ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA: các phương pháp và dụng cụ đo mức

Level Sensor sử dụng để đo mức chất lỏng, chất rắn dạng bột hoặc để xác định khi nào vật liệu đạt đến mức giới hạn hoặc dải đo đã được thiết lập trước.. Đo mức bằng phao và cáp Phao nổi

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI GIẢNG

TS LÊ NGỌC TRÂN Email: lengoctranbvu@gmail.com

Level Sensor sử dụng để đo mức chất lỏng, chất rắn dạng bột hoặc để xác định khi nào vật liệu đạt đến mức giới hạn hoặc dải

đo đã được thiết lập trước

 Mục đích đo mức:

 Đảm bảo mức được duy trì trong giới hạn hoạt động lý tưởng để đạt hiệu suất cao nhất

 Kích hoạt báo động để cảnh báo mức vận hành không an toàn và đóng van

 Khởi động bơm và mở van khi mức trong bồn giảm đến mức thấp đã được thiết lập trước

Khái niệm về đo mức

Đo mức theo phương pháp chênh áp

Áp suất = trọng lượng riêng x chiều cao (p =  .h)

P = 4.33 psi (hoặc 4.33 lbs/in2)

 = 62.4 lbs/ft3 hoặc 0.0361 lbs/in3

h = 4.33 lbs/in2  0.0361 lbs/in3 = 120 in

Đo mứctheo phương pháp chênh áp

Xác định mức dựa trên áp suất

 Để xác định mức nước thực tế phải lấy áp suất đo được ở đáy bình trừ đi áp suất của Nitơ áp lên bề mặt cột nước, việc này phải dùng đến một thiết bị đo chênh lệch áp suất

Đo mức theo phương pháp chênh áp

 Áp suất chênh lệch giữa đáy và đỉnh bồn là:

 P= 24.33 psi - 20 psi = 4.33 psi

Đo mức bằng phao và cáp

Phao nổi trên bề mặt chất lỏng và được nối với một sợi cáp dẫn đến

một bộ chỉ thị hoặc một cơ cấu cảm biến vị trí Phao được gắn với

một quả cân bên ngoài bồn bằng một sợi cáp vắt qua một bộ ròng

rọc Khi phao chuyển động lên xuống theo sự thay đổi mức chất

lỏng, vị trí của quả cân cũng thay đổi theo sẽ chỉ thị mức trên thang

đo đã được chia độ

Với hệ thống này, để cung cấp tín hiệu ra đến vòng điều khiển, nó phải cần đến một mạch điện

tử để cảm nhận sự di chuyển của cáp và chuyển đổi thành tín hiệu mức Mạch điện tử và một động cơ giữ cho độ căng của cáp giống như quả cân mà không nhấc phao lên khỏi bề mặt chất lỏng

Đo mức bằng phao từ

 Nguyên lý : đặt một thanh nam châm ở một phía của tấm bìa cứng, một chiếc đinh được đặt ở phía còn lại của tấm bìa Khi bạn

di chuyển thanh nam châm, chiếc đinh sẽ di chuyển theo

Đo mức bằng phao từ

Đầu cảm biến ở đỉnh của bồn,bộ nhận từ trường bên trong ống di chuyển lên xuống cùng với phao Vị trí cáp được cảm nhận bởi bộ điều khiển cáp và cảm biến vị trí của bộ nhận từ trường mà bộ này sẽ cung cấp tín hiệu ra tỷ lệ với mức chất lỏng trong bồn

Một số dạng phao từ

Kiểu phao với đòn bẩy

Các cảm biến phao mà trong đó sử dụng một đòn bẩy gắn với phao thường được lắp đặt trên thành bồn hoặc được đặt trong hộp kín gắn trực tiếp trên thành bồn

 Phao là một quả cầu kim

 Cảm biến kiểu phao và đòn

bẩy loại này có thể xác

định mức trong một dải rất

hẹp

Kiểu phao với đòn bẩy

cặp cảm biến kiểu phao

và đòn bẩy được sử dụng để tác động các chuyển mạch tại điểm đặt cao và điểm đặt thấp

