ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA: các phương pháp và dụng đo lưu lượng

Định nghĩa về lưu lượng Là lượng lưu chất lỏng, rắn, khí chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian..  Dòng chất lỏng chảy qua một đường ống thay đổi với lưu lượng

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI GIẢNG

TS LÊ NGỌC TRÂN Email: lengoctranbvu@gmail.com

Định nghĩa về lưu lượng

Là lượng lưu chất (lỏng, rắn, khí) chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian

 Đơn vị đo lưu lượng:

Lưu lượng thể tích: Q = dV/dt (m 3 /s; m 3 /h)

Lưu lượng khối: G = dm/dt (kg/s; kg/h)

Vận tốc dòng chảy: V=dl/dt (ft/min)

 Mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc:

Lưu lượng thể tích = Vận tốc x diện tích tiết diện ngang của đường ống

Tổng năng dòng chất lỏng = Áp suất + Vận tốc + Độ cao

Ví dụ:

 Tách nước nằm trên đỉnh tòa nhà

 Dòng chất lỏng chảy qua một đường ống thay đổi với lưu lượng thể tích cho trước

Độ nhớt, khối lượng riêng và ma sát ảnh hưởng đến lưu lượng

 Độ nhớt là ma sát nội trong bản thân vật chất, nó có ảnh hưởng đến sự chuyển động của vật chất khi chảy trong đường ống Độ nhớt càng cao thì lực cản dòng chảy càng lớn

 Khối lượng riêng là khối lượng trên một đơn vị thể tích vật liệu Chất lỏng nặng hơn sẽ khó đẩy hơn và sẽ chảy chậm hơn khi cùng chịu một lực tác dụng (áp suất đặt lên tiết diện ngang của đường ống) so với chất lỏng nhẹ hơn

 Ma sát cũng là sự cản trở đối với dòng chảy của vật chất do sự tiếp xúc của dòng chảy với thành ống hoặc do sự tắc nghẽn Ống càng nhám hoặc số lượng các đoạn khúc khuỷu, các van, các đầu nối càng nhiều thì ma sát càng lớn

Các dạng dòng chảy

Hầu hết các thiết

kế cảm biến lưu lượng đều giả sử

là dòng chảy hỗn loạn đồng nhất

để đo lưu lượng thể tích

Đo lưu lượng bằng phương pháp đo chênh áp

 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

 Các ống “venturi”, các tấm “orifice” và các “nozzle” là những ví

dụ về các thiết bị giảm áp thường được đặt trong đường ống quá trình để đo lưu lượng

 Đo lưu lượng bằng ống venturi

Tốc độ cao Tốc độ thấp

Đo lưu lượng bằng phương pháp đo chênh áp

Công thức Bernoli

) (

2

2

p p

d

) (

2

2

p p

d







Trong đó: α-hệ số; d-đường kính lỗ thu hẹp; ρ-mật độ dòng chảy

 Đo lưu lượng bằng tấm orifice

Trong đó:

C- Hằng số;

F- Diện tích tiết diện của ống, m 2

Đo lưu lượng bằng phương pháp đo chênh áp

 Đo lưu lượng bằng tấm orifice

Đo lưu lượng dựa vào tốc độ xoáy của dòng chất lỏng

đặc vuông góc với dòng chảy sẽ tạo ra các vùng xoáy Tốc độ tạo xoáy trong dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng tăng

Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có 3 phần:

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

 Một cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các xung điện

 Một bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức năng gởi tín hiệu đã được hiệu chuẩn đến các thành phần khác của vòng điều khiển

Lưu lượng kế Turbin

Nguyên lý: Dựa vào số vòng quay của tua bin trong

một đơn vị thời gian tỉ lệ với tốc độ vòng chảy: n=k.v

n- số vòng quay của tua bin; k-hệ số;

v-tốc độ dòng chảy qua tiết diện của ống dẫn

S- tiết diện dòng chảy;

k- hệ số phụ thuộc vào đặc tính và cấu tạo của cảm biến Lưu lượng thể tích: Q=v.S

