Tiểu luận đồng hồ nước điện từ đo lưu lượng nước sử dụng cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ

TIỂU LUẬN MƠN ĐO LƯỜNG NÂNG CAO

TÊN TIỂU LUẬN

ĐỒNG HỒ NƯỚC ĐIỆN TỪ ĐO LƯU LƯỢNG
NƯỚC SỬ DỤNG CẢM BIẾN
GVHD: PGS-TS. Thái Thị Thu Hà
(HVTH: Trần Thái Nguyên – 1104454 (91104003
Năm 2011


NỘI DUNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN
ĐO LƯỜNG NÂNG CAO
PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢM BIẾN LƯU
LƯỢNG
PHẦN II: ỨNG DỤNG CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG
TRONG NGÀNH CẤP NƯỚC


PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢM BIẾN LƯU
LƯỢNG
1. Lưu lượng.

- Chất lưu là các môi trường vật chất ở dạng
lỏng hoặc khí tồn tại dưới những điều kiện nhiệt
độ, áp suất và thể tích được xác định bởi các
định luật nhiệt động học.

- Dưới tác dụng của lực bên ngồi, thí dụ:
sự chênh lệch áp suất, chất lưu có thể chuyển
động. Nghiên cứu chuyển động này là đối tượng
của cơ học chất lưu.


1.1 Lưu lượng.

- Lĩnh vực ứng dụng của chất lưu bao gồm:
hàng khơng, khí tượng học, sinh lý học. Để đáp
ứng các lĩnh vực ứng dụng đa dạng này, các
cảm biến đo lưu lượng của chất lưu cũng rất đa
dạng cả về cấu tạo và phương pháp đo.


2. Đặc trưng của dòng chảy

- Chuyển động của chất lưu được đặt trưng
bởi dịng chảy.
- Dịng chảy có thể là một pha hoặc nhiều pha.
- Tính chất vật lý của dịng chảy tại một điểm
có thể thay đổi hoặc không thay đổi theo thời
gian.
- Để thuận lợi cho việc mô tả và đặc biệt là
cho việc so sánh giữa các dòng chảy khác
nhau, trong cơ học chất lưu thường sử dụng
các đại lượng không thứ nguyên, điều này cho
phép giảm số thơng số của dịng chảy.

2. Đặc trưng của dòng chảy

- Trường hợp dòng chảy không nén và đẳng nhiệt:
Tức là khối lượng riêng và nhiệt độ khơng đổi, thì
chỉ cần một thơng số khơng thứ ngun cũng đủ
để xác định dịng chảy, đó là thông số Reynolds
Re:
Re = UD/v

- Thông số Reynolds Re:Re = UD/v
- U: vận tốc đặc trưng của dòng chảy.
- D: kích thước đặc trưng.
- v: độ nhớt động học.


2. Đặc trưng của dòng chảy

- Trong trường hợp ống thì vận tốc trung bình của
dịng chảy : U = Q/S.
Q: Lưu lượng thể tích.
S: Tiết diện ống.
- Đối với những điều kiện giới hạn hồn tồn
giống nhau về hình học, hai dịng chảy khơng
nén và đẳng nhiệt được coi là giống nhau nếu
chúng có thơng số Reynolds bằng nhau.
Để thoả mãn điều kiện Re1 = Re2 thì:
U1 x D1 / v1 = U2 x D2 / v2

2. Đặc trưng của dòng chảy

Như vậy, nếu biết vận tốc u1 ở điểm cách thành
ống của ống thứ nhất một khoảng x1 thì có thể xác
định vận tốc u2 ở thành ống của ống thứ hai một
khoảng x2 = x1(D2/D1) từ biểu thức:
U1 / u1 = U2 / u2
Cũng như vậy, có thể coi u1 / U1 là hàm
của số Reynolds: u1 / U1 = f(Re)
Nói một cách tổng qt, mỗi đại lượng khơng
thứ ngun liên quan đến dịng chảy đều có thể
biểu diễn dưới dạng hàm số phụ thuộc vào số
Reynolds của dịng chảy đó.