Phao và chuyển mạch

Phao chứa chuyển mạch thủy ngân

và được gắn vào bồn bằng một sợi cáp mềm có thể được sử dụng để xác định mức khi mức trong bình chứa đạt đến điểm mà tại đó chuyển mạch được chuyển sang đóng hay ngắt Kiểu cảm biến này không thể dùng để đo mức liên tục, nhưng là một cách đơn giản để tín hiệu điện khi đạt đến một mức cao hay mức thấp nào đấy

Phao và chuyển mạch

Thủy ngân làm đóng hoặc ngắt chuyển mạch khi phao di chuyển lên và xuống theo mức chất lỏng trong bồn Khi thủy ngân lấp đầy khe hở giữa hai vật dẫn, chuyển mạch đóng và có thể dẫn điện Chuyển mạch đóng hoặc mở khi phao xoay lên hoặc xuống từ vị trí ngang Khi phao nằm ngang, vị trí của chuyển mạch không thay đổi

so với trạng thái của nó đã được thiết lập khi nó ở vị trí nằm ngang bình thường Tại một mức đã biết (cao hoặc thấp), cáp bắt đầu kéo phao ra khỏi vị trí nằm ngang Cáp càng dài, dải thay đổi của mức càng lớn, trong dải này cáp vẫn nằm ngang

Ứng dụng phao và chuyển mạch trong hệ thống bơm

Cảm biến kiểu thế chỗ

Tương tự với cảm biến kiểu phao trong đó một quả cân được nối với một đòn bẩy Cảm biến này cũng có thể được gắn bên trong một bình chứa hoặc bên trong một hộp gắn trong một bình chứa

Bộ phận thế chỗ dài hình trụ (không giống như phao) và được đặt chìm trong chất lỏng quá trình

Bộ phận thế chỗ được gắn với hệ thống đòn bẩy mà nó cho phép đo trọng lượng biểu kiến của bộ phận thế chỗ khi mức chất lỏng thay đổi

Cảm biến kiểu thế chỗ

Cảm biến mức kiểu điện dung

 Đầu dò là một bản cực của tụ điện

 Thành bồn kim loại là một bản cực còn lại của tụ

 Điện môi là chất lỏng hoặc chất rắn quá trình

 Trong phép đo mức liên tục, giá trị điện dung sẽ tăng khi mức của vật liệu cần đo tăng Cảm biến nhận ra sự thay đổi về điện dung khi mức thay đổi và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tương ứng để kích hoạt cảnh báo hoặc chuyển mạch hoặc đưa đến vòng điều khiển

Cảm biến mức kiểu điện dung

Cảm biến có hai đầu dò vì khoảng cách từ thành bồn đến đầu

dò sẽ khác nhau theo độ cao, ngõ ra của cảm biến sẽ không

tuyến tính theo sự thay đổi của mức trong bồn nếu thành bồn

được sử dụng như một bản cực của tụ điện Để đo chính xác,

khoảng cách giữa hai bản cực (hai vật dẫn) của tụ điện phải

luôn giống nhau trên toàn dải đo Có thể sử dụng một cảm

biến mức với hai đầu dò nếu như thành bình không phải là vật

liệu dẫn điện

sử dụng một ống kim loại đứng bao quanh đầu dò và hoạt động như một điện cực thứ hai

Cảm biến kiểu sóng siêu âm và Rada

V truyền sóng = S x t truyền sóng

 Nguyên lý đo : Sử dụng sóng siêu âm và rada phát ra sóng âm thanh hoặc sóng điện từ trực tiếp tại bề mặt chất lỏng hoặc chất rắn cần đo mức, cảm biến đo thời gian từ lúc phát tín hiệu đến khi nhận sóng phản xạ từ bề mặt chất lỏng

 Sóng âm đi với vận tốc xấp xỉ 1054 feet/second trong không khí và sóng rada xấp xỉ 186000 miles/second

 Nếu biết được tốc độ và thời gian truyền của sóng, khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt có thể tính toán được

Ưu điểm: cảm biến siêu âm và rada không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu quá trình nên sử dụng trong trường hợp :

