Bài tập lớn môn Đo lường Cảm biến Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

 BÀI TẬP LỚN

BỘ MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG CHẤT LƯU

Giáo viên hưỡng dẫn : NGUYỄN ĐĂNG HẢI

Lớp Điện 8 - K10 Nhóm sinh viên thực hiện (Nhóm 3):

rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô bộ môn và đặc biệt là thầy NguyễnĐăng Hải Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý thầy cô đã chochúng em được tiếp cận với môn học mà theo chúng em là rất hữu ích đối với sinhviên Chúng em xinchân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đăng Hải đã cùng với tri thức

và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trongsuốt thời gian học tập, cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận Nếu không cónhững lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ đề tài này của chúng em sẽ rấtkhó để hoàn thiện được Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Bàithu hoạch này được thực hiện trong khoảng thời gian khoảng ngắn Bước đầu đivào thực tế kiến thức của chúng em còn hạn chế Do vậy không thể tránh khỏinhững thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy

để kiến thức của chúng em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn Cuối cùngchúng em xin chúc các thầy thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứmệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ 3

1.1 Khái niệm lưu lương và đo lưu lượng 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Đo lưu lượng 3

1.2 Tổng quan công nghệ và ứng dụng hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng 4

1.2.1 Về công nghệ: 4

1.2.2 Về ứng dụng: 4

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 4

2.1 Yêu cầu của đề tài 4

2.2 Các hướng giải quyết 5

2.2.1 tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu 5

2.2.2 Tổng quan về phương pháp đo mức chất lưu 24

2.2.3 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống 34

2.3 Các thiết bị của hệ thống và lựa chọn thiết bị 35

2.3.1 PLC 35

2.3.2 Biến tần 37

2.3.3 Máy bơm 38

2.3.4 Đường ống 40

2.3.5 Bình chứa 40

2.3.6 Van điện 40

2.3.7 Cảm biến lưu lượng 40

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 51

3.1 Các kết quả đạt được 51

3.2 Các hạn chế khi thực hiện 52

3.3 Biện pháp khắc phục 52

CHƯƠNG 4: BÀI DỊCH TÀI LIỆU CẢM BIẾN 53

4.1 Bản dịch tài liệu lý thuyết và sử dụng cảm biến 53

4.1.1 Cảm biến đo mức chất lưu (SIEMENS Pointek ULS200) 53

4.1.2 Cảm biến đo lưu lượng (SITRANS F M MAG 5100 W) 54

4.2 Bản tài liệu gốc và các tài liệu khác 56

ĐỀ TÀI: Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lưu

Bài tập lớn môn Đo lường & Cảm biến

Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng như hình vẽ:

Giới hạn điều kiện:

1 Chất cần bơm là nước (điều kiện thường)

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

3 Dải đo lưu lượng (0-1500 lít/giờ)

4 Bể chứa cao 2m

5 Thông số cần giám sát là lưu lượng nước chảy qua ống và mức nướctrong bể chứa

6 Đối tượng điều khiển 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 lượngcảm biến)

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

7 Đánh giá về sai số của hệ thống (giớ hạn, nguyên nhân biện pháp khắcphục)

YÊU CẦU CHUNG:

1 Bìa gồm:

Tên đề tàiDanh sách SV trong nhómTên GV hướng dẫn

2 Đầu quyển có nội dung giao đề tài(Phiếu giao đề tài)- Và hướng dẫn vềyêu cầu chung và Bố cục trình bày

3 Bố cục trình bày theo hướng dẫn sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kếChương 2: Nội dung thực hiện

2.1-Yêu cầu của đề tài2.2-Các hướng giải quyết2.3-Lý do lựa chọn cho thiết bị2.4-Tính chọn thiết bị

Chương 3: Kết luận

3.1-Các kết quả đạt được3.2-Các hạn chế khi thực hiện3.3-Các biện pháp khắc phụcChương 4: Bài dịch tài liệu cảm biến

4.1- Bản tài liệu lý thuyết4.2- Bản tài liệu sử dụng cảm biến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ

Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ,nhu cầu của con người đặt ra ngày càng cao Để đánh giá được chất lượng sảnphẩm thì không thể thiếu phương pháp sản xuất đo lường Vì vậy dụng cụ đo lường

là một trong những công cụ lao động tạo ra chất lượng cao và tạo ra các sản phẩmtốt

Một trong những dụng cụ đo đó là thiết bị đo lưu lượng Đo lưu lượng cótầm quan trọng đặc biệt trong công nghiệp như khi cần khống chế lượng chất lỏngtham gia vào quá trình ở lò phản ứng hóa học, nhà máy sản xuất xi măng, động cơđốt…

1.1 Khái niệm lưu lương và đo lưu lượng

1.1.1 Khái niệm

Lưu lượng chất lỏng qua mặt cắt ngang của một nòng dẫn hoặc ống dẫn làđại lượng đo bằng thể tích chất lỏng chuyển động qua mặt cắt đó trong một đơn vịthời gian

 Lưu lượng thể tích Q= V

t (m3/s, m3/h,…)

 Lưu lượng khối G= m

t (kg/s, kg/h, tấn/h, )Trong đó : V, m là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trongkhoảng thời gian khảo sát

 Lưu lượng tức thời tính theo công thức: Q= dV

dt hoặc G= dm

dt

 Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian ∆=t2−t1 xác định bởibiểu thức : Q tb=V (t1 −t2 )

1.1.2 Đo lưu lượng

Đo lưu lượng thực chất là đo lưu lượng chất lỏng chảy qua ống dẫn trongmột đơn vị thời gian

Để đo lưu lượng người ta dung các lưu lượng kế Tùy thuộc vào tính chấtchất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng các lưu lượng kế khác nhau Tín

hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thíchhợp.

Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở:

 Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảngthời gian xác định Δt.t

 Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vậntốc

 Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàmphụ thuộc độ giảm áp

1.2 Tổng quan công nghệ và ứng dụng hệ thống đo và điều khiển lưu

lượng chất lỏng.

1.2.1 Về công nghệ:

Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng các cảm biến, đểđiều khiển hệ thống sao cho hệ thống hoạt động chính xác, hiệu quả Hệ thốnggồm:

 Plc S7-200: Dùng để điều khiển hệ thống

 Bơm: Dùng để bơm chất lỏng vào bồn chứa

 Biến tần: Điều khiển tốc độ động cơ

 Van: Dùng để điều khiển rót chất lỏng từ bồn chứa ra ngoài

 Bể chứa: Chứa chất lỏng cần rót

 Thiết bị đo lưu lượng: Dùng để đo lưu lượng chất lỏng

 Thiết bị đo mức: Dùng để đo mức chất lỏng trong bình

 Hai nút khởi động và dừng hệ thống: Start và Stop

1.2.2 Về ứng dụng:

Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trongthực tế như:

 Đo mức xăng dầu trong khai thác dầu khí

 Khống chế lượng chất lỏng tham gia vào quá trình phản ứng trong thínghiệm và công nghiệp

 Đo và điều khiển lượng nước trông ngành thủy điện

 Đo và điều khiển lưu lượng nước tiêu thụ trong sinh hoạt

Tùy theo nhu cầu sử dụng khác nhau để đo và điều khiển lưu lượng khácnhau sao cho phù hợp với mục đích sử dụng

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1 Yêu cầu của đề tài.

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 lượngcảm biến)

6 Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, xử lý, đo tín hiệu đầu racủa 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 phápkhắc phục)

2.2 Các hướng giải quyết.

Đối với hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng chúng em sử dụngcảm biến đo lưu lượng để điều khiển lưu lượng nước đưa trong bồn chứa, cảm biếnmức lưu lượng để đo mức nước trong bồn để điều khiển bơm và van

2.2.1 tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu.

Một số phương pháp đo lưu lượng cơ bản và khá phổ biến:

 Đo lưu lượng thể tích

 Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chỗ

 Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine

 Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ

 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp

 Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm

 Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex

 Đo lưu lượng khối lượng

 Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt

 Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis

2.2.1.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chỗ

a, Công tơ thể tích

Công tơ thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua công tơ bằng cách đếm trựctiếp lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác định của công tơ (hình 2.1).

