đo

Đặc điểm của lu lợng kế này là:

đợc đếm và tính tổng

Số lợng các xung điện đợc đếm trong một khoảng thời gian cho trớc

và tỷ lệ trực tiếp đến thể tích chất lỏng chảy qua Một máy phát tốc mộtchiều có thể đợc thêm vào để đo vận tốc quay của tuabin và chính xác

định lu lợng của chất lỏng Các lu lợng kế tuabin khi đợc chọn và lắp đặt

đúng sẽ có độ chính xác cao, đặc biệt là đối với các chất lỏng có độ nhớtthấp

Lu lợng kế tuabin tạo nên một tín hiệu lu lợng tuyến tính, bằng số Nó đợcdùng phổ biến trong công nghệ hóa dầu và các ngành công nghiệp khác

Tuabin 1 đợc lắp đặt trên các ổ trục gá trên chân bên trong ống dẫn

2 Trên một cánh tuabin gắn chặt một mảnh nam châm vĩnh cửu 3 Cuộndây cảm 4 tạo nên một xung khi mỗi lần mảnh nam châm đi qua phốighép 5 để vào máy tính 6 đếm hoặc xử lí tiếp tín hiệu quãng này đợc dẫnqua bộ hiển thị LED

Số xung N của tuabin có quan hệ với thể tích V của chất lỏng chảy qua lulợng kế theo công thức:

V = K.N

Với K là thể tích chất lỏng trên một xung

Lu lợng trung bình trên một khoảng thời gian t đợc tính:

t

V KN Q

Phạm vi đo: 0,3 m3/h  36000 m3/h đối với chất khí

0,01 m3/h  14000 m3/h đối với chất lỏng

Độ chính xác: 1%  2%

8

6 5

4 2

3 1

L u l ợng kế tuabin.

Độ lặp lại: tốt hơn 10,5%.

Độ tuyến tính: 0,5%  1,5% phụ thuộc vào độ nhớt

Thời gian hồi đáp: một vài ms

Các lu lợng kế tuabin có u điểm là dễ xử lý tín hiệu Tuy vậy khilàm việc với chúng phải đảm bảo yêu cầu là chất lu không có bọt khí vàcác sợi hoặc hạt có kích thớc đáng kể Thêm vào đó, để đảm bảo độ chínhxác của kết quả đo, lu lợng kế phải đợc đặt ở đoạn ống thẳng để tránhdòng xoáy

Tín hiệu ra xung của lu lợng kế tuabin hoàn toàn phù hợp với kỷthuật tính toán và điều khiển, nên nó đợc dùng để đo lu lợng với máy

đếm, hoặc dùng làm tín hiệu vào cho máy tính điện tử số

b Lu lợng kế dùng lá chắn xoay:

Lu lợng kế dùng lá chắn xoay biểu diễn nh hình vẽ Lá chắn xoaychịu lực tác động của dòng chảy, trọng lợng và phản lực của lò xo Vị trígóc cân bằng của lá guồng phụ thuộc vào lu lợng của chất lu Tín hiệu cơtrong trờng hợp này có thể chuyển thành tín hiệu diện bằng cách dùng

điện kế có trục gắn liền với trục của lá chắn xoay Ưu điểm của lu lợng kếnày là rẻ tiền và chắc chắn

c Lu lợng kế tiết diện thay đổi:

Lu lợng kế gồm một cánh quay hoặc một quả phao đặt trong mộtống có tiết diện tăng dần Quả phao đợc giữ cân bằng ở một độ cao phụthuộc vào ba tác động đó là: Trọng lợng của nó, lực đẩy Archimede và lực

đẩy của chất lỏng Đánh dấu vị trí của phao nhờ bộ ghép quang hoặc từ.Dụng cụ đợc khắc độ theo lu lợng chất lỏng cần đo

Lá lò xo

Tấm chắn

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của l u l ợng kế dùng lá chắn xoay.

Sơ đồ tính toán lu lợng kế Rôtamet

Tính toán lu lợng kế:

Lu lợng chảy qua khe giữa phao và ống côn:

Q = .S.vTrong đó:

S :diện tích tiết diện của khe hở

1 2

(P P).2g v

P2 : áp suất tại cửa ra của ống côn.

Còn rất nhiều phơng pháp và thiết bị đo lu lợng khác cha đợc giải ra

đây, nhng ta thấy đo lu lợng một lĩnh vực khoa học kỹ thuật rất phongphú, trong sự phong phú ấy, đề tài tốt nghiệp đợc chọn là phơng pháp vàthiết bị đo lu lợng kiểu Rotamet đã đợc hình thành từ đó

Phần II: Tính toán thiết kế lu lợng kế loại Rôtamet – hiện số và hệ

thống đo và khống chế nhiệt độ.

