ĐỀ TÀI: Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lưu

`TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BÀI TẬP LỚN
MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
ĐỀ TÀI: Hệ thống đo và điều khiển
lưu lượng chất lưu


Hà Nội, 06/2015
ĐỀ TÀI: Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lưu
Bài tập lớn môn Đo lường & Cảm biến
Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng như hình vẽ:
Giới hạn điều kiện:
1. Chất cần bơm là nước (điều kiện thường)
2. Ống là kim loại cứng, đường kính trong 18cm
3. Dải đo lưu lượng (0-1500 lít/giờ)
4. Bể chứa cao 2m
5. Thông số cần giám sát là lưu lượng nước chảy qua ống và mức
nước trong bể chứa
6. Đối tượng điều khiển Bơm và Van
7. Sai số yêu cầu 2%
Yêu cầu:
1. Trình bày tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu?
2. Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?
3. Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống
4. Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?
5. Trình bày về loại cảm biến lựa chọn ? (Nguyên lý hoạt động, số
lượng cảm biến)
6. Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, xử lý, đo tín hiệu
đầu ra của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển?

7. Đánh giá về sai số của hệ thống (giớ hạn, nguyên nhân biện
pháp khắc phục)
LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có thành công nào mà không gắn liền với
những sự hỗ trợ, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián
tiếp của người khác. Trong suốt thời gian học tập môn học "Đo lường
và cảm biến" em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của
các thầy cô bộ môn và đặc biệt là thầy Nguyễn Vũ Linh.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô đã cho
chúng em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối
với sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh đã
cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức
quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập, cũng như những
buổi nói chuyện, thảo luận. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy
bảo của thầy thì em nghĩ đề tài này của em sẽ rất khó để hoàn thiện
được. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy.
Bài thu hoạch này được thực hiện trong khoảng thời gian khoảng
ngắn. Bước đầu đi vào thực tế kiến thức của em còn hạn chế. Do vậy
không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những
ý kiến đóng góp quý báu của thầy để kiến thức của em trong lĩnh vực
này được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin chúc các thầy cô giảng dạy bộ môn "Đo lường
và cảm biến" và đặc biệt là thầy Nguyễn Vũ Linh thật dồi dào sức
khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là
truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Hà Nội, 06/2015
Nhóm sinh viên thực
hiện
Nhóm 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG
CHẤT LƯU.
Lưu lượng và đơn vị đo
Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của
ống trong một đơn vị thời gian. Tuỳ theo đơn vị tính lượng chất lưu
(theo thể tích hoặc khối lượng) người ta phân biệt:
- Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m
3
/s, m
3
/giờ
- Lưu lượng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ
Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian Δt = t
2
- t
1
xác định bởi
biểu thức:
Trong đó ΔV, Δm là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống
trong thời khoảng gian khảo sát.
Lưu lượng tức thời xác định theo công thức:
Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế. Tuỳ thuộc vào tính
chất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng các lưu lượng kế
khác nhau. Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở:
- Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng
thời gian xác định Δt.
- 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.
Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển
đổi điện thích hợp.
A. Các phương pháp đo lưu lượng
1. Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co.
- Phương pháp đo lun lượng bằng ống co dựa trên định luật liên
tục và phương trình năng lượng của Bernoulli. Neu có một nơi
nào đó trong một ống dẫn bị co lại, ở tất cả các vị trí khác lun
lượng tính bằng thế tích và trọng khối đều bằng nhau. Với:
A
1
: Diện tích trước vị trí co
A
2
: Diện tích ở vị trí co.
v
1
: Vận tốc trước vị trí co.
v
2
: Vận tốc ở vị trí co.
p
1
: Áp suất tĩnh trước vị trí co.
p
2
: Áp suất tĩnh ở vị trí co.
- Phương trình liên tục: A
1

.v
1
. ρ = A
2
.v
2
.ρ
- Phương trình Bernoulli:
constv
2
pv
2
p
2
22
2
21
=
ρ
+=
ρ
+
Ớ nơi diện tích ống bị thu nho lại, vận tóc dòng chảy ở đó phải
gia tăng. Với phương trình năng lượng của Bernoulli, năng lượng của
một dòng chảy gồm năng lượng (áp suất) tĩnh và động năng (vận
tócc) là một hằng số. Khi vận tốc gia tăng áp suất tĩnh lập tức bị
giảm đi. Sự giảm áp suất hay hiệu áp Ap là thước đo cho lưu lượng Q.
∆p = p
1
- p

2
=
)vv(
2
2
1
2
2
−
ρ
Phương trình trên được giải theo v
2
và v
1
được tính theo v
2
với
phương trình (1) ta có:

2
2
2
1
2
21
2
121
2
2
v.

A
A
)pp(
2
v)pp(
2
v








+−
ρ
=+−
ρ
=
Với tỷ lê m =
1
2
A
A
và hằng số dòng chảy α=
2
m1
1
−

Ta có thể viết phương trình trên dưới dạng:

ρ−
−
=
).m1(
)pp(2
v
2
21
2
2
Suy ra
21
2
2
pp.
2
v −
ρ
α=

Từ đó ta có lưu lượng tính theo thế tích và khối lượng như sau:
Q
v
= A
2
.V
2
= A

2
.
p.k.pp.
2
21
∆α=−
ρ
α
Q
m
= A
2
.V
2
.ρ= A
2
.
p.k.pp.2
21
∆α=−ρα
Như thế lưu lượng tỉ lệ với căn bậc hai của hiệu áp khi tỷ trịng là một
hằng số. Ta có thể đo lưu lượng bằng ống co với cảm biến hiệu áp
được ứng dụng rất rộng trong công nghiệp. Có 3 loại ống co định
chuến tiêu biếu theo DIN 1952 là:
- Blende
- Ống phun
- Ống phun Venturi
Tiêu chuấn đế lựa chon loại ổng co nào tùy thuộc vào môi trường đo,
khả năng thiết kế, giá cả và sự hao hụt áp suất. Ớ ngõ ra của ống co
có nhiều dòng xoáy làm tiêu hao năng lượng. Điều này làm cho ta

không có được một áp suất tĩnh của dòng chảy trường hợp có không
bị khuấy sau ống co. Sự hao hụt áp suất đo điều này cần phải giữ
càng bé càng tốt.
* Hiệu chuấn tỷ trọng.
Tỷ trọng của môi trường do ảnh hưởng đến phép đo lun lượng. Trong
quá trình sản xuất, tỷ trọng của môi trường đo thường không là một
hằng số và ta cần phải chú ý đến. Tỷ trọng của chất lỏng tùy thuộc
vào nhiệt độ. Trường hợp này đế hiệu chuân sai số tỷ trọng đo nhiệt
độ. Trong hơi nước bão hòa hai đại lượng áp suất và nhiệt độ làm
thay đổi đường biếu diễn của hơi nước bão hòa. Cả hai có sự ảnh
hưởng lẫn nhau, chỉ cần một đại lượng đủ đế hiệu chỉnh tỷ trọng.
Trường hợp hơi nước bị nung thật nóng, tỷ trọng của nó phụ thuộc
vào cả nhiệt độ và áp suất. Các đại lượng này cần phải được đo. Tỷ
trọng định chuấn ở 0°c và áp suất khí quyến cần được xác định. Lưu
lượng được tính theo tỷ trọng định chuẩn này.
* Sự chính xác của phép đo.
Neu diện tích cắt ngang của dòng chảy và tỷ trọng của lun chất coi
như cối định, trong phương trình:
Có hai yếu tố ảnh hưởng đến độ chính sác của phép đo đó là a và AP.
Các thông số có thể ảnh hưởng đến trị số a là tỷ lệ điện tích, vị trí nơi
đo áp suất Pi và p2, độ nhám của ống và sự mềm dẻo của lưu chất.
Hiệu áp Ap tỷ lệ bình phương với lưu lượng. Khi lượng có 30% của
thang đo, hiệu áp chỉ còn 9%. Hiệu áp càng thấp, sai số tương đối
của càng lớn. Với hiệu áp 9% của thang đo ta có sai số tương đối lớn
gấp 11 lần so với sai số ở cuối thang đo. Do đó khi thực hiện phép đo
với lưu lượng thấp, sai số của phép đo tương đối lớn. Chỉ nên thực

hiện việc đo lưu lượng bằng ống co từ 30% đến 100% của thang đo.
Người ta có thế đo hiệu áp bằng các loại sensor bán dẫn. Ngoài ra
các loại đo hiệu áp Ap theo cách cơ học cũng được dùng đến.

+ Cân hình vành khăn:
Góc quay của cân là thước đo Ap. Phân nửa trống hình vành khăn
được đố đầy nước, dầu hay thủy ngân tùy theo Ap và môi trường cần
đo. Buồng phía trên chất lỏng được ngăn cách bởi một vách ngăn và
có hai ống thông với Pi và p
2
. Dưới tác dụng của sự khác biệt về áp
suất giữa Pi và p
2
cân quay một góc cho đến khi có sự cân bằng với
mômen của đối trọng. Đối trọng được treo bên cạnh 1 lá thép đàn
hồi. Để cho việc đo và hiệu chỉnh lưu lượng của hai lưu chất cùng
một lúc.
2. Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:
Phương pháp này dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi
một vật cản nằm trong lun chất. Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và
bị dòng chảy cuốn chôi đi. Hiện tượng này đã được Leonardo da Vinci
ghi nhận và Strouhal trong năm 1878 đã cổ gắng giải thích lần đầu
tiên, ông đã nhận thấy rằng một sợi dây nằm trong dòng chảy có sự
dung động như một dây đờn. Sự dao động này tỷ lệ với vận tốc dòng
chảy và tỷ lệ nghịch với đường kính sợi dây.
Theo dor von Kàmàn đã tìm thấy nguyên nhân gây ra sự dao động
này. Đó là sự sinh ra và biến mất cỷa các dòng xoáy bên cạnh vật
cản. Một con đường dòng xoáy hình thành phía sau vật cản khi một
vật cản được đặt trong một dòng chảy, phía sau nó các dòng xoáy
không liên tục được tạo ra.
Các dòng xoáy này rời bỏ vật cản tuần tự và trôi đi theo dòng chảy.
Phía sau vật cản hình thành con đường của dòng xoáy được đặt tên
là con đường dòng xoáy Kàrmàn. Các dòng xoáy ở hai cạnh bên của
vật cản có chiều xoáy ngược nhau. Như thế với sự xuất hiện của

dòng xoáy, năng lượng quay bị “chuyên chở đi mất”.
Cuối cùng lực tác động vào vật cản được hình thành. Dựa dưới
những điều kiện cần thiết một dao động phát sinh. Các dòng xoáy
mạnh mẽ sinh ra rồi lại lần lượt biến mất theo dòng chảy. Tần số sự
biến mất của sòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng đế đo
lưu lượng tính bằng thể tích.
Lord Rayleigh đã tìm thấy sự liên hệ giữa kích thước nhình thành vật
cản, vận tốc lưu chat V và tần số biến mất của dòng xoáy / - tần số
dòng xoáy. Sự liên hệ này được diễn tả trong trị số Strouhal:
S=
với a - Đường kính của vật cản
f - Tần số dòng xoáy.
v - Vận tốc dòng xoáy.
Con đường dòng xoáy Kàrmàn cho một tính chất vô cùng quan
trọng trong kỹ thuật đo lường: Khoảng cách và như thế thể tích cục
bộ của dòng xoáy giữa hai dòng xoáy luôn là một hằng sổ! Sự hình

thành các dòng xoáy một cách chính xác là điều kiện tiên quyết để
có thể đo toàn bộ thể tích bằng cách đến các thể tích cục bộ. Hệ số
đếm cho chất lỏng và khí giống nhau. Với điều kiện hằng số Strouhal
s không tùy thuộc vào trị số Reynold ta có thế tính lun lượng theo thế
tích trên đơn vị thời gian. Với A là diện tích cắt ngang của dòng chảy
và từ phương trình trên ta có:
Q=.a.A.f
Đe hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định cà lặp lại
thực tốt thì vật cản phải đáp ứng đủ một số điều kiện về hình dạng.
Hình dạng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng
trị số Reynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số.
Hình dạng của một số vật cản
Với sự biến mất và suất hiện của dòng xoáy vận tốc dòng chảy ở

hai bên vật cản và trên đường dòng xoáy thay đối một cách cục bộ.
Tần số dao động của vận tốc có thế được đo với nhiều phương pháp
khác nhau. Nhiệt điện trở nung nóng được dùng đến, nó có thế được
gắn phía trước, ở giữa vật cản hay phía sau. Sự thoát nhiệt của nhiệt
điện trở thay đổi theo hướng lưu chất. Người ta cũng có thế đo sự
dao động áp suất với màng sọc co giãn, hoặc đo đạc các dòng xoáy
bằng sóng siêu âm.
Phương pháp đo lun lượng với tần số dòng xoáy rất kinh tế và có độ
tin cậy cao. Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng của bởi sự dơ bẩn
hay sự hư hỏng của vật cản. Đường biểu diễn của nó rất tuyến tính
và không thay đổi theo thời gian sử dụng, sai số của phép đo rất bé.
3. Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ.
Theo định luật cảm ứng điện tù’ của Faraday, một dây dẫn điện
phát sinh ra một điện thế khi nó dịch chuyến trong một từ trường.
Điện thế này tỷ lệ với vận tốc di chuyến của dây dẫn điện và cường
độ của từ trường.
Hiệu ứng này được dòng trong phương pháp đo lun lượng các
chất lỏng dẫn điện có chứa các ion mang điện tích.
Khi các ion mang điện tích q dịch chuyển cùng với lưu chất với
vận tốc V có hướng thẳng góc với tù' trường B, các ion này bị kéo
lệch về một bên với lực F
m
= q.v.B. Do sự phân bố các ion ta có một
điện trường E phát sinh và tạo ra một lực F
c
=q.E tác dụng lên ion.

Với điện trường E ta có một điện thế u đo được ở hai điện cực nằm
trên ống dẫn lưu chất có đường kính D.
q = v.B = q.E = q.

u = D.v.B

Nguyên tắc đo lưu lượng bằng hiệu ứng
Mạch điện thay thế
cảm ứng điện từ
Hình 3.1
Với vận tốc V, ta có lun lượng tính theo thế tích khi điện tích
mặt cắt ngang của ống là
π . ; Q
v
= . D
2
.v hay Q
v
= . U
Như thế điện thế đo được là thước đo của lưu lượng chất lỏng
được tính bằng thế tích trên đơn vị thời gian với thứ nguyên là
[ m
3
/s ].
Trong hình 3.1 ta thấy không có thành phần độ dẫn điện σ. Nó
đóng vai trò nào cho trị số điện thế U, tuy nhiên nó lại xác định trị số
điện trở trong R
q
của nguồn điện. Đó là điện trở của cột chất lỏng
giữa hai điện cực. Với D là đường kính của ổng dẫn lưu chất, A là điện
tích của điện cực, ta có:
R
q
=

Với σ = 10 μS/cm (Độ dẫn điện của nước sạch)
D = 100 cm, A= 1 cm
2
Thì R
q
= 100cm = 10
7
Ω

Máy đo lưu lượng với cảm ứng điện từ là một nguồn điện có điện
trở trong rất lớn. Đe đo được điện thế của nó ta cần một mạch
khuyếch đại có điện trở vào cùng khá lớn.
• Các tính chất kỹ thuật.
Máy đo lun lượng cảm ứng điện từ cho ta một điện thế tỷ lệ với
lun lượng trong một từ trường đồng nhất khi mà hình dạng dòng
chảy có đối xứng xoay. Một lợi điếm của phương pháp đo lun
lượng bằng cảm ứng điện tù’ là mặt cắt của dòng chảy không bị thu
hẹp bởi các blende hay ổng phun. Phương pháp đo này có thế thực
hiện đế đo lun lượng các chất lỏng dơ bẩn, chất kem sền sệt hay
ngay cả với môi trường có tính ăn mòn cao như acid, kiềm Từ 10
đến 100% thang đo ta có sai số phép đo nhở hơn 1%.
Cảm biến đo lưu lượng bằng phương pháp điện từ
Tóm lại, với phương pháp cảm ứng điện tù' ta có sự liên hệ thật
tuyến tính giữa thế tích trên đơn vị thời gian và điện thế đo. Khoảng
đo rải rất rộng và trị số đo không bị ảnh hưởng bởi các thông số của
chất như độ nhót, tỷ trọng, áp suất và nhiệt độ. Trong ống dẫn chuân
từ vài millimet đến vài met. Trong công nghiệp máy đo lun lượng với
phương pháp cảm ứng điện từ được dùng ở những nơi có áp suất và
nhiệt độ rất cao cũng như ơ những nơi dễ gây cháy nố, ngập lụt
Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ dù có đắt tiền và

phức tạp hơn những phương pháp khác nhưng nó đã được nghiên
cứu thử nghiệm chín mùi trong công nghiệp. Nó tỏ ra bền bỉ, ít bị hư
hỏng dù phải làm việc với những chất độc hại, ăn mòn cao như nước
thải, hóa chất
4. Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm.
a. Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện.
Tần số của siêu âm cao hơn tần số mà thính giác con người có
thể cảm nhận được. Trong kỹ thuật tần số hữu ích của siêu âm trải
dài từ 16 kHz đến 10 MHz. Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền
sóng được liên kết với nhau.
C
0
=ƒ. λ

Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường và đặc biệt
vào nhiệt độ của môi trường. Ở nhiệt độ bình thường sóng siêu âm
lan truyền với vận tốc 344 m/s trong không khí và 1483 m/s trong
nước. Như thế với sóng siêu âm 100 kHz có độ dài sóng là 15 mm
trong nước. Hình sau đây trình bày cấu trúc của 1 cảm biến siêu âm
áp điện:
1-Phiến áp điện
2-Vật liệu tương thích âm học
3-Gá đỡ hình vành khăn
Cấu trúc nguồn phát siêu âm với hiệu ứng áp điện
Sóng siêu âm được tạo nên bởi các vật liệu áp điện. Trường hợp
đóng vai trò phát sóng năng lượng điện được biến thành năng lượng
có học. Dưới một điện áp xoáy chiều phiến áp điện rung với tần số
riêng và sóng siêu âm được phát ra thắng góc với bề mặt. Với những
cấu trúc đặc biệt người ta có thế tạo nên những mặt sóng nằm
nghiêng.

Để thu nhận sóng siêu âm người ta dùng linh kiện có cấu trúc
giống như ở nguồn ơhát. Trường hợp này năng lượng cơ học được
biến thành năng lượng điện. Các sóng siêu âm làm rung phiến áp
điện. Với hiệu ứng áp điện ngược lại này ta có tín hiệu điện từ các
sóng siêu âm thanh. Trong thực tế thường với cùng một linh kiện vừa
đóng vai trò phát và thu.
b. Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng.
c.

Cấu trúc ống đo siêu âm
Trong hình trình bày một cấu trúc dùng để đo lưu lượng. Các
cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ổng dẫn có
các cảm biến siêu âm mằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn
có lưu chất dịch chuyển một vận tốc V. Cảm biến 1 phát sóng và cảm
biến 2 thu sóng, vận tốc truyền sóng được gia tăng thêm thành phần
vcos do vận tốc chảy của lun chất, trường hợp ngược lại nó giảm đi
cùng thành phần vcosVới phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận
tốc V của dòng chảy và sau khi nhân V với diện tích mặt cắt ngang
của ống ta được lun lượng tính bằng thế tích.
Nếu ti là thời gian truyền sóng từ 1 đến 2 và t
2
từ 2 đến 1 thì ta có:
Ta có hiệu sô thời gian truyên sóng là t
2
- t
1
:
v.cos
Nếu vận tốc dòng chảy trong chất lỏng trong khoảng m/s thành phần
v.cosa có thể coi như bé đổi với Co trong chất lỏng và có thế bỏ đi

trong mẫu sổ của phương trình trên. Vận tốc dòng chảy V có thế
được tính gần đúng:
Kết quả trên cho thấy kết quả đo vẫn lệ thuộc vào Co. Sự thay đôi
của vận tốc truyền sóng có thế làm ảnh hưởng đến độ chính xác của
phép đo. Đe có thế độc lập với Co, t! và t
2
có thể được đo riêng lẻ và
nhân với nhau:
Thay phương trình trên vào phương trình (t
2
- ti) ta được:
Từ đó ta có được vận tốc dòng chảy V mà không cần sự tính toán gần
đúng: L
Đế đo thời gian truyền sóng chính sác, các cảm biến siêu âm cần
phải hoạt động nhanh. Các cảm biến này cần phải phát được sóng có
sườn dốc thẳng đứng. Cả hai cảm biến đối diện nhau phát cùng 1 lúc
sóng siêu âm. Cả hai hoạt động nên như nguồn phát và sau đó hoạt
động như hai cảm biến thu sóng siêu âm của nhau. Vận tốc dòng
chảy được sác định rất nhanh chóng với phương pháp này.
c. Phương pháp hiệu chỉnh pha.
Với sự liên hệ C
o
= f.λ khi vận tốc truyền sóng thay đối với tần số
không đối độ dài sóng phải thay đôi.
Ta chọn tần số fo sao cho, với vận tốc dòng chảy v = 0. Khoảng cách
giữa hai cảm biến bằng n.v Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có:
C
1
= C
o

+v.cos và c
2
= Co - v.cos với tần số không thay đổi ta có độ
dài sóng:

Với phương pháp hiệu chỉnh pha, tần số siêu âm được thay đối sao
cho dù với vận tốc dòng chảy nào ta luôn có n. λ
o
là khoảng cách L
giữa hai cảm biếm. Độ dài bước sóng λ
o
được giữ cố định, do đó với
hai hướng truyền sóng khác nhau ta có:
Từ hiệu số:
Cho ta vận tốc dòng chảy V độc lập đối với vận tốc sóng siêu âm C
o
Phương pháp này cho kết quả chính sác nhất trong phương pháp đo
lun lượng bằng siêu âm.
CHƯƠNG II: MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG.
A. Hình vẽ và sơ đồ hệ thống.

B. Nguyên lý làm việc của hệ thống
- Theo sơ đồ ta nhấn nút (on/o˜) mạch được cấp nguồn. Giả
sử nước trong bình đang ở mức dưới, lúc này cảm biến tiệm cận
mức dưới bắt được tín hiệu từ phao sinh ra dòng điện làm tiếp
điếm thường mở K
1
(của cuộn dây K
1
) đóng lại nhằm duy trì

dòng điện cho cuộn dây K
1
. Tiếp điểm thường đóng K
2
vẫn được
duy trì. Bơm bắt đầu hoạt động bơm nước lên bế.
- Khi nước được bơm lên bế, mực nước sẽ dâng lên làm phao
dâng theo cho tới khi đạt mức trên của bế. Lúc này cảm biến
mức trên bắt được tín hiệu của phao sinh ra dòng điện làm tiếp
điểm thường đóng K
2
(của cuộn dây K
2
) mở ra làm ngắt mạch
cuộn dây K
1
. Bơm ngừng hoạt động.
- Sau một thời gian sử dụng, nước trong bể hạ xuống tới mức
dưới cử bế làm phao hạ xuống tác động vào cảm biến mức
dưới. Bơm lại hoạt động bơm nước vào bế. Cứ như thế theo chu
kỳ bơm nước tự’ động hoạt động bơm nước vào bế một cách
bình thường.
- Trong quá trình bơm nước vào bể, lưu lượng kế sẽ đo lượng
nước cung cấp cho bể, (trường hợp vừa xả van và vừa bơm
nước thì lượng nước sẽ được tính là tổng thể tích nước đã cấp
cho bể trong suốt quá trình)
- Trường hợp mức nước quá thấp cảm biến mức sẽ xác định và
truyền tín hiệu về hệ thống để đóng van. Mức nước quá đầy
cảm biến mức sẽ xác định và truyền tín hiệu về hệ thống để
ngắt điện máy bơm.

CHƯƠNG III: LIỆT KