cảm biến công nghiệp-chuong 9: cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu

Chương 9
CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG
VÀ MỨC CHẤT LƯU
1. Cảm biến đo lưu lượng
2. Cảm biến đo mức chất lưu
1. Cảm biến đo lưu lượng
1.1. Lưu lượng và phương pháp đo
1.2. CB đo lưu lượng theo thể tích
1.3. CB đo lưu lượng theo tốc độ
1.4. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp
1.5. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp
không đổi
1.6. CB đo lưu lượng điện từ
1.1. Lưu lượng và đơn vị đo
a) Lưu lượng và đơn vị đo: lượng chất lưu
chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn
trong một đơn vị thời gian.
•
Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m3/s,
m3/giờ
•
Lưu lượng khối lượng (G) tính bằng kg/s,
kg/giờ
1.1. Lưu lượng và đơn vị đo
•
Lưu lượng trung bình:
•
Lưu lượng tức thời:
dt
dV
Q

=
hoặc
dt
dm
G
=
(m3/s)
t
V
Q
tb
∆
∆
=
t
m
G
tb
∆
∆
=
(m3/s)
(kg/s)
hoặc
1.1. Lưu lượng và đơn vị đo
b) Phương pháp đo:
•
Đếm trực tiếp thể tích chất lưu trong một khoảng
thời gian xác định ∆t.
•

Đo vận tốc chất lưu khi lưu lượng là hàm của vận
tốc.
•
Đo độ giảm áp khi lưu lượng là hàm phụ thuộc độ
giảm áp.
•
Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện
hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp.
1.2. CB đo lưu lượng theo thể tích
1.2.1. Nguyên lý đo: đếm trực tiếp lượng
thể tích chất lưu đi qua buồng chứa có thể
tích xác định của cảm biến.
dt
dn
n =
- Tốc độ quay của trục lưu kế)
(
nq
dt
dN
q
dt
dV
Q
vv
===
•
Lưu lượng tức thời:
( )
12

12v
tb
tt
NNq
t
V
Q
−
−
=
∆
∆
=
•
Lưu lượng trung bình:
(qv – thể tích chất lưu đi qua cảm biến trong một
vòng quay của trục cảm biến)
1.2.1. Nguyên lý đo
•
Phương pháp đếm số vòng quay và đo
tốc độ quay:
+ Dùng nam châm quay + cuộn dây → xung
điện.
+ Dùng tốc độ kế quang.
+ Dùng mạch đo tần số hoặc điện áp.
1.2. CB đo lưu lượng theo thể tích
1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng:
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
1&2. Bánh răng
3. Vỏ

4. Chất lưu
5. Của vào
6. Cửa ra
V1
2
1
3
4
5
6
1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng
•
Ở vị trí (a) chất lưu làm quay bánh răng (2) đẩy thể
tích chất lỏng (V1) sang cửa ra đồng thời làm bánh
răng (1) quay theo (vị trí b).
•
Ở vị trí (c) chất lưu làm bánh răng (1) quay → quá
trình lặp lại.
•
Thể tích chất lưu đẩy sang cửa ra:
V2
2
2
V1
2
1
1
1
021v
V2VVq

=+=
1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng

•
Thường đo thể tích chất lưu ∆V trong khoảng
thời gian t1 đến t2:
( qc - hệ số lưu lượng kế ; Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị
của lưu lượng kế tại thời điểm t1 và t2)
( )
1c2cc
NNqV
−=∆
•
Đếm số vòng quay hoặc đo tốc độ ⇒ Q tức
trung bình hoặc Q tức thời.
1.2.1. Lưu lượng kế bánh răng
b) Đặc điểm:
•
Giới hạn đo từ 0,01 - 250 m3/giờ,
•
Cấp chính xác 0,5; 1,
•
Tổn thất áp suất nhỏ,
•
Yêu cầu chất lỏng đo phải được lọc tốt,
•
Gây ồn khi làm việc.
1.2.2. Lưu lượng kế kiểu cánh
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
1

2
3
2
4
2
2
5
1. Vỏ
2. Cánh
3. Tang quay
4. Con lăn
5. Cam
1.2.2. Lưu lượng kế kiểu cánh
•
Thể tích chất lưu đi qua lưu lượng kế trong
một vòng quay (qv) bằng thể tích vành khí
giữa vỏ và tang quay.
•
Đếm số vòng quay hoặc đo tốc độ nhờ cơ
cấu liên kết với trục lưu lượng kế ⇒ Q tức
trung bình hoặc Q tức thời.
1.2.2. Lưu lượng kế kiểu cánh
b) Đặc điểm:
•
Đo lưu lượng chất khí.
•
Đo lưu lượng đến 100 - 300 m3/giờ
•
Cấp chính xác 0,25; 0,5.
1.3. CB đo lưu lượng theo tốc độ

1.3.1. Nguyên lý đo:
•
Dựa trên quan hệ:
v – tốc độ dòng chảy;
S – tiết diện ngang của ống dẫn.
•
Biết S đo v ⇒ Q.
S.vQ
=
1.3.2. Lưu lượng kế tuabin hướng trục
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
1
2
3
4
1. Bộ chỉnh dòng
chảy
2. Tuabin
3. Bộ truyền bánh
răng-trục vít
4. Thiết bị đếm
1.3.2. Lưu lượng kế tuabin hướng trục

•
Đo thể tích chất lưu đi qua lưu lượng kế trong
khoảng thời gian t1 ÷ t2:
•
Tốc độ quay của trục tuabin:
v.kn
=

•
Lưu lượng:
n
k
S
S.vQ
==
( )
12
NN
k
S
V
−=
(Với - tổng số vòng quay của lưu
lượng kế trong khoảng thời gian t1 ÷ t2)
∫
=−
2
1
t
t
12
dt.nNN
1.3.2. Lưu lượng kế tuabin hướng trục
b) Đặc điểm:
•
Đường kính tuabin từ 50 ÷ 300 mm,
•
Phạm vi đo từ 50 ÷ 300 m3/giờ,

•
Cấp chính xác 1; 1,5; 2.
1.3.3. Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến
a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
1
2
3
1. Tuabin 2. Màng lọc 3. ống dẫn
1.3.3. Lưu lượng kế tuabin tiếp tuyến
b) Đặc điểm:
•
Đường kính tuabin từ 15 - 40 mm;
•
Phạm vi đo từ 3 - 20 m3/giờ;
•
Cấp chính xác thấp 2; 3.
1.4. CB đo lưu lượng theo độ giảm áp
1.4.1. Nguyên lý đo:
•
Dựa vào sự phụ thuộc của độ giảm áp vào tốc
độ của dòng chảy khi đi qua tiết diện bị thu hẹp.
⇒ Khảo sát trường hợp dòng chảy lý tưởng qua
màng chắn (chất lưu không bị nén).
F1
F0
F2
W1
W2
p’2p’1
A

B C
1.4.1. Nguyên lý đo
•
Phân bố vận tốc của một dòng
chảy lý tưởng qua thiết bị thu hẹp:
(v) tăng dần từ v1 (A-A) → đạt
vmax (B-B) → giảm dần đến
v3’(C-C).
•
Phân bố áp suất: (p) tăng dần từ
p1’ (A-A) → p1(trước màng chắn),
giảm xuống p2 (sau màng
chắn)→ cực tiểu p2’ (B-B) → tăng
dần trở lại →p3’ (C-C).
F1
F0
F2
W
1
W2
p’2p’1
p’1
p’2
p2
∆p
p1
v1
v2
p3’
δp

v3’
A
B C
1.4.1. Nguyên lý đo
•
Vận tốc dòng chảy tại B-B:
p1’, p2’ - á.s. tĩnh tại A-A & B-B.
ρ - tỉ trọng chất lưu.
ξ - hệ số tổn thất thuỷ lực.
M=F0/F1 - tỉ số thu hẹp của TB,
µ = F2/F0 - hệ số thu hẹp DC
21
'
2
'
1
pppp
−ψ=−
•
Thay
⇒
( )
21
22
2
pp
2
m
v
−

ρ
µ−ξ
ψ
=
1.4.1. Nguyên lý đo
•
Lưu lượng:
( )
21
2
pp2
4
d
G −ρ
π
α=
( )
21
2
pp
2
4
d
Q −
ρ
π
α=
hoặc
4
2

c
π
=
Với
•
Khi chất lưu chịu nén → đưa vào hệ số hiệu
chỉnh ε (ε <1):
( )
21
ppcG
−ραε=
hoặc
( )
21
pp
1
cQ
−
ρ
αε=
- hệ số lưu lượng
22
m
µ−ξ
µψ
=α
Với
1.4.2. Thiết bị thu hẹp
a) Màng ngăn:
b ) Màng ngăn

lỗ hình côn
c) Màng ngăn
hình phểu
a) Màng ngăn
chuẩn