1-Cánh tua bin;

2,4-Ổ đỡ;

3-Giá đỡ tua bin 5-Lõi thép;

6-Nam châm 7-Cuộn dây cảm ứng

Lưu lượng kế kiểu từ trường

Nguyên lý:

 khi vật dẫn điện đi qua từ trường, một điện áp sẽ được tạo ra Khi sử dụng máy đo lưu lượng kiểu từ trường, vật liệu dẫn điện là chất lỏng hay chất dạng vữa Dòng chảy càng nhanh, điện áp tạo ra càng lớn

 Dựa trên định luật Faraday về cảm ứng điện từ: một dây dẫn mang điện di chuyển trong một từ trường sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng E, điện thế này

tỷ lệ với vận tốc di chuyển của dây dẫn điện và cường độ của từ trường

E: điện áp cảm ứng (Volt)

c: Hệ số - có giá trị phụ thuộc vào đơn vị

sử dụng (trong hệ SI, c = 10)

B: Cảm ứng điện từ của dòng từ (tesla)

D: Chiều dài dây dẫn (m)

v: Vận tốc di chuyển của dây dẫn (m/s)

A: tiết diện ống

E = c B D v Q = v A

4

D B

c

E



4

2

D

A  

Lưu lượng kế kiểu từ trường

Hai cuộn dây từ, được đặt đối diện nhau trong một ống cách ly, tạo ra một từ trường qua đường kính ống Điện áp tạo ra khi vật liệu dẫn điện chạy qua ống được đo bởi các điện cực cảm biến lắp trên thành ống

chuyển đổi điện áp này thành tín hiệu điện ngõ ra tỷ lệ thuận với lưu lượng thể tích

Lưu lượng kế kiểu từ trường

Ví dụ: lưu lượng kế cảm ứng điện từ ADMAG AE của hãng Yokogawa - Nhật Bản:

Lưu lượng kế kiểu nhiệt

 Được sử dụng để đo lưu lượng của các khí sạch và hiếm khi được sử dụng với các chất lỏng

 Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đặt một lượng nhiệt nhỏ vào dòng quá trình và sử dụng độ thay đổi nhiệt độ và giá trị nhiệt đặc trưng của vật liệu quá trình để tính toán lưu lượng khối lượng Nhiệt đặc trưng là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của mỗi đơn vị khối lượng vật chất lên 1 0 C

Một đầu đốt nóng làm giá trị điện trở Sensor tăng và mạch cầu là cân bằng

 Khi có dòng lưu chất, nhiệt độ trên sensor sẽ giảm nên mạch cầu mất cân bằng

Đo điện áp ngõ ra sẽ xác định được tốc độ của dòng chảy

Lưu lượng kế kiểu nhiệt

Q = dV/dt = A.dx/dt =A.v

A: tiết diện

V: vận tốc dòng chảy

Lưu lượng kế kiểu siêu âm

Dựa trên cơ sở sự thay đổi vận tốc lan truyền của âm thanh trong chất lỏng chảy so với vận tốc lan truyền âm thanh trong chất lỏng tĩnh (vận tốc tăng khi các siêu âm lan truyền theo chiều dòng chảy, giảm khi lan truyền theo chiều ngược lại)

Thiết bị bao gồm 2 bộ phát - thu siêu âm bằng cách mỗi đầu dò nhận các sóng phát ra

từ các đầu dò khác, hoặc các sóng truyền qua chất lỏng đang lưu chuyển theo 2 chiều

L: khoảng cách giữa 2 cảm biến siêu

âm v: vận tốc dịch chuyển của chất lỏng

Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến

2 thu sóng

L= v.cos Thời gian sóng siêu âm :

Tốc độ dòng chảy tính bằng công thức:

lưu lượng kế siêu âm SITRAN F

US của hãng Siemens - Đức:

Lưu lượng kế kiểu siêu âm