Thiết kế hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG & CẢM BIẾN Đề tài: Thiết kế hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG & CẢM BIẾN

Đề tài: Thiết kế hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN DUY LONG

Nhóm sv thực hiện (Nhóm 4):

TRẦN XUÂN ĐỨC NGUYỄN MẠNH DŨNG NGUYỄN HỮU GIANG LƯƠNG HOÀNG HÀ GIÁP ĐÌNH HẢI HOÀNG VĂN HIẾU

Hà nội - 2016

Đề tài 4: Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

Giới hạn điều kiện:

1 Chất cần bơm là nước ( điều kiện bình thường )

2 Ống bằng kim loại cứng, đường kính trong 18cm

3 Dải đo lưu lượng ( 0 – 1500 lit/h )

4 Bể chứa cao 2m

5 Thông số cần giám sát là lưu lượng nước chảy qua đường ống và mức nước trong bồn

6 Đối tượng điều khiển là Bơm và Van

7 Sai số yêu cầu 2%

Yêu cầu :

1 Trình bày tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu ?

2 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống

3 Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống

4 Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống

5 Trình bày về loại cảm biến lựa chọn? ( nguyên lý hoạt động, số lượng cảm biến )

6 Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, xử lý đo tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển ?

7 Đánh giá về sai số của hệ thống ( giới hạn, nguyên nhân, biện pháp khắc

phục )

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện đã góp phần không nhỏ trong

sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước Trong đó muôn đo lường & điều khiển phát triển mạnh mẽ dựa trên những tiến bộ của công nghệ cảm biến có

bộ xử lý và điều khiển được kế hợp với với máy tính điện tử Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể

biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn

“ Đo lường và cảm biến” chúng em sau một thời gian học tập được các thầy , các cô trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô chúng em đã tìm hiều, phân tích và xây

dựng hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

Cùng với sự nỗ lực của cả nhóm nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng em còn có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót

Chúng em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp và phát triển đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ

Hệ thống thiết kế nhằm mục đích cung cấp nước sinh hoạt cho 1 khu vực dân cư bao gồm:

+Máy bơm

+Bể chứa

+Ống dẫn

+Thiết bị đo lưu lượng

+Van

+Cảm biến mức

+Bộ xử lý,điều khiển và hiện thị

1.1 Tổng quan về hệ thống đo lưu lượng:

1.1.1 Khái niệm chung về cảm biến đo lưu lượng

Một trong số các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng các chất chảy qua ống dẫn Muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghệ cần phải đo chính xác

Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bằng tính chất hóa lý,và các yêu cầu công nghệ, do đó ta 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 (kg, tấn) hay đơn vị thể tích (m3, lít) Thiết bị

đo số lượng vật chất trong khoảng thời gian một tuần lễ hay một tháng được gọi là công tơ

Số lượng vật chất V trong một đơn vị thể tích chảy qua công tơ trong khoảng thời gian được tính bằng công thức :

V=qv(N2-N1)

qv : hằng số công tơ -xác định số lượng vật chất đi qua trên một đơn vị chỉ thị của công tơ

Lưu lượng vật chất là số lương vật chất ấy chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian Đơn vị đo :m3/s ; m3/giờ v,v

Lưu lượng khối đo bằng kg/s; kg/giờ ; tấn/giờ v,v

Khi đo lưu lượng chất khí để nhận được kết quả đo không phụ thuộc vào

áp suất và nhiệt độ của dòng khí , người ta biểu diễn nó thành đơn vị thể tích qui đổi về điều kiện tiêu chuẩn , ở nhiệt độ tc =20độ C và áp suất bằng 101325

Pa ( tương đương với 760 mm thủy ngân ) và độ ẩm tương đối bằng 0%

1.1.2 Cảm biến đo mức

Người ta gọi mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay các hạt trong các thiết bị công nghệ Mức của môi trường làm việc là một tham số công nghệ, thông tin về nó dùng để kiểm tra chế độ làm việc của các thiếtv bị công nghệ, trong một số trường hợp dùng để điều khiển các quá trình sản

xuất.Bằng phép đo mức có thể nhận được thông tin về khối lượng chất lỏng chứa trong các bể.Các thông tin tương tự được sử dụng rộng rãi trong quá trình kiểm kê hàng hóa và điều khiển quá trình sản xuất.Đơn vị đo mức là đơn

