giáo trình Thiết bị đo và điều khiển công nghiệp

1. Mức: là chiều cao điền đầy của chất lỏng hoặc bột trong bình chứa hoặc thùng chứa.  Đo vị trí bề mặt vật liệu so với mặt phẳng tham chiếu (thường là đáy bình). 2. Hai dạng đo: - Đo liên tục (level indication) - Phát hiện theo ngưỡng (level switch) 3. Ba nhóm phương pháp: - Nhóm phương pháp đo mức dựa trên ảnh hưởng của khối lượng riêng (Measurements Using the Effects of Density) - Nhóm phương pháp đo mức dựa trên đo thời gian lan truyền sóng (Time-of-Flight Measurements) - Nhóm phương pháp đo mức dựa trên tính chất vật lý của môi trường (Level Measurements by Detecting Physical Properties) 4. Ứng dụng: - Trong công nghiệp hóa dầu, thực phẩm, dược phẩm, công nghệ thực phẩm, đo mức trong các thùng chứa di động trên phương tiện giao thông, tàu thủy. Đo mức của hồ, đập, đại dương … - Chiều cao của các bể chứa thường trong khoảng từ 0,5 đến 40m.

Trang 1

- Đo liên tục (level indication)

- Phát hiện theo ngưỡng (level switch)

3 Ba nhóm phương pháp:

- Nhóm phương pháp đo mức dựa trên ảnh hưởng của khối lượng riêng (Measurements Using

the Effects of Density)

- Nhóm phương pháp đo mức dựa trên đo thời gian lan truyền sóng (Time-of-Flight

Measurements)

- Nhóm phương pháp đo mức dựa trên tính chất vật lý của môi trường (Level Measurements

by Detecting Physical Properties)

4 Ứng dụng:

- Trong công nghiệp hóa dầu, thực phẩm, dược phẩm, công nghệ thực phẩm, đo mức trong các

thùng chứa di động trên phương tiện giao thông, tàu thủy Đo mức của hồ, đập, đại dương …

- Chiều cao của các bể chứa thường trong khoảng từ 0,5 đến 40m.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep

Tac gia: Nguyen Ngoc Van

Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc

Hanoi, thang 1 nam 2013

Trang 2

  Tất cả những hệ thống đo liên tục cũng có thể sử dụng như những bộ phát

hiện ngưỡng có thể lập trình được.

 Bình chứa điển hình với vật liệu dạng lỏng hoặc rắn.

 Sensor đo mức có thể được gá:

- Ở đáy bình, tiếp xúc với vật liệu

- Ở đỉnh bình chứa, không tiếp xúc.

- Ngập trong bình chứa.

- Đặt ở thành bình đề phát hiện ngưỡng.

Gauge glass

1 Ống đong:

 Đây là 1 biện pháp đơn giản để đo trực tiếp mức chất lỏng Người ta sử dụng

một ống trong suốt được nối với đáy và đỉnh bình chứa Chiều cao cột chất lỏng

trong ống bằng mức chất trong bình.

Trang 3

 Ống đong bằng thủy tinh hoặc plastic có thể dùng cho các ứng dụng với áp

suất lên tới 450 psig (pounds per square inch) và nhiệt độ 400 0 F

 Để sử dụng phương pháp này trong các ứng dụng ở nhiệt độ và áp suất cao

hơn  sử dụng ống đong với vỏ kim loại và lớp kính dày để quan sát mức

chất lỏng.

 Ống đong phản xạ (reflex gauge glass):

Sử dụng hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần khi tia sáng đi qua

hai môi trường khác chiết suất

Trang 4

 Ống đong loại khúc xạ (refraction type) Rất hữu ích khi sử dụng

trong môi trường thiếu ánh sáng Nguồn sáng thường được gắn kèm

với ống đong Nguyên lý hoạt động là dựa trên hiện tượng khúc xạ

ánh sáng khi tia sáng truyền qua 2 môi trường trong suốt Tia sáng bị

khúc xạ với góc khúc xạ lớn ở phần chứa chất lỏng trong ống đong, và

góc khúc xạ bé ở phần chứa chất khí.

Ở phần không khí phía trên mặt

thoáng (có thể chứa hơi), đường đi của

tia sáng tương đối thẳng, thấu kính đỏ

được chiếu sáng.

Phần phía dưới mặt thoáng, thấu kính

màu xanh được chiếu sáng.

 Phần chứa chất lỏng thì màu xanh,

trên mặt thoáng là màu đỏ.