Hình 2 1: Sơ đồ nguyên lý của công tơ thể tích

Công tơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp vớinhau Dưới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng (2) quay và truyền chuyểnđộng tới bánh răng (1) cho đến lúc bánh răng (2) ở vị trí thẳng đứng, bánh răng (1)nằm ngang Chất lỏng trong thể tích V1 được đẩy sang cửa ra Sau đó bánh răng (1)quay và quá trình tương tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong buồng V2 được đẩy sangcửa ra Trong một vòng quay của công tơ thể tích chất lỏng qua công tơ bằng 2 lần

V1 + V2 Trục của một trong hai bánh răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài côngtơ

Thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong thời gian (t=t2– t1) tỉ lệ với số vòngquay xác định bởi công thức:

∆ V =q V(N2−N1)

Trong đó:

 qv - thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với một vòng quay

 N1, N2 - tổng số vòng quay của công tơ tại thời điểm t1 và t2

 Thông thường thể tích chất lưu chảy qua công tơ được biểu diễn dướidạng:

∆ V =q c(N c2−N c1)

 qc - hệ số công tơ (thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với một đơn

vị chỉ thị trên công tơ)

 Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị công tơ tại thời điểm t1 và t2

Lưu lượng trung bình:

Q tb=∆ V

∆ t =

q v(N2−N1)

t2−t1

Lưu lượng tức thời:

dt là tốc độ quay trên trục công tơ

Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện người ta dùng một trong

ba các dưới đây:

 Dùng một nam châm nhỏ gắn trên trục quay của công tơ, khi namchâm đi qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện Đếm sốxung điện theo thời gian sẽ tính được tốc độ quay của trục công tơ

 Dùng tốc kế quang

 Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp

Giới hạn đo của công tơ loại này từ 0,01-250m3/giờ, sai số từ 0,5-1%, tổnthất áp suất nhỏ nhưng chất lỏng phải được lọc tốt và không gây ồn khi đo

b, Lưu lượng khí kiểu quay

Để đo lưu lượng dòng khí người ta sử dụng công tơ khí kiểu quay (hình 2.2)

Hình 2 2: Công tơ đo lưu lượng khí kiểu quay

1: Vỏ; 2,4,7,8: Cánh; 3: Tang quay; 5: Con lăn; 6: Cam

Công tơ gồm vỏ hình trụ (1), các cánh (2,4,7,8), tang quay (3) và cam (6).Khi cánh (4) ở vị trí như hình vẽ, Áp suất chất khí tác động lên cánh làm cho tang(3) quay Trong quá trình quay các cánh luôn tiếp xúc với mặt ngoài cam (6) nhờcác con lăn (5) Trong một vòng quay thể tích chất khí bằng thể tích vành chất khígiữa vỏ và tang Chuyển động quay của tang được truyền đến cơ cấu đếm đặt bênngoài vỏ công tơ.

Công tơ khí kiểu quay có thể đo lưu lượng đến 100 - 300 m3/giờ, cấp chínhxác 0,25; 0,5

2.2.1.2 Đo lưu lượng theo nguyên lý Turbine (Công tơ tốc độ)

Hình 2 3: Công tơ tốc độ tuabin hướng trục

1: Bộ chỉnh dòng chảy; 2: Tuabin hướng trục; 3: Bộ truyền bánh răng

-Trục vít; 4: Thiết bị đếm

Bộ phận chính của công tơ là một tuabin hướng trục nhỏ (2) đặt theo chiềuchuyển động của dòng chảy Trước tuabin có đặt bộ chỉnh dòng chảy (1) để sanphẳng dòng rối và loại bỏ xoáy Chuyển động quay của tuabin qua bộ bánh răng -trục vít (3) truyền tới thiết bị đếm (4)

Tốc độ quay của công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy:

n = kWTrong đó:

k - hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo công tơ.

