flowmeters sensor

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.64 MB, 20 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY</b>

<b>MƠN HỌC: CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA PRESENTATION</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>MỤC LỤC</b>

<b>PHẦN 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN</b>

<b>1.Nguyên lí hoạt động.</b> 1

<b>2.Cấu tạo của cảm biến.</b> 1

<b>3.Các loại cảm biến lưu lượng.</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT</b>

<b>PHẦN 6: CODE ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN</b>

<b>1.Code điều khiển cảm biến.</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>PHẦN 1: NGUYÊN LÍ VÀ CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN</b>

<b>1.Nguyên lí hoạt động</b>

Cảm biến lưu lượng nước hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng Hall. Khi nước chảy qua van nhựa của cảm biến, nó làm quay rôto nước. Cảm biến hiệu ứng Hall sẽ chỉ định chiều hướng và đo lưu lượng nước bằng cách phát ra tín hiệu xung để đưa ra phản hồi cho bộ điều khiển sẽ đánh giá dòng chảy dù lớn hay nhỏ và điều chỉnh và kiểm sốt dịng điện của van tỷ lệ.

Cấu tạo chung của cảm biến thường bao gồm 3 phần sau: Vỏ bảo vệ cảm biến: có thể được làm bằng nhựa hoặc kim loại tùy vào loại cảm biến.

Bộ máy phát hay còn gọi là bộ phận cảm nhận của cảm biến nói chúng.

Bộ chuyển đổi tín hiệu (chuyển tín hiệu từ bộ máy phát thành tín hiệu điện) cịn được gọi là bộ vi xử lý tín hiệu hoặc bộ não của cảm biến.

<b>3. Các loại cảm biến lưu lượng</b>

Các loại nguyên lý của của cảm biến lưu lượng : Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất. Cảm biến lưu lượng điện từ

Cảm biến lưu lượng sóng siêu âm Cảm biến lưu lượng turbine

<b>Loại 1: Cảm biến lưu lượng áp suất chênh lệch</b>

Vận tốc của chất lỏng có liên quan trực tiếp đến áp suất của chất lỏng, như được thể hiện bởi phương trình Bernoulli:

dp = (mật độ * vận tốc ^ 2) / 2

Các cảm biến lưu lượng áp suất chênh lệch tính tốn áp suất của chất lỏng. Các cảm biến đo áp suất tại hai vận tốc khác nhau trong khi

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

giữ nguyên mật độ chất lỏng. Trong hầu hết các cảm biến lưu lượng áp suất chênh lệch, một nút cảm biến áp suất duy nhất - như ống Pitot - nằm trên mép đường dẫn dòng chảy chất lỏng. Một vòi phun hoặc thay đổi đường kính miệng ống làm tăng tốc chất lỏng, được đo lại ở vận tốc cao hơn. Sau khi cảm biến xác định sự khác biệt về áp suất, chúng ta có thể sử dụng phương trình Bernoulli để tìm vận tốc của chất lỏng. Cuối cùng, chúng ta có thể sử dụng vận tốc của chât liệu để xác định tổng luồn qua ống.

Q trình này u cầu kiểm sốt một số biến để tính tốn vận tốc của chất lỏng một cách chính xác. Do đó, các cảm biến lưu lượng dựa trên chênh lệch áp suất thường là các cụm lắp ráp "ngắt" đường ống, thay vì thích ứng với đường ống hiện có. Một số cảm biến khác nhau sử dụng phương pháp chênh lệch áp suất, chẳng hạn như:

Ống thông hơi Máy đo thông số Tấm tiết lưu Mảng ống pitot

Tất cả các cảm biến này có mức độ chính xác và tổn thất áp suất hệ thống khác nhau. Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất là loại cảm biến lưu lượng phổ biến nhất do hiệu suất và tính linh hoạt của chúng.

<b>Loại 2: Cảm biến lưu lượng điện từ</b>

Lưu lượng kế dạng điện từ hoạt động dựa trên Luật Điện từ của Faraday. Khi một chất lỏng dẫn chảy qua từ trường, một điện áp nhỏ (u) được gây ra. Một điện cực E này tỷ lệ thuận với vận tốc của dịng chảy và được đo chính xác bằng hai điện cực bằng thép không gỉ được gắn với nhau trong ống đo.

