Bài giảng Đo lường và cảm biến - Chương 7: Đo lưu lượng, vận tốc chất lưu và mức

Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 78 Chương 7 ĐO LƯU LƯỢNG, VẬN TỐC CHẤT LƯU VÀ MỨC 7.1 ĐO LƯU LƯỢNG VÀ VẬN TỐC 7.1.1 Khái niệm chung Chất lưu là loại vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại ở nhiệt độ, áp suất nhất định. Dưới tác động của ngoại lực hoặc có độ chênh áp suất chất lưu có thể chuyển động. Lưu lượng vật chất là số lượng chất đó chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng tức thời được tính theo công thức: dt dv Q = Lưu lượng khối tức thời được tính theo công thức: dt dm G = Trong đó v: thể tích; m: khối lượng. Lưu lượng trung bình được tính: )( 12 ttvQtb -= Thể tích: ò= 2 1 t t QdtV Khối lượng: ò= 2 1 t t Gdtm Trong đó: t1- thời điểm đầu; t2- thời điểm cuối. Đơn vị đo theo thể tích: m3/s hoặc m3/giờ; Đơn vị đo theo khối lượng: kg/s, kg/giờ hoặc tấn/giờ 7.1.2 Đo lưu lượng bằng phương pháp đếm xung Nguyên lý làm việc dựa trên số vòng quay của tua bin trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với tốc độ dòng chảy. n=k.v n- số vòng quay của tua bin k- hệ số v- vận tốc dòng chảy qua tiết diện của ống Lưu lượng thể tích qua ống dẫn được tính theo công thức: Q=v.S Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 79 Suy ra: nkn k S Q '== S- tiết diện dòng chảy k, k’- hệ số phụ thuộc vào đặc tính và cấu tạo của cảm biến. Hình 7.1 Hình 7.1 là sơ đồ thiết bị đo, trong đó gồm tua bin cánh quạt (1) quay trên giá đỡ (3), ổ đỡ (2) và (4) có tác dụng làm giảm độ dịch chuyển của cánh tua bin. Trục tua bin làm bằng vật liệu không dẫn từ, có gắn lõi thép (5) làm bằng vật liệu dẫn từ. Bên ngoài ống là một cảm biến ứng gồm nam châm vĩnh cửu (6) và cuộn dây cảm ứng (7). Khi tau bin quay, từ thông của nam châm sẽ tăng lên khi lõi thép nằm dọc trục của nam châm và giảm đi khi lõi thép nằm vuông góc với nó. Khi tử thông móc vòng trong cuộn dây thay đổi sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng: dt d wE f -= Mỗi vòng quay của tua bin từ thông tăng giảm hai lần và tần số cảm ứng f trong lõi cũng tăng giảm hai lần. Việc đo tốc độ vòng quay có thể thực hiện theo hai phương pháp: § Biến đổi tần số thành điện áp (f→v), chỉ thị điện áp tỉ lệ với số vòng quay và xác định được lưu lượng cần đo. § Đo tốc độ vòng quay bằng tần số kế (đếm xung) để xác định lưu lượng cần đo Với phương pháp trên sai số đạt từ ±1-0,3% Phạm vi đo từ 0,5 đến 150000 lit/phút với chất lỏng và 5 đến 100000 lit/phút đối với chất khí. 7.1.3 Đo lưu lượng kế bằng phương pháp chênh áp Một trong những phương pháp phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là phương pháp thay đổi độ giảm áp suất qua ống thu hẹp (hình 7.2). Khi dòng chảy qua một ống dẫn có đặt một thiết bị thu hẹp tốc độ của dòng chảy sau lỗ 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 giảm xuống tạo nên tạo nên sự chênh lệch áp suất phía trước và phía sau thiết bị thu hẹp. Độ lệch Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 80 áp suất phụ thuộc vào tốc độ của dòng chất lưu mà lưu lượng của nó lại phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy do đó lưu lượng qua thiết bị thu hẹp tỷ lệ với độ chênh áp suất. Hình 7.2 Gọi P1 là áp suất ở thành ống phía trước thiết bị thu hẹp và P2 là áp suất ở thành ống phía sau thiết bị thu hẹp, ta có quan hệ giữa lưu lượng khối G và lưu lượng Q của dòng chảy được biểu diễn: )(2 4 21 2 pp d G -= rpa )( 2 4 21 2 pp d Q -= r pa Trong đó: α- hệ số; d- đường kính lỗ hẹp; ρ- mật độ dòng chảy Để đo độ chênh áp có thể sử dụng các cảm biến thông thường như cảm biến áp trở, biến áp vi sai, điện dung kết hợp với các khâu trung gian như màn đàn hồi, thanh dẫn, ống xi phông tương tự như đo áp suất. Hình 7.3 là sơ đồ dùng cảm biến đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp. Áp suất P1 và P2 qua ống dẫn được đưa vào hai phía màng đàn hồi. Cảm biến hỗ cảm có lõi thép di chuyển được gắn với màng. Bình thường chưa có dòng chảy áp suất P1=P2 màng đàn hối đứng yên lõi thép nằm giữa hai cuộn dây thứ cấp của biến áp do đó tín hiệu ra bằng không. Khi có dòng chảy qua thiết bị thu hẹp áp suất P1 tăng, P2 giảm tạo nên độ chênh áp suất ∆P= P1 –P2 làm cho màn Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 81 đàn hồi di chuyển kéo theo lõi của biến áp vi sai di chuyển theo do đó sức điện động đầu ra của cảm biến tăng với tỉ lệ độ chênh áp suất. Đo sức điện động có thể xác định được lưu lượng của dòng chảy. Hình 7.3 7.2 ĐO MỨC 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 tục biên độ hoặc tần số của tín 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. § Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu. 7.2.1 Phương pháp thuỷ tĩnh Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa. Trên hình 7.4 giới thiệu một số sơ đồ đo mức bằng phương pháp thuỷ tĩnh. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 82 Trong sơ đồ hình 7.4a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5) bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống lµm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu. Trong sơ đồ hình 7.4b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được treo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu: F = P − ρgSh Trong đó: P - trọng lượng phao. h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao. S - tiết diện mặt cắt ngang của phao. ρ - khối lượng riêng của chất lưu. g – gia tốc trọng trường Trên sơ đồ hình 9.9c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình chứa. Một mặt của mµng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra: p = p0 + ρgh Mặt khác của mµng cảm biến chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh bình chứa. Chênh lệch áp suất p - p0 sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng. Biến dạng của mµng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa, được chuyển đổi thµnh tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.