1- Cấu tạo và chức năng các bộ phận chính của dụng cụ đo.

Sơ đồ khối và chức năng của từng khối

Sơ đồ khối mạch đo lờng và khống chế lu lợng chất lỏng

Nhiệm vụ của từng khối:

- Khối vi xử lý: điều hành mọi hoạt độn của hệ thống

- Khối ROM: lu trữ chơng trình điều hành hoạt động

- Khối giao tiếp và tạo tín hiệu điều khiển:

Khối này có nhiệm vụ là nhận tín hiệu từ ngoài để đa vào xử lý

và nhận tín hiệu từ vi xử lý để điều khiển đóng ngắt các thiết bị

- Khối cảm biến: có nhiệm vụ là lấy tín hiệu từ các đầu cảm biến

- Khối ADC: có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tử tơng tự sang số

- Khối hiển thị: hiển thị giá trị lu lợng đo đợc

12

Giao tiếp

và tạo tín hiệu điều khiển

Từ sơ đồ khối tổng quát của dụng cụ đo ta có sơ đồ khối của dụng cụ đo

vụ chuyển từ giá trị lu lợng đo đợc sang tín hiệu điện Dới đây giới thiệu

bộ cảm biến lu lợng dùng ống Rotamet

COÂNG TAẫC CHUYEÅN MAẽCH

R1 R2

12V

Nguoàn 3

Maùch ủieàu khieồn ủoọng cụ

ẹaởt nhieọt ủoọ

So saựnh

nhieọt ủoọ

Maùch chuyeồn ủoồi

ủo nhieọt ủoọ

ẹaàu ủo

nhieọt ủoọ

Nguoàn1

Maùch khueỏch ủaùi ủieọn aựp

Chuyển đổi số

Và điều khiển Chuyển đổi

điện áp

Theo sơ đồ trên ta thấy khi phao 1 di chuyển trong ống côn 2 nhờlực đẩy của dòng chất lỏng chảy qua ống sẽ gây nên chuyển vị tơng đốicủa lõi sắt 3 trong cuộn dây Lõi sắt và cuộn dây tạo thành chuyển đổi đodịch chuyển bằng điện cảm kiểu mạch từ hở Để lấy đợc tín hiệu ra ta cósơ đồ mạch chuyển đổi điện áp nh sau:

Sau khi lấy đợc tín hiệu Ura ta sẽ chuyển đổi nó thành tín hiệu số đểchỉ thị lu lợng và điều khiển quá trình cung cấp lu lợng theo yêu cầu

b- Tính toán thiết kế chuyển đổi điện – điện tử chỉ thị số.

- Tính toán các thông số của chuyển đổi và mạch điện.

Chuyển đổi đợc dùng ở đây là chuyển đổi đo dịch chuyển bằng

điện cảm biến thiên điện tích có mạch từ hở Mạch điện cung cấp chocuộn dây là mạch xoay chiều Tín hiệu ra đồng thời phản ánh độ lớn vàchiều của dịch chuyển tơng đối giữa lõi sắt và cuộn dây

14

Zcd

ống dây Lõi thép

U ra

U

R3

Đại lợng

chuyển của lõi thép, di chuyển này dẫn đến biến đổi điện cảm của cuộndây ở đây lõi thép không làm thành một khung kín nên gọi là mạch từ

hở Loại chuyển đổi này cho kích thớc nhỏ gọn lực từ tác dụng lên lõi là

nh nhau theo mọi hớng do đó lõi từ khi di chuyển coi nh không có lực tácdụng vì vậy rất thích hợp cho di chuyển lớn

s0 : diện tích tiết diện ngang của cuộn dây, m2

sf : diện tích tiết diện ngang của lõi thép, m2

lf: độ dài của lõi thép nằm trong cuộn dây, m2

l : Chiều dài cuộn dây, m2

k : hệ số ghép nối k = (0  1)

N: số vòng của cuộn dây

Thiết kế vỏ quấn dây

Vật liệu làm vỏ quấn dây là : phi kim

Đờng kính trong của vỏ : D0 = 18 mm

Đờng kính phần quấn dây : D1 =20 mm

Lõi thép

Cuộn dây

Đờng kính ngoài của vỏ : D2 = 38 mm

Chiều cao của vỏ : H = 100 mm

c-Khối chuyển đổi tơng tự - số.

1 - Nguyên tắc thực hiện chuyển đổi ADC

Mạch chuyển đổi tín hiệu tơng tự sang số, chuyển một tín hiệu ngõvào tơng tự (dòng điện hay điện áp) thành dạng mã số nhị phân có giá trịtơng ứng Chuyển đổi ADC có rất nhiều phơng pháp Tuy nhiên, các ph-

ơng pháp đều có những thông số cơ bản sau:

+ Độ chính xác của chuyển đổi AD

+Tốc độ chuyển đổi

+Dải biến đổi của tín hiệu tơng tự ngõ vào

Sơ đồ khối tổng quát của mạch ADC

 Hoạt động

- Đầu tiên kích xung start để bộ ADC hoạt động

- Tại một tần số đợc xác định bằng xung clock bộ điều khiểnlàm thay đổi thành số nhị phân đợc lu trữ trong thanhghi(Register)

- Số nhị phân trong thanh ghi đợc chuyển thành dạng điện ápV’1 bằng bộ chuyển đổi DA

- Bộ so sánh, so sánh V’1 với điện áp ngõ vào V1 Nếu V’1<V1

thì ngõ ra của bộ so sánh vẫn giữ mức cao Khi V’1>V1 thì ngõ

ra của bộ so sánh xuống mức thấp và quá trình thay đổi số củathanh ghi ngng Lúc này V’1 gần bằng V1, những số trong thanhghi là những số cần chuyển đổi

16

+

Startcommand

Register

D/A converter

Comparator

clock

Digital output

Các phơng pháp chuyển đổi số:

- Phơng pháp tích phân

- Phơng pháp song song

- Phơng pháp xấp xỉ liên tiếp

Giới thiệu bộ chuyển đổi số ADC0809

Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi

từ tín hiệu tơng tự sang số 8 bit, bộ chọn kênh và một bộ logic điều khiểntơng thích Bộ chuyển đổi AD 8 bit này dùng phơng pháp chuyển đổi xấp

xỉ liên tiếp Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kì kênh nào trong các ngõvào tơng tự một cách độc lập Bộ chuyển đổi ADC0809 dễ dàng giao tiếpvới các bộ vi xử lý

*ý nghĩa các chân:

IN0 đến IN7 : 8 ngõ vào tơng tự

A, B, C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào

D0 đến D7 : ngõ ra song song 8 bit

ALE : cho phép chốt địa chỉ

START : xung bắt đầu chuyển đổi

CLK : xung đồng hồ

.REF(+) : điện thế tham chiếu

.REF(-) : điện thế tham chiếu

.Vcc : nguồn cung cấp

*Các đặc điểm của ADC0809:

.Độ phân giải 8 bit

.Thời gian chuyển đổi:110s ở tấn số 640kHz

.Nguồn cung cấp +5V

.Điện áp ngõ vào 0-5V

D5 D4

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 Start OEC D3 OE CLK Vcc REF+ GND D1

D2 REF- D0 D7

ALE C B A IN0

.Tần số xung clock 10kHz -1280kHz.

.Nhiệt độ hoạt động - 40oC đến 85oC

.Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng

.Không cần điều chỉnh zero hoặc đẩy thang

*Nguyên lý hoạt động:

ADC0809 có 8 ngõ vào tơng tự, 8 ngõ ra 8 bit có thể chọn 1 trong 8ngõ vào tơng tự để chuyển đổi sang số 8 bit

Các ngõ vào đợc chọn bằng cách giải mã Chọn 1 trong 8 ngõ vào

t-ơng tự đợc thực hiện nhờ 3 chân A, B, C nh ở bảng trạng thái sau:

Sau khi kích xung Start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnhxuống của xung Start, ngõ ra OEC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xungclock (tính t cạnh xuống của xung start) Lúc này bit cơ trọng số lớnnhất(MSB) đợc đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại ở mức 0, đồng thờitạo ra điện thế có giá trị Vref/2, điện thế này đợc so sánh với điện thế vàoVin

- Nếu Vin > Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1

- Nếu Vin < Vref/2 thì bit MSB ở mức 0

Tơng tự nh vậy bit kế tiếp MSB đợc đặt lên 1 và tạo ra điện thế có giá trịVref/4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin Qúa trình cứ tiếp tục nhvậy cho đến khi xác định đợc bit cuối cùng Khi đó chân EOC lên mức 1báo cho biết đã kết thúc chuyển đổi

Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE đợc đặt ở mức 1, muốn đọc dữliệu ra thì chân OE xuống mức thấp Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu

có một xung start tác động thì ADC sẽ ngng chuyển đổi

Mã ra N cho một ngõ vào tùy ý là một số nguyên

A B C Ngõ vào đợc chọn

0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1 0 1

IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

18