19 CHƯƠNG 3 Hệ thống đo lường máy nén khí, thông số đo, nguyên tắc và phương pháp đo 3.1 các thông số đo -Đo áp suất. -Đo nhiệt độ. -Đo lưu lượng. 3.2. Nguyên tắc và phương pháp đo 3.2.1. Đo nhiệt độ Các thông số nhiệt cần đo trong máy nén khí: 9 Nhiệt độ ổ đỡ. 9 Nhiệt độ dầu. 9 Nhiệt độ khí trên đường ống chính. Tổng quan chung về đo nhiệt độ. Nhiệt độ là đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên ch ất lượng của hầu hết các quá trình công nghệ. Vì vậy thiết bị đo nhiệt độ tồn tại ở mọi nơi trong đời sống và kỹ thuật. Nhiệt độ là đại lượng vật lý biểu thị mức độ nóng lạnh của vật thể và môi trường. Giá trị của nhiệt độ đặc trưng cho năng lượng động học trung bình chuyển động của các phầ n tử vật chất. Nó là một trong những thông số của trạng thái nhiệt. 20 Đơn vị đo nhiệt độ thường sử dụng là Kenvin ( 0 K) hoặc cũng có thể sử dụng nhiệt độ cenxi ( 0 C ). Giá trị hai nhiệt độ này bằng nhau nhưng mốc tính khác nhau T 0 K được gọi là nhiệt độ tuyệt đối, theo nhiệt độ này dưới áp suất tiêu chuẩn nước đông đặc ở 273 0 K và sôi ở 373,15 0 K. Theo nhiệt độ cenxi t 0 C dưới áp suất tiêu chuẩn nước đông đặc ở o 0 C và sôi ở 100 0 C. Vậy ta có biểu thức liên hệ giữa T 0 K và t 0 C : T 0 (K) = t 0 (C) + 273,5. Các điểm mốc chuẩn nhiệt độ thường được lấy bằng giá trị nhiệt độ biểu thị trạng thái cân bằng giữa các pha của các nguyên tố dưới điều kiện tiêu chuẩn: Điểm chuẩn nhiệt độ 0 K 0 C Điểm sôi của hydro 20,28 -252,87 Điểm sôi của oxy 90,188 -182,962 Điểm đông đặc của nước 2 73,15 0 Điểm sôi của nước 373,15 100 Điểm nóng chảy của kẽm 692,63 419,58 Điểm nóng chảy của bạc 1235,08 961,93 Điểm nóng chảy của vàng 1337,58 1064,43 Một số nước phương tây sử dụng thang nhiệt độ Pharenhait( 0 F) và Renkin( 0 Ra). Mối liên hệ giữa 0 K, 0 C , 0 F và 0 Ra như sau: t 0 (C ) = T 0 (K) – 273,15 = 9 5 (n 0 F - 32) = 9 5 m 0 Ra – 273,15. Trong mỗi khoảng nhiệt độ, sử dụng các thiết bị đo chuẩn khác nhau. Thiết bị đo chuẩn cho khoảng nhiệt độ từ 13,81 đến 903,89 0 K là nhiệt kế điện trở bạch kim còn khoảng nhiệt độ từ 630,74 đến 1064,43 0 C sử dụng thiết bị đo chuẩn là cặp nhiệt điện Platinnorodi-Platin. 21 Ở máy nén khí UK135/8T khoảng nhiệt độ cần đo nằm ở mức một cho nên dùng nhiệt kế điện trở để đo bao gồm: nhiệt độ khí nén, nhiệt độ khí hút, nhiệt độ dầu trong ống góp, nhiệt độ gối đỡ. Nguyên lý đo nhiệt độ như sau: Dùng nhiệt kế điện trở. Nhiệt kế điện trở là cảm biến đo nhiệ t độ có thể sử dụng để đo nhiệt độ trong khoảng từ -260 đến 750 0 C. Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế điện trở dựa vào sự phụ thuộc của điện trở của vật dẫn hay bán dẫn vào nhiệt độ của nó theo công thức: R t = f(R 0 ,t). Trong đó: R 0 là nhiệt độ ở 0 0 C . R t là nhiệt độ ở t 0 C . Nhiệt kế điện trở sử dụng ở máy nén khí này được chế tạo từ dây dẫn là bạch kim, trong khoảng nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 660 0 C thì mối liên hệ giữa điện trở và nhiệt độ của bạch kim được mô tả theo công thức: R t = R 0 (1+ 3,64.10 3− t – 5,8.10 7− t 2 ). Để đo được các thông số nhiệt độ của máy nén người ta dùng can nhiệt điện trở nhúng trực tiếp vào môi trường đo. Sơ đồ cấu tạo của nó được mô tả như hình vẽ dưới: 22 Dây điện trở được quấn thành hai đường song song trên một tấm mica 1 có khứa răng cưa, Hai đầu của điện trở được hàn lên hai dây nối 4 bằng bạc hai lá mica2 được ép hai phía lá 1 để cách điện dây điện với vỏ, ống nhôm 3 bảo vệ dây điện trở và các tấm mica khỏi sự tác động cơ học. Hai dây dẫn được cách điện bằng các ống 5, còn đầu cuố i của chúng được nối vào hai cốt đấu 8 để nối với mạch ngoài vỏ bảo vệ bằng kim loại 6 được gắn chặt lên đầu nối 9 của can nhiệt điện trở. Hệ thống dây điện trở, dây dẫn và cốt đấu được gắn chặt lên đầu nối qua tấm lót cách điện 7. Tấm lót này có vai trò ngăn không cho nước vào can nhiệt điện trở 10 là nắp đậy của can nhiệt điện trở. Trong một số can nhiệt điện trở người ta ghép thêm các lá đủa mỏng đàn hồi vào giữa các lá mica để giảm quán tính nhiệt và tăng khả năng truyền nhiệt từ vỏ bảo vệ vào dây điện trở. Can nhiệt điện trở dùng trong máy nén là can nhiệt điện trở bạch kim TCП100( hoặc PT-100) có điện trở R 0 = 100Ω. 3.2.2. Đo áp suất chất lưu Các thông số áp suất cần đo trong máy nén khí: 9 Áp suất dầu trong ống chính. 9 Áp suất khí trên đường ống xả, ống hút. 23 9 Áp suất dầu trong ống góp. Áp suất là một trong các thông số quan trọng nhất của chất lưu. Đo áp suất chất lưu chuyển động: Khi chất lưu chuyển động cần phải tính đến ba dạng áp suất cùng tồn tại : áp suất tĩnh Ps của chất lưu không chuyển động, áp suất động Pd do chuyển động với vận tốc V của chất lưu gây nên và áp suất tổng cộ ng Pt là tổng của hai áp suất trên: Pt = Ps + Pd. Áp suất động tác dụng lên mặt phẳng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ làm tăng áp suất tĩnh và có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc. Nghĩa là: Pd = 2 2 v ρ . Trong đó ρ là khối lượng riêng của chất lưu. Đo các áp suất chất lưu chuyển động được thực hiện bằng cách nối hai đầu ra của ống Pitot hai cảm biến, một cảm biến đo áp suất tổng cộng và một cảm biến đo áp suất tĩnh, trang bị trực tiếp một ăngten là ống Pitot với hai cảm biến áp suất kích thước nhỏ để đo áp suất động. Các màng của cảm biến này được đặt sao cho một màng vuông góc với dòng chảy và màng thứ hai song song với trục ống. Phương pháp chuyển đổi tín hiệu: Bộ chuyển đổi áp điện. 24 Khi sử dụng vật trung gian là một cấu trúc áp điện, ta có thể chuyển đổi trực tiếp ứng lực dưới tác dụng của lực F (do áp suất chất lưu gây nên) thành tín hiệu điện Q. Thí dụ, nếu tạo điện cực kim loại trên một phiến mỏng cắt từ tinh thể thạch anh theo hướng vuông góc với một trong ba trục điện rồi tác dụng lên nó một lực cơ học thì sẽ xảy ra hiện tượng phân cực điện: Trên các bản cực kim loại xuất hiện các điện tích Q. Điện tích này tỷ lệ với lực tác dụng: Q = kF Trong đó k là hằng số áp điện và F là lực tác động. Trường hợp thạch anh, k = 2,32 .10 12− culong/newton. Cấu trúc của phần tử áp điện dạng ống cho phép tăng diện tích bằng cách đơn giản hoá kiểu kết hợp các phần tử. Đối với cấu trúc loại này, điện tích trên các bản cực được tính từ biểu thức: Q = kF 22 D 4 d dh − . Trong đó D và d là đường kính trong và đường kính ngoài của ống, h là chiều cao của phần phủ kim loại. Ống được làm bằng cách kết hợp hai phần tử phân cực ngược với mặt đối xứng. Các cảm biến áp điện có thể được giảm thiểu kích thước một cách dễ dàng. Trong trường hợp ống dạng hình trụ có thể giảm đường kính xuống vài mm. 25 Dải áp suất đo được của cảm biến áp điện nằm trong khoảng từ vài mbar đến hàng ngàn bar. Độ nhạy của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,05 pC/bar đến 1 pC/bar phụ thuộc vào hình dạng phần tử áp điện và dải đo. Độ tuyến tính thay đổi trong phạm vi từ ±0,01 đến ±1% của dải đo với độ trễ nhỏ hơn 0,0001% và độ phân gi ải 0,001%. Độ lớn của tín hiệu đầu ra thay đổi từ 5 đến 100mV. 3.2.3. Đo lưu lượng Các thông số lưu lượng cần đo trong máy nén khí: 9 Lưu lượng nước. 9 Lưu lượng khí. Đo lưu lượng bằng Rôtamét công nghiệp. Nguyên lý đo lưu lượng bằng Rôtamét công nghiệp: Lưu lượng của dòng chảy khi đi qua bộ phận thu hẹp của dòng chảy tỷ lệ với că n bậc hai của hiệu áp suất hai bên bộ phận thu hẹp và tỷ lệ bậc nhất với diện tích thoát của dòng chảy tại vị trí thu hẹp. Nghĩa là: q = C.F. PΔ với C- hệ số tỷ lệ. Như vậy nếu tạo ra được một thiết bị thay đổi được F khi q thay đổi và bảo đảm ΔP = const thì sẽ có mối liên hệ gần như tuyến tính giữa q và. Lưu 26 lượng của dòng chảy được xác định thông qua giá trị diện tích F. Thiết bị này được gọi là Rôtamét và phương pháp đo lưu lượng bằng Rôtamét được gọi là phương pháp đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi. Nguyên tắc làm việc của Rôtamét công nghiệp: Rôtamét công nghiệp là cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi có trang bị các bộ chuyển đổi sang tín hiệu điện hoặc tín hiệu khí nén để truyền đi xa. Các Rôtamét này được chế tạo với thân bằng kim loại, còn phao gắn liên động với chuyển đổi đo. Các Rôtamét công nghiệp sử dụng chuyển đổi đo là biến áp vi sai.Phao của Rôtamét được lồng trong tấm lỗ 2 (hình vẽ dưới), tiết diện của dòng chảy là khe hở giữa thành phao và miệng lỗ. Đồng thời phao cũng được gắn cố định với lõi ferit3 của biến áp vi sai, phao có thể có hai loại: Phao hình côn hoặc phao hình nấm Khi trong đường ống có lưu lượng chảy qua thì dưới tác động của áp lực dòng chảy phao sẽ được đẩy lên, tiết diện thoát của dòng chảy tăng lên, áp lực của dòng chảy lên phao giảm xuống. Cho đến khi áp lực của dòng chảy lên phao cân bằng với trọng lượng hệ thống phao thì phao ngừng chuyển động và lõi ferit sẽ có một vị trí xác định trong biến áp vi sai. Điện áp Ur là đại lượng biể u thị lưu lượng của dòng chảy trong đường ống. Cấp chính xác của Rôtamét là 1,5 và 2,5. 27 . CHƯƠNG 3 Hệ thống đo lường máy nén khí, thông số đo, nguyên tắc và phương pháp đo 3. 1 các thông số đo - o áp suất. - o nhiệt độ. - o lưu lượng. 3. 2. Nguyên tắc và phương pháp đo 3. 2.1. Đo. 20,28 -2 52,87 Điểm sôi của oxy 90,188 -1 82,962 Điểm đông đặc của nước 2 73, 15 0 Điểm sôi của nước 37 3,15 100 Điểm nóng chảy của kẽm 692, 63 419,58 Điểm nóng chảy của bạc 1 235 ,08 961, 93 Điểm. 2 73, 15 = 9 5 (n 0 F - 32 ) = 9 5 m 0 Ra – 2 73, 15. Trong mỗi khoảng nhiệt độ, sử dụng các thiết bị đo chuẩn khác nhau. Thiết bị đo chuẩn cho khoảng nhiệt độ từ 13, 81 đến 9 03, 89 0 K là nhiệt kế