Ball float

 Phao cầu đọc trực tiếp mức chất lỏng bằng các kết cấu cơ khí Thiết kế

phổ biến nhất là một quả cầu rỗng bằng kim loại mặc dù không có sự

giới hạn về kích thước, hình dạng hoặc vật liệu Khoảng dịch chuyển

của phao thường bị giới hạn bởi thiết kế của nó và thường trong khoảng

±30 0 so với mặt phẳng ngang Dải đo thật sự còn được quyết định bởi

chiều dài của tay đòn Người ta sử dụng một miếng đệm (stuffing box)

để ngăn rò rỉ chất lỏng.

Trang 5

Chain float

 Loại này sử dụng phao nổi với đường kính có thể lên đến 12

inches và có dải đo rộng Phao được nối bằng dây xích với bộ

phận quay Đầu còn lại của dây xích được nối với đối trọng

Magnetic bond method

 Phương pháp này sử dụng một phao có từ tính dịch chuyển tùy theo mức chất

lỏng dâng lên hay hạ xuống Phao dịch chuyển dọc theo trục rỗng làm bằng vật

liệu phi từ tính Bên trong ống chứa nam châm được nối với chỉ thị mức Khi

phao nâng lên hay hạ xuống, nam châm bên ngoài sẽ hút nam châm phía trong

dẫn đến sự thay đổi của chỉ thị mức.

 Sử dụng hệ thống tiếp điểm trong ống dẫn hướng

với mục đích phát hiện ngưỡng Có thể thêm nhiều

tiếp điểm tại các vị trí khác nhau để được hệ thống

báo mức gần như liên tục.

Trang 6

 Displacer đo sự nổi của 1 vật rắn có 1 phần ngập trong chất lỏng Sự

thay đổi trọng lượng của vật là cơ sở để xác định mức.

 Trọng lượng F G của vật:

Với A là tiết diện ngang của vật, giả

thiết là không đổi.

b là chiều cao của vật

ρ D là khối lượng riêng của displacer

Lực đẩy Acsimet:

Với Ld là chiều cao phần bị ngập

trong chất lỏng.

ρ L là khối lượng riêng của chất lỏng

ρ A là khối lượng riêng của không khí

Chiều dài phần ngập trong chất lỏng được xác định bởi

 bằng cách đo giá trị hợp lực FRcó thể xác định được chiều cao

displacer ngập trong chất lỏng.

 Một cách ứng dụng khác là sử dụng động cơ chấp hành để di

chuyển displacer lên xuống, qua đó xác định mặt thoáng của chất

lỏng hoặc lớp tiếp giáp giữa các chất lỏng khác nhau thông qua

D A d

L A

F b

gA L

Trang 7

Thiết bị đo mức, phát hiên bề mặt và tỷ trọng

Động cơ bước truyền động cho displacer hình cầu

tới những mức khác nhau hoặc tới bề mặt chất

lỏng Hợp lực của trọng lượng và lực đẩy acsimet

được đo từ tần số cộng hưởng của hệ thống dây

nối, quả cầu Một cuộn dây cảm ứng gắn với tay

đòn (lever arm) sẽ đo tần số dao động Bộ chuyển

đổi tín hiệu điều khiển động cơ bước và tính toán

giá trị đo được.

Khối lượng riêng của chất lỏng có thể tính được theo

Với ρ D là khối lượng riêng của quả cầu.

Conductivity Probe Method

 Hệ thống kiểm tra mức theo phương pháp điện dẫn bao gồm một hoặc nhiều

các điện cực, một rơ le vận hành và một bộ điều khiển Khi chất lỏng trong

bình chứa làm ngắn mạch các điện cực, xuất hiện dòng điện đi qua các điện

cực và đất và làm rơ le chuyển trạng thái Các tiếp điểm của rơ le sẽ điều

khiển thiết bị chấp hành như bơm, van hoặc dùng để cảnh báo Một hệ thống

điển hình bao gồm 3 điện cực: điện cực mức thấp, mức cao, và cảnh báo

mức rất cao.

Trang 8

Pressure gages

 Áp suất thủy tĩnh (hydrostatic head) p tại đáy bình chứa có mối

liên hệ với mức chất lỏng theo biểu thức:

- Trong đó p0là áp suất khí quyển

- L là mức chất lỏng trong bình

- ρLlà khối lượng riêng của chất lỏng

 Thiết bị đo áp suất đặt ở đáy bình sẽ đo giá trị áp suất này Trong

các hệ thống có áp suất phần khí trên mặt thoáng thay đổi, người

ta sử dụng áp kế vi sai để đo độ chênh áp giữa đáy và đỉnh bình

Do áp suất tỷ lệ với khối lượng riêng ρ Lsai số khi ρ L thay đổi Hình b sử dụng 3

sensor đo áp suất Tín hiệu từ các sensor này được đưa vào máy tính để tính toán và

bù sai số khi khối lượng riêng của chất lỏng thay đổi Hệ thống có cấu trúc như thế

còn gọi là HTG (hydrostatic tank gaging)

Trang 9

Differential Pressure Level Detectors

 Đây là phương pháp đo mức sử dụng áp kế vi sai được nối với đáy bình

chứa Độ chênh áp ∆P giữa đáy và đỉnh bình chứa (hoặc giữa đáy bình

chứa và khí quyển) tỷ lệ với mức chất lỏng trong bình.