F - tiết diện dòng chảy

n - tốc độ quay của tuabin (số vòng quay/giây)

Nếu dùng cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của công tơ trong mộtkhoảng thời gian từ t1 đến t2 sẽ nhận được thể tích chất lỏng chảy qua công tơ:

Hình 2 4: Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến

1: Tuabin; 2: Màng lọc; 3: Ống dẫn

Tuabin công tơ (1) đặt trên trục quay vuông góc với dòng chảy Chất lưu quamàng lọc (2) qua ống dẫn (3) vào công tơ theo hướng tiếp tuyến với tuabin làmquay tuabin Cơ cấu đếm liên kết với trục tuabin để đưa tín hiệu đến mạch đo

Loại công tơ kiểu tiếp tuyến có đường kính tuabin từ 15 - 40 mm, phạm vi

đo từ 3 - 20 m3/giờ, cấp chính xác 2; 3

2.2.1.3 Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ (Lưu lượng kế điện từ)

Nguyên lý của lưu lượng kế điện từ dựa trên định luật cảm ứng điện từ: khi

có một dây dẫn chuyển động trong từ trường, cắt các đường sức từ thì trong dâydẫn xuất hiện một suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dâydẫn Sơ đồ nguyên lý của lưu lượng kế điện từ biểu diễn trên hình 2.5

Hình 2 5: Cấu tạo nguyên lý của lưu lượng kế điện từ

1,2: Điện cực; 3: Ống dẫn chất lỏng; 4: mV; 5: Nam châm

Lưu lượng kế gồm ống kim loại không từ tính (3), bên trong có phủ lớp vậtliệu cách điện (sơn emay, thủy tinh hữu cơ) đặt giữa hai cực của một nam châm (5)sao cho trục ống vuông góc với đường sức của từ trường Trong mặt phẳng vuônggóc với đường sức, có hai điện cực (1) và (2) được nối với milivôn kế (4) Khi chấtlưu có tính dẫn điện chảy qua ống, trong chất lưu xuất hiện một suất điện độngcảm ứng

W- tốc độ trung bình của dòng chảy

D - đường kính trong của ống

Q - lưu lượng thể tích của chất lưu

Khi B = const thì E sức điện động cảm ứng tỉ lệ với lưu lượng thể tích Q.Lưu lượng kế điện từ với từ trường không đổi có nhược điểm là trên các cựcxuất hiện các sức điện động phụ (do phân cực) làm sai lệch kết quả đo Để khắcphục nhược điểm trên, người ta dùng lưu lượng kế điện từ dùng nam châm điệnxoay chiều, tuy nhiên từ trường xoay chiều lại làm méo tín hiệu ra

 Với ống có đường kính từ 10 1000mm có thể đo lưu lượng từ 1 2500m3/giờ với vận tốc dòng chảy từ 0,6 - 10m/giờ, và độ chính xác1; 2,5

-2.2.1.4 Đo lưu lượng theo phương pháp chênh áp

Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức là sựchênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào

sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy Cảm biến lưu lượng loạinày thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture

Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốccủa chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó Theo nguyên

lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra.Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòngchảy Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy

Hình nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế độ giảm áp suất

Hình 2 6: Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế độ giảm áp suất

Phương trình Bernoulli cho đường ống nằm ngang như hình:

Có bốn loại :

Hình 2 7: 4 loại đo lưu lượng kế độ giảm áp suất

a Đo lưu lượng dạng Orifice

Tấm Orifice là những đĩa kim loại, tương đối bằng phẳng được đục những lỗ

có kích thước xác định

Hình dạng có nhiều dạng khác nhau: hình tròn, ovan, bán nguyệt hay hìnhcôn

Hình 2 8: Đo lưu lượng dạng Orifice

Do dòng chảy tồn tại cả 2 pha (lỏng và khí) sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo Đểloại bỏ điều này người ta sử dụng tấm Orifice có đục lổ Theo đó, nếu lưu chất làchất khí thì tấm Orifice sẽ được đục lỗ ở phía đáy dòng chảy (để lỏng có thể điqua) và nếu lưu chất là chất lỏng thì tấm Orifice được đục lổ ở phía trên dòng chảy

nhỏ dần, vận tốc của nó sẽ tăng lên và áp suất sẽ giảm Sau đoạn ống thẳng, vậntốc sẽ giảm dần và áp suất sẽ tăng Ta sẽ đo áp suất tại 2 điểm:

 Trước đoạn thu hẹp

 Sau đoạn ống thẳng (tức là trước khi ống được mở rộng)

Hình 2 9: Ống Venturi

Ưu điểm:

 Độ chính xác, độ tin cậy cao

 Có thể dùng cho lưu chất dạng vữa hoặc chất lỏng có nhiều tạp chất

 Chỉ cần sử dụng chung 1 loại transmitter mà không cần quan tâm đếkích thước của đường ống

Nhược điểm:

 Giá thành cao

 Quá trình lắp đặt cần có thêm giá đỡ

 Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng

c Pilot tube

 Yêu cầu mức độ chênh áp không quá lớn.

 Độ chính xác phụ thuộc vào thông số của dòng chảy

 Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng

d Flow Nozzles

 Cần phải có thiết bị calibration để hiệu chỉnh.

2.2.1.5 Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm

Nguyên lý hoạt động: tần số của siêu âm cao hơn tần số mà thính giác củacon người có thể cảm nhận được Trong kỹ thuật, tần số hữu ích của siêu âm trảidài từ 20 kHz đến 10 MHz Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền sóng được liênkết với nhau theo công thức:

Co = f λVận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường và đặc biệt vàonhiệt độ của môi trường

a Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng:

Hình 2.12 trình bày một cấu trúc dùng để đo lưu lượng: các cảm biến siêu

âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn có lưu chất dịch chuyển một vậntốc v Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến 2 thu sóng, vận tốc truyền sóng được giatăng thêm thành phần v.cosα

Với phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc v của dòng chảy và saukhi nhân v với diện tích mặt cắt ngang của ống, ta thu được lưu lượng tính bằng thểtích

Hình 2 12: Sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng bằng phương pháp siêu âm

Nếu gọi t1 là thời gian truyền sóng từ 1 đến 2 và t2 từ 2 đến 1 thì ta có đượcvận tốc dòng chảy v được tính là:

v= L

2cos∝

t2−¿t1

t1t2 ¿

Để đo được thời gian truyền sóng một cách chính xác thì các cảm biến siêu

âm phải hoạt động nhanh Các cảm biến này cần phải phát được các sóng có sườndốc thẳng đứng Cả 2 cảm biến đối diện nhau phát cùng lúc một sóng siêu âm Cả

2 hoạt động đầu tiên như nguồn phát và sau đó hoạt động như hai cảm biến thusóng siêu âm của nhau Vận tốc dòng chảy được xác định rất nhanh chóng vớiphương pháp này

b Phương pháp hiệu số tần số:

Các cảm biến vẫn được đặt như hình 2.12 tuy nhiên chúng được vận hànhkhác đi Cảm biến 1 gửi một xung cho cảm biến 2 Cảm biến 2 trả lời bằng mộtxung cho cảm biến 1 và làm cho cảm biến 1 phát đi một xung Tần số f1 của cảmbiến 1 và tần số f2 của cảm biến 2 được đo lần lượt :

f1= 1

t1=

C0+v cos ∝ L

f2= 1

t2=

C0−v cos ∝ L

=> ta có cùng kết quả như ở phương pháp đo trên

Vì tần số được đo từ một chuỗi xung, do đó phép đo mất thời gian hơn.Ngoài ra do sự phản hồi sóng siêu âm từ các bọt nước, vật rắn trong chất lỏng…nên phép đo này bị nhiễu nhiều hơn so với phép đo hiệu số thời gian

c Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha):

Với sự liên hệ C0 = f λ, khi vận tốc truyền sóng thay đổi và với tần số khôngđổi thì độ dài sóng phải thay đổi

Chọn tần số f0 sao cho với vận tốc dòng chảy v=0 thì khoảng cách giữa haicảm biến bằng n λ0 Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có C1=C0+v cos ∝ và

C2=C0−v cos ∝, và với tần số không thay đổi ta có độ dài sóng:

f1=C1

l0 ; f2 =C2

l0

Từ hiệu số:

Hình 2 13: Lưu lượng kế siêu âm

2.2.1.6 Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex (Tần số dòng xoáy)

Nguyên lý đo: Nguyên lý đo này cũng được sử dụng đối với lưu chất là lỏng,hơi hoặc khí Nguyên lý đo này được mô tả như sau: Người ta sử dụng một thiết bịdạng hình côn (Bluff Body of Vortex Shedder) đặt vuông góc và chắn giữa dòngchảy Khi lưu chất gặp thiết bị này nó sẽ hình thành các điểm xoáy Vortex ở phía

hạ nguồn, lưu lượng càng lớn thì các điểm xoáy này càng nhiều

Hình 2 14: Đo lưu lượng theo nguyên lý dòng xoáy

Mỗi dòng xoáy sẽ tạo ra áp lực nhỏ Sự dao động của áp lực này sẽ được ghilại bởi các cảm biến và chuyển đổi thành tín hiệu xung điện Những dòng xoáyđược tạo ra rất đều nhau trong giới hạn cho phép của thiết bị đo Vì vậy tần số củadòng xoáy tỉ lệ với lưu lượng thể tích

Nguyên lý đo Vortex bị ảnh hưởng bởi sự rung động của đường ống, sự sủibọt của lưu chất… Tuy nhiên, trong thực tế thiết bị đo theo nguyên lý này cho kếtquả khá chính xác (sai số <0,5%)

 Không đo được đối với chất dạng vữa hoặc chất lỏng có độ nhớt cao.

 Dùng cho dòng chảy rối

 Có thể phải sử dụng tấm lọc

 Thiết bị có thể bị hư hại bởi sự dao động của dòng chảy

2.2.1.7 Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt

Nguyên lý đo này thường được dùng trong các hệ thống dầu tuần hoàn củacác hệ thống máy công suất lớn Có hai hình thức:

 Đặt một lượng nhiệt nhất định vào dòng lưu chất và đo sự suy giảmlượng nhiệt ấy qua hai điểm

 Đặt một nguồn nhiệt vào lưu chất sao cho sự chênh lệch nhiệt độ giữahai điểm là không đổi

Về cấu tạo thì nguyên lý đo này cần tối thiểu là 2 TE – Thermal Element.Một trong hai cái sẽ dùng để đo nhiệt độ của dòng lưu chất trước khi gia nhiệt vàcái còn lại đo nhiệt độ của dòng lưu chất sau khi gia nhiệt Như vậy, cho dù nhiệt

độ của dòng lưu chất trước khi đo có thay đổi thì kết quả đo vẫn bảo đảm độ chínhxác cần thiết Kết quả đo của 2 TE sẽ được xử lý và thiết bị đo sẽ cho ra kết quả làtín hiệu điện (4 – 20mA, 1 – 5V ) tỉ lệ với lưu lượng của lưu chất

Hình 2 15: Cấu tạo của lưu lượng kế gia nhiệt

2.2.1.8 Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis

Đây là nguyên lý đo phức tạp nhất nhưng cũng cho kết quả chính xác nhất,thường được dùng trong mua bán hơn là trong điều khiển

Hình 2 16: Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta

Nguyên lý đo này ứng dụng lực Coriolis, theo đó khi dòng lưu chất đi quamột ống hình chữ U thì nó sẽ có xu hướng làm xoắn ống Khi chưa có lưu chất điqua, ống chữ U nầy sẽ rung với tần số và biên độ đã biết trước Khi lưu chất đi quacàng nhiều thì do ảnh hưởng của lực Coriolis mà ống sẽ càng xoắn Sự xoắn củaống chữ U nầy làm cho dao động của ống đã nói ở trên không còn giống như khiống rỗng mà sẽ lệch đi một góc tương ứng

Để đo lưu lượng của lưu chất qua ống, người ta đo sự lệch pha của dao độngnói trên Lưu lượng càng lớn thì độ lệch pha càng cao

Trên đây chỉ là nguyên lý, trong thực tế thiết bị đo Coriolis là một trongnhững thiết bị đo rất phức tạp và có độ thông minh rất cao Ngày nay, người ta tíchhợp cả vi xử lý vào thiết bị đo Coriolis để cho ra kết quả đo chính xác nhất (sai số

<0.01%)

