Nguyên lý đo mức, lưu lượng, áp suất, Chúng ta dùng rất nhiều các thiết bị đo, nhưng chúng ta hiểu gì về nguyên lý để đo được các đại lượng đó. Hãy cùng chia sẻ. Tôi xin post bài nguyên lý đo mức để mở đầu. Kỹ thuật đo mức Vật liệu: có bốn loại vật liệu : chất rắn, chất lỏng, chất sệt, mặt cách ly. Phương pháp đo : có nhiều phương pháp đo mức : thổi bọt khí, chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạt nhân, radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba, …. Ki ểu đo: đo liên tục và đo điểm. Những tác nhân của quá trình đo lường ảnh hưởng đến độ chính xác: áp suất, nhiệt độ, cánh khuấy, chất ăn mòn, bọt nổi, môi trường nguy hiểm và mức độ độc hại của hoá chất. Những tác nhân ảnh hưởng khi thay đổi về vật liệu: tỷ trọng, thành phần hoá học, vật liệu bám dính, đặc tính về điện, … Và không có kỹ thuật nào là hoàn hảo cho mọi ứng dụng. Chỉ có khái niệm cái này hay hơn cái kia mà thôi. Thổi bọt khí: rẻ, đơn giản, dễ lắp. hiển thị mức liên tục, chỉ đo được chất lỏng. Độ dẫn đ iện: rẻ, đơn giản hơn loại trên, không có bộ phận di chuyển, đo điểm, d ùng cho chất lỏng dẫn điện, dễ bị ảnh hưởng bởi lớp vật liệu bám dính trên điện cực. Chênh áp: thông dụng, đo liên tục, giá hợp lý, dễ lắp đặt nhưng thị phần càng ngày càng giảm. Dễ bị ảnh hưởng bởi tỷ trọng của vật liệu, không phù h ợp khi đo các chất lỏng có dạng hột, khoảng đo nhỏ rất khó sử dụng, đặc biệt lưu ý đến sự ăn mòn của hoá chất. Displacer: đo mức li ên tục mặt cách ly, giới hạn mức dịch chuyển, rất ít các phần tử dao động. Khi tỷ trọng thay đổi phải hiệu chuẩn lại. Khi bị bám dính phải bù đầu vào, không tốt lắm trong ứng dụng đo mức có cánh khuấy. Khi dải đo tăng lên thì phí đầu tư cũng tăng lên đáng kể. Công tắc khoảng hở: cấu trúc đơn giản, dễ lắp, chống được sự ảnh hưởng của bọt khí. chỉ dùng phát hiện mức dạng điểm, giới hạn về mức nhiệt độ. Phao : Phương pháp này không giới hạn về mức cao của bồn, độ chính xác không cao, phí đầu tư thấp nếu không có phần hiển thị từ xa, giới hạn về mức áp suất làm việc. Cho kết quả đo liên tục & đo điểm. Khi đo điểm có thể đo được cả mặt cách ly. Đối với chất lỏng sệt +hột là không phù hợp, cánh khuấy cũng ảnh hưởng đến độ chính xác. Loadcell: đo khối lượng, tiện dụng cho hầu hết các vật liệu chứa tr ên silo. d ễ ảnh hưởng bởi đá, băng tuyết cũng như sức gió. RF Admittance: kỹ thuật mới cho việc đo điểm cũng như liên tục, dải áp suất nhiệt độ làm việc rộng, đo được mọi chất liệu. Khi hằng số điện môi của vật liệu thay đổi dẫn đến việc thay đổi cảm biến và bộ truyền phù hợp. Không bị ảnh hưởng bởi sự bám dính tr ên cảm biến. Hạt nhân: đo không tiếp xúc, lắp bên ngoài bồn cần đo mức. Phù hợp với môi trường nhiệt độ áp suất cao, vật liệu ăn m òn. Giá cực cao, khi sử dụng phải có giấy phép sử dụng, chứng nhận và kiểm tra. Khả năng rò rỉ phóng xạ cũng là điều người sử dụng rất e ngại Siêu âm: Kỹ thuật đo liên tục không tiếp xúc, không có phần tử dịch chuyển. Nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác. Ảnh hưởng bởi hơi nước, bọt