Vật lý - Bài 7: Cảm biến độ ẩm. cảm biến lưu lượng

Bài 7CẢM BIẾN ĐỘ ẨM. CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG  * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức*4.3.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạngNguyên lý chung: dựa trên sự biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng thường dùng là ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng. a. Phần tử biến dạng kiểu ống trụp - áp suất cần đo; v - hệ số Poatxông của vật liệu làm cảm biến biến dạng; Y - mô đun Young (môđun biến dạng);r - bán kính trong của ống; e - chiều dày thành ống. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *b. Phần tử biến dạng kiểu lò xo ống p - áp suất cần đo; v - hệ số Poatxông của vật liệu làm lò xoY - mô đun Young (môđun biến dạng);R - bán kính cong của lò xoh - chiều dày thành ống. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * a,b - các bán kính trục ôvan tiết diện ống; η = Rh/a2- tham số của ống; α,β - hệ số phụ thuộc hình dạng tiết diện ống.Có thể xác định áp suất bằng cách đo lực tác dụng tại đầu ra lò xo Giá trị k1, k2 là hàm số của a,b,h,R, γ ,v và đối với mỗi lòxo ống là các giá trị hằng sốLòxo ống chế tạo bằng:- đồng thau: có thể đo áp suất dưới 5 MPa, - hợp kim nhẹ hoặc thép: dưới 1000 MPa, - thép gió: trên 1000 Mpa * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * c. Phần tử biến dạng kiểu màngMàng dùng để đo áp suất được chia ra màng đàn hồi và màng dẻo.- Màng đàn hồi dùng để đo áp suất lớn, có dạng phẳng hoặc có uốn nếp được chế tạo bằng thép hoặc đồng thau mỏng - Màng dẻo dùng để đo áp suất nhỏ, được chế tạo từ vải, cao su có tính co giãn đàn hồi cao.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Màng đàn hồi phẳng:Độ võng của tâm màng phẳng:R - bán kính của màng; h - độ dày của màng. Với màng phẳng, độ phi tuyến khá lớn khi độ võng lớn, do đó thường chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của màng. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Màng đàn uốn nếp: Độ võng của tâm màng :S là độ căng của màng, phụ thuộc hình dạng và bề dày của màng. Màng đàn uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng với độ võng lớn hơn màng phẳng. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Các bộ biến đổi * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * 4.4.1. Các khái niệm:Độ ẩm tuyệt đối (ρh): là khối lượng hơi nước (g) có trong một đơn vị thể tích của một hỗn hợp khí nào đó (m3) chứa nó. Đối với không khí, hơi nước trong không khí có thể coi là lý tưởng nên:ph - áp suất của hơi nước trong không khí chưa bão hoà, N/mRh - hằng số của hơi nước, Rh=0,462 J/g.oKT – Nhiệt độ tuyệt đối của không khí ẩm, tức cũng là nhiệt độ của hơi nước, oK Độ ẩm tuyệt đối càng cao thì áp suất hơi nước càng lớn * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Độ ẩm cực đại (ρmax): là khối lượng hơi nước bão hòa có trong một đơn vị thể tích hỗn hợp khí. Đây chính là khối lượng riêng của hơi nước bão hòa trong hỗn hợp khí, tính theo đơn vị g/m3Hỗn hợp khí ở một điều kiện nhất định được gọi là bão hòa hơi nước nếu lượng hơi nước trong đó đã đạt tối đa, nếu lượng hơi ẩm lớn hơn thì ngay lập tức lượng hơi nước thừa này sẽ ngưng tụ thành nước.Điều kiện (nhiệt độ, áp suất) mà tại đó hơi nước bão hòa, nghĩa là hơi nước bắt đầu ngưng tụ thành chất lỏng, được gọi là điểm sương* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Độ ẩm tương đối (): là tỷ số giữa khối lượng nước trong một thể tích khí so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa.Đây chính là tỉ số phần trăm giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cực đại của hỗn hợp khí ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất cho trước:Một định nghĩa khác của độ ẩm tương đối là tỷ số giữa áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào có chứa hơi nước trên áp suất hơi nước bão hòa.Khi hơi nước bão hòa, hỗn hợp khí và hơi nước đạt đến điểm sương, độ ẩm tương đối bằng 100%* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Dùng hai nhiệt kế “khô” và “ướt” có thông số giống hết nhauNhiệt kế “khô” đo nhiệt độ không khí của môi trường xung quanh. Nhiệt kế “ướt” đo nhiệt độ “ướt” ở trong bình có chứa hơi nước bay hơi từ một nguồn chứa nước cất. Phần tử cảm biến có thể cảm biến nhiệt dạng RTD hoặc nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor)* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Biểu đồ độ ẩm* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm theo biểu đồ độ ẩmƯu điểm: Độ chính xác cao: khi khi đo độ ẩm trong dải 10-100% ở nhiệt độ từ 0 - 60°C với độ phân giải cỡ 0,1% đạt độ chính xác ±2% Độ ổn định, tin cậy caoNhược điểm: Thời gian đáp ứng chậm Chi phí cao* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Phương pháp này sử dụng cảm biến để đo điểm sương theo kiểu làm lạnh bề mặt ngưng.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Khi biết được nhiệt độ điểm sương ta có thể xác định được độ ẩm tương đối.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Air Temperature [C]Relative Humidity (%)Air Temperature [C]Relative Humidity (%)10090807060504030201009080706050403020-20-20,0-21,2-22,5-24,0-25,7-27,7-30,1-33,1-37,11616,014,412,510,58,25,62,4-1,6-7,0-18-18,0-19,2-20,6-22,1-23,8-25,9-28,3-31,3-35,41818,016,314,512,410,17,44,20,2-5,3-16-16,0-17,3-18,6-20,2-22,0-24,0-26,5-29,5-33,72020,018,316,414,412,09,36,01,9-3,6-14-14,0-15,3-16,7-18,3-20,1-22,1-24,6-27,8-32,02222,020,318,416,313,911,17,83,6-2,0-12-12,0-13,3-14,7-16,3-18,2-20,3-22,8-26,0-30,32424,022,320,318,215,712,99,65,3-0,4-10-10,0-11,3-12,8-14,4-16,3-18,4-21,0-24,3-28,72626,024,222,320,117,614,811,37,11,3-8-8,0-9,3-10,8-12,5-14,4-16,6-19,2-22,5-27,02828,026,224,222,019,516,613,18,82,9-6-6,0-7,4-8,9-10,6-12,5-14,7-17,4-20,7-25,33030,028,226,223,921,418,414,910,54,6-4-4,0-5,4-6,9-8,7-10,6-12,9-15,6-19,0-23,63232,030,128,125,823,220,316,712,26,2-2-2,0-3,4-5,0-6,7-8,7-11,0-13,8-17,2-21,93434,032,130,027,725,122,118,513,97,800,0-1,4-3,0-4,8-6,8-9,2-12,0-15,5-20,33636,034,132,029,627,023,920,215,79,522,00,5-1,1-2,9-4,9-7,3-10,2-13,7-18,63838,036,133,931,628,925,722,017,411,144,02,50,9-1,0-3,1-5,5-8,4-12,0-16,94040,038,035,933,530,727,623,819,112,766,04,52,80,9-1,2-3,6-6,6-10,3-15,34242,040,037,835,432,629,425,620,814,488,06,54,82,90,7-1,8-4,8-8,5-13,64444,042,039,837,334,531,227,322,516,01010,08,46,74,82,60,1-3,0-6,8-11,94646,043,941,739,236,333,029,124,217,61212,010,48,76,74,51,9-1,2-5,0-10,34848,045,943,641,138,234,930,925,919,21414,012,410,68,66,43,70,6-3,3-8,65050,047,945,643,040,136,732,627,620,8Bảng quan hệ nhiệt độ điểm sương – Độ ẩm tương đối (RH)Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm theo nhiệt độ điểm sươngƯu điểm:- Độ ổn định và độ chính xác rất cao: - Độ ổn định, tin cậy cao- Thời gian đáp ứng ngắn- Dải đo rộng: đo độ ẩm tương đối và có thể được dùng để đo độ ẩm nhiều loại khí gas ở các áp suất khác nhauNhược điểm:- Chi phí cao- Phức tạp- Yêu cầu phải thường xuyên làm sạch gương để đảm bảo độ chính xác* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Ẩm kế điện dung sử dụng điện môi là màng mỏng polyme hoặc oxit kim loại, có khả năng hút ẩm. Điện dung của tụ thay đổi tỷ lệ với độ ẩm.Sự thay đổi điện dung điển hình là 0,2 - 0,5 pF tương ứng với 1% RH* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Biểu đồ quan hệ độ ẩm - điện dung * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm kiểu điện dungƯu điểm:- Độ chính xác cao: ±2% đến ±3%- Phạm vi đo rộng: dải nhiệt độ -400C ÷1000C, dải đo RH 0% - 100%- Hoạt động đơn giản- Thời gian đáp ứng nhanh, khoảng vài giây- Kích thước nhỏ, hệ số nhiệt thấp, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao đến 2000C . Nhược điểm: - Khoảng cách từ phần tử cảm biến tới mạch chuẩn hóa tín hiệu bị hạn chế, khoảng dưới 3m* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Các cảm biến độ ẩm kiểu điện trở xác định độ ẩm thông qua sự thay đổi trở kháng của các phần tử hút ẩm. Các phần tử hút ẩm là chất hút ẩm như polyme dẫn điện, muối hay các tấm màng được gia công đặc biệt được phủ lên diện tích nhỏ của điện trở (vài mm2).Khi các phần tử hút ẩm hút hơi ẩm trong không khí thì trở kháng của điện trở thay đổi, tỷ lệ với độ ẩm theo quy luật của hàm mũ ngược * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Ưu, nhược điểm của phương pháp đo độ ẩm kiểu điện trởƯu điểm:- Độ chính xác cao: ±2% - Phạm vi đo rộng: dải nhiệt độ -100C ÷600C, dải đo RH 15% - 99%- Hoạt động đơn giản- Có khả năng sử dụng từ những vị trí lắp đặt xa- Kích thước nhỏ, giá thành thấp, Nhược điểm: - Thời gian đáp ứng khá dài: khoảng 10s- Dễ bị hư hỏng trong điều kiện có hóa chất ăn mòn cao * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Tự nghiên cứu tài liệu* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * 4.5.1. Lưu lượng và đơn vị đoKhái niệm lưu lượng chất lưu: là lượng vật chất chảy qua tiết diện ngang của một ống trong một đơn vị thời gian. Để đo lưu lượng sử dụng các lưu lượng kế.Đơn vị: - Lưu lượng thể tích (Q ) tính bằng m3/s , m3/h.... - Lưu lượng khối (G ) tính bằng kg/s, kg/h ... Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở: - Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua thiết bị đo trong một khoảng thời gian xác định Δt. - Đo vận tốc chất lưu chảy qua thiết bị đo khi lưu lượng là hàm của vận tốc. - Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc độ giảm áp. * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Lưu lượng kế thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua thiết bị đo bằng các đếm trực tiếp lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác địnhThể tích chất lưu chảy qua lưu lượng kế trong thời gian Δt=t2-t1:Q = QV(N2-N1)QV = 2.Q0 = 2.Q1 = 2.Q2 - thể tích chất lưu chảy qua lưu lượng kế ứng với một vòng quay; N2,N1 - số vòng quay của lưu lượng kế tại thời điểm t2,t1 Giới hạn đo: 0,01 – 250 m3/h, độ chính xác cao ( 0,5-1%), tổn thất áp suất nhỏ nhưng có nhược điểm là chất lỏng đo phải được lọc tốt.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * * Lưu lượng kế tuabin hướng trụcTốc độ quay của lưu lượng kế: ω = kV k - hệ số tỉ lệ, phụ thuộc cấu tạo lưu lượng kế;V - tốc độ dòng chảy chất lưu.Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua lưu lượng kế: Q = V.S = ω.s /k S - tiết diện dòng chảy. Lưu lượng kế tuabin hướng trục với đường kính tuabin từ 50-300mm đo được lưu lượng 50-300 m3/h, độ chính xác 1-2%* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * 1. Bộ chỉnh dòng chảy; 2. Tuabin; 3. Bộ truyền bánh răng - trục vít; 4. Thiết bị đếm.* Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến (để đo lưu lượng nhỏ hơn)Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến với đường kính tuabin từ 15-40 mm đo được lưu lượng 3-20 m3/h, độ chính xác 2-3%* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * 1. Tuabin; 2. Màng lọc; 3. Ống dẫn.Ưu, nhược điểm của lưu lượng kế tuabin:Ưu điểm: - Có độ chính xác cao; - Dải đo rộng; - Sự sụt giảm áp suất nhỏ; - Dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng. Nhược điểm: - Giá thành cao; - Việc sử dụng bị giới hạn đối với các chất lỏng không trơn.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Cấu tạo:Nguyên lý hoạt động: dựa trên định luật cảm ứng điện từ: khi có một dây dẫn chuyển động trong từ trường, cắt các đường sức của từ trường thì trong dây dẫn xuất hiện một sức điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dây dẫn. Sức điện động cảm ứng trong chất lưu: B - cường độ từ trường ; V - tốc độ chất lưu chảy trong ống; Q - lưu lượng chất lưu trong ống; d - đường kính trong của ống.B = const  E ~ Q Dùng để đo lưu lượng của chất lỏng có độ dẫn điện không nhỏ hơn 10-5-10-6 (siemen/m). Lưu lượng kế từ tính với đường kính ống 10-1000mm có thể đo lưu lượng 1-2500 m3/h với vận tốc dòng chảy 0,6-10m/s với độ chính xác . 1-2,5%* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * 1, 2. Điện cực; 3.Ống kim loại; 4. Đồng hồ chỉ thị;5. Nam châm.Ưu, nhược điểm của lưu lượng kế điện từ:Ưu điểm: - Có thể đo được lưu lượng của các vật liệu sệt và nhờn; - Có thể chịu được các chất lỏng ăn mòn; - Có độ sụt giảm áp suất rất thấp; - Hoàn toàn không cản trở dòng chảy; - Có thể đo trong các ống kích thước và dung lượng lớn; - Có thể đo được dòng chảy hai chiều.Nhược điểm của lưu lượng kế điện từ: - Giá thành cao; - Chỉ làm việc với các chất lỏng là các vật dẫn điện thích hợp; - Kích thước, trọng lượng lớn; - Đường ống của lưu lượng kế phải luôn đầy ở mọi thời điểm.* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức * Tự nghiên cứu tài liệu* Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức *  * Môn học: PTTĐGV: Vũ Xuân Đức