2.2.1.9 Một số hình ảnh về cảm biến lưu lương trong thực tế:

Hình 1: Công tơ thể tích

Hình 2: Lưu lượng kế kiểu cánh quay

Hình 3: Lưu lượng kế kiểu chênh áp Hình 4: Lưu lượng kế kiểu tuabin

Hình 5: Lưu lượng kế kiểu điện từ Hình 6: Lưu lượng kế kiểu siêu âm

2.2.2 Tổng quan về phương pháp đo mức chất lưu.

Mục đích của việc đo và phát hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặckhối lượng chất lưu trong bình chứa

Có hai dạng đo: Đo liên tục và xác định theo ngưỡng

 Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tíchchất lưu còn lại trong bình chứa

 Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân chobiết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không

Có ba phương pháp thường dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chấtlưu:

 Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện

 Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu

 Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.Ngoài ra còn một số phương pháp cũng khá phổ biến hiện nay:

Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa

Hình 2.2 1: Cấu tạo phương pháp đo thủy tĩnh

a: Dựng phao cầu; b: Dựng phao trụ; c: Dựng cảm biến áp suất vi sai

Trong sơ đồ (hình 2.2.1-a), phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đốitrọng (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 ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắnvới trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu

Trong sơ đồ (hình 2.2.1-b), phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu,phía trên được treo bởi một cảm biến đo lực (2) Trong quá trình đo, cảm biến chịutác động của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu:

F=P− ρgSh

Trong đó:

P - trọng lượng phao

h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao

S - tiết diện mặt cắt ngang của phao

ρ- khối lượng riêng của chất lưu

2.2.2.2 Phương pháp điện

Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động theo nguyên tắcchuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chấtđiện của chất lưu Các cảm biến thường dùng là cảm biến dộ dẫn điện và cảm biếnđiện dung

a Cảm biến độ dẫn điện

Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫnđiện ~ 50µScm-1) Trên hình 2.2.2 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn điện đo mứcthông dụng

Hình 2.2 2: Cấu tạo nguyên lý đo mức bằng phương pháp điện

a) Cảm biến 2 điện cực b) Cảm biến 1 điện cực c) Cảm biến phát hiện mức

Sơ đồ cảm biến (hình 2.2.2-a), gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chấtlỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôixoay chiều ~ 10V (để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực) Dòng điệnchạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìmtrong chất lỏng

Sơ đồ cảm biến hình (hình 2.2.2-b), chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứhai là bình chứa bằng kim loại

Sơ đồ cảm biến (hình 2.2.2-c), dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cựcngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại, vị trímỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực,dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ

b.Cảm biến điện dung (tụ điện)

Đo mức chất lỏng theo nguyên lý điện dung là dựa trên sự thay đổi điệndung của tụ khi mức chất lỏng thay đổi Điều kiện để đo bằng phương pháp này làhằng số điện môi của lưu chất phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí

Que đo và thành bình chứa (bằng vật liệu dẫn) giống như một tụ điện Banđầu khi mức chất lỏng ở mức thấp nhất, toàn bộ que đo tiếp xúc với không khí thì

ta đo được mức điên dung là CA, khi mức chất lỏng ở mức cao nhất ta đo đượcmức điện dung là CE Khi chất lỏng trong bình dao động từ mức thấp nhất (Levellow) đến mức cao nhất (level high) thì điện dung sẽ thay đổi từ mức CA đến CE

Ta dùng thiết bị để xác định điện dung thì có thể suy ra mức chất lỏng chứa trongbình.

Hình 2.2 3: Cấu tạo nguyên lý đo mức bằng phương pháp điện dung

Thiết bị đo mức loại capacitive có thể sử dụng để đo mức liên tục chất rắnhay lỏng, ngoài ra nó còn được sử dụng để đo mức chia lớp (interface) dùng chochất lỏng

 Áp suất làm việc khoảng 100 bar

 Nhiệt độ làm việc khoảng -800C…4000C

 Độ chính xác khoảng 0.5%

2.2.2.3 Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môitrường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo cónhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh

Hình 2.2 4: Cấu tạo nguyên lý đo mức bằng phương pháp bức xạ

Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2)đặt ở hai phía của bình chứa Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ (nguồn60co hoặc 137Cs), bộ thu là buồng ion hóa

