Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 7 - ThS. Trần Văn Lợi

Chương 7<br /> ĐO LƯU LƯỢNG, VẬN TỐC CHẤT LƯU VÀ MỨC<br /> 7.1<br /> 7.1.1<br /> <br /> ĐO LƯU LƯỢNG VÀ VẬN TỐC<br /> Khái niệm chung<br /> <br /> Chất lưu là loại vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại ở nhiệt độ, áp suất nhất định. Dưới<br /> tác động của ngoại lực hoặc có độ chênh áp suất chất lưu có thể chuyển động.<br /> Lưu lượng vật chất là số lượng chất đó chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một<br /> đơn vị thời gian.<br /> Lưu lượng tức thời được tính theo công thức:<br /> Q=<br /> <br /> dv<br /> dt<br /> <br /> Lưu lượng khối tức thời được tính theo công thức:<br /> G=<br /> <br /> dm<br /> dt<br /> <br /> Trong đó v: thể tích; m: khối lượng.<br /> Lưu lượng trung bình được tính:<br /> Qtb = v(t2 - t1 )<br /> <br /> Thể tích:<br /> t2<br /> <br /> V = ò Qdt<br /> t1<br /> <br /> Khối lượng:<br /> t2<br /> <br /> m = ò Gdt<br /> t1<br /> <br /> Trong đó: t1- thời điểm đầu; t2- thời điểm cuối.<br /> Đơn vị đo theo thể tích: m3/s hoặc m3/giờ;<br /> Đơn vị đo theo khối lượng: kg/s, kg/giờ hoặc tấn/giờ…<br /> 7.1.2<br /> <br /> Đo lưu lượng bằng phương pháp đếm xung<br /> <br /> Nguyên lý làm việc dựa trên số vòng quay của tua bin trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với<br /> tốc độ dòng chảy.<br /> n=k.v<br /> n- số vòng quay của tua bin<br /> k- hệ số<br /> v- vận tốc dòng chảy qua tiết diện của ống<br /> Lưu lượng thể tích qua ống dẫn được tính theo công thức:<br /> Q=v.S<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 78<br /> <br /> Suy ra:<br /> Q=<br /> <br /> S<br /> n = k'n<br /> k<br /> <br /> S- tiết diện dòng chảy<br /> k, k’- hệ số phụ thuộc vào đặc tính và cấu tạo của cảm biến.<br /> <br /> Hình 7.1<br /> Hình 7.1 là sơ đồ thiết bị đo, trong đó gồm tua bin cánh quạt (1) quay trên giá đỡ (3), ổ<br /> đỡ (2) và (4) có tác dụng làm giảm độ dịch chuyển của cánh tua bin. Trục tua bin làm bằng vật<br /> liệu không dẫn từ, có gắn lõi thép (5) làm bằng vật liệu dẫn từ. Bên ngoài ống là một cảm biến<br /> ứng gồm nam châm vĩnh cửu (6) và cuộn dây cảm ứng (7).<br /> Khi tau bin quay, từ thông của nam châm sẽ tăng lên khi lõi thép nằm dọc trục của nam<br /> châm và giảm đi khi lõi thép nằm vuông góc với nó.<br /> Khi tử thông móc vòng trong cuộn dây thay đổi sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng:<br /> E = -w<br /> <br /> df<br /> dt<br /> <br /> Mỗi vòng quay của tua bin từ thông tăng giảm hai lần và tần số cảm ứng f trong lõi cũng<br /> tăng giảm hai lần.<br /> Việc đo tốc độ vòng quay có thể thực hiện theo hai phương pháp:<br /> §<br /> <br /> Biến đổi tần số thành điện áp (f→v), chỉ thị điện áp tỉ lệ với số vòng quay và xác định<br /> được lưu lượng cần đo.<br /> <br /> §<br /> <br /> Đo tốc độ vòng quay bằng tần số kế (đếm xung) để xác định lưu lượng cần đo<br /> Với phương pháp trên sai số đạt từ ±1-0,3%<br /> Phạm vi đo từ 0,5 đến 150000 lit/phút với chất lỏng và 5 đến 100000 lit/phút đối với chất<br /> <br /> khí.<br /> 7.1.3<br /> <br /> Đo lưu lượng kế bằng phương pháp chênh áp<br /> <br /> Một trong những phương pháp phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là phương<br /> pháp thay đổi độ giảm áp suất qua ống thu hẹp (hình 7.2).<br /> Khi dòng chảy qua một ống dẫn có đặt một thiết bị thu hẹp tốc độ của dòng chảy sau lỗ<br /> thu hẹp sẽ tăng lên so với tốc độ phía trước lỗ thu hẹp vì vậy áp suất ở phía sau thiết bị thu hẹp bị<br /> giảm xuống tạo nên tạo nên sự chênh lệch áp suất phía trước và phía sau thiết bị thu hẹp. Độ lệch<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 79<br /> <br /> áp suất phụ thuộc vào tốc độ của dòng chất lưu mà lưu lượng của nó lại phụ thuộc vào tốc độ<br /> dòng chảy do đó lưu lượng qua thiết bị thu hẹp tỷ lệ với độ chênh áp suất.<br /> <br /> Hình 7.2<br /> Gọi P1 là áp suất ở thành ống phía trước thiết bị thu hẹp và P2 là áp suất ở thành ống phía<br /> sau thiết bị thu hẹp, ta có quan hệ giữa lưu lượng khối G và lưu lượng Q của dòng chảy được<br /> biểu diễn:<br /> G =a<br /> Q =a<br /> <br /> Trong đó:<br /> <br /> α- hệ số;<br /> <br /> pd 2<br /> 2 r ( p1 - p2 )<br /> 4<br /> pd 2<br /> 4<br /> <br /> 2<br /> ( p1 - p2 )<br /> r<br /> <br /> d- đường kính lỗ hẹp;<br /> <br /> ρ- mật độ dòng chảy<br /> Để đo độ chênh áp có thể sử dụng các cảm biến thông thường như cảm biến áp trở, biến<br /> áp vi sai, điện dung… kết hợp với các khâu trung gian như màn đàn hồi, thanh dẫn, ống xi phông<br /> tương tự như đo áp suất.<br /> Hình 7.3 là sơ đồ dùng cảm biến đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp. Áp suất P1 và<br /> P2 qua ống dẫn được đưa vào hai phía màng đàn hồi. Cảm biến hỗ cảm có lõi thép di chuyển<br /> được gắn với màng. Bình thường chưa có dòng chảy áp suất P1=P2 màng đàn hối đứng yên lõi<br /> thép nằm giữa hai cuộn dây thứ cấp của biến áp do đó tín hiệu ra bằng không. Khi có dòng chảy<br /> qua thiết bị thu hẹp áp suất P1 tăng, P2 giảm tạo nên độ chênh áp suất ∆P= P1 –P2 làm cho màn<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 80<br /> <br /> đàn hồi di chuyển kéo theo lõi của biến áp vi sai di chuyển theo do đó sức điện động đầu ra của<br /> cảm biến tăng với tỉ lệ độ chênh áp suất. Đo sức điện động có thể xác định được lưu lượng của<br /> dòng chảy.<br /> <br /> Hình 7.3<br /> 7.2<br /> <br /> ĐO MỨC<br /> <br /> Mục đích việc đo và phất hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối lượng chất lưu<br /> trong bình chứa. Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.<br /> Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong<br /> bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin<br /> về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không.<br /> Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:<br /> §<br /> §<br /> <br /> Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.<br /> <br /> §<br /> <br /> 7.2.1<br /> <br /> Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện.<br /> Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.<br /> <br /> Phương pháp thuỷ tĩnh<br /> <br /> Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa. Trên hình 7.4 giới thiệu<br /> một số sơ đồ đo mức bằng phương pháp thuỷ tĩnh.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 81<br /> <br /> Trong sơ đồ hình 7.4a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5) bằng dây<br /> mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống<br /> lµm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với<br /> mức chất lưu.<br /> Trong sơ đồ hình 7.4b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được treo<br /> bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực F tỉ lệ với<br /> chiều cao chất lưu:<br /> F = P − ρgSh<br /> Trong đó:<br /> P - trọng lượng phao.<br /> h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao.<br /> S - tiết diện mặt cắt ngang của phao.<br /> ρ - khối lượng riêng của chất lưu.<br /> g – gia tốc trọng trường<br /> Trên sơ đồ hình 9.9c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình<br /> chứa. Một mặt của mµng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:<br /> p = p0 + ρgh<br /> Mặt khác của mµng cảm biến chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh bình chứa.<br /> Chênh lệch áp suất p - p0 sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng. Biến<br /> dạng của mµng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa, được chuyển đổi thµnh tín<br /> hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 82<br /> <br />