2. Đặc trưng của dòng chảy

Trong trường hợp phức tạp hơn khi nhiệt độ và khối
lượng riêng thay đổi, số thông số cần thiết được mô
tả một đại lượng A bổ sung sẽ tăng lên. Thí dụ, với
chất khí có vận tốc lớn:
A = f(Re,Ma)
Trong đó: Ma = U1/c, c = γrT là vận tốc âm
với γ = Cp / Cv (tỷ số giữa nhiệt dung riêng ở áp
suất không đổi và thể tích cố định, trong khơng
khí
γ =1,4).
r là hằng số của chất khí lý tưởng và T là nhiệt độ

2. Đặc trưng của dòng chảy

Trên thực tế, các cảm biến dựa trên một
nguyên tắc hoạt động nhưng về kỹ thuật thì khơng
giống nhau khi dùng cho dịng chảy là chất khí
hoặc chất lỏng.


3. Các phương pháp đo lưu lượng

Đo lưu lượng có tầm quan trọng đặc biệt trong
các mạng lưới vận chuyển chất lưu (ống dẫn khí,
ống dẫn dầu) và trong mọi thiết bị công nghiệp khi
cần khống chế lượng chất lưu tham gia vào các
q trình như ở lị phản ứng hoá học, nhà máy
sản xuất năng lượng, động cơ đốt trong.
a) Lưu lượng kế điện từ:


a) Lưu lượng kế điện từ:
Nguyên lý
Khi cho đoạn dây M1M2 chiều dài l chuyển động
tịnh tiến trong trường cảm ứng từ
B với vận tốc U trong khoảng thời gian dt, có thể viết
biểu thức cho các đại lượng cơ bản sau đây:
Diện tích cắt:
dSc = l.U sin.dt
Hoặc dưới dạng vectơ : dSc = l ^ U. dt

a) Lưu lượng kế điện từ:
Từ thông bị cắt :
dθc = B dSc.dt
Suất điện động cảm ứng: e = - dθc / dt = B ^ U. l
Khi U vuông góc với l và B vng góc với mặt
phẳng tạo bởi l và B ta có:
e = B. l. U
Cơng thức này có thể tổng kết hóa cho trường hợp
chất lưu dẫn điện chảy trong đường ống đường kính D
có vận tốc U vng góc với B: suất điện động cảm ứng
dọc theo đường kính vng góc với U và B có dạng:
e = B. l. U
Trên thực tế vận tốc thay đổi tùy vị trí của điểm trên
bán kính ống, nhưng nó phân bố quanh trục của ống, cho
nên U đo được là vận tốc trung bình của dịng chảy. Trong
những điều kiện như vậy, tín hiệu e tỉ lệ với lưu lượng.


a) Lưu lượng kế điện từ:
:Cấu tạo của cảm biến
Từ trường từ 10-3 ÷ 10-2 T được tạo ra bằng cách
dùng hai cuộn dây đặt ở hai phía đường ống. Đường
ống dẫn được làm bằng vật liệu khơng từ tính, mặt bên
trong ống được phủ chất cách điện hai điện cực lấy tín
hiệu đặt ở hai đầu đường kính vng góc với đường sức
của từ trường. Các cuộn dây được ni bằng nguồn
.xoay chiều tần số 30 Hz
Tín hiệu thu được ở đầu ra có dạng:
e = UDB0 .cos(ω t + θ)
Trong đó B0 là trị cực đại của cảm ứng từ B0 = Bmax

ω là tần số của cảm ứng từ.
Biên độ của tín hiệu tỉ lệ với U và có trị cỡ mV.


a) Lưu lượng kế điện từ:


a) Lưu lượng kế điện từ:
.Các đặc trưng
Các chất lưu phải có độ dẫn điện khơng nhỏ hơn
cỡ ≈ µScm-1. Lý do là bởi vì điện trở trong của cảm biến
phải nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở vào của thiết bị
đo. Phạm vi đo của lưu lượng kế điện từ là hàm của
đường kính ống dẫn. Đường kính càng rộng thì giới
hạn thấp và cao càng dịch chuyển về phía lưu lượng
.lớn