Ở chế độ phát hiện mức ngưỡng (hình 2.2.4-a), nguồn phát và bộ thu đặt ởđối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phátmảnh và gần như song song Tùy thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơnmức ngưỡng mà chùm tia đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ratín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng

Ở chế độ đo mức liên tục (hình 2.2.4-b ), nguồn phát (1) phát ra chùm tia vớimột góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra và bộthu

Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộthu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo Mức độ suy giảm củachùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa

2.2.2.4 Phương pháp Radar

Cảm biến mức radar sử dụng một thiết bị phát và thu sóng radar đặt ở trênđỉnh của bộn chứa Khi phát những chùm sóng xuống bề mặt lưu chất thì sóng sẽphản xạ lại và được bô thu ghi nhận lại Thiết bị sẽ dựa vào thời gian phát đi đếnkhi thu nhận lại tín hiệu để tính được mức của lưu chất có trong bình chứa

Điều kiện để sử dụng phương pháp này đó là lưu chất phải có hằng số điệnmôi cao, vì nếu hằng số điện môi thấp thì sóng radar sẽ bị hấp thụ hết hoặc đixuyên qua

Nếu đo với khoảng cách lớn, sóng radar có khả năng bị phân tán làm giảm

độ chính xác Do đó trong trường hợp này ta có thể sử dụng thêm thiết bị dẫn sóng

Ưu điểm:

 Có thể đo mức chất lỏng hay chất rắn liên tục mà không tiếp xúc

 Có thể đo được mặt cách ly

 Có độ chính xác cao từ

Nhược điểm:

 Điều kiện làm việc giới hạn bởi dải áp suất làm việc thấp

 Không dùng được cho lưu chất có hằng số điện môi thấp

Hình 2.2 5: Sơ đồ lắp đặt cảm biến mức radar

2.2.2.5 Phương pháp siêu âm

 Cảm biến đo mức nước liên tục bằng sóng siêu âm là một loại đo mứcnước không tiếp xúc với độ chính xác cao Nguyên lý cảm biến sẽphóng một tia sóng siêu âm từ đầu cảm biến xuống , sóng siêu âm khigặp chất lỏng sẽ phản hồi lại Dựa vào sóng siêu âm phản hồi lại cảmbiến xác định được khoảng cách từ đầu cảm biến tới mức nước

 Có hai loại cảm biến đo mức bằng sóng siêu âm đó là loại không hiểnthị được và cảm biến báo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm có hiểnthị

 Tín hiệu ngõ ra của cảm biến siêu âm là tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10Vnên chúng ta dể dàng cài đặt cũng như kết nối với PLC

Hình 2.2 6: Sơ đồ lắp đặt cảm biến mức siêu âm

Gọi t là thời gian phát đi và nhận sóng

Hình 2.2 8: Đo mức theo phương pháp từ tính

Nguyên lý:

 Phao nam châm được lắp trong ống chamber

 Thước đo sẽ được lắp ở bên ngoài ống

 Bộ phận hiển thị (indicator) được lắp bên cạnh thước đo

 Khi mực nước chất lỏng thay đổi thì phao nam châm sẽ dịch chuyểntheo mức chất lỏng và sẽ làm cho bộ phận hiển thị di chuyển theo đểbáo mức chất lỏng

Hình 2.2 10: Đo mức theo phương pháp rung

2.2.2.9 Phương pháp Servo

Nguyên lý: Thiết bị đo gồm có 1 phao (displacer) được gắn vào động cơservo qua cuộn dây Trong quá trình đo, động cơ sẽ quay để đưa Displacer chuyểnđộng lên xuống Khi đi qua mặt phân cách của 2 lưu chất hay giữa lưu chất và mặtthoáng thì lực căng của dây sẽ thay đổi do độ nhớt và lực cản khác nhau.

Bằng cách xác định thời điểm lực căng dây thay đổi và sự di chuyển củadispace dựa vào chuyển động của động cơ servo, có thể xác định được mức chấtlỏng cũng như mặt phân cách

Hình 2.2 11: Đo mức theo phương pháp servo

2.2.3 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống.