Đang tải... (xem toàn văn)
Trên thực tế không có thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian học tập môn học Đo lường và cảm biến em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô bộ môn và đặc biệt là thầy Hà Văn Phương. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô đã cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập, cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ đề tài này của em sẽ rất khó để hoàn thiện được. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy. Bài thu hoạch này được thực hiện trong khoảng thời gian khoảng ngắn. Bước đầu đi vào thực tế kiến thức của em còn hạn chế. Do vậy không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chúc các thầy thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG Giáo viên hướng dẫn: Hà Văn Phương Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nhật Vương Bá Quang Trần Hồng Quyền Nguyễn Văn Quyết Nguyễn Đình Sang Nguyễn Hồng Sơn Lớp: Điện CLC K9 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG….6 1.1 Khái niêm lưu lượng đo lưu lượng………………………………………6 1.1.1 Khái niệm…………………………………………………………………6 1.1.2 Đo lưu lượng…………………………………………………………… 1.2 Các phương pháp đo lưu lượng…………………………………………… 1.2.1 Đo lưu lượng phương pháp chênh lệch áp suất…………………… 1.2.2 Đo lưu lượng phương pháp từ tính…………………………………10 1.2.3 Đo lưu lượng phương pháp siêu âm……………………………… 12 CHƯƠNG 2: MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG…………………………….15 2.1 Hình vẽ sơ đồ hệ thống…………………………………………………15 2.2 Nguyên lý làm việc……………………………………………………… 16 CHƯƠNG 3: LIỆT KÊ CÁC CẢM BIẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP CHỌN CẢM BIẾN…………………………………………………………………………….17 3.1 Liệt kê cảm biến……………………………………………………… 17 3.1.1 Cảm biến lưu lượng……………………………………………………….17 3.2 Các phương pháp chọn cảm biến……………………………………………17 3.2.1 Một số cảm biến đo lưu lượng…………………………………………….17 3.2.2 Cảm biến mức…………………………………………………………… 23 CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG 4.1 Cơ sở lý thuyết………………………………………………………………28 4.1.1 Lựa chọn cảm biến lưu lượng…………………………………………… 28 4.1.2 Lựa chọn cảm biến mức………………………………………………… 28 4.2 Lựa chọn cảm biến………………………………………………………… 30 4.2.1 Tính chọn cảm biến lưu lượng điện từ…………………………………….30 4.2.2 Cảm biến mức chất lỏng bể chứa………………………………… 31 4.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống……………………………………………………31 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển LỜI CẢM ƠN Trên thực tế thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian học tập môn học "Đo lường cảm biến" em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ thầy cô môn đặc biệt thầy Hà Văn Phương Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô cho chúng em tiếp cận với môn học mà theo em hữu ích sinh viên Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập, buổi nói chuyện, thảo luận Nếu lời hướng dẫn, dạy bảo thầy em nghĩ đề tài em khó để hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy Bài thu hoạch thực khoảng thời gian khoảng ngắn Bước đầu vào thực tế kiến thức em hạn chế Do tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện Cuối em xin chúc thầy thật dồi sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển ĐỀ TÀI: Hệ thống đo điều khiển lưu lượng chất lưu Bài tập lớn môn Đo lường & Cảm biến Hệ thống đo điều khiển lưu lượng chất lỏng hình vẽ: Giới hạn điều kiện: Chất cần bơm nước (điều kiện thường) Ống kim loại cứng, đường kính 18cm Dải đo lưu lượng (0-1500 lít/giờ) Bể chứa cao 2m Thông số cần giám sát lưu lượng nước chảy qua ống mức nước bể chứa Đối tượng điều khiển Bơm Van Sai số yêu cầu 2% Yêu cầu: Trình bày tổng quan phương pháp đo lưu lượng chất lưu? Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống? Liệt kê cảm biến có hệ thống Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống? Trình bày loại cảm biến lựa chọn ? (Nguyên lý hoạt động, số lượng cảm biến) Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến tính toán, xử lý, đo tín hiệu đầu cảm biến để tác động đến đối tượng điều khiển? Đánh giá sai số hệ thống (giớ hạn, nguyên nhân biện pháp khắc phục) Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG 1.1 Khái niệm lưu lượng đo lưu lượng 1.1.1 Khái niêm Lưu lượng chất lỏng qua mặt cắt ngang lòng dẫn ống dẫn đại lượng đo thể tích chất lỏng chuyển động qua mặt cắt đơn vị thời gian - Lưu lượng thể tích (Q) tính m3/s, m3/giờ - Lưu lượng khối (G) tính kg/s, kg/giờ Lưu lượng trung bình khoảng thời gian Δt = t - t1 xác định biểu thức: Trong ΔV, Δm thể tích khối lượng chất lưu chảy qua ống thời khoảng gian khảo sát Lưu lượng tức thời xác định theo công thức: 1.1.2 Đo lưu lượng Đo lưu lượng thực chất đo lưu lượng chất lỏng chảy qua ống dẫn đơn vị thời gian Để đo lưu lượng người ta dùng lưu lượng kế Tuỳ thuộc vào tính chất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng lưu lượng kế khác Nguyên lý hoạt động lưu lượng kế dựa sở: - Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ khoảng thời gian xác định Δt Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển - Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ lưu lượng hàm vận tốc - Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp dòng chảy, lưu lượng hàm phụ thuộc độ giảm áp Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện nhờ chuyển đổi điện thích hợp 1.2 Các phương pháp đo lưu lượng chất lỏng Để đo lưu lượng chất lỏng ta có nhiều phương pháp sau: - Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất - Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính - Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm 1.2.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất Lưu lượng kế loại hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức chênh lệch áp suất xảy chỗ thắt ngẫu nhiên đường chảy, dựa vào chênh áp suất để tính toán vận tốc dòng chảy Cảm biến lưu lượng loại thường có dạng lỗ orifice, ống pitot ống venture Hình thể loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ tạo nút thắt dòng chảy Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc chất lỏng khỏi lỗ tròn lớn vận tốc chất lỏng đến lỗ Theo nguyên lý Bernoulli, điều có nghĩ áp suất phía mặt vào cao áp suất mặt Tiến hành đo chênh lệch áp suất cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy Dựa vào vận tốc dòng chảy tính lưu lượng thể tích dòng chảy Phương trình Bernoulli Hình Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Giả sử ống nằm ngang (bỏ qua khác độ cao điểm đo) Phương trình Bernoulli biểu diễn Trong đó: : Áp suất ρ: Khối lượng riêng chất lỏng : Vận tốc chất lỏng Phương trình liên tục Trong đó: Q: Lưu lượng : Diên tích Kết hợp hai phương trình trên: Nếu biết diện tích lưu lượng chất lỏng tính toán sựa chênh lệch áp suất Đo lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất phương pháp phổ biến, 50% dụng cụ đo dựa vào phương pháp Nguyên tắc vận hành dựa giảm áp suất chất lỏng qua máy đo tương ứng với diện tích dòng chảy Các máy đo lưu lượng dựa nguyên tắc phần lớn thiết bị đo có hai phận: phận sơ cấp phận thứ cấp: gây biến đổivề động lực để tạo khác biệt áp suất ống dẫn phù hợp với kích thước ống dẫn, điều kiện dòng chảy, tính chất chất lỏng đo xác giớ hạn cho phép Orifice plate: Đĩa có đục lỗ sử dụng phổ biến Đó nhữn đĩa kim loại, tương đối phẳng với lỗ biết kích thước Hình dạng lỗ khác nhau: hình tròn, oval, bán nguyệt hay hình côn Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Khi đo dạc lắp ống dẫn nước, đóng vai trò phận sơ cấp, cản trở dòng chảy để tạo khác biệt áp suất chất lỏng qua Ống thông đặt hai phía đĩa để xác định chênh lệch áp suất Sự tiện lợi dụng cụ này: phần chuyển động chi phí không phụ thuộc vào kích thước dây dẫn Các thiết bị để đo chất lỏng với hệ số Reynol thấp Những đĩa có lỗ hình côn có dòng vào nghiêng, độ sâu góc phải xác định Đĩa có lỗ hình bán nguyệt dùng để đo lưu lượng chất lỏng có chứa loại chất rắn với hệ số Reynold thấp Lưu lượng chất lỏng tương quan với giám sát áp suất quan hệ bậc hai Nó đơn giản có kích thước lỗ xác định Mức giảm áp lực qua tiết diện nửa đĩa truyền thống Venturi: Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Có thể đo lưu lượng lớn chất lỏng với mức áp lực thấp Nó ống có đầu vào nhỏ dần sau đoạn thẳng Khi chất lỏng qua phần nhỏ vận tốc tăng lên áp suất giảm Sauu đoạn ống thẳng vận tốc giảm dần áp suất tăng Ta đo áp suất hai điểm: điểm trước đoạn thu hẹp điểm sau đoạn ống thẳng tức trước ống mở rộng Kênh Venturi sử dụng rộng rãi phần động cản trở dòng chảy không lớn nên gây tổn thất áp lực nhỏ không ảnh hưởng đến dòng chảy 1.2.2 Đo lưu lượng phương pháp từ tính Nguyên tắc để đo lưu lượng phương pháp từ tính dựa tượng cảm ứng điện từ định luật Faraday Một dung dịch dẫn qua vùng từ (dung dịch có khả dẫn điện), vận động phần tử dung dịch làm cho từ thông gửi qua cuộn dây bị biến đổi dây xuất sứa điện động cảm ứng Sức điện động phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy trung bình độ lớn vùng cảm ứng từ E~v Suất điện động tính theo công thức sau: 10 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển 1: Bộ chỉnh dòng chảy 2: Tuabin 3: Bộ truyền bánh răng-trục vít 4: Thiết bị đếm Tốc độ quay công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy: n=k.W Trong đó: k - hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo công tơ W- tốc độ dòng chảy Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua công tơ: Q=W.F=.n Với: F - tiết diện dòng chảy n - tốc độ quay tuabin (số vòng quay giây) Nếu dùng cấu đếm để đếm tổng số vòng quay công tơ khoảng thời gian từ t1 đến t2 nhận thể tích chất lỏng chảy qua công tơ: Hay: 19 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Với Công tơ tốc độ tuabin hướng trục với đường kính tuabin từ 50 - 300 mm có phạm vi đo từ 50 - 300 m3/giờ, cấp xác 1; 1,5; c) Công tơ tua bin tiếp tuyến Để đo lưu lượng nhỏ người ta dùng công tơ tốc độ kiểu tiếp tuyến có sơ đồ cấu tạo hình 20.16 Tuabin công tơ (1) đặt trục quay vuông góc với dòng chảy Chất lưu qua màng lọc (2) qua ống dẫn (3) vào công tơ theo hướng tiếp tuyến với tuabin làm quay tuabin Cơ cấu đếm liên kết với trục tuabin để đưa tín hiệu đến mạch đo Hình 20.16: Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến 1) Tuabin 2) Màng lọc 3) ống dẫn từ Công tơ kiểu tiếp tuyến với đường kính tuabin từ 15 - 40 mm có phạm vi đo 3-20m3/giờ, cấp xác 2; d) Lưu lượng kế màng chắn * Nguyên lý đo Các cảm biến loại hoạt động dựa nguyên tắc đo độ giảm áp suất dòng chảy qua màng ngăn có lỗ thu hẹp Trên hình 20.17 trình bày sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng dùng màng ngăn tiêu chuẩn Khi chảy qua lỗ thu hẹp màng ngăn, vận tốc chất lưu tăng lên đạt cực đại (W2) tiết diện B-B, tạo chênh áp trước sau lỗ thu hẹp Sử dụng áp kế vi sai đo độ chênh áp xác định lưu lượng dòng chảy 20 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Giả sử chất lỏng không bị nén, dòng chảy liên tục, vận tốc cực đại dòng chảy tiết diện B-B xác định theo biểu thức: = Trong đó: p1, p2 - áp suất tĩnh tiết diện Aưa B-B ρ - tỉ trọng chất lưu ξ - hệ số tổn thất thuỷ lực m - tỉ số thu hẹp màng ngăn, m = F0/F1 μ - hệ số thu hẹp dòng chảy, μ = F2 /F0 Thường người ta không đo độ giảm áp Δp’ = p’ - p’2 tiết diện Aưa BB, mà đo độ giảm áp Δp = p1 - p2 trước sau lỗ thu hẹp Quan hệ Δp’ Δp có dạng: Khi đó: = lưu lượng khối lượng chất lưu: G=W2F2 ρ= W2μF0ρ= Hay: G=αF0 Với: α= gọi hệ số lưu lượng Từ biểu thức F0 = πd2/4, ta nhận công thức xác định lưu lượng khối (G) lưu lượng thể tích (Q) dòng chất lưu: G= α Q= α Trong trường hợp môi trường chất lưu chịu nén, áp suất giảm, chất lưu giản nở, làm tăng tốc độ dòng chảy so với không chịu nén, phải đưa thêm vào hệ số hiệu chỉnh ε (ε < 1), phương trình có dạng: G=cα Q= cα 21 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển đây: c=( số ρ - tỉ trọng chất lưu cửa vào lỗ thu hẹp Đối với dòng chất lưu có trị số Reynol nhỏ giá trị tới hạn, đo dùng màng ngăn lỗ thu hẹp tiêu chuẩn hệ số lưu lượng số Trong trường hợp này, người ta dùng màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt màng ngăn có lỗ côn (hình 10.18a), giclơ hình trụ (hình 20.18b), giclơ cong (hình 20.18c) Trên sở thực nghiệm người ta xác định hệ số lưu lượng cho lỗ thu hẹp xem không đổi phạm vi số Reynol giới hạn dùng để đo lưu lượng dòng chảy chất lưu có số Reynol nhỏ e) Lưu lượng kế điện từ Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday dùng để đo dòng chảy chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ để tạo từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2) Theo định luật Faraday, chất lỏng chảy qua đường ống sinh điện áp cảm ứng Điện áp lấy hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độ dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo Cuộn dây tạo từ trường B kích hoạt nguồn AC DC Khi kích hoạt nguồn AC - 50Hz, cuộn dây kích thích tín hiệu xoay chiều Điều có thuận lợi dòng tiêu thụ nhỏ so với việc kích hoạt nguồn DC Tuy nhiên phương pháp kích hoạt nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do đó, gây sai số tín hiệu đo Hơn nữa, trôi lệch điểm “không” thường vấn đề lớn hệ đo cấp nguồn AC chỉnh Bởi vậy, phương pháp kích hoạt nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường giải pháp mang lại hiệu cao Nó giúp giảm dòng tiêu thụ giảm nhẹ vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC 22 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến điểm sau: - đo chất lỏng có khả dẫn điện; - chọn lựa điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống cách lắp đặt; - tổn hao hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp; - độ xác cao, sai số ±1% dải thị lưu lượng; 3.2.2 Cảm biến mức a) Mục đích phương pháp đo Mục đích việc đo phất mức chất lưu xác định mức độ khối lượng chất lưu bình chứa Có hai dạng đo: đo liên tục xác định theo ngưỡng Khi đo liên tục biên độ tần số tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu lại bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin tình trạng mức ngưỡng có đạt hay không Có ba phương pháp hay dùng kỹ thuật đo phát mức chất lưu: - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện - Phương pháp điện dựa tính chất điện chất lưu 23 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển - Phương pháp xạ dựa tương tác xạ chất lưu • Phương pháp thủy tĩnh Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu bình chứa Trên hình 20.20 giới thiệu số sơ đồ đo mức phương pháp thuỷ tĩnh Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh a) Dùng phao cầu sai b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi Trong sơ đồ hình a, phao (1) mặt chất lưu nối với đối trọng (5) dây mềm (2) qua ròng rọc (3), (4) Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1) nâng lên hạ xuống làm quay ròng rọc (4), cảm biến vị trí gắn với trục quay ròng rọc cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu Trong sơ đồ hình b, phao hình trụ (1) nhúng chìm chất lưu, phía treo cảm biến đo lực (2) Trong trình đo, cảm biến chịu tác động lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu: F = P - ρgSh Trong đó: P - trọng lượng phao h - chiều cao phần ngập chất lưu phao S - tiết diện mặt cắt ngang phao ρ - khối lượng riêng chất lưu g - gia tốc trọng trường 24 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Trên sơ đồ hình hình c, sử dụng cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình chứa Một mặt màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra: p = p0 + pgh Mặt khác màng cảm biến chịu tác động áp suất p áp suất đỉnh bình chứa Chênh lệch áp suất p - p sinh lực tác dụng lên màng cảm biến làm biến dạng Biến dạng màng tỉ lệ với chiều cao h chất lưu bình chứa chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ biến đổi điện thích hợp • Phương pháp điện Các cảm biến đo mức phương pháp điện hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện chất lưu Các cảm biến thường dùng cảm biến dộ dẫn cảm biến điện dung • Phương pháp xạ Cảm biến xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm thích hợp đo mức điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao môi trường có tính ăn mòn mạnh Trong phương pháp cảm biến gồm nguồn phát tia (1) thu (2) đặt hai phía bình chứa Nguồn phát thường nguồn xạ tia γ (nguồn 60Co 137Cs), thu buồng ion hoá Ở chế độ phát mức ngưỡng, nguồn phát thu đặt đối diện vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia nguồn phát mảnh gần song song Tuỳ thuộc vào mức chất lưu (3) cao hay thấp mức ngưỡng mà chùm tia đến thu bị suy giảm không, thu phát tín hiệu tương ứng với trạng thái so với mức ngưỡng Ở chế độ đo mức liên tục, nguồn phát (1) phát chùm tia với góc mở rộng quét lên toàn chiều cao mức chất lưu cần kiểm tra thu 25 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Cảm biến đo mức tia xạ a) Cảm biến phát ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục 1) Nguồn phát tia xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu Khi mức chất lưu (3) tăng hấp thụ chất lưu tăng, chùm tia đến thu (2) bị suy giảm, tín hiệu từ thu giảm theo Mức độ suy giảm chùm tia xạ tỉ lệ với mức chất lưu bình chứa b) Các loại cảm biến - Cảm biếnđộ dẫn Các cảm biến loại dùng để đo mức chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50μScm-1) Trên hình 20.22 giới thiệu số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng a) Cảm biến hai điện cực b) Cảm biến điện cực c) Cảm biến phát mức 26 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Sơ đồ cảm biến hình a gồm hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, điện cực nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh tượng phân cực điện cực) Dòng điện chạy qua điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài phần điện cực nhúng chìm chất lỏng Sơ đồ cảm biến hình b sử dụng điện cực, điện cực thứ hai bình chứa kim loại Sơ đồ cảm biến hình c dùng để phát ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực lại nối với thành bình kim loại,vị trí điện cực ngắn ứng với mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện mạch thay đổi mạnh biên độ - Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng chất cách điện, tạo tụ điện hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng điện cực kết hợp với điện cực thứ hai thành bình chứa thành bình làm kim loại Chất điện môi hai điện cực chất lỏng phần điện cực bị ngập không khí phần chất lỏng Việc đo mức chất lưu chuyển thành đo điện dung tụ điện, điện dung thay đổi theo mức chất lỏng bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp số điện môi chất lỏng phải lớn đáng kể số điện môi không khí (thường gấp đôi) Trong trường hợp chất lưu chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng điện cực kim loại bên có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai 27 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển CHƯƠNG IV: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG Cơ sở lý thuyết 4.1 4.1.1 Lựa chọn cảm biến lưu lượng Việc lựa chọn dụng cụ không thích hợp giải thích đến 90% vấn đề thường mắc phải với máy đo lưu lượng Yêu cầu quan trọng việc lựa chọn mợt cảm biến hiểu biết cách xác mà dụng cụ phải thực Dưới câu hỏi quan trọng cần phải đặt suốt trình lựa chọn cảm biến: - 4.1.2 Có phải phép đo áp dụng để điều khiển trình công nghệ mà mối quan tâm chủ yếu khả lặp lại repeatability, nhằm lí giải accounting khảo sát chuyền chuyển custody transfer, mà độ xác cao quan trọng? Chỉ thị kết chỗ hay liệu có cần tín hiệu từ xa remote không? Nếu đòi hỏi phải có đầu từ xa phải tín hiệu tỷ lệ tín hiệu đong mở tiếp điểm để kích hoạt ngưng dụng cụ khác? Chất lỏng cần đo chất sạch, chất dẻo dinhsm sền sệt, chất hồ cement, bùn phân bón dạng sệt? Chất lingr cần đo liệu có dẫn điện? Đặc tính trọng lượng hay mật độ đặc trưng chất lỏng cần đo gì? Phạm vi (độ lớn) lưu lượng liên quan đến ứng dụng nào? Nhiệt độ áp suất vận hành trình nào? Liệu có phải tính đến số độ xác, phạm vi độ lớn, độ tuyến tính , tính lặp lại, yêu cầu đường ống dẫn? Lựa chọn cảm biến mức Khi lựa chọn phương pháp cho ứng dụng cụ thể đó, phải yws dến nhiều yếu tố giá thành ban đầu Nhưng yếu ố quan trọng ứng dụng đo mức mà nhà sản xuất cảm biến cần thiết là: - Tên đặc trưng vật liệu cần đo, liệu có phải chất rắn hay lỏng,dạng sệt, dạng bột hay dạng hạt Hằng số điện môi k đặc tính quan trọng đặc biệt, mật độ, độ nhớt, độ dẫn nhiệt, tính tuong thích (dầu mỡ, nước…) - Thông tin trình, áp suất nhiệt độ, mức dộ chảy rối, vật liệu bể bình chứa 28 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển - Những yêu càu công suất - Ứng dụng chủ yếu bình chứa có chứa vật liệu cần đo, (tích trữ, tách lọc nước, hầm chứa, …), kích cỡ, hình dạng nó, vị trí vật ngăn (nếu có) 4.2 Lựa chọn cảm biến 4.2.1 Tính chọn cảm biến lưu lượng điện từ Với chất lưu nước, ống kim loại cứng đường kính 18cm nhóm lựa chọn sử dụng cảm biến FDT-81 cho phép hiển thị trực tiếp lưu lượng chất lỏng qua đường ống vào bể hình cảm biến Sử dụng cảm biến đo lưu lượng chất lỏng loại giá thành đắt dòng chảy cần điền đầy ống, không đo loại chất lỏng có tính dẫn diện ăn mòn hóa học ,cảm biến loại thường lắp đặt bên đường ống dẫn chất lỏng nên dễ bảo trì Tuy nhiên sử dụng cảm ứng loại cho kết đo xác với sai số không lớn, điểm bật cảm biến siêu âm kết phép đo độc lập với hình dạng dòng chảy thành phần lắp đặt ống, không làm giảm áp lực dòng chảy qua van Dưới số thông số kỹ thuật cảm biến FDT-81 • Nhiệt độ làm việc: 200c -800c • Đơn vị đo : m3 , lít • Dải đo : 1500 lít/h = 0,42 lít/s • Đường kính ống từ 100 đến 1000 mm • Đầu : Analog 4-20mA, tối đa mô- đun • Tiêu chuẩn Vật liệu cảm biến: CPVC, Ultem ® Nylon • Màn hình hiển thị: 128×64 điểm đồ họa LED,LCD • Sai số : ± 0,5% 29 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Hình 2.7:Cảm biến FDT-81 Ta lập sơ đồ khối mô tả quy trình tính toán sử lý số liệu vào cảm biến sau: Sóng siêu âm phát Start Khối thu sóng Khối tạo xung đếm Stop Khối đếm Hiển thị Với sơ đồ khối ta thấy tín hiệu đầu vào sóng siêu âm phát sóng siêu âm thu từ thiết bị sóng siêu âm lắp dọc theo thành ống, dựa vào chênh lệch thời gian sóng siêu âm xuôi dòng sóng siêu âm ngược dòng ta đo lưu lượng thể tích qua ống theo biểu thức thức: Trong đó: - t1 - thời gian sóng xuyên qua dòng chảy xuôi dòng - t2 - thời gian sóng xuyên qua dòng chảy ngược dòng - K - số, phụ thuộc chiều dài đường âm thanh, tỉ số trục đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang 30 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển Để phép đo xác, ta phải đưa vào hệ thống thu phát sóng siêu âm sóng siêu âm với tần số f1=0,5-10MHz vào chất lỏng với vận tốc v Ta sử dụng đếm xung để đo tần số sóng siêu âm phát thu thực bước tính toán để tính số xung thu từ thu phát sóng.Ta đưa phép đo đo tần số để thực tính toán Từ số xung mà đếm xung đếm ta hoàn toàn tính độ chênh lệch thời gian giũa sóng siêu âm xuôi dòng sóng siêu âm ngược dòng từ tính lưu lượng thể tích qua ống Q Bộ đếm xung hoạt động nguyên lý đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ tần số cần đo fx khoảng thời gian gọi thời gian Tdo Như sai số phép đo chủ yếu độ không ổn định tần số máy phát âm chuẩn f0 đo tần số thấp sai số chủ yếu sai số lượng tử 4.2.2 Cảm biến mức chất lỏng bể chứa Do đề tài ta cần xác định hai vị trí tác động cảm biến mức nên nhóm cúng em định sử dụng loại cảm biến mức công tắc phao từ gắn sườn FINETECK FF10CEQ Công tắc phao từ có cấu tạo đơn giản gồm có cần phao hệ thống tiếp điểm bên Công tắc phao hoạt động dựa lực đẩy dòng nước Khi mực chất lỏng thay đổi lên cao xuống thấp mứa gắn phao từ, phao từ thay đổi góc độ tiếp điểm bên thay đổi chuyển từ trạng thái ON sang OFF ngược lại 4.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống Ta thiết kế hệ thống dựa mạch nguyên lý sau: 31 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển ON OFF K2 K1 Rn K1 RL1 R1 R2 K2 Rn K2 M RL2 Trong sơ đồ ta sử dụng contactor, rơle trung gian, cảm biến đo lưu lượng, cảm biến mức (công tắc phao), nút nhấn ON/OFF Bộ nút nhấn ON/OFF đóng vai trò nút nguồn Contactor làm nhiệm vụ trì mạch điện, contactor làm nhiệm vụ đóng cắt động bơm nước Cảm biến lưu lượng đo lưu lượng nước chảy ống dẫn, hai cảm biến mức có vai trò xác định vị trí để hệ thống điều khiển đóng nhắt mạch động Cảm biến lưu lượng gắn vào ống bơm nước để đo lưu lượng dòng chảy Cảm biến mức phao bơm gắn thành bể chứa gắn gắn 32 Khoa điện Bộ môn: Đo lường điều khiển 33 [...]... diện Aưa và BB, mà đo độ giảm áp Δp = p1 - p2 ngay trước và sau lỗ thu hẹp Quan hệ giữa Δp’ và Δp có dạng: Khi đó: = và lưu lượng khối lượng của chất lưu: G=W2F2 ρ= W2μF0ρ= Hay: G=αF0 Với: α= gọi là hệ số lưu lượng Từ các biểu thức trên và F0 = πd2/4, ta nhận được công thức xác định lưu lượng khối (G) và lưu lượng thể tích (Q) của dòng chất lưu: G= α Q= α Trong trường hợp môi trường chất lưu chịu nén,... thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt; - không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp; - độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng; 3.2.2 Cảm biến mức a) Mục đích và phương pháp đo Mục đích việc đo và phất hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối lượng chất lưu trong bình chứa Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng Khi đo liên... 4.2.1 Tính chọn cảm biến lưu lượng điện từ Với chất lưu là nước, ống kim loại cứng đường kính 18cm nhóm 4 lựa chọn sử dụng cảm biến FDT-81 cho phép hiển thị trực tiếp lưu lượng chất lỏng qua đường ống vào bể trên màn hình của cảm biến Sử dụng cảm biến đo lưu lượng chất lỏng loại này giá thành đắt và dòng chảy cần được điền đầy ống, không đo được loại chất lỏng có tính dẫn diện và ăn mòn hóa học ,cảm... bơm vào bể chứa Nhiệm vụ: Cảm biến lưu lượng này là để đo thể tích nước đã chảy qua ống dẫn trong một khoảng thời gian 3.1.2 Cảm biến mức: - Vị trí: Đặt ở vị trí bể chứa 16 Khoa điện Bộ môn: Đo lường và điều khiển Nhiệm vụ: Đo mức nước có trong bể, xử lý và truyền tín hiệu để điều khiển động cơ đóng hoặc mở - Các phương án chọn cảm biến trong hệ thống 3.2 3.2.1 Một số loại cảm biến đo lưu lượng chất lưu. .. mức chất lưu cần kiểm tra và bộ thu 25 Khoa điện Bộ môn: Đo lường và điều khiển Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ a) Cảm biến phát hiện ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục 1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất. .. đong mở tiếp điểm để kích hoạt hoặc ngưng dụng cụ khác? Chất lỏng cần đo là chất sạch, chất dẻo dinhsm sền sệt, hay là chất hồ cement, bùn hoặc phân bón dạng sệt? Chất lingr cần đo liệu có dẫn điện? Đặc tính trọng lượng hay mật độ đặc trưng của chất lỏng cần đo là gì? Phạm vi (độ lớn) của lưu lượng liên quan đến ứng dụng này là thế nào? Nhiệt độ và áp suất vận hành của quá trình như thế nào? Liệu có... có những ưu điểm sau: - Tính chính xác cao và ít thay đổi Đường kính có thể thay đổi Không phụ thuộc vào áp suât nhiệt độ Có thể điều chỉnh được Tuy nhiên cũng có một vài nhược điểm như sau: - Điện cựu nhạy với dầu mỡ 11 Khoa điện Bộ môn: Đo lường và điều khiển - Chi phí lắp đặ cao * Một minh họa cho máy đo lưu lượng theo nguyên tắc cảm ứng từ: máy đo lưu lượng turbin Thành phần cơ bản của máy này... 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 17 Khoa điện Bộ môn: Đo lường và điều khiển Thông thường thể tích chất lưu chảy qua công tơ được biểu diễn dưới dạng: 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... hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện - Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu 23 Khoa điện Bộ môn: Đo lường và điều khiển. .. dài đường âm thanh, tỉ số giữa trục và đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang 30 Khoa điện Bộ môn: Đo lường và điều khiển Để phép đo được chính xác, ta phải đưa vào trong hệ thống thu và phát sóng siêu âm một sóng siêu âm với tần số f1=0,5-10MHz vào trong chất lỏng với vận tốc v Ta có thể sử dụng một bộ đếm xung để đo tần số sóng siêu âm phát ra và thu về và thực hiện các bước tính toán để tính