khí, dải nhiệt độ và áp suất làm việc không cao cũng như cấu trúc bên trong bồn bể. Không thể hoạt động trong môi trường chân không. Radar: đo mức li ên tục với độ chính xác cao. bỏ qua hơi nước. Điều kiện làm việc giới hạn bởi dải áp suất làm việc thấp. Có thể đo được mức mặt cách ly. Các cách đo mức chất lỏng và nguyên lý làm việc Nhu cầu về những hệ thống tự động hóa xử lý tinh vi, sự nghiêm ngặt của những quy chuẩn trong điều khiển quá trình, và những yêu cầu ngày càng kh ắt khe trong môi trường đo mức khiến kỹ sư quá trình phải đi tìm những hệ thống đo mức tin cậy hơn, chính xác hơn. Kết quả đo chính xác cao hơn làm giảm thiểu những khả năng sai lệch trong quá trình xử lý hóa chất (đề cập trong bài viết này là hoá chất ở dạng lỏng), nâng cao chất lượng của sản phẩm đầu ra, giảm chi phí và lãng phí. Nh ững công nghệ đo mức tiên tiến hiện nay có thể giúp các kỹ sư dễ dàng tìm được thiết bị ưng ý, đáp ứng được những yêu cầu nêu trên. S ự giao thời trong công nghệ đo mức Thiết bị đo mức đơn giản và cổ nhất trong công nghiệp là một loại bình trong su ốt. Là phương pháp đo thủ công truyền thống và nó có nhiều hạn chế: vật liệu của thiết bị có thể bị ăn mòn, chịu sự tác động của môi trường; con người phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo; có thể xảy ra t ình trạng cháy, nổ dễ rò rỉ chất lỏng qua nắp, và cặn của chất lỏng có thể hạn chế tầm nhìn. Do có quá nhiều hạn chế, nên thiết bị này nhanh chóng bị các thiết bị công nghệ tiên tiến hơn thay thế. Một thiết bị đo mức khác dựa vào trọng lực, đó là thước đo kiểu phao. Một chiếc phao đơn giản được thả nổi trên bề mặt chất lưu. Chiếc phao này chịu sự tác động từ lực của chất lưu và không khí phía trên làm nó nổi trên bề mặt và dao động theo mức chất lưu. Bên cạnh đó, một thiết bị khác cũng được sử dụng rộng rãi để xác định mức chất lưu đó là đầu đo thủy tĩnh. Trên đây là những t hiết bị đo mức đơn giản, đã quen thuộc với người sử dụng. Nhưng khi xuất hiện những nguyên tắc và ứng dụng đo mức trở nên ph ức tạp hơn, thì đây là lúc ngành công nghiệp đo mức chuyển mình với sự ra đời của những công nghệ mới sử dụng máy tính để tính toán. Khi công ngh ệ đo mức gắn với công nghệ máy tính thì dữ liệu từ cảm biến truyền về hệ thống điều khiển và giám sát phải ở dạng máy có thể đọc được. Trong đó, những dạng tín hiệu đầu ra hữu dụng là dạng tín hiệu ở dạng điện mạch vòng (current loops), điện áp tương tự (analog voltages), và tín hiệu số (digital signals). Tín hiệu điện áp tương tự là dạng tín hiệu dễ thiết lập và giải mã, tuy nhiên nó l ại dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn và yếu tố ngoại vi khác. Tín hiệu điện mạch vòng 4-20 mA là dạng tín hiệu thông dụng ngày nay. Dạng tín hiệu này có thể truyền ở khoảng cách xa mà ít bị suy hao. Dạng tín hiệu số được mã hóa dưới dạng nghi thức bất kỳ (như Foundation Fieldbus, Hart, Honeywell DE, Profibus, and RS-232) là dạng tín hiệu khỏe nhất. Tuy nhiên, đối với n hững công nghệ cũ như RS-232 thì tín hiệu số chỉ có thể được truyền ở khoảng cách nhất định. C òn đối với công nghệ không dây mới thì tín hiệu dưới dạng số có thể truyền được ở khoảng cách xa hơn nhiều mà h ầu như không ảnh hưởng gì đến chất lượng tín hiệu truyền. Khi càng xuất hiện những công nghệ đo tiên tiến (như siêu âm, ra đa, laze) thì dạng tín hiệu mã hóa cũng càng tinh vi hơn, đòi hỏi phải có máy tính số thông minh để định dạng m ã tín hiệu. Cùng với đó là nhu cầu liên lạc tiên ti ến và hệ thống định dạng số cho chúng ta những lời giải thích về xu hướng tiến tới sử dụng máy tính vi xử lý nhúng trong hầu hết những thiết bị đo mức (hình 1). Nh ững công nghệ đo mức đã "trưởng thành" Trong bài vi ết này chúng ta coi độ đậm đặc của khí ở khoảng trống trong bình là không đáng kể so với độ đậm đặc của chất lưu cần đo. Ngoài ra, c ũng coi chất lưu cần đo trong bình chứa chỉ là một loại duy nhất, bất biến. Một số trong những công nghệ đo mức có thể dùng để đo đa mức, trong đó có 2 hay nhiều loại chất lỏng khác nhau trong cùng một bình chứa. - Phao. Phao có nguyên lý làm việc rất đơn giản. Phao là một vật nổi đặt trên m ặt nước do trọng lực của chất lỏng và không khí phía trên tác động. Để theo dõi mức độ dao động của chất lỏng, ta gắn một thiết bị cơ khí với phao. Nh ững hệ thống phao đầu tiên sử dụng các thiết bị cơ khí như dây cáp, thước dây, r òng rọc và bánh răng để theo dõi mức dao động của chất lỏng. Những kiểu đo này cho độ chính xác không cao. Ngày nay, một loại phao phổ dụng đó là phao từ. Những bộ phát tín hiệu mức đầu tiên đi kèm với phao là những thiết bị cho tín hiệu tương tự hoặc rời rạc sử dụng một mạng thiết bị điện trở và bộ chuyển mạch nhiều lưỡi gà. Do cho giá trị đo rời rạc, nên giá trị đo giữa các bước tín hiệu bị bỏ qua. - Thiết bị thủy tĩnh. ống thủy, phương pháp đo bằng bong bóng và bộ phát tín hiệu áp suất vi sai đều được gọi là thiết bị đo thủy tĩnh. ống thủy hoạt động dựa trên định luật ác -si-mét. Như trong hình 2 ta thấy, ống thủy được nhúng trong chất lưu. Chất lưu trong ống thủy đậm đặc hơn ở ngoài bình chứa. Khi chất lưu trong bình chứa dâng thì chất lưu trong ống thủy cũng dâng tương ứng. Mức chất lưu trong ống thủy thay đổi sẽ tạo ra một áp lực, và một bộ chuyển đổi nối với bộ phát tín hiệu làm nhiệm vụ kiểm soát sự thay đổi áp lực đó. Qua đó ta biết được sự thay đổi mức chất lưu trong b ình chứa. Cảm biến mức kiểu bong bóng (hình 3) có 1 ống dẫn khí xuống đáy bình ch ứa để tạo bong bóng. Khi khí được dẫn vào, áp suất trong ống sẽ tăng cho đến khi thắng được áp suất của chất lỏ ng trong bình. Một bộ chuyển đổi được nối với ống dẫn khí để giám sát sự tăng áp trong ống. Từ áp suất đo được sẽ tính ra mức chất lỏng trong b ình chứa. Cảm biến áp suất vi sai được mô tả như trong hình 4. Loại cảm biến này đo mức bằng cách đo độ chênh lệch áp suất tổng ở đáy bình chứa và áp suất tĩnh hay còn gọi là áp suất của khoảng không khí trong bình chứa để tính ra mức của chất lỏng. Loại cảm biến này lấy không khí bên ngoài làm tham chi ếu. Như trong hình 4 ta thấy, trên nóc bình chứa có một lỗ thông khí nh ằm cân bằng không khí trong bình chứa và không khí môi trường bên ngoài. Không gi ống như cảm biến đo mức bằng bong bóng khí, cảm biến áp suất vi sai có thể sử dụng trong môi trường nén áp. - Loadcell (cầu điện trở đo áp lực). Loadcell hay thước đo độ biến dạng/cầu điện trở đo áp lực l à một loại giá đỡ cơ khí được trang bị một hay nhiều cảm biến đo độ lệch/nghiêng của giá đỡ. Khi lực tác động vào loadcell thay đổi làm cho giá đỡ cũng thay đổi theo v à tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng. Các loadcell được thiết kế phù hợp với mọi kích cỡ thiết bị (từ thiết bị nhỏ có trọng lượng vài gam đến thiết bị có trong lượng tính bằng tấn). Loadcell đo mức bằng cách chuyển đổi trọng lực của chất lỏng tác động n ên nó thành tín hi ệu có thể đọc được. Khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng, thì lực tác động lên loadcell cũng tăng và ngược lại. Lợi thế của loadcell là đo không tiếp xúc với chất lỏng nên nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng nhược điểm của nó là giá thành cao và tính năng bị giảm nhanh chóng theo thời gian. - Thước đo mức từ tính Thước đo mức từ tính (h ình 5) được lấy làm vật thay thế cho phương pháp đo bằng b ình trong suốt. Thước đo từ tính có nguyên lý đo giống như phao, nhưng có điểm khác là chúng xác định mức bằng từ tí nh. Một chiếc phao từ tính đặt trong ống phụ gắn thông 2 đầu với b ình chứa. Do vậy, khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng thì mức chất lỏng trong ống phụ cũng sẽ tăng tương ứng hoặc ngược lại. V à phao từ tính trong ống phụ cũng dâng lên ho ặc hạ xuống tương ứng theo mức chất lỏng trong ống phụ. Một con thoi/màn hình hiển thị chuyển động theo phao từ tính, do vậy ta xác định được mức chất lỏng. Thước đo từ tính chỉ hoạt động được khi ống phụ được làm bằng vật liệu không hấp thụ từ tính. Thước đo từ tính có thể được sử dụng ở những nơi có nhiệt độ, áp suất cao, hay trong những chất lỏng ăn mòn. - Cảm biến đo mức bằng điện dung Cảm biến mức điện dung (hình 6) hoạt động dựa trên sự khác biệt hằng số điện môi giữa chất lưu và không khí. Điều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp này là hằng số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí, thường là gấp đôi. Hằng số điện môi của không khí là kho ảng 1.0; dầu có hằng số điện môi từ 1,8 đến 5; nước có hằng số điện môi ở giữa khoảng 50 đến 80. Khi mức chất lưu thay đổi thì hằng số điện môi cũng thay đổi tương ứng. Một loại tụ điện được gọi là cầu điện dung đo toàn b ộ điện dung và cho tín hiệu đo liên tục. Những công nghệ mới nổi Có lẽ sự khác biệt lớn nhất giữa công nghệ đo mức tín hiệu liên tục trước đây và bây giờ đó l à thời gian cho kết quả tín hiệu đo. Những thiết bị đo mới được trang bị công nghệ hiện đại ng ày nay cho kết quả đo bằng cách đo khoảng cách giữa chất lưu và điểm đặt cảm biến hoặc bộ truyền tín hiệu tại nóc bình chứa. Những thiết bị này phát ra một sóng xung xuyên qua lớp không khí hoặc chất dẫn trong bình, gặp bề mặt chất lưu và dội ngược trở lại cảm biến. Một mạch điện định thời trong cảm biến đo tổng thời gian sóng xung phải di chuyển, chia đôi, và sau đó tính ra mức của chất lưu. Những công nghệ mới đã qua thử nghiệm và được chấp nhận rộng rãi là sóng siêu âm, sóng vi ba (ra- đa) và ánh sáng. - Cảm biến mức từ giảo. Từ giảo là công nghệ đã qua thực tế kiểm nghiệm và được công nhận là phương pháp đọc vị trí phao có độ chính xá c cao. Không gi ống như thiết bị cơ khí, bộ truyền tín hiệu từ giảo lấy tốc độ của dạng sóng xoắn chạy dọc theo dây dẫn để phát hiện ra vị trí của phao. Trong cấu trúc của một cảm biến mức từ giảo (hình 7), một chiếc phao có gắn các thanh nam châm vĩnh cửu. Dây cảm biến được nối với một cảm biến màng gốm áp điện, ống dẫn của cảm biến chạy xuyên qua lỗ của phao. Để xác định vị trí của phao, bộ truyền tín hiệu phát đi một xung điện ngắn dọc theo dây cảm biến tạo nên một môi trường điện từ bao quanh chiều dài dây d ẫn. Đồng thời mạch điện định thời cũng được kích hoạt cùng lúc. Từ trường của dây dẫn ngay lập tức tương tác với từ trường do nam châm gắn trên phao sinh ra. Kết quả là một lực xoắn được sinh ra dọc theo dây dẫn. Lực này bị dội ngược trở lại cảm biến màng gốm áp điện. Khi cảm biến cảm nhận được lực này, sẽ sinh ra một tín hiệu điện dừng hoạt động của mạch điện định thời. Mạch điện định thời đo khoảng thời gian từ lúc phát tín hiệu xung điện cho tới lúc cảm biến nhận được tín hiệu phản hồi. Từ những thông tin thu được, vị trí của phao được xác định chính xác và được hiển thị dưới dạng tín hiệu mức. Lợi ích của công nghệ này là tốc độ tín hiệu xác định được v à bất biến trong những ứng dụng đo như nhiệt độ và áp suất. Ngoài ra, tín hi ệu của công nghệ này không bị ảnh hưởng bởi bọt bong bóng, các chùm tia sáng hay âm thanh. Một lợi ích khác là chỉ có phao là thiết bị duy nhất phải chuyển động tương ứng với bề mặt chất lưu. - Cảm biến mức sóng siêu âm. Có nguyên lý đo gần giống như cảm biến từ giảo, cảm biến mức sóng siêu âm (hình 8) xác định mức bằng cách đo khoảng thời gian từ lúc truyền sóng tới lúc nhận được sóng phản hồi. Khác với cảm biến từ giảo, cảm biến mức sóng siêu âm sử dụng sóng ở dải tần số 10 KHz. Tốc độ truyền của sóng (340m/giây trong không khí ở 15 độ C) phụ thuộc vào loại khí và nhiệt độ của khí bên trong bình chứa. Cảm biến mức tia laze. Được thiết kế đo dòng chất rắn, dung dịch đục như dầu nhớt, sữa cảm biến mức tia laze có nguyên lý hoạt động đơn giản, tương tự nguy ên lý hoạt động của cảm biến đo mức sóng siêu âm. Nhưng thay vì dùng tốc độ của âm thanh để xác định mức chất lưu, loại cảm biến này dùng tốc độ của ánh sáng để xác định mức (hình 9). C ảm biến laze được đặt trên nóc bình chứa phát một tia laze xuống bề mặt chất lưu. Tia này bị dội ngược lại tới bộ phát hiện của cảm biến. Mạch điện định thời đo thời gian đi của tia sáng v à tính toán ra mức của chất lưu. Lợi thế của tia laze là không bị phân tán, không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và được truyền thẳng qua không khí. Phương pháp đo bằng tia laze có độ chính xác cao, ngay cả trong điều kiện môi trường hơi nước hay bọt bóng, v à có khoảng cách đo lên đến 450m. Đây là phương pháp l ý tưởng trong những bình chứa có nhiều vật cản. Đối với những ứng dụng có áp suất và nhiệt độ cao như trong lò phản ứng hạt nhân thì laze là phương pháp lựa chọn hàng đầu. - Cảm biến mức rađa. Cảm biến mức rađa sử dụng ăng ten đặt trên nóc bình ch ứa phát ra những chùm sóng viba xuống bề mặt chất lưu, và mạch điện định thời l àm nhiệm vụ tính toán khoảng cách từ đầu ăng ten tới bề mặt chất lưu dựa v ào thời gian di chuyển của sóng viba từ lúc phát đi tới lúc nhận được. ở phương pháp này, nếu hằng số điện môi của chất lưu thấp có thể ảnh hưởng tới chất lượng của kết quả đo, v ì lượng năng lượng sóng phản hồi phụ thuộc vào hằng số điện môi của chất lưu. Nếu hằng số điện môi thấp, sóng viba (rađa) sẽ bị hấp thụ v ào dung dịch hoặc đi xuyên qua. Sóng viba (rađa) cũng bị phân tán giống như sóng siêu âm trong cảm biến sóng siêu âm. Thành bình chứa, cặn bám vào ăng ten, hay các vật cản cũng có thể gây ra tín hiệu sai lệch cho cảm biến. Để khắc phục nhược điểm này, nh ững thuật toán phức tạp sử dụng logic mờ được tích hợp cho bộ phát tín hiệu. Nhưng nếu như vậy lại xảy ra một khó khăn khác đó là việc lập trình tr ở nên phức tạp và phải thay đổi theo từng môi trường. Một giải pháp được coi là câu trả lời cho những khó khăn trên đó là một loại cảm biến rađa dẫn sóng (hình 10). Một ống dẫn sóng làm bằng vật liệu cứng hay một dây ăng ten làm thiết bị dẫn sóng viba từ nóc bình chứa xuống bề mặt chất lưu và đưa tín hiệu về bộ nhận. Phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp trước. Sóng viba không bị ảnh hưởng bởi vật cản, nhiệt độ hay áp suất. Ngoài ra, nó còn linh hoạt trong lắp đặt, có thể lắp đặt theo chiều ngang hay dọc đều được. Thay lời kết Chúng ta vừa điểm qua các cách đo mức từ đơn giản đến hiện đại. Qua đó cho thấy được xu hướng phát triển của cảm biến đo mức. Công nghệ số đang tiếp sức cho cảm biến đo mức nói riêng và cảm biến nói chung, làm cho chúng tr ở nên thân thiện hơn, dễ lắp đặt hơn và có chi phí thấp hơn. Những giao diện liên lạc tiên tiến giúp truyền tải dữ liệu của cảm biến tới hệ điều khiển và/hoặc hệ thống thông tin tại công ty trở nên đơn giản hơn. Cảm biến mức ngày này được làm từ nhiều loại vật liệu chịu đựng trong những môi trường khắc nghiệt như dầu, axít, nhiệt độ và áp suất cao. Những vật liệu mới giúp cảm biến mức có thể thâm nhập vào hầu hết mọi ứng dụng. Xu hướng ngày nay là thay thế những thiết bị cơ khí và áp suất bằng những thiết bị đo khoảng cách tới bề mặt chất lưu bằng phương pháp đo định thời. Cảm biến từ giảo, sóng siêu âm, rađa và laze là những công nghệ đa năng đang tạo n ên sự chuyển mình mạnh mẽ trong công nghệ đo mức. . Nguyên lý đo mức, lưu lượng, áp suất, Chúng ta dùng rất nhiều các thiết bị đo, nhưng chúng ta hiểu gì về nguyên lý để đo được các đại. post bài nguyên lý đo mức để mở đầu. Kỹ thuật đo mức Vật liệu: có bốn loại vật liệu : chất rắn, chất lỏng, chất sệt, mặt cách ly. Phương pháp đo : có