NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ PHA TRỘN DẦU TƯỚI NGUỘI CHO MÁY CNC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

17 Hình 2.8: Hình dáng vật cản dùng trong phương pháp do lưu lượng bằng tần số dòng chảy... 1.2 Mục đích Ở nước ta, lĩnh vực gia công sản phẩm cơ khí chính xác bằng máy CNC cũng còn khá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ

PHA TRỘN DẦU TƯỚI NGUỘI CHO MÁY CNC

SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

Họ và tên sinh viên: KIỀU MINH GIÁP

NGUYỄN VĂN THỪA Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ

Niên khóa: 2007-2011

Tháng 6/2011

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ PHA

TRỘN DẦU TƯỚI NGUỘI CHO MÁY CNC

Giáo viên hướng dẫn:

Tiến sĩ NGUYỄN VĂN HÙNG

Tháng 6 năm 2011

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, nhờ sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô về mọi mặt nên đề tài tốt nghiệp của chúng em đã được hoàn thành

Em xin gởi lời biết ơn chân thành đến bộ môn Cơ Điện Tử cùng thầy cô trong Khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để

em thực hiện tốt đề tài này Đặc biệt, trong quá trình thực hiện đề tài này, em nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn đề tài T.s Nguyễn Văn Hùng Em xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa, cùng các bạn đã đóng góp

ý kiến và kinh nghiệm quý báu trong quá trình thực hiện đề tài này

TP.Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2011

Sinh viên thực hiện:

Kiều Minh Giáp Nguyễn Văn Thừa

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Thiết kế và khảo nghiệm thiết bị Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC bằng Vi Điều Khiển”, được thực hiện từ ngày 10/04/2011 đến 28/05/2011 tại công ty AGS – 1B – Khu Công Nghiệp Đồng An – Thuận An – Bình Dương

Chúng em tiến hành thực hiện luận văn “Thiết kế và khảo nghiệm thiết bị Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC bằng Vi Điều Khiển” để có thể ứng

dụng những nghiên cứu của mình nhằm cải thiện chất lượng làm việc của máy CNC

 Kết quả đạt được:

 Đã chế tạo thành công mô hình thiết bị pha trộn dung dịch tưới nguội

 Qua quá trình khảo nghiệm cho thấy rằng mô hình có thể hoạt động ổn định

 Qua quá trình khảo nghiệm mô hình thiết bị pha trộn dầu tưới nguội cho thấy chất lượng dầu tưới nguội được cải thiện đáng kể

MỤC LỤC

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về đề tài 3

2.2 Giới hạn đề tài 3

2.3 Giới thiệu vi xử lý 89S52: 4

2.3.1 Giới thiệu : 4

2.3.2 Cấu trúc chân ra : 5

2.4 IC LM358 7

2.5 Tổng quát về LCD 7

2.5.1 Hình dáng và kích thước 7

2.5.2 Chức năng các chân : 8

2.5.3 Mã lệnh LCD 9

2.6 Sơ lược về ma trận phím: 10

2.7 Tổng quan về các phương pháp đo lưu lượng chất lỏng 11

2.7.1 Cơ sở chung và phân loại các phương pháp đo lưu lượng 11

2.7.1.1 Cơ sở chung về đo lưu lượng chất lỏng 11

2.7.1.2 Phân loại thiết bị đo lưu lượng chất lỏng 13

2.8 Các phương pháp đo lưu lượng 14

2.8.1 Lưu tốc kế cánh quạt (Turbine flowmeter): 14

2.8.2 Lưu tốc kế kiểu cảm ứng (Electro-magnetic flowmeters): 15

2.8.3 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy (Vortex Flow Metter): 16

2.8.3.1 Nguyên lý hoạt động: 16

2.8.3.2 Đặc điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy: 18

2.8.3.3 Các quy định về lắp đặt lưu lượng kế tần số dòng xoáy 20

2.8.4 Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm 24

2.8.4.1 Nguyên lý hoạt động: 24

2.8.4.2 Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng: 24

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu đề tài 27

3.1.1 Địa điểm tiến hành đề tài: 27

3.1.2 Phân bố thời gian tiến hành 27

3.2 Đối tượng và thiết bị nghiên cứu: 27

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu: 27

3.2.2 Thiết bị nghiên cứu: 28

3.3 Phương pháp thực hiện đề tài: 28

3.3.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống đo lường 28

3.3.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí: 28

3.3.3 Phương pháp thực hiện phần điện-điện tử: 28

3.3.4 Phương pháp thực hiện phần mềm: 28

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

4.1 Phương pháp thực hiện đề tài: 29

4.1.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống đo lường 29

4.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí: 29

4.1.3 Lựa chọn nguyên lý cấu tạo của mô hình 29

4.2 Nguyên lí mạch điều khiển: 30

4.2.1 Mạch nguồn: 30

4.2.2 Mạch công suất điều khiển: 31

4.2.3 Sơ đồ mạch cảm biến hồng ngoại: 32

4.2.4 Sơ đồ kết nối ma trận phím: 33

4.2.5 Kết nối LCD: 34

4.2.6 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển hệ thống: 35

4.3 Kết quả tính toán, thiết kế chế tạo mô hình thiết bị “Pha trộn dầu tưới nguội” 36

4.4 Phương pháp điều khiển hệ thống: 41

4.5 Kết quả chế tạo mô hình 42

4.6 Kết quả khảo nghiệm : 44

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 47

5.1 Kết luận 47

5.2 Đề nghị 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 50

CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 50

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Viết đầy đủ

UART Universal asynchronous receiver/transmitte

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ chân AT89S52 4

Hình 2.2: Hình dáng của LCD thông dụng 8

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối ma trận phím 10

Hình 2.4: Cấu tạo của lưu tốc kế cánh quạt 14

Hình 2.5: Cấu tạo lưu tốc kế cảm ứng: 15

Hình 2.6: Nguyên lý tần số dòng chảy 16

Hình 2.7: Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy 17

Hình 2.8: Hình dáng vật cản dùng trong phương pháp do lưu lượng bằng tần số dòng chảy 17

Hình 2.9: Cấu tao của cảm biến YEWFLO 19

Hình 2.10: Cấu tạo thanh tạo xoáy 20

Hình 2.11: Qui định khoảng cách lắp đặt lưu lượng kế 21

Hình 2.12: Qui định khoảng cách lắp đặt giữa các lưu lượng kế 21

Hình 2.13: Khoảng cách cần thiết để lắp đặt lưu lượng kế 22

Hình 2.14: Qui định về lưu chất đối với hoạt động của cảm biến 22

Hình 2.15: Qui định lắp đặt cảm biến 23

Hình 2.16: Nguyên lý cấu tạo của cảm biến đo lưu lường bằng siêu âm 24

Hình 2.17: Cảm biến đo lưu lượng bằng song siêu âm trong công nghiệp 26

Hình 4.1: Mô hình thiết bị 30

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn 31

Hình 4.3: Mạch công suất 31

Hình 4.4: Ma trận phím nhấn 33

Hình 4.5: LCD kết nối 34

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lí mạch 35

Hình 4.7: Tính toán lưu lượng của bơm bánh răng : 36

Hình 4.8: Bơm dầu 37

Hình 4.9: Bơm nước 38

Hình 4.10: Động cơ khuấy 39

Hình 4.11: Sơ đồ khối điều khiển: 40

Hình 4.12: Lưu đồ giải thuật điều khiển: 41

Hình 4.13: Mô hình 42

Hình 4.14: Mạch vi điều khiển 43

Hình 4.15: Hình chụp mạch điều khiển thiết bị 44

Hình 4.16: Tính ổn định của hệ thống với tỉ lệ 1 : 24 45

Hình 4.17: Tính ổn định của hệ thống với tỉ lệ 1 : 20 45

Hình 4.18: Khảo sát tính ổn định của động cơ 46

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 1: Bảng mã lệnh cho LCD 9

Bảng 2: Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng 10

Bảng 3: Độ chính xác của lưu lương kế kiểu xoáy 18

Bảng 4: Bảng thông tin ma trận phím nhấn 33

Bảng 5: Kết quả thực nghiệm 44

Bảng 6: Số liệu đo lưu lượng các động cơ 46

và được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy TS Nguyễn Văn Hùng, chúng em xin mạnh dạn đệ trình và thực hiện đề tài: “Thiết kế và khảo nghiệm thiết bị Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC bằng Vi Điều Khiển”

Vì phạm vi đề tài rộng và mới, cộng với kiến thức của chúng em còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong sự góp ý, sửa đổi của các thầy, cô và các bạn để đề tài của chúng em có thể được hoàn thành và ứng dụng trong thực tế

1.2 Mục đích

Ở nước ta, lĩnh vực gia công sản phẩm cơ khí chính xác bằng máy CNC cũng còn khá mới mẻ và đang trên con đường phát triển mạnh mẽ Dung dịch tưới nguội cũng là một yếu tố quan trọng cho quá trình hoạt động gia công được chính xác vì thế chất lượng của dung dịch tưới nguội cũng cần được đảm bảo sự chính xác về tỉ lệ thành phần các chất trong hỗn hợp.Từ thực tiễn của việc pha trộn bằng tay dung dịch tưới nguội tại công ty TNHH ALLIANCE GLOBAL SERVICES không đáp ứng được chất lượng tốt nhất về sự đòi hỏi tỉ lệ tốt nhất có thể để phục vụ tốt cho quy trình gia công của máy CNC được Xuất phát từ những nguyên nhân trên và để góp phần cũng cố những kiến thức đã được học, nhóm sinh viên chúng em đệ trình và thực hiện đề tài “Thiết kế và khảo nghiệm thiết bị Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC bằng Vi Điều Khiển” với các nội dung sau:

 Tìm hiểu nguyên lí và tỉ lệ pha trộn dung dịch tưới nguội cho máy CNC thực tế tại công ty TNHH ALLIANCE GLOBAL SERVICES

 Thiết kế và thi công mô hình thiết bị Pha trộn dung dịch tưới nguội cho máy CNC

 Tìm hiểu các phương pháp đo và tính toán lưu lượng của chất lỏng

 Tìm hiểu tính năng và phương pháp lập trình cho Vi Điều Khiển AT89C51

 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của encoder, cảm biến quang, cảm biến đo lưu lượng

 Thiết kế và thi công tủ điều khiển cho thiết bị Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC

 Viết chương trình điều khiển cho Vi Điều Khiển bằng hợp ngữ Assamebly

 Hoàn thành mô hình thiết bị Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về đề tài

Hiện nay, thị trường sản xuất gia công các sản phẩm cơ khí chính xác bằng phay tiện CNC đang trên đà phát triển mạnh mẽ, dung dịch tưới nguội cũng đóng góp cho sự hoàn thiện chính xác các sản phẩm từ CNC Qua thời gian học tập ở trường và kiến thức đã nhận được, chúng em xin tìm hiểu, đệ trình và thực hiện mô hình thiết bị

“Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC”

Viết chương trình thực tế cho mô hình chạy với chế độ điều khiển Manual, điều khiển bằng ma trận phím nhấn

Liên kết và hiển thị các thông số của thiết bị Pha trộn dung dich tưới nguội cho máy CNC trên màn hình LCD

2.3 Giới thiệu vi xử lý 89S52:

2.3.1 Giới thiệu :

Vi xử lý AT89S52 được chế tạo bởi hãng ATMEL, về cơ bản nó có cấu tạo bên trong , sơ đồ chân cũng như sử dụng tập lệnh tương thích với họ 8031 của hãng INTEL

Hình 2.1: Sơ đồ chân AT89S52 Các đặc điểm cơ bản của vi mạch AT89S52:

 Đơn vị xử lý trung tâm 8 bit đã được tối ưu hóa để đáp ứng các chức năng điều khiển

 Khối logic xử lý theo bit thuận tiện cho các phép toán Boole

 Bộ tạo dao động giữ nhịp bên trong (đến 12Mhz)

 Tập lệnh với các ngôn ngữ lập trình rất phong phú

 Giao diện nối tiếp có khả năng hoạt động song song, đồng bộ (UART)

 16 (32) đường dẫn vào/ ra hai hướng và từng hướng có thể được định địa chỉ

 Năm nguồn ngắt với hai mức ưu tiên

 Có thể mở rộng bộ nhớ chương trình ( ROM ) bên ngoài lên đến 64KB

 Có thể mở rộng dung lượng bộ nhớ dữ liệu (RAM ) bên ngoài lên đến 64KB

 Hai bộ đếm / định thời 16 bit

 Có 256 Byte Ram nội

 Có 3 Port xuất nhập (I/O) có thể lập trình

 Có 3 Timer/ Counter 16 bit Timer 0,1,2 Timer 2 có các chức năng Capture/Compare

 8 nguồn ngắt, Nạp chương trình song song hoặc nạp nối tiếp qua đường SPI

 Vi điều khiển AT89S52 là một IC có nhiều chức năng có khả năng đáp ứng được các yêu cầu trong quá trình điều khiển, ngoài ra đây cũng là một IC căn bản

vì sau khi sử dụng ta có thể sử dụng các IC khác Trong đề tài này nhóm đã quyết định chọn IC AT89S52 vì:

 Tài liệu về dòng IC này có rất nhiều, dễ tìm, giá thành thấp

 Có trình dịch các câu lệnh viết ở dạng Assembler ra dạng mã máy

 Có board nạp ROM để nạp các mã máy vào bộ nhớ EEPROM của IC

 Có nhiều dạng board test dùng để kiểm tra nhanh các trương trình đã có trong bộ nhớ EEPROM của IC AT89S52

 Có nhiều tài liệu viết về các ứng dụng thực tế về IC AT89S52, có nhiều sách hướng dẫn cách sử dụng IC này

2.3.2 Cấu trúc chân ra :

 Port 0 : Là port có hai chức năng nằm trên các chân từ 32 – 39 Khi sử dụng bộ nhớ trong thì nó như là một port I/O ( P0.0 → P0.7) Khi sử dụng bộ nhớ ngoài thì nó đóng vai trò như một bộ MUX địa chỉ/ data

 Port 1 :Là một port I/O trên các chân 1 – 8 (P1.0→ P1.7 ) nó chỉ được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoài và không có các chức năng khác

 Port 2: Là một port công dụng kép trên các chân 21 – 28 Khi sử dụng

bộ nhớ trong thì nó như là một port I/O đa dụng (P2.0→ P2.7), khi sử dụng bộ nhớ ngoài thì port 2 chính là byte cao của các đường địa chỉ (A8→ A15)

 Port 3: nằm trên các chân từ 10 đến 17 , ngoài chức năng chính là một I/O port đa dụng (P3.0 → P3.7) , mỗi chân của port 3 còn có các chức năng khác nhau, độc lập

 PSEN : (Program Store Enable): Chân 29, tích cực mức thấp trong chu

kỳ nhận lệnh , chỉ báo data trên bus là mã lệnh.Trong trường hợp sử dụng bộ nhớ chương trình trong thì PSEN không tích cực

 ALE :(Address Latch Enable ) : Chân 30 , tích cực mức cao trong nửa chu kỳ đầu chỉ báo dữ liệu trên port chính là địa chỉ byte thấp A0→ A7

 EA : (External Acess) : Chân 31 , cho phép chọn bộ nhớ chương trình trong hay ngoài

+ EA =0 : MCU sử dụng bộ nhớ chương trình ngoài

+ EA = 1 : MCU sử dụng bộ nhớ chương trình trong

 RST (Reset ): Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của AT89S52 , khi ngõ này lên mức cao (trong ít nhất hai chu kỳ máy ) các thanh ghi bên trong 8952 được đưa về trạng thái mặc định

2.4 IC LM358

 Sơ đồ chân:

Hình 2.2: Sơ đồ chân của LM358

 Mạch LM358 là bộ khuếch đại tín hiệu vào bên trong tích hợp 2 Op-amp khuếch đại thuật toán

 Khoảng điện áp cung cấp -0.3V đến +32V

 Dòng điện hoạt động ở +5V

 Đây là mạch khuếch đại có hồi tiếp

 Điện trở rất cao, cho nên không làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu cảm biến, khả năng chống nhiễu cao

 Nguyên lí hoạt động :

- Chân 3 và chân 5 được phân áp nhờ 2 trở 10K , nếu dùng nguồn 5V thì điện

áp tại chân 3 và chân 5 sẽ là 2.5V (người ta thường dùng mức này là mức chuẩn để so sánh ) ,Nhưng nên thay trở 10K ở trên bằng 1 biến trở thì tốt hơn Biến trở này có tác dụng thay đổi độ nhạy của LM358

- Chân 2 và chân 6 là chân có điện áp vào để so sánh Nếu điện áp tại chân 2 và chân 6 (V in) > điện áp tại chân 3 và chân 5 (V ref ) thì đầu ra tại chân 1 có mức logic

0 , và ngượclại Vin < Vref thì đầu ra có mức logic 1

2.5 Tổng quát về LCD

2.5.1 Hình dáng và kích thước

Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình 1 là hai loại LCD thông dụng

Hình 2.3: Hình dáng của LCD thông dụng Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh

RS (Register Select) – chọn làm thanh ghi Nếu RS = 0 thì thanh ghi mã lệnh

được chọn, cho phép người dùng gởi một lệnh chẳng hạn xóa màn hình, đưa con trỏ

về đầu dòng… Nếu RS = 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn và cho phép người dùng

gởi dữ liệu lên LCD

R/W (Read/Write) – Chân đọc – ghi

Chân đọc/ghi cho phép người dùng đọc/ghi thông tin lên LCD R/W = 0 thì đọc, còn R/W = 1 thì ghi

E (Enable) – Chân cho phép

Dùng để chốt thông tin hiện có trên chân dữ liệu Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức Cao - xuống - Thấp được áp đến chân E để LCD chốt

dữ liệu trên chân dữ liệu Độ rộng tối thiểu là 450ns

D0 – D7:

Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, được dùng để gởi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD

Để hiện thị chữ cái và con số, mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z, a đến z

và các con số 0 đến 9 được gởi đến các chân này khi bật RS = 1

Cũng có các mã lệnh được gởi đến LCD để xóa màn hình hoặc đưa con trỏ về đầu dòng hoặc nhấp nhấy con trỏ

4 Dịch con trỏ sang trái

5 Dịch con trỏ sang phải

6 Dịch hiển thị sang phải

7 Dịch hiển thị sang trái

8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị

A Tắt hiển thị, bật con trỏ

C Bật hiển thị, tắt con trỏ

E Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ

F Tắt hiển thị, nhấp nháy con trỏ

10 Dịch vị trí con trỏ sang trái

14 Dịch vị trí con trỏ sang phải

18 Dịch toàn bộ hiển thị sang trái 1C Dịch toàn bộ hiển thị sang phải

80 Đưa con trỏ về đầu dòng thứ nhất C0 Đưa con trỏ về đầu dòng thứ hai

38 Hai dòng và ma trận 5x7

cứ như vậy đến nút thứ 15

Hình 2.4: Sơ đồ kết nối ma trận phím

+ Đầu tiên cho các hàng ở mức 1 và các cột ở mức 0

+ Kiểm tra xem nào hàng nào được nhấn (khi nút được nhấn) tức là được nhận tín hiệu từ các cột

+ Nếu mà có 1 hàng bất kỳ được nhấn sau đó ta lại chuyển giá trị 0 vào hàng được nhấn và giá trị 1 vào các cột Khi đó cột lại nhận nhiệm vụ làm tín hiệu vào Nếu mà 1 trong các cột được nhấn (Khi nút được nhấn) trong các trường hợp này thì cho ra các giá trị tương ứng

+ Việc kiểm tra các hàng khác cũng tương tự như trên

Tuy nhiên qua trình nhấn phím còn nhiễu tín hiệu được nhấn phím cần khắc phục bằng code điều khiển hay kết nối thêm phần cứng chống dội cho ma trận phím

2.7 Tổng quan về các phương pháp đo lưu lượng chất lỏng

2.7.1 Cơ sở chung và phân loại các phương pháp đo lưu lượng

2.7.1.1 Cơ sở chung về đo lưu lượng chất lỏng

Lưu chất là các môi trường vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại dưới những điều khiện nhiệt độ, áp suất, thể tích được xác định bởi các định luật nhiệt động học Dưới tác dụng của lực bên ngoài, ví dụ sự chênh lệch áp suất, chất lưu sẽ chuyển động, chuyển động này được đặc trưng bởi dòng chảy với các thông số: vận tốc, khối lượng riêng, áp suất và nhiệt độ ở các điểm khác nhau của chất lưu, độ nhớt, độ khuếch tán nhiệt, nhiệt lượng riêng Thông số cần quan tâm nhất của sự chuyển động này là vận tốc và lưu lượng của chất lưu, khi đó thường xem các thông số còn

lại là không đổi Một trong số các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng các vật chất chảy qua ống dẫn

Lưu lượng vật chất là số lượng chất ấy chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian Muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống tự động các quá trình công nghệ cần phải được đo chính xác thể tích và lưu lượng các vật chất Việc đo lưu lượng là một phần thiết yếu trong mọi quá trình công nghiệp và trong các ngành công nghệ Đo lưu lượng đóng một vai trò vô cùng quan trọng cũng như việc đo nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng

Trong việc đo lưu lượng ta cần phân biệt hai đại lượng sau:

Lưu lượng được tính bằng thể tích trên một đơn vị thời gian

(t2 – t1) là khoảng thời gian đo

Trong quá trình sản xuất công nghiệp hóa chất, chế biến, điện năng lưu lượng tính bằng trọng khối cần biết nhưng cũng khó đo đạc hơn Trong một hệ thống khép kín, lưu lượng tính bằng trọng khối, lưu khối cố định trong khi đó lưu lượng được tính bằng thể tích thay đổi theo nhiệt độ và áp suất

Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bằng tính chất hóa lý và các yêu cầu công nghệ, do đó mà ta có nhiều phương pháp đo lưu lượng dựa trên những nguyên lý khác nhau Để thích ứng với các nhu cầu khác nhau trong công nghiệp, người ta đã phát triển rất nhiều phương pháp đo lưu lượng chất lỏng, hơi nước, chất khí

2.7.1.2 Phân loại thiết bị đo lưu lượng chất lỏng

Vận tốc và lưu lượng của chất lưu thường được đo gián tiếp thông qua ảnh hưởng của nó đến các đặc trưng vật lý của vật trung gian hoặc đến hiện tượng vật lý trong đó vận tốc, lưu lượng là một thông số và vật trung gian nơi xảy ra hiện tượng vật lý đó Vật trung gian có thể chính là chất lưu hoặc một phần tử cấu thành của cảm biến

Khi vật trung gian là bản thân chất lưu: thì vận tốc, lưu lượng của nó được xác định thông qua áp xuất động qua hiệu ứng Doppler tác động bởi laze hoặc siêu

âm và thời gian truyền qua của một đồng vị phóng xạ Trong trường hợp này phải sử dụng thêm các cảm biến thích hợp với các đại lượng trung gian cần đo là áp suất, ánh sáng, siêu âm, tia phóng xạ

Khi vật trung gian là một phần tử của cảm biến đặt trong chất lưu: thì vận tốc của chất lưu sẽ xác định một trong các đặc trưng vật lý của vật trung gian như: nhiệt

độ của vật trung gian, tốc độ quay của vật trung gian

Các phương pháp đo lưu lượng cơ bản gồm:

Lưu lượng kế cơ khí: lưu lượng kế cánh quạt-tuabin (Turbine flowmeters), Lưu lượng kế phao nổi (Variable-area flowmeters), lưu lượng kế bản chắn (Palette flowmeters)

Lưu lượng kế điện từ (Electro-magnetic flowmeters)

Lưu lượng kế tần số dòng xoáy

Lưu lượng kế khối lượng nhiệt

Lưu lượng kế đo độ giảm áp suất (Differential pressure flowmeters)

2.8 Các phương pháp đo lưu lượng

2.8.1 Lưu tốc kế cánh quạt (Turbine flowmeter):

a) Cấu tạo: gồm có cánh quạt 1 giống như cánh tua bin, quay trên giá đỡ 2

được gắn vào thanh đỡ 3 trong ống dẫn:

Hình 2.5: Cấu tạo của lưu tốc kế cánh quạt

Ổ đỡ 4 có tác dụng hạn chế tốc độ di chuyển của cánh quạt Trục cánh quạt được làm bằng vật liệu không dẫn từ trong đó gắn lõi thép 5 bằng vật liệu mềm

Bên ngoài ống đặt nam châm vĩnh cửu 6 trên nó quấn cuộn dây cảm ứng 7

b) Nguyên lý hoạt động: khi cánh quạt quay, từ thông của nam châm sẽ tăng

lên khi lõi thép 5 nằm dọc trục của nam châm và giảm xuống khi lõi thép nằm vuông góc với nó

Khi từ thông móc vòng trong cuộn dây cảm ứng thay đổi sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng Mỗi vòng quay từ thông tăng giảm hai lần nên tần số cảm ứng f trong cuộn dây cũng tăng gấp hai lần số vòng của trục Đo tần số f bằng tần số

kế, từ đó suy ra tốc độ dòng chảy

Với phương pháp trên sai số của thiết bị từ 1÷0,3% Nguyên nhân gây sai số

do quán tính của cánh quạt, ma sát giữa trục quay và giá đỡ

Có thể giảm sai số bằng cách giảm mômen quán tính của cánh quạt

2.8.2 Lưu tốc kế kiểu cảm ứng (Electro-magnetic flowmeters):

Hình 2.6: Cấu tạo lưu tốc kế cảm ứng:

Nguyên lý hoạt động: ống 1 được chế tạo bằng vật liệu không dẫn từ cho chất lỏng dẫn điện chảy qua Từ trường biến thiên do nam châm 2 tạo nên xuyên qua dòng chất lỏng cảm ứng một sức điện động Sức điện động này được lấy ra trên hai điện cực 3 và 4 và đưa vào thiết bị đo Độ lớn của sức điện động được tính:

v – Vận tốc của lưu chất trong ống dẫn

Sức điện động có thể biểu diễn qua lưu lượng của chất lỏng

nó không phụ thuộc vào sức cản phụ đối với dòng chất lỏng như lưu tốc cánh quạt

Sai số của thiết bị do xuất hiện sức điện động kí sinh hình thành ở các điện cực Sai số cơ bản trong khoảng 1÷2,5%

2.8.3 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy (Vortex Flow Metter):

Hình 2.7: Nguyên lý tần số dòng chảy

Tần số sự biến mất của dòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng dùng

để đo lưu lượng tính bằng thể tích Liên hệ giữa kích thước hình học vật cản, vận tốc lưu chất v và tần số biến mất của dòng xoáy f- tần số dòng xoáy được diễn tả trong hằng số Strouhal S:

S = fb/v

b - đường kính của vật cản

f - tần số dòng xoáy

v - vận tốc dòng xoáy

Hình 2.8: Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy Với điều kiện hằng số Strouhal S không phụ thuộc vào trị số Reynold ta có thể tích lưu lượng theo thể tích trên đơn vị thời gian được tính:

Công thức:

Qv = b.A.f/S

với A là diện tích cắt ngang của dòng chảy

Để hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định và lập lại thật tốt yêu cầu vật cản phải đáp ứng đủ một số điều kiện Hình dáng một số vật cản được trình bày dưới đây:

Hình 2.9: Hình dáng vật cản dùng trong phương pháp do lưu lượng bằng tần số

dòng chảy

Hình dáng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng trị số Reynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số Với vật cản có hình dạng lăng kính, ta có trị số S khá ổn định trong suốt một dải trị số Reynold khá rộng do vậy các thiết bị đo được bán trên thị trường thường có vật cản hình lăng kính

Tần số dao động của vận tốc có thể được đo với nhiều phương pháp khác nhau Cũng có thể đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãn hoặc đo các dòng xoáy với sóng siêu âm Lực tác dụng lên vật cản có hướng thẳng góc với dòng chảy

và trục của vật cản và được đo bằng các cảm ứng áp điện

2.8.3.2 Đặc điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:

Phương pháp này rất kinh tế và có độ tin cậy cao Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay sự hư hỏng nhẹ của vật cản Đường biểu diễncủa nó tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng Sai số phép đo rất bé Khoảng

đo lưu lượng tính bằng thể tích từ 3 đến 100%

Một tính chất rất đặc biệt của phép đo bằng dòng xoáy là nó độc lập với các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy Sau một lần chỉnh định, sau đó ta không cần chỉnh định lại với từng loại lưu chất

Một ưu điểm nữa là các thiết bị đo lưu lượng bằng dòng xoáy không có bộ phận cơ học chuyển động và sự đòi hỏi về cấu trúc khá đơn giản

Lưu lượng kế kiểu xoáy được dùng để đo các lưu chất là chất lỏng, khí và hơi (trừ các lưu chất có độ nhớt quá lớn) với độ chính xác tương đối cao:

Lưu chất Độ chính xác

Bảng 3: Độ chính xác của lưu lương kế kiểu xoáy

Các yếu tố cần quan tâm khi sử dụng lưu lượng kế kiểu xoáy là: cách lắp đặt, nhiệt độ lưu chất, tỷ trọng và độ nhớt của lưu chất, các yếu tố nhiễu do rung động

Ví dụ: lưu lượng kế kiểu xoáy YEWFLO của hang Yokogawa – Nhật Bản: Với : Q – lưu lượng tỷ lệ

d – độ rộng của thanh tạo xoáy

d – đường kính bên trong của YEWFLO

Hình 2.10: Cấu tao của cảm biến YEWFLO

1 Bộ chuyển đổi 2 Miếng đệm

3 Thành phần cảm biến 4 Thanh tạo xoáy

5 Màn hình hiển thị tín hiệu đầu ra 6 Dây tín hiệu cảm biến Thanh tạo xoáy sẽ tạo ra các lực nâng có ứng suất thay đổi Tần số của các thay đổi về ứng suất này tức là tần số xoáy sẽ được phát hiện bởi các thành phần áp điện được hàn kín trong trong thanh tạo xoáy Có 2 thành phần áp điện để phân biệt các lực tạo ra bởi xoáy và các lực tạo ra do những yếu tố khác Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi các lực xoáy thành các tín hiệu điện được đưa tới bộ chuyển đổi để xử lý

Những thành phần này được đặt trong thanh tạo xoáy và không tiếp xúc với lưu chất như hình sau:

Hình 2.11: Cấu tạo thanh tạo xoáy

2.8.3.3 Các quy định về lắp đặt lưu lượng kế tần số dòng xoáy

 Việc lắp đặt lưu lượng kế tần số dòng xoáy phải tuân theo các quy tắc sau:

Lắp lưu lượng kế theo chiều mũi tên cùng chiều dòng chảy vào.Phải đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa lưu lượng kế với các đoạn nối vớicác điểm nối khác (van, đoạn cong…) theo chiều xuôi và chiều ngược dòng chảyđể thu được các tín hiệu đầu vào chính xác nhất (D là đường kính của lưu lượng kế)

Việc lắp đặt các điểm đo áp suất và nhiệt độ trên cùng một đường ống với lưu lượng kế có quy định về khoảng cách

Không đo những chất lỏng có chứa cả các chất rắn như cát, sỏi… loại bỏđịnh

kỳ các vật rắn bám vào thanh chắn

Có thể đo được lưu lượng khí, chất lỏng hay hơi khi không có sự biến đổi trạng thái Tuy nhiên thường không thể đo các lưu chất khi dòng chảy có tạp chất, dòng chảy phân tầng hoặc dòng chảy có bọt khí

Hình 2.12: Qui định khoảng cách lắp đặt lưu lượng kế

Khoảng cách tối thiểu giữa lưu lượng kế với các đoạn nối với các điểm nối khác

Hình 2.13: Qui định khoảng cách lắp đặt giữa các lưu lượng kế Khoảng cách lắp đặt các điểm đo áp suất và nhiệt độ trên cùng một đường ống với lưu lượng kế

Tốt nhất là lưu lượng kế và đường ống phải có cùng đường đường kính Trong trường hợp không tránh khỏi phải khác nhau thì đương kính của lưu lượng kế phải nhỏ hơn đường kính ống

Hình 2.14: Khoảng cách cần thiết để lắp đặt lưu lượng kế

Để đo được chính xác lưu lượng của lưu chất thì yêu cầu phải đo với những đường ống luôn đầy nước như hình minh họa

Hình 2.15: Qui định về lưu chất đối với hoạt động của cảm biến

Các lưu chất chứa cả chất lỏng và chất khí sẽ gây ra các lỗi trong quá trình

đo, Phải tránh các bọt khí tạo ra trong chất lỏng vì vậy mà đường ống phải lắp xuôi dòng chảy vì sự giảm áp suất khi dòng chảy qua van sẽ làm các bọt khí thoát đi

ở chổ nào có thông gió, không lắp đặt lưu lượng kế trong môi trường dễ bị ăn mòn

Không được cho lưu lượng kế vào trong bất ký một chất lỏng nào

Nên lắp đặt lưu lượng kế trong những môi trường hận chế thấp nhất mức va chạm và chấn động