a) Lưu lượng kế điện từ:
.Độ chính xác của lưu lượng kế đạt cỡ ≈ 1%
Ưu điểm của lưu lượng kế điện tử là ở chỗ việc đo
đạc không phụ thuộc vào đặc tính vật lý của chất lưu
(như mật độ, độ nhớt, độ dẫn điện với điều kiện nó
phải lớn hơn một vài ≈ µScm-1 ). Ngồi ra, thiết bị này
có khả năng chống ăn mịn bằng cách chọn lớp phủ và
).kim loại điện cực thích hhợp (Ti, Pt


b) Lưu lượng kế cơ dùng chuyển đổi điện

Lưu lượng kế loại này có cấu tạo gồm một phao nhỏ
.đặt trong ống thẳng đứng hình nón
Ở trạng thái cân bằng phao chịu tác dụng của ba lực
chủ yếu là lực đẩy Archimede, lực cản và trọng lượng.
Trạng thái cân bằng này được biểu diễn bởi phương
: trình


b) Lưu lượng kế cơ dùng chuyển đổi điện
:Trong đó
.V :là thể tích và ρ0 là khối lượng riêng của phao
.U:là vận tốc và ρ là khối lượng riêng của chất lưu
Cx : là hệ số lực cản và S là diện tích của hình chiếu
của phao trên mặt phẳng vng góc với vận tốc U, S
= D2/4.
g: là gia tốc trọng trường.
Mục đích của việc đo và phát hiện mức chất lưu là xác
định mức độ hoặc khối lượng chất lưu trong các bình
.chứa
.Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng
Khi đo liên tuc, biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho
.biết thể tích chất lưu cịn lại trong bình chứa


b) Lưu lượng kế cơ dùng chuyển đổi điện
Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín
hiệu dạng nhị phân cho biết thơng tin về tình trạng
.hiện tại mức ngưỡng có đạt hay khơng
Vị trí của phao được xác định sao cho vận tốc của
U được biểu diễn bởi biểu thức (tại điều kiện cân

):bằng của các lực tác dụng lên phao
Đường kính D của ống dẫn thay đổi tuyến tính theo
chiều cao z:
D = D0 + az
:Cho nên biểu thức của lưu lượng có dạng


b) Lưu lượng kế cơ dùng chuyển đổi điện
Nên sự thay đổi của đường kính ống rất nhỏ thì trên
:thực tế biểu thức của Q sẽ là

Để đo lưu lượng, cách đơn giản nhất là chia độ trực
tiếp trên ống thủy tinh. Để tiện xử lý kết quả đo, có thể
nối phao vối một chiếc cần nhỏ có liên hệ cơ với lõi của
biến thế vi sai để chuyển tín hiệu cơ thành tín hiệu điện.
. Tín hiệu điện này sẽ tỉ lệ với lưu lượng cần đo


c. Lưu lượng kế lá chắn

Lá chắn chịu lực tác dụng của dòng chảy, trọng lượng
và phản lực của lò xo. Vị trí cân bằng của lá chắn phụ
thuộc vào lưu lượng của chất lưu. Tín hiệu cơ trong
trường hợp này có thể chuyển thành tín hiệu điện bằng
cách dùng điện kế có trục gắn liền với trục của lá chắn.
Ưu điểm của lưu lượng kế dùng lá chắn là rẻ tiền và
.chắc chắn


d. Lưu lượng kế khối lượng nhiệt

Các cảm biến nhiệt độ có thể là cặp nhiệt hoặc nhiệt
kế điện trở. Nếu là hai điện trở nhiệt thì chúng làm thành
hai nhánh kề nhau của cầu Wheatstone, hai nhánh khác
là hai điện trở có giá trị khơng đổi. Điện áp khơng cân
.bằng trên cầu sẽ là tín hiệu đo


d. Lưu lượng kế khối lượng nhiệt
Trường hợp trên hình vẽ, chức năng nung nóng
và đo ∆T thực hiện bằng hai điện trở nhiệt có dịng
.điện đủ lớn chạy qua


PHẦN II: ỨNG DỤNG CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG
TRONG NGÀNH CẤP NƯỚC

1. Giới thiệu chung:
2. Cấu tạo - Nguyên lý hoạt động