 Nếu bình hở, chỉ cần nối đầu vào áp suất cao của áp kế vi sai với đáy

bình, đầu vào áp suất thấp của áp kế được thông với khí quyển Khi đó

độ chênh áp đo được chính là áp suất thủy tĩnh (hydrostatic head) tại

đáy bình.

 Mức cao nhất có thể đo được bằng bộ chuyển đổi áp suất vi sai được

xác định bởi chiều cao lớn nhất của chất lỏng phía trên bộ chuyển đổi

Mức thấp nhất có thể đo được được xác định bởi vị trí mà áp kế được

nối với bình chứa.

 Không phải tất cả các bình đươc đo mức đều là bình hở Thực tế có rất

nhiều bình chứa dạng kín để ngăn sự thoát của hơi hoặc bình áp suất

cao Khi đó, cả 2 phía của bộ chuyển đổi áp suất vi sai đều được nối với

bình chứa

Trang 10

 Đầu vào cao áp của áp kế được nối với đáy bình trong khi đầu vào áp suất thấp

được nối với đỉnh bình kín qua ống nối (reference leg) Cần phải ngăn chất

lỏng đi vào ống này để tránh sai số Áp suất ở đáy bình, ngoài thành phần áp

suất thủy tĩnh (hydrostatic head) còn bao gồm áp suất gây ra bởi phần hơi trên

mặt thoáng.

 Trong các ứng dụng đo mức chất lỏng, sự ngưng tụ của chất

lỏng trong ống nối (reference leg) tăng dần sẽ gây ra sai số Để

khắc phục hiện tượng này, ống nối được điền đầy chất lỏng

cùng loại với chất lỏng trong bình chứa Phần chất lỏng này

gây ra áp suất thủy tĩnh tác động vào đầu vào cao áp của áp kế

vi sai với giá trị không đổi khi ta giữ ống nối đầy Khi đó mọi sự

thay đổi của áp suất vi sai là do sự thay đổi của mức chất lỏng

Trang 11

 Ống nối (reference leg) gây ra áp suất thủy tĩnh tại đầu vào cao áp của

bộ chuyển đổi với giá trị áp suất tương ứng với mức chất lỏng lớn nhất

có thể đo được.

Balance method

 Một phương pháp đơn giản để xác định mức là thông qua đo trọng

lượng toàn bộ bình chứa

- Trong đó F0là khối lượng vỏ bình, A là tiết diện ngang của bình giả thiết là không

đổi trên toàn bộ chiều cao của bình, ρLlà khối lượng riêng của chất.

 Để đo trọng lượng của toàn bình, phải cách ly về cơ khí bình chứa với

các vật khác Để kết quả đo được chính xác, cần phải tính đến sự nổi

của toàn hệ thống trong không khí

 Phương pháp này có nhược điểm là khi bình chứa đặt ngoài trời, sự tác

dụng của sức gió, trọng lượng của tuyết, nước mưa đọng trên bình sẽ

ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.

Trang 12

 Những yêu cầu ngày càng cao của công nghiệp cho các hệ thống đo

mức liên tục, không tiếp xúc đã thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật đo

mức dùng sóng.

 Nguyên lý: Mặc dù sử dụng nhiều loại sóng khác nhau (sóng siêu âm,

sóng điện từ), nguyên lý đo mức theo phương pháp này là giống nhau

Sử dụng bộ phát, phát sóng được điều biến đến đối tượng Sóng tới bị

phản xạ tại bề mặt và được thu nhận bởi bộ thu (như bộ chuyển đổi áp

điện siêu âm - ultrasonic piezoelectric transducer hoặc radar antenna)

Khoảng thời gian truyền của tín hiệu xác định bởi:

2d

t v



Time-of-Flight Measurement

Trang 13

Time-of-Flight Measurement

 Mặc dù có thể sử dụng các xung

không điều biến, chuỗi xung

điều biến thường được ưa dùng

hơn Do thời gian đo được rất

ngắn (vài ns) nên cần phải sử

dụng thiết bị đo thời gian rất

ngắn hoặc các phương pháp

tính toán đặc biệt.

Ultrasonic

 Sóng siêu âm là sóng âm với tần số trên 20 kHz Nó là sóng dọc và chỉ có

thể truyền trong môi trường vật chất.

 Trong không khí ở điều kiện chuẩn, tốc độ sóng âm khoảng 340 m/s và có

thể sai khác phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần và áp suất chất khí Sóng

âm không thể truyền được trong chân không Thực tế, tỷ lệ sóng phản xạ là

gần 100% tại bề mặt vật chất (mặt thoáng của chất lỏng hoặc bề mặt vật

rắn).

 Bộ chuyển đổi áp điện (Piezoelectric transducers) được sử dụng làm bộ

phát và bộ thu sóng siêu âm.

 Việc đo mức theo nguyên lý này cũng có thể thực hiện được với sóng âm

trong dải nghe được (16–20000 Hz) hoặc sóng hạ âm (infrasonic) f<16Hz.

 Cũng có thể truyền sóng trong chất lỏng bằng cách sử dụng một cảm biến

gá ở đáy bình Tốc độ âm thanh trong chất lỏng cần được biết trước, nó

phụ thuộc vào loại chất lỏng, nhiệt độ chất lỏng Phương pháp đo này

tương tự phương pháp đo độ sâu mực nước bằng bộ phát sóng âm trên tàu.

Trang 14

 Vi sóng là những sóng điện từ với tần số lớn hơn 2 GHz và bước sóng

nhỏ hơn 15cm Khi dùng trong kỹ thuật, thường sử dụng vi sóng với

tần số lên đến giá trị lớn nhất (120 GHz) Thực tế, vùng tần số nằm

quanh khoảng 10 GHz (tần số tia X) thường được ưa chuộng hơn.

 Ứng dụng thường thấy của phương pháp đo dựa trên vi sóng là

RADAR-based Thuật ngữ radar (RAdio Detection And Ranging) thường được

hiểu là phương pháp sử dụng sóng điện từ để phát hiện vật thể ở xa,

cũng như xác định vị trí và chuyển động của vật thể đó.

 Một số dạng radar được sử dụng trong đo

mức:

- a conical horn antenna (bộ phát sóng hình nón)

- b dielectric rod antenna (antenna thanh điện môi)

- c gương phản xạ parabol với một antenna nhỏ

đóng vai trò là bộ phát sóng sơ cấp và 1 bộ

phản xạ phụ tạo ra chùm tia góc hẹp

(Cassegrain model)

Microwave

Trang 15

 Trong hệ thống đo mức, người ta mong muốn tạo ra góc phát nhỏ để

tránh nhiễu do phản xạ từ thành bình chứa và các bề mặt không mong

muốn khác Góc phát càng nhỏ thì dải đo càng tăng Biểu thức cân bằng

công suất được thể hiện:

 Trong đó PR: công suất nhận được

 PT : công suất được truyền đi

 GT: hệ số khuếch đại của antenna phát

 R : hệ số phản xạ của đối tượng

 GR: hệ số khuếch đại của antenna thu tín hiệu phản xạ

 D 2 : tổn thất năng lượng khi truyền tới và phản xạ từ bề mặt vật liệu do mật độ công

suất suy giảm và ảnh hưởng của khí quyển.

D



 Hệ số phản xạ R của bề mặt vật chất phụ thuộc vào hằng số điện môi

(dielectric permittivity ) ε r của vật chất (chất lỏng hoặc bột cần đo mức).

 Trong các hệ thống đo mức, khu vực phản xạ thường rất lớn và cắt toàn

bộ chùm tia tới Do đó D 2 tỷ lệ với bình phương khoảng cách truyền d 2

và công suất nhận được tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.



Trang 16

 Trong trường hợp sóng được lan truyền trong ống dẫn sóng

(electromagnetic waveguide), sự lan truyền gần như không mất mát

năng lượng.

 Một biện pháp khác sử dụng sóng điện từ để đo khoảng cách là cho

sóng lan truyền trong cáp dẫn Hình a minh họa sự vận hành với cáp

dẫn sóng được nhúng trong lòng chất lỏng hoặc bột liệu Khi hằng số

điện môi của môi trường xung quanh thay đổi, một phần sóng được

phản xạ trở lại Biện pháp này cũng có thể được ứng dụng để xác đinh

mặt phân cách giữa các chất khác nhau Người ta còn gọi phương pháp

này là Time Domain Reflectometry (TDR)

Microwave

Nguyên lý vận hành của hệ

thống đo mức sử dụng ống dẫn

tín hiệu cao tần.

 Hình a: tại thời điểm t0phát

xung điện từ vào đường dẫn,

khi hằng số điện môi của môi

trường bao quanh thay đổi, một

Trang 17

 Tia laser và diode phát quang tạo ra sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (nhỏ

hơn 2μm) Tín hiệu laser thường dùng là: xung ngắn với thời gian tồn tại nhỏ

hơn 1ns hoặc tia laser được điều chế biên độ với tần số cỡ megahertz

 Đặc tính vận hành của FMCW radar Tần số của bộ phát thay đổi tuyến tính

theo các khoảng thời gian Tín hiệu nhận được có cùng dạng nhưng bị trễ so

với tín hiệu phát Tại mọi thời điểm quét, độ lệch tần số không đổi và tỷ lệ với

thời gian trễ

 Hệ thống đo mức bằng laser rất chính xác với độ chính xác có

thể đạt được nhỏ hơn 1mm Do chùm tia laser rất hẹp, các hệ

thống đo mức dùng laser có thể được lắp đặt mà không bị ảnh

hưởng bởi bình chứa Một vài nhược điểm của hệ thống đo mức

bằng laser là:

 Hệ thống có chức năng giống như mắt người để quan sát bề mặt sản

phẩm, do đó sẽ sai lệch khi đo trong môi trường khói, bụi

 Rất nhạy cảm với vết bẩn bám trên cảm biến

 Thiết bị đắt tiền

Laser/light

Trang 18

 Tuy nhiên do có rất nhiều ưu điểm như có thể đo mức không tiếp xúc, có

độ chính xác cao, kỹ thuật đo mức bằng radar thu phát trong những

năm gần đây được ứng dụng khá rộng rãi.

 Radar điều chế tần số liên tục (frequency-modulated continuous wave

radar):

 Vì thời gian lan truyền sóng rất ngắn, và rất khó để đo đạc Người ta tìm cách điều

chế tín hiệu vi sóng, khi đó khoảng thời gian truyền sóng có thể được chuyển sang

miền tần số và thu được tín hiệu phản hồi với tần số thấp hơn Phương pháp điều chế

tần số liên tục (Frequency Modulated Continuous Wave – FMCW) trở thành kỹ

thuật chiếm ưu thế FMCW radar sử dụng tín hiệu vi sóng được điều chế tần số,

trong đó tần số của vi sóng tăng tuyến tính trong một khoảng thời gian Độ lêch tần

số trong khoảng thời gian đó được gọi là tần số quét (frequency sweep – F)

Laser/light

 Đặc tính vận hành của FMCW radar Tần số của bộ phát thay đổi tuyến tính

theo khoảng thời gian T (sweep) Tín hiệu nhận được có cùng dạng nhưng bị trễ

so với tín hiệu phát Tại mọi thời điểm trong khoảng thời gian T, độ lệch tần số

không đổi và tỷ lệ với thời gian trễ.

 Độ lệch tần số f của sóng phản xạ so với tín hiệu phát (khoảng vài kHz) tỷ lệ

thuận với khoảng cách d đến bề mặt vật liệu Như vậy việc đo thời gian lan

truyền t đã được chuyển thành phép đo đô lệch tần số.

Trang 19

 Hình vẽ trên thể hiện sơ đồ khối của hệ thống FMCW radar Do độ lệch tần số

không cao, kỹ thuật xử lý tín hiệu khá đơn giản và rất chính xác Thông thường,

việc đo đạc được thực hiện nhờ mạch xử lý tín hiệu số

 Một bộ vi xử lý điều khiển bộ dao động điện áp VCO (voltage-controlled

oscillator) để đạt được tần số quét mong muốn Tín hiệu này được khuếch đại

và cấp vào antenna phát Tần số tức thời cần phải được đo đạc để đảm bảo độ

tuyến tính của đặc tính Điều này có thể thực hiện được bằng biện pháp đếm

sau khi tín hiệu từ VCO được trộn với tín hiệu tần số biết trước từ DRO – máy

phát cộng hưởng điện môi (dielectric resonance oscillator) Tín hiệu phản xạ

được trộn với tín hiệu phát và được xử lý bởi bộ vi xử lý.

 Thời gian lan truyền sóng trong chất lỏng hoặc bột liệu hấp thụ sóng

yếu và có hằng số điện môi ε r thấp có thể được đo đạc Trong những

trường hợp mà sự phản xạ tại mặt tiếp giáp giữa không khí và chất lỏng

là yếu, một phần tín hiệu sẽ truyền qua chất lỏng và bị phản xạ lần thứ 2

tại đáy bình hoặc tại lớp tiếp giáp giữa 2 chất lỏng (ví dụ giữa dầu và

nước).

 Giả sử vi sóng truyền trong không khí với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng c,

trong môi trường với hằng số điện môi ε r là v (v<c) Khoảng cách

truyền trong không khí là d, mức chất lỏng trong bình là L.

Laser/light

Trang 20

 Ta có:

 Khi ε r , h, và h v biết trước, mức chất trong bình L có thể xác định bởi:

 Phương pháp này đo trực tiếp mức L và có thể không cần đo sóng phản xạ r 1

Level Measurements by Detecting Physical Properties

 Một nhóm phương pháp đo mức khác là có thể thông qua việc phát hiện

các thông số vật lý thay đổi rõ rệt giữa không khí và môi trường cần đo

mức Ví dụ như điện dẫn, tính nhớt hoặc sự suy giảm của bức xạ.

 Trên cơ sở phát hiện sự thay đổi tính chất vật lý, có thể chế tạo các thiết

bị phát hiện mức (level switch) hoặc các thiết bị đo mức liên tục (level

indicator)

Trang 21

Đo mức bằng điện dung

 Trong hầu hết các ứng dụng, một điện cực được đặt dọc theo bình chứa

Nếu chất lỏng không dẫn điện, có thể sử dụng điện cực không cách ly về

điện, nếu chất lỏng dẫn điện, điện cực cần được cách ly về điện Vỏ kim

loại của bình chứa có thể được sử dụng như điện cực thứ 2.

 Kết quả đo phụ thuộc vào hằng số điện môi ε 2 của môi chất Nếu sử

dụng 1 điện cực được đặt ở tâm của bình chứa hình trụ và được lắp đặt

đối xứng, điện dung C của tụ điện thay đổi theo mức L theo biểu thức:

3 2

0 3

 Trong đó ε 0 là hằng số điện môi của chân không (ε 0 = 8.85×10 –12 As V –

1 m –1 ) ε 1 và ε 2 là hằng số điện môi tương đối của vật liệu bọc điện cực và

của chất lỏng.

 Nếu chất lỏng có độ dẫn điện cao, điện dung C được xác định bởi:

 Nếu điện cực không được cách ly, biểu thức sau được sử dụng:

 Khi đặt ở thành bình, thiết bị có thể hoạt động như một công tắc báo

2ln

d

d d

2ln

d

d d

 

Trang 22

Đo mức bằng bức xạ

 Sự suy giảm bức xạ (Radiation Attenuation)

- Tất cả các bức xạ (như tia gamma, sóng siêu âm, sóng điện từ …) đều

bị suy giảm về cường độ khi truyền trong môi trường vật chất Thông

thường, độ suy giảm trong chất lỏng hoặc bột liệu lớn hơn độ suy giảm

trong môi trường khí Hiện tượng này được sử dụng trong đo mức không

tiếp xúc.

 Cường độ I của tia gamma suy giảm bởi chất lỏng theo hệ số tắt dần α:

I = I 0 exp(- αd)

 Nguồn phát có thể là chất phóng xạ như Co-60 hoặc Cs-137 với chu kỳ

bán rã lần lượt là 5.23 năm và 29.9 năm Sử dụng 1 đồng hồ thời gian

thực trong hệ thống để bù độ suy giảm cường độ bức xạ.

 Cường độ bức xạ I tại thời điểm t của chất phóng xạ có chu kỳ bán rã T H

Trang 23

 Có thể đo mức dựa trên hiệu ứng trao đổi nhiệt: Một điện trở được

đốt nóng làm bằng vật liệu có hệ số nhiệt điện trở cao được nhúng

vào lòng chất lỏng Sự giảm nhiệt độ của điện trở làm giá trị điện trở

thay đổi gần như tuyến tính theo mức Phương pháp này thường

được sử dụng trong các ứng dụng tự động Trong các ứng dụng với

chất lỏng được đun nóng (ví dụ bình phản ứng hóa học), một cảm

biến nhiệt có thể được sử dụng như công tắc mức bằng cách tạo ra

tín hiệu khi chất lỏng tiếp xúc với cảm biến và đốt nóng nó.

Viscosity

 Chất lỏng thường có độ nhớt lớn hơn nhiều so

với chất khí và cản trở sự chuyển động của vật

thể Các cảm biến mức có thể đo mức độ giảm

rung động của một thanh mẫu khi được nhúng

vào trong chất lỏng Thông thường, phương

pháp này chỉ được sử dụng như một công tắc

mức (xác định theo ngưỡng).

 Hình vẽ thể hiện một “âm thoa” (tuning fork )

với 2 thanh rung Sử dụng mạch điện tử tích

hợp để đo công suất suy giảm hoặc độ trôi tần

số cộng hưởng cơ khí.

 Đối với chất rắn, người ta sử dụng cảm biến

với đầu quay Khi tiếp xúc với vật liệu, sự

quay bị dừng Đây là cơ sở để xác định mức.

Trang 24

Silopilot – Endress & Hauser

1 Tổng quan:

 Silopilot được dùng để đo mức chất rắn

dạng hạt hoặc bột như silo chứa bột mỳ,

hạt nhựa, than đá …

 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm,

công nghiệp chất dẻo, xi măng, giấy, khai

khoáng …

 Sensing weight (quả nặng) được chế tạo

khác nhau cho các ứng dụng khác nhau

như đo mức chất dạng bột, hạt thô, hạt

nhỏ.

Trang 25

2 Đặc tính kỹ thuật

 Dải đo 0 ÷ 25m (có thể lên tới 70m) không phụ thuộc vào tính

chất của chất chứa trong silo.

1 xung / 1/10 foot (tiêu chuẩn) 1 xung / 1 decimeter

1 xung / 5 decimeters 1 xung / 1 centimeter

Trang 26

4 Nguyên lý hoạt động

 Về cơ bản, Silopilot gồm một băng đo bằng thép không rỉ với

một đầu được gắn quả nặng và được quấn trong tời truyền

động bằng động cơ.

 Nguyên lý hoạt động của Silopilot dựa trên quá trình trùng dây

khi quả nặng tiếp xúc với bề mặt chất trong quá trình đo.

 Ở đầu chu kỳ đo, quả nặng được thả xuống cho tới khi tiếp xúc

với bề mặt vật liệu Khi băng đo bị trùng, động cơ truyền động

được đảo chiều quay kéo quả nặng về vị trí ban đầu.

Silopilot

 Trong quá trình quả nặng đi xuống, qua bánh xe đếm (counting

wheel) sẽ cấp xung cho đầu vào bộ đếm.

 Ứng với mỗi đơn vị dài dịch chuyển (1 inch, 1 cm … tùy thuộc

cài đặt) bộ đếm tăng lên 1.

 Đến khi chạm bề mặt vật liệu, bộ đếm lưu lại giá trị đếm cuối

cùng.

 Khi hoàn tất một chu kỳ đo, quả nặng trở về vị trí ban đầu để

chuẩn bị cho chu kỳ đo mới.

Trang 27

 Tiết diện dây: 1,5mm2

 Tải tối đa 600 Ω

Silopilot

 Đầu ra Relay

 Tiếp điểm có khả năng chịu dòng

6A ở 250 V, tải trở

 Tín hiệu vào: Gồm 2 loại

 Loại active: dải điện áp vào 12-24 VDC

 Loại passive: tiết diện dây đề xuất 1.5 mm2

 Chú ý không thể sử dụng đồng thời hai kiểu

active và passive

 Xung vào cần có độ rộng ít nhất 200 ms

Trang 28

6 Lắp đặt

 Điểm đo nên chọn quanh

điểm giữa của sườn dốc

 Cần chọn vị trí phù hợp

để tránh hư hại đến băng

đo, hạn chế quả nặng bị

phủ vật liệu hoặc dao

động trong quá trình đo

Silopilot

7 Sensing Weight

Trang 29

 Loại Umbrella weight: Ứng dụng đo mức chất rắn dạng bột

mịn như bột mỳ, than nghiền mịn.

 Loại Bag weight: Sử dụng đo mức chất trong kho chứa Túi

plastic có thể chứa vật liệu cần đo mức.

 Loại Cage weight: Sử dụng trong các silo tương đối nhỏ, khi

đó quả nặng không cản trở đường rút liệu.

 Loại Oval float: Sử dụng để đo mức chất lỏng hoặc hạt nhỏ.

 Loại Bell weight: Vật liệu dạng bột mịn, ở môi trường nhiệt độ

cao hoặc có tính chất đặc biệt mà loại umbrella weight không

thể sử dụng.

Trang 30

8 Cài đặt

Silopilot

9 Đặc tính ra:

Trang 31

Chú ý: Có thể sử dụng bảng số liệu (với tối đa 32 cặp số) để tuyến

tính hóa đặc tính khi xác định thể tích (hoặc khối lượng) theo mức

Bộ điều khiển mức 61F

1 Tổng quan:

 Được sử dụng để đo mức các

chất lỏng có khả năng dẫn điện.

 Có nhiều Model phù hợp với

nhiều ứng dụng khác nhau như

yêu cầu khoảng cách từ bộ điều

khiển đến bể chứa xa, yêu cầu

độ nhạy cao …

 Có đèn báo trạng thái LED

 Thỏa mãn tiêu chuẩn IEC và các

yêu cầu về tương hợp điện từ

(EMC).

Trang 32

2 Nguyên lý

 Bộ điều khiển mức 61F sử dụng các

điện cực để kiểm tra mức chất lỏng.

 Khi điện cực E1không tiếp xúc với

môi chất dẫn điện, mạch điện hở,

không có dòng điện chảy qua hai

điện cực E1và E3, khi đó cuộn hút

của relay chưa được cấp điện, tiếp

điểm chưa chuyển trạng thái.

 Khi điện cực E1tiếp xúc với môi chất (ứng với mức nào đó

của môi chất), thì cuộn hút của relay có điện, các tiếp điểm

chuyển trạng thái.

 Thông thường các tiếp điểm

của relay được dùng điều khiển

cấp điện cho cuộn hút của

contactor mạch lực Contactor

này sẽ đóng cắt mạch lực cấp

điện cho động cơ bơm Để điều

Trang 33

 Thực tiễn nếu như chỉ sử dụng 2 điện cực, khi chất lỏng trong bể

dao động quanh ngưỡng điện cực cao (như khi xuất hiện sóng trên

mặt thoáng), sẽ xảy ra hiện tượng 61F tác động liên tục 

contactor ON/OFF liên tục  giảm tuổi thọ của contactor cũng

như của động cơ bơm.

 Để giải quyết vấn đề này, người ta

tạo ra một mắt trễ relay bằng cách sử

dụng thêm điện cực E2được nối song

song với điện cực E1thông qua cặp

tiếp điểm NO/NC của relay.

 Khi chất lỏng trong bình chứa dâng tới mức điện cực E1, cuộn

hút của relay được cấp điện, tiếp điểm của nó chuyển trạng

thái, điện cực E2nối với tiếp điểm NO được nối vào mạch,

xuất hiện dòng điện qua cặp điện cực E1, E2mắc song song

Một cặp tiếp điểm phụ khác được dùng điểu khiển contactor

của động cơ bơm Tới mức E1, động cơ bơm ngắt.

 Khi mực chất lỏng ở khoảng giữa của E1và E2, lúc này điện

cực E1được cắt khỏi mạch, dòng điện đi qua tiếp điểm của

relay, qua điện cực E2duy trì cấp điện cho cuộn hút của relay.

Trang 34

 Khi chất lỏng rút xuống dưới mức điện cực E2, cuộn hút relay

mất điện, khi đó các tiếp điểm chuyển về trạng thái ban đầu

điều khiển contactor đóng điện cho bơm.

Trang 35

 Sơ đồ 4 điện cực có báo mức cao:

Trình tự điều khiển bơm cấp và bơm xả ngược nhau Có

báo mức cao bằng còi hoặc đèn báo

c, Sơ đồ 5 điện cực có báo mức cao và thấp

Điện cực dài nhất được sử dụng làm điện cực chung (common)

Trang 36

4 Internal Circuit Diagram

Trang 37

chạy không tải)

Trang 38

 Động cơ bơm dừng khi mực nước dâng tới ngưỡng E1

và khởi động khi mực nước hạ xuống dưới ngưỡng E2

 Khi mực nước của thùng cấp xuống dưới ngưỡng E’2,

động cơ bơm dừng lại và bật chuông báo động.

 Thêm 1 nút nhấn NO vào giữa E’1và E3 Sau khi khắc

phục sự cố, nếu như mực nước ở bể cấp chưa đạt tới

mức E’1thì nhấn nút này để nối ngắn mạch E’1và E3

Khi bơm dừng trong quá trình vận hành (ví dụ mức

nước dưới ngưỡng E’2) thì không được nhấn nút này.

Trang 39

 Nếu đạt tới ngưỡng E1, bơm dừng, bơm khởi động nếu rút

xuống dưới ngưỡng E2

 Nếu vì một nguyên nhân nào đó mà mực nước xuống dưới

ngưỡng E4thì phải dừng động cơ bơm và báo động.

 Thêm vào một nút nhấn nối tắt E3và E4 Khi khởi động bơm

sau khi khắc phục sự cố, nếu mực nước chưa đạt tới mức E4, ta

nhấn nút này để nối ngắn mạch E3, E4để khởi động bơm Nếu

khi thả tay, bơm đang chạy dừng lại thì tiếp tục nhấn và giữ nút

Trang 40

các Silo chứa liệu như ngũ cốc,

thức ăn chăn nuôi, xi măng, hạt

nhựa …

 Có thể điều chỉnh được độ

nhạy.

 PLS200 gồm 3 loại: Compact,

Định dạng
Số trang	266
Dung lượng	11,16 MB