Hai điện cực được kết nối với một mạch điện tử tiên tiến xử lý tín hiệu và lần lượt đưa nó vào bộ vi xử lý bên trong module điện tử. Bộ vi xử lý sau đó tính lưu lượng và kiểm soát các đầu ra khác nhau trên bảng đầu cuối. Điện cực điện áp E tỷ lệ thuận với vận tốc trung bình của chất lỏng V.

Lưu lượng được tính theo cơng thức:

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Dịng chảy của chất lỏng được đo bằng máy đo lưu lượng kế phải có tính dẫn điện. Luật của Faraday chỉ ra rằng điện áp tín hiệu (e) phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng trung bình (V), chiều dài dây dẫn (D) và cường độ từ trường (B). Từ trường do đó sẽ được thiết lập trong phần mặt cắt ngang của ống.

Về cơ bản khi chất lỏng dẫn chảy qua từ trường, điện áp được gây ra. Để đo điện áp tạo ra (tỷ lệ với vận tốc của chất lỏng chảy), hai điện cực bằng thép không rỉ được sử dụng được gắn kết với nhau. Hai điện cực được đặt bên trong máy đo lưu lượng sau đó được kết nối với một mạch điện tử tiên tiến có khả năng xử lý tín hiệu. Tín hiệu được xử lý được đưa vào bộ vi xử lý tính lưu lượng thể tích của chất lỏng.

<b>Loại 3: Cảm biến lưu lượng sóng siêu âm</b>

Máy đo lưu lượng siêu âm sử dụng các nguyên tắc thay đổi tốc độ của âm thanh trên các phương tiện khác nhau để đo lưu lượng. Máy đo thường chứa hai đầu dò siêu âm với một đầu dò hoạt động như máy phát và một đầu dò hoạt động như máy thu. Hai đầu dị có thể được lắp lệch góc với nhau ở các phía đối diện của bình. Đầu dò truyền phát ra các xung âm thanh từ bề mặt của cảm biến đến chất lỏng và nó được nhận bởi đầu dị được chỉ định là máy thu. Thời gian cần thiết để xung âm thanh đi từ máy phát đến máy thu, được gọi là thời gian truyền, sau đó được ước tính và sử dụng để xác định tốc độ dịng chảy và các thơng số khác.

Cơng thức tính lưu lượng:

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>Loại 4: Cảm biến lưu lượng turbine</b>

Các cảm biến lưu lượng kiểu turbine hoạt động theo nguyên lý là khi một chất lỏng chạy qua sẽ làm turbine xoay với tốc độ tỉ lệ với lưu lượng chất lỏng. Khi chất lỏng đi qua khắp cánh rotor, chúng quay. Một đầu cảm biến được gắn trên thành của turbine, máy đo sẽ phát hiện được sự hiện diện của từ trường nam châm vĩnh cửu (được gắn trên rotor hoặc trên một trong các cánh của rotor) khi nó đi qua ứng với mỗi cánh của turbine. Cảm biến từ trường sẽ gửi một tín hiệu xung ứng với mỗi vòng quay turbine. Số lượng xung trong một khoảng thời gian cho trước có thể được sử dụng để xác định lưu lượng

Các cảm biến lưu lượng kiểu turbine có thể được sử dụng với chất lỏng hoặc chất khí, nhưng chúng được thiết kế để hoạt động trong một giới hạn xác định trước. Cho dù dòng chảy q trình là gì, nó khơng được lẫn các hạt có thể làm hỏng cánh turbine. Một bộ lọc và dòng chảy thẳng thường gắn liền với các cánh của turbine. Thiết bị nắn thẳng dòng chảy là các phần của đường ống chứa nhiều miếng kim loại mỏng để buộc dòng chảy vào theo dạng thẳng. Để xác định, điều quan trọnglà dòng chảy thẳng ở dạng đồng nhất và sự hỗn loạn nhỏ nhất khi nó tiếp xúc với turbine

Cơng thức tính lưu lượng:

N= k Q

Trong đó:

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

N là tần số xung điện từ sinh ra bởi tuabin quay (đơn vị Hz) Q là lưu lượng dòng chảy (đơn vị L/min)

k là hằng số phụ thuộc vào cấu tạo turbine Tín hiệu vào Số vịng rơto Dịng điện Thời gian Áp suất Tín hiệu ra Tín hiệu analog

Hàm truyền của cảm biến lưu lượng nước được biểu diễn bằng một phương trình số học, có thể được hiểu như một mối quan hệ giữa lưu lượng nước và các đặc tính điện tử của cảm biến. Phương trình này thường được biểu diễn dưới dạng đường cong hoặc bảng số liệu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Đường cong truyền của cảm biến lưu lượng nguyên lý turbin thường là tuyến tính trong khoảng phạm vi đo lường tuy nhiên sẽ có độ lệch khi đo vượt quá phạm vi đo của cảm biến.

Tốc độ dòng chảy của chất lỏng được tính theo cơng thức sau dựa trên tần số xung đo được ứng với hệ số k=7.5 .

Dãy đo của cảm biến lưu lượng là khoảng giá trị tốc độ dịng chảy mà cảm biến có thể đo được một cách chính xác và ổn định. Dãy đo của cảm biến lưu lượng phụ thuộc vào nguyên lý hoạt động, thiết kế và ứng dụng của cảm biến.

Dải đo của cảm biến YF-S201 có thể đo được từ 1-30 (L/min)

<b>Ví dụ về dãy đo của cảm biến lưu lượng là:</b>

- Cảm biến lưu lượng bằng nguyên lý turbine: Dãy đo của cảm biến này phụ thuộc vào kích thước và số vịng quay của tuabin và tần số xung điện từ sinh ra. Ví dụ, một cảm biến có tuabin có đường kính 25 mm và số vịng quay tối đa là 5000 vịng/phút có thể có dãy đo từ 0.5 m/s đến 25 m/s khi tần số xung điện từ sinh ra là từ 0 Hz đến 500 Hz.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Sai số của lưu lượng kế turbine YF-S201 là sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị thực tế của lưu lượng. Sai số có thể được tính bằng cách so sánh kết quả đo với một tiêu chuẩn đo lường hoặc một thiết bị đo khác có độ chính xác cao hơn. Theo thơng số nhà sản xuất đưa ra thì sai số của YF-S201 là ± 10% với cơng thức tính tần số ra là F = 7.5 * Q (L / Min), trong đó Q là số lít nước chảy qua trong một phút.

Sai số này có thể do nhiều ngun nhân gây ra, như: • Độ chính xác của cảm biến và thiết bị đo

• Điều kiện mơi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm

• Tính chất của chất lỏng hoặc khí như độ nhớt, mật độ, nồng độ

• Sự cản trở hoặc rị rỉ trong ống dẫn

• Cách bố trí và vị trí của cảm biến trong ống dẫn

Sai số của cảm biến lưu lượng có thể được tính bằng cơng thức sau:

• Sai số (%) = (Giá trị đo - Giá trị thực) / Giá trị thực x 100

Độ nhạy của cảm biến có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: Loại cảm biến và nguyên lý hoạt động

Điểm làm việc và tần số thay đổi của đại lượng đo Thời gian sử dụng và hiệu chuẩn

Ảnh hưởng của môi trường xung quanh và các yếu tố ngoại lai

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Độ nhạy của lưu lượng kế turbine YF-S201 là khả năng phản ứng của cảm biến với sự thay đổi của lưu lượng. Độ nhạy có thể được đánh giá bằng cách xem biểu đồ tần số xung ra theo lưu lượng chảy qua. Theo thông số sản xuất thì độ nhạy của YF-S201 là khá cao, vì tần số xung ra tăng gần như tuyến tính khi lưu lượng tăng từ 1 L/min đến 30 L/min. Điều này cho thấy cảm biến có thể phát hiện được các biến động nhỏ của lưu lượng và xuất ra tín hiệu chính xác.

Để có được một cảm biến có độ nhạy cao và ổn định, cần chọn loại cảm biến phù hợp với yêu cầu của hệ thống, thực hiện hiệu chuẩn và kiểm tra định kỳ, lắp đặt cảm biến sao cho không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây nhiễu

Độ phân giải của lưu lượng kế turbine YF-S201 là khả năng phân biệt được các giá trị lưu lượng khác nhau. Độ phân giải có thể được đánh giá bằng cách xem khoảng cách giữa các xung ra của cảm biến khi lưu lượng thay đổi. Thông số nhà sản xuất đưa ra thì độ phân giải của YF-S201 là khoảng 2.25 ml mỗi xung, tức là mỗi khi lưu lượng thay đổi 2.25 ml, cảm biến sẽ xuất ra một xung. Điều này cho thấy cảm biến có thể phân biệt được các lưu lượng rất nhỏ và có độ nhạy cao.

Độ phân giải của cảm biến lưu lượng YF-S201 phụ thuộc vào độ chính xác của bộ đếm hoặc vi điều khiển được sử dụng để đọc tín hiệu đầu ra từ cảm biến. Ở mức độ đơn giản, độ phân giải của cảm biến YF-S201 có thể đạt đến khoảng 0.1 lít/phút hoặc tương đương với độ phân giải 0.00017m3/giờ. Tuy nhiên, độ phân giải cụ thể của cảm biến YF-S201 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ chính xác của bộ đếm hoặc vi điều khiển, đường kính của bánh xe turbin, và khoảng thời gian giữa các xung tín hiệu đầu ra của cảm biến.

<b>5.Phương pháp đo, cách thức kết nối dây của cảm biến</b>

Phương pháp đo:

Để đo lưu lượng chất lỏng bằng cảm biến YF-S201, ta cần kết nối cảm biến với một bộ đếm hoặc vi điều khiển để đọc giá trị tốc độ quay của bánh xe turbin. Giá trị tốc độ quay này sẽ được sử dụng để tính tốn lưu lượng chất lỏng theo cơng thức N = K*Q (như đã được đề cập ở câu trả lời trước đó).

Cách thức kết nối dây:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Cảm biến YF-S201 có 3 chân kết nối, bao gồm: VCC: chân dương (+) nguồn cấp. GND: chân âm (-) nguồn cấp và đất.

OUT: chân đầu ra, cung cấp xung tín hiệu đầu ra tương ứng với tốc độ quay của bánh xe turbin.

Thứ tự kết nối dây của cảm biến YF-S201 như sau: Chân VCC kết nối với nguồn cấp dương (+). Chân GND kết nối với nguồn cấp âm (-) và đất.

Chân OUT kết nối với chân đầu vào của bộ đếm hoặc vi điều khiển.

Lưu ý: Nguồn cấp cho cảm biến YF-S201 cần đảm bảo đủ điện áp và dòng điện để hoạt động đúng và đảm bảo độ chính xác của kết quả đo lường

<b>PHẦN 3: Kết quả thực nghiệm:</b>

<b>Bảng thông số thực nghiệm:</b>

<b>Đặc tính hàm truyền</b>

YF-S201 là một cảm biến lưu lượng nước hoạt động dựa trên hiệu ứng từ Hall. Nó tạo ra một xung điện khi nước chảy qua bộ lắp rotor. Tần số của xung tỷ lệ với lưu lượng nước. Hàm truyền của YF-S201 có

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

thể được suy ra từ công thức này: tần số (Hz) = 7.5 * Q (L / Phút), trong đó Q là lưu lượng nước tính bằng lít mỗi phút. Hàm truyền là tỷ lệ của tần số đầu ra và lưu lượng đầu vào, vì vậy nó có thể được viết như sau:

<b>H(s) = 7.5 / s, trong đó s là biến Laplace.Sai số giữa các lần đo</b>

Dựa vào số liệu đo thực nghiệm trên cảm biến YF-S201 ta thấy sai số giữa các lần đo gần như chính xác với số liệu về sai số mà nhà sản xuất đưa ra là vào khoảng ±10% cả 20 lần đo đều cho kết quả độ chính xác nằm trong ngưởng ±2% thấp hơn nhiều so với ±10% mà nhà

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>PHẦN 4: Ứng dụng cảm biến vào điều khiển </b>

nguyên lí turbin bằng cách cho dòng nước đi qua các cánh quạt làm quay roto sau đó cảm biến hall trong turbin sẽ đếm số vịng quay và xuất ra tín hiệu xung từ đó mình biết được thể tích đã đi qua cảm biến là bao nhiêu để có thể điều chỉnh và triết rót lượng nước mà mình mong muốn.

- Mơ hình gồm : Arduino UNO R3, Module 1 Relay ( 5V DC ), LCD 1602 (kèm module I2C), bơm nước 5V, cảm biến YF - S201, nguồn Adapter 5V, công tắc , ống nước, dây điện.

Điện áp hoạt động: 4,5V đến 18V DC Loại đầu ra: Xung

Dòng điện tối đa: 15mA ở 5V

Cảm biến được sử dụng: Hiệu ứng Hall Tốc độ dịng chảy làm việc: 1 đến 30 lít / phút Độ chính xác: ±10%

Xung mỗi lít: 450 xung

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Áp lực nước tối đa: 2.0 MPa

Đặc tính xung tốc độ dòng chảy: Tần số (Hz) =7,5 * Tốc độ dịng chảy (L/phút )

2. <b>Mục đích: Cảm biến trong mơ hình dùng để đo thể tích nước </b>

được chiết rót bằng ngun lí turbin. 3. <b>Sơ đồ kết nối:</b>

<b>Phần 5: Kết luận và đề xuất.</b>

Cảm biến đang xét có độ sai số 10%, đã khảo sát và chưa tạo ra độ chính xác cao khi sử dụng cảm biến YF- S201 chưa phù hợp với ứng dụng dây chuyền chiết rót, cần nhiều cải tiến. Đây không phải là một bộ cảm biến có độ chính xác tuyệt đối. Tốc độ xung có thể sai lệch một chút tùy thuộc vào tốc độ dòng chảy, áp suất chất lỏng và định hướng cảm biến. Vì vậy cần hiệu chỉnh sai lệch khoảng 10%. Tuy nhiên, nếu đo lưu lượng cơ bản thì đây là cảm biến tốt nhất. Để tạo ra độ chính xác có tỉ lệ cao và phù hợp với ứng dụng thì đề xuất của chúng tôi là sử

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

dụng một cảm biến khác có độ chính xác cao hơn ví dụ: cảm biến siêu âm model VD - UST với độ chính xác 0,1% trên tồn thang.

Phương pháp đo có độ sai số, sai số là do cảm biến có độ sai số cao và bơm nước có đường ống cấp nhỏ hơn đường ống cấp nước của cảm biến nên xảy ra tình tràng khơng khí lẫn vào cảm biến làm cho các cánh quạt quay không đúng nên dẫn đến sai số. Cách khắc phục là sử dụng cảm biến khác có độ sai số thấp ví dụ: cảm biến đo bằng các nguyên lý siêu âm, chênh áp, điện từ….Hoặc sử dụng một động cơ bơm nước có đường ống cấp nước phùng hợp với cảm biến (lưu ý: giải pháp này chỉ giảm được một phần sai số, phần lớn do sai số của cảm biến)

<b>PHẦN 6: Code điều khiển cảm biến </b>

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h> int relayPin = 8; // Chân kết nối relay

#define BTN_POUR 6 // chân kết nối nút nhấn LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // khai báo lcd byte sensorInterrupt = 0; // 0 = digital pin 2 byte sensorPin = 2; //chân tín hiệu cảm biến float calibrationFactor = 4.5; // hệ số

volatile byte pulseCount; float flowRate;

unsigned int flowMilliLitres; unsigned long totalMilliLitres; unsigned long if1L;

unsigned long oldTime;

int POUR = 0; // tín hiệu điều khiển động cơ bơm void setup(void)

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Serial.begin(9600);

pinMode(BTN_POUR, INPUT);//tín hiệu nút nhấn pinMode(sensorPin, INPUT);// tín hiệu cảm biến pinMode(relayPin, OUTPUT);// tín hiệu relay

</div>