 Vật liệu có độ axit và kiềm cao có thể làm hỏng thiết bị đo

 Vật liệu mà bề mặt cần đo mức sần sùi

 Vật liệu nhớt hoặc có độ bám và nó có thể bám vào dụng cụ đo

Đo mức bằng sóng siêu âm

Cảm biến mức bằng sóng siêu âm:

bao gồm một bộ phát và bộ nhận sóng hoặc xung siêu âm được phát ra từ một bộ dao động thạch anh đến bề mặt và được phản xạ ngược lại (thạch anh) Ví dụ, mất 0.0189 second để sóng siêu âm đi từ nơi phát (đầu cảm biến) đến bề mặt cách đó 10 feet và trở về lại đầu cảm biến Độ chính xác của bộ đo mức bằng sóng siêu âm bị ảnh hưởng bởi bọt, bụi bẩn, và hơi ngưng tụ Chúng cũng không phù hợp lắm để sử dụng trong các bồn nhỏ bởi

vì sóng dội làm sai lệch kết quả đo

 Các cảm biến đo mức bằng sóng rada không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trọng lượng riêng, hơi trên bề mặt, bọt, hoặc nhiệt độ Chúng có độ chính xác cao và giá cả vận hành bảo dưỡng thấp

 Các hệ thống xung hoạt động giống như các thiết bị siêu âm kiểu xung và đo thời gian để xung đi từ nơi phát đến bề mặt và phản xạ ngược lại

 Các thiết bị FMCW so sánh tín hiệu truyền

đi và tín hiệu nhận về và phân tích bằng mạch điện tử những thay đổi trong dạng sóng bị gây ra bởi sự phản xạ trệch hướng

từ bề mặt đến mức cần xác định

Nguyên lý của một chuyển mạch mức kiểu siêu âm

Cảm biến này phát hiện một điểm mức đơn bằng cách tiếp xúc với vật liệu quá trình Hai thạch anh áp điện được gắn đối diện nhau Khi không có chất lỏng điền vào khe hở giữa chúng, tín hiệu sóng âm mà đã được gởi bằng một thạch anh tích cực

sẽ không thể được nhận bởi thạch anh thứ hai Khi mức chất lỏng tăng đủ để điền vào khe hở, tín hiệu được truyền qua chất lỏng đến thạch anh đối diện, tích cực nó

Các loại cảm biến mức một điểm khác

Một kiểu công tắc mức dạng tiếp xúc khác

sử dụng dao động Thiết bị này hoạt động như một âm thoa Áp điện thạch anh được điều khiển dao động ở tần số tự nhiên của

âm thoa trong không khí sẽ làm cho âm thoa dao động Khi mức chất lỏng tăng đến giữa hai nhánh của âm thoa, sự dao động của nó chậm lại hoặc dừng hẳn Mạch điện

tử bên trong cảm biến mức sẽ nhận biết điều này do âm thoa không còn dao động ở tần số ban đầu do thạch anh tạo ra, và cho biết rằng mức chất lỏng đã đạt đến điểm thiết lập

Các loại cảm biến mức một điểm khác

Chuyển mạch cánh quạt được trình bày trong là một ví dụ về cảm biến đo mức một điểm được sử dụng cùng với bột Một cánh quạt quay liên tục cho đến khi vật liệu quá trình tăng đến mức làm cản trở cánh quạt quay Khi cánh quạt dừng quay, động cơ điều khiển cũng dừng theo Trong khi dừng, động cơ quay thêm được vài độ và tác động vào một công tắc Nếu mức của vật liệu giảm xuống và cánh quạt được giải phóng, nó bắt đầu quay trở lại, giải phóng công tắc

Các loại cảm biến mức một điểm khác

Một ứng dụng dùng các cảm biến mức cánh quạt để theo dõi mức trên

và mức dưới trong một thùng chứa

Tóm tắt chương 3.3

 Khái niệm về đo mức và các phương pháp đo mức

 Đo mức theo phương pháp chênh áp

 Đo mức bằng phao và cáp

 Đo mức bằng phao từ

 Kiểu phao với đòn bẩy

 Nguyên lý phao và chuyển mạch

 Cảm biến kiểu thế chỗ

 Cảm biến mức kiểu điện dung

 Cảm biến kiểu sóng siêu âm và Rada