cảm biến đo lưu lượng mức chất

CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG,
MỨC CHẤT LƯU
Đặng Đức Vượng
IEP-HUST
1
I. Cảm biến đo lưu lượng
I.1. Lưu lượng và đơn vị đo, nguyên lý đo
Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một
đơn vị thời gian
Lưu lượng tính theo thể tích m
3
/s
Lưu lượng tính theo khối lượng Kg/s
Lưu lượng trung bình trong khoảng t=t
2
-t
1
Lưu lượng tức thời:
Nguyên lý:
- Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác
định t.
- Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ 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.
2
I.2. Công tơ thể tích
Nguyên lý: Đo thể tích chất lưu chảy qua công tơ bằng cách đếm trực tiếp
lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác định của công tơ.
Thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong thời gian t=t
2
-t

1
Thông thường
3
Lưu lượng trung bình
Lưu lượng tức thời
Để đếm số vòng quay và chuyển sang tín hiệu điện:
Giới hạn đo: 0,01 – 250 m3/h; độ chính xác:  (0,5-1)%; tổn thất áp suất nhỏ
Nhược điểm: - gây ồn khi làm việc; chất lỏng phải được lọc tốt
4
Đo lưu lượng dòng khí
Cấu tạo:
- Vỏ hình trụ (1)
- Các cánh (2,4,7,8)
- Tang quay (3)
- Cam (6)
Hoạt động:
-Khi cánh (4) ở vị trí như hình vẽ, áp suất chất
khí tác động lên cánh làm tang (3) quay, trong
quá trình quay các cánh luôn tiếp xúc với mặt
ngoài cam (6) nhờ các con lăn.
- Trong một vòng quay thể tích chất khí bằng thể
tích vành chất khí giữa vỏ và tang
-Chuyển động quay của tang được truyền đến cơ
cấu đếm đặt bên ngoài vỏ công tơ
Dải đo: 100 – 300 m
3
/h; cấp chính xác: 0,25 và 0,5
5
I.3. Công tơ tốc độ
Tốc độ quay của công tơ

Trong thời gian từ t
1
đến t
2
Với
Khi đường kính tuabin: 50-300 mm thì phạm vi đo: 50-300 m
3
/h
Cấp chính xác: 1; 1,5; 2
6
Đo lưu lượng nhỏ
Đường kính tuabin: 10-40 mm
Phạm vi đo: 3-20 m
3
/h
Cấp chính xác: 2;3
7
I.4. Đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp
Nguyên lý:
Đo độ giảm áp của dòng chảy khi qua
màng ngăn có lỗ thu hẹp. Độ chênh
áp được xác định thông qua áp kế vi
sai.
Giả sử chất lỏng không bị nén:
p
1
, p
2
là áp suất ngay trước và sau lỗ thu hẹp
8

Có:
Thường không đo mà đo
 Lưu lượng khối lượng của chất lưu:
Tiết diện:
Lưu lượng khối:
Lưu lượng thể tích:
Với chất lưu chịu nén: đưa thêm hệ số hiệu chỉnh  <1
9
Sơ đồ đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp
10
I.4. Lưu lượng kế điện từ
Nguyên lý:
Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ
Đo Sđđ cảm ứng  vận tốc, lưu lượng
w
B
ds
c
Cấu tạo:
-Ống kim loại làm bằng vật liệu không
từ tính, mặt trong phủ chất cách điện
- 2 điện cực
- Từ trường: 10
-3
– 10
-2
T
Yêu cầu: độ dẫn điện chất lỏng ~ Scm
-1
Độ chính xác ~ 1%; vận tốc 0,6 -1 m/s

11
I.5. Lưu lượng kế nhiệt
Nguyên lý: Nhiệt lượng truyền trong chất lưu phụ thuộc lưu lượng và hướng
dòng chảy
Lưu lượng ~ T; dải đo rộng. Yêu cầu: dòng chảy ổn định
Độ chính xác: 0,5 -1%
Thời gian đáp ứng: 2,5 – 150s phụ thuộc kiểu chế tạo
12
II. Đo mức
II.1. Mục đích và phương pháp đo:
Mục đích: xác định mức độ và khối lượng chất lưu trong bình chứa
Kiểu đo:
- Đo liên tục: biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể
tích chất lưu trong bình chứa
- Xác định ngưỡng: Cảm biến đưa tín hiệu dạng nhị phân cho
biết tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không.
Các phương pháp đo:
- Phương pháp thủy tĩnh dùng biến đổi điện
- Phương pháp điện: dựa trên tính chất điện của chất lưu
- Phương pháp bức xạ: dựa trên tương tác giữa bức xạ và chất
lưu
13
II.2. Phương pháp thủy tĩnh
Chỉ số đo của cảm biến là hàm liên tục của chiều cao mức chất lưu
14
II.3. Phương pháp điện
II.3.1. Cảm biến độ dẫn
Chỉ dùng cho chất lưu dẫn điện  ~ 50Scm
-1
; không có tính ăn

mòn, không lẫn vẩn cách điện.
- Nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V
- Dòng điện chạy giữa các điện cực tỉ lệ với
chiều dài của điện cực bị ngập trong chất lưu.
Độ lớn tín hiệu phụ thuộc vào độ dẫn của chất
lưu
- Điện cực theo phương
ngang
- Chất lỏng đạt ngưỡng
thì dòng điện I có biên độ
không đổi.
15
II.3.2. Cảm biến tụ điện
- Chất lỏng cách điện: Tụ điện dạng hai điện cực hình trụ nhúng
trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ 2 là
thành bình.
- Chất lỏng dẫn điện: một điện cực bên ngoài phủ chất cách điện,
lớp phủ đóng vai trò chất điện môi.
: hằng số điện môi chất lỏng

0
: hằng số điện môi không khí
H
0
: chiều cao phần không khí
H: chiều cao mức chất lỏng
R
2
: Bán kính trụ trong
R

1
: Bán kính ngoài (thành bình)
16
Sơ đồ đo cảm biến tụ điện
17
Sóng siêu âm lan truyền trong kim loại, chất lỏng, không khí
Cảm biến siêu âm gồm một thiết bị phát sóng và một thiết bị thu
sóng.
II.3.3. Đo mức bằng cảm biến siêu âm
Đo t, biết v và H ta tính được H
2
.
18
Hệ gồm các nguồn phát quang (bức xạ ) và các đầu thu
Khi ánh sáng (bức xạ ) qua chất lỏng sẽ bị suy giảm. Từ việc thu
tín hiệu xác định được mức chất lỏng
II.3.4. Đo mức bằng cảm biến quang
19
20
III. Đo tốc độ
III.1. Phong tốc kế khí
Dùng để đo véc tơ tốc độ của không khí trong môi trường tự do
Phân loại:
- Phong kế dây và màng mỏng
- Phong kế chén và cánh quạt
III.1.1. Phong kế dây và màng mỏng
Nguyên lý:
Dây kim loại điện trở R nung nóng tới nhiệt độ T bằng dòng một chiều I
Công suất P
j

tỏa nhiệt trên điện trở P
j
=R(T)I
2
Công suất trao đổi với chất lưu P
c
=hS(T-T
a
)
h-hệ số trao đổi nhiệt; S – diện tích bề mặt CB; T
a
- nhiệt độ chất lưu
Khi có cân bằng nhiệt P
j
=P
c
 R(T)I
2
=hS(T-T
a
)
a,b: hằng số phụ thuộc chất lưu và cảm biến
Đo R, T và biết a,b, S, T
a
 U
Ubah 
21
Cấu tạo
22
Sơ đồ mạch đo của phong kế

Cảm biến đóng vai trò một nhánh của cầu Wheatstone
Mạch phản hồi làm quán tính nhiệt giảm nhanh cho phép đo tốc
độ biến thiên đến 100 KHz
23
III.1.2. Phong kế chén
Nguyên lý: Chất lưu tác dụng lực đẩy làm quay cánh quạt
Tốc độ quay ~ vận tốc chất lưu
Lực tác dụng lên bán cầu 1 và 3:
3
k
1
và k
2
: hệ số lực cản của hai bán cầu
n: vận tốc bán cầu ở thời điểm xét
v: vận tốc dòng khí
: khối lượng riêng của khí
24
Do cân bằng F
1
=F
3
.
Như vậy v  n
Cách đếm số vòng quay n của cánh quạt :
- Nam châm gắn trên cánh quạt,
Cuộn dây cố định trên vỏ  xung điện
- CB quang điện: cánh quạt che ánh sáng
 xung điện
Phạm vi đo:

- Trong không khí: 0,1 đến 30 m/s
- Trong chât lỏng: 0,05 đến 10 m/s
25