vị đo chiều dài

Người ta chia phép đo mức thành: đo mức môi trường làm việc, đo khối lượng chất lỏng trong các thiết bị công nghệ,truyền tín hiệu mức của mối trường làm việc Theo phạm vi đo người ta chia thành phạm vi đo rộng và hẹp.Phạm vi đo rộng(giới hạn từ 0,5-20m) dùng cho các quá trình kiểm kê hàng, còn phạm vi đo giới hạn từ(0-100mm) hay (0-450mm) thường dùng trong hệ thống điều chỉnh tốc độ

Hiện nay phép đo mức được thực hiện trong nhiều lĩnh vực công nghệ theo những nguyên lý hoạt động khác nhau,nhưng phổ biến nhất là phép đo mức bằng cột nước thủy tĩnh,cảm biến điện…

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN

2.1-Yêu cầu đề tài

2.1.1 Tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu

Đo lưu lượng đóng 1 vai trò quan trọng không chỉ nó phục vụ cho mục đích kiểm kê đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa các quá trình sản xuất, chính vì vậy hiểu rõ về phương pháp đo, cũng như nắm vững các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng là điều hết sức cần thiết

Lưu lượng kế là cảm biến không thể thiếu để đo lưu lượng của chất

khí,chất lỏng hay hỗn hợp khí lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như:thực phẩm, nước giải khát, dầu mỏ, khí đốt , hóa chất , dược phẩm, sản xuất điện,

xi măng Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào

Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lượng loại nào cho ứng dụng cụ thể

thường dựa vào các đặc tính chất lỏng (dòng chảy 1 hay 2 pha, độ nhớt độ đậm đăc ) dạng dòng chảy (chảy tầng, chảy tiếp, chảy hỗn loạn) dải lưu lượng và yêu cầu độ chính xác phép đo.các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh hưởng đến quyết định lựa chọn này Nói chung độ chính xác của lưu lượng kế còn phụ thuộc vào cả môi trường đo xung quanh các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, chất lỏng, khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh hưởng đến kết quả đo

Cảm biến đo lưu lượng trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường nhiễu cao và thường bị xung áp, điều này đòi hỏi các cảm biến đo lưu lượng phải hoạt động bình thường cả với xung điện áp và bù được nhiều để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với độ chính xác cao

2.1.2 Nguyên lý vận hành hệ thống

-Máy bơm hoạt động bơm nước vào đường ống đường kính 18cm chạy ra bể chứa cao 2m Trên thân ống lắp đặt thiết bị cảm biến đo lưu lượng dòng chảy với mục đích đo và kiểm soát lưu lượng

-Nước vào bể chứa,trong bồn chứa lắp đặt thiết bị đo mức với dải đo liên tục, nhằm kiểm soát mực nước trong bể và tự động xuất tín hiệu ra bơm để điều khiển máy bơm đóng, ngắt tự động

-Van có tắc dụng mở nước cho quá trình tiếp theo

2.1.3 Các phương án lựa chọn cảm biến đo và điều khiển lưu lượng:

Chúng ta có thể lựa chọncảm biến theo nhu cầu sử dụng với các tiêu chí

như : ứng dụng, độ chính xác , giá thành với các thông số cần đo “lưu lượng

chảy trong đường ống và mức nước trong bồn” mà chúng ta có thể lựa

chọn các loại cảm biến sau:

2.1.3.1 các phương án lựa chọn cảm biến đo lưu lương:

-Công tơ tốc độ

-Công tơ thể tích

-Lưu lượng kế mao dẫn

-Lưu lượng kế điện từ

-Cảm biến siêu âm …

 Qua tìm hiểu hệ thống thì nhóm chúng em đã lựa chọn một số loại cảm biến phù hợp với hệ thống đo lưu lượng

-Cảm biến lưu lượng kế điện từ

2.1.3.2 các phương án lựa chọn cảm biến đo mức

-Cảm biến đo mức kiểu phao

-Cảm biến đo mức kiểu điện dung

-Cảm biến đo mức kiểu siêu âm

 Qua tìm hiểu hệ thống thì nhóm đã lựa chọn một số loại cảm biến phù hợp với hệ thống đo mức :

-Cảm biến đo mức kiểu phao

2.1.5 Các loại cảm biến lựa chọn

2.1.5.1 Cảm biến lưu lượng điện từ

Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế điện từ dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Farađây Khi có đây dẫn chuyển động trong từ trường cắt các đường sức, trong dây dẫn cảm ứng một sức điện động tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dây dẫn.Nếu ta dùng một chất lỏng dẫn điện chảy qua giữa hai cực của 1 nam châm và đo sức điện động sinh ra trong chất lỏng, thì có thể xác định được tốc độ dòng chảy hay lưu lượng thể tích.Sơ đồ chỉ ra trên hình 1

N S

Hình 1:

Giữa 2 cực N và S của một nam châm người ta đặt một đoạn ống kim loại không từ tính (3) vuông góc với đường sức của từ trường

Mặt trong của ống (3) phủ một lớp vật liệu cách điện( sơn êmay, thủy tinh hữu cơ) Trong mặt phẳng vuông góc với đường sức , người ta đặt 2 điện cực (1) và (2).Các điện cực nối với đồng hồ đo (4) milivon kế hay điện thế

kế.Suất điện động cảm ứng trong từ trường không đổi là :

E= B.W.D=4 B πDD Q

B: Cường độ tự cảm

W: Tốc độ trung bình của dòng chảy

D là đường kính trong của ống dẫn

Q: là lưu lượng thể tích của chất lỏng

KHi B=const thì sđđ phụ thuộc tuyến tính vào lưu lượng thể tích của chất lỏng.Lưu lượng kế điện từ dùng để đo các chất lỏng có độ điện dẫn không nhỏ hơn 10-5 cộng trừ 10-6 simen/m

Nhược điểm chủ yếu của lưu lượng kế có từ trường không đổi là suất hiện trên các điện cực sđđ Galvanic và sđđ phân cực làm yếu cảm ứng hữu ích làm tăng sai số của phép đo Sđđ ký sinh phân cực thực tế có thể loại trừ khi dùng nam châm điện xoay chiều Trong trường hợp này sđđ cảm ứng:

E=4QBmaxsin(2πD.f.T/(πD.D))

Bmax: gía trị biên độ lớn nhất của từ cảm

Nhưng dùng nam châm xoay chiều lại tạo ra một số hiệu ứng làm méo tín hiệu hữu ích Mặc dù vậy trong công nghiệp người ta vẫn dùng lưu lượng kế nam châm xoay chiều Chúng có ưu điểm: trước hết khi đo lưu lượng thể tích không phải đo tỉ trọng chất lỏng Ngoài ra ,sự chỉ thị của lưu lượng kế không chịu ảnh ngoài đưa vào chất lỏng: các phân tử hạt , bọt khí và ngay cả các tham số của dòng chất lỏng(áp suất, nhiệt đô, độ nhớt,tỉ trọng, ) Nếu chúng không làm thay đổi độ điện dẫn của chất lỏng

Lưu lượng kế điện từ hiện nay cho phép đo lưu lượng trong phạm vi rộng

từ 1-2500m3/h cho các ống dẫn có đương kính từ 10-1000mm với tốc độ chuyển động từ 0,6-10m/s cấp chính xác của lưu lượng kế là :1:2,5

 Cảm biến đo lưu lượng được chọn là:

**Một số hình ảnh thực tế của một số hãng : ALIA-USA, Emerson, Krohne

Đồng hồ lưu lượng kiểu điện từ MAG series– Sản phẩm được thiết kế và

sản xuất dựa theo tiêu chuẩn tiên tiến hàng đầu của Châu Âu giúp cho hệ thống bơm nước của bạn luôn được duy trì khả năng hoạt động ổn định, bên cạnh đó việc sử dụng đồng hồ MAG series còn giúp bạn dễ dàng phát hiện ra những hư hỏng, sự cố của hệ thống

Đặc điểm:

+Đồng hồ lưu lượng điện từ MAG series dùng để đo lưu lượng và thể tích nước dẫn bằng điện

+Cải tiến việc quản lý tín hiệu phát ra bằng điện cực, cho phép việc đo lường

là vô cùng chính xác trong một khoảng lưu lượng vô cùng lớn, bao gồm cả lưu lượng dòng chảy ngược Việc dùng 3 điện cực bên trong cho phép khoảng

sai số thấp hơn 2% tốc độ lưu lượng giữa 0.2m/s và 10m/s Loại đồng hồ này còn có thể báo động khi đường ống bị nứt hay rò rỉ

+Tất cả những đặc điểm đó được kết hợp với độ giảm áp suất rất thấp và có thể lắp đặt đồng hồ ở nhiều vị trí đa dạng khác nhau, thích hợp để sử dụng trong ngành thực phẩm, khu công nghiệp hóa chất cũng như các công trình xử

lý nước

Thông số kỹ thuật:

+Đường kính: DN15 -> DN2000

+Áp lực: PN10

+Mặt bích: UNIEN 1092

+Cấp bảo vệ IP: IP68

+Tốc độ dòng chảy tối đa: 10m/s

+Bạc lót PTFE

+Nhiệt độ dòng tối đa PTEF -40độ -> +180 độ C

+Vật liệu mặt bích Thép Carbon

+Nguồn điện cấp 24V

+Dựa theo tiêu chuẩn ISO 6817 EN 1434

2.1.5 2 Cảm biến đo mức kiểu phao.

Đo mức bằng phao là cách đơn gian nhất Nó có thể đo mức trong phạm

vi hẹp và rộng Thiết bị để đo mức trong phạm vi hẹp thường dùng các phao hình cầu và đường kính 80-200mm bằng thép không gỉ Phao nổi trên mặt chất lỏng và qua một thanh nối có miếng phớt đệm đặc biệt, rồi nối với một kim chỉ thị hoặc một bộ biến đổi góc thành tín hiệu điện hay khí nén

Đo mức ở phạm vi hẹp có hai kiểu : Kiểu đặt qua mặt bích hay trong bình đo nước tùy theo khả năng của các thiết bị công nghệ phạm vi đo nhỏ nhất của thiết bị đo mức này là từ -10 đến 10 mm và lớn nhất từ -200 đén +200 mm cấp chính xác là 1,5

Phao đo mức trong phạm vi rộng gồm phao (1) nối với đối trọng (5) bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4) Khi mức chất lưu thay đổi, Phao 1 nâng lên hoặc hạ xuống làm quay rồng rọc (4), một cẩm biến vị trí gắn ở trục quy của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu Khi tính toán đo mức bằng phao, ta phải chọn cấu trúc của phao sao cho đảm bảo hệ thống "phao-đối tượng" chỉ xác định theo độ sâu của phao Khi bỏ qua trọng lượng dây dẫn và ma sát của ròng rọc ta có phương trình cân bằng:

Gr =Gph-S.h1.rôl .g

Gr : là trọng lượng của đối trọng

Gph: trọng lượng phao

S: diện tích phao

h1: chiều sâu nhúng chìm của phao

rôl: tỷ trọng của chất lỏng

Giới hạn phạm vi đo nhỏ nhất từ 0-12m và lớn nhất từ 0-20m sai số tuyệt đối của phép đo là +-1 đến +-10

 Cảm biến đo mức kiểu phao

Công tắc phao KWS-3M

Công tắc phao KWS-3M

Ứng dụng Công tắc phao KWS-3M cho hệ thống bơm nước, tự động kiểm soát mực nước trong bồn đứng

Ứng dụng Công tắc phao KWS-3M trong hệ thống bơm đầy cho bể nước

(Khi bể cạn nước phao sẽ đóng điện cho bơm hoạt động, khi bể đầy nước phao sẽ ngắt điện để tắt bơm)

Thông số kĩ thuật công tắc phao KWS-3M:

* Điện áp 220 - 250V AC / 50HZ

* Dòng chịu tải max của tiếp điểm công tắc phao:

.15A : Tải điện trở ( đèn dây tóc )

Cảm biến đo lưu lượng

Cảm biến đo mức

van

.8A: Tải điện cảm ( motor)

* Công suất motor : 2HP hoặc 1500 W

* Nhiệt vận hàng tối đa : 80 độ

* Cấp độ bảo vệ ( kín nước và bụi ) : IP 68

* Dây cáp 3 mét

2.1.6 Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến và tính toán xử lý đo tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến các đôi tượng điều khiển

Hình ảnh minh họa hệ thống

2.1.7 Đánh giá về sai số của hệ thống

-Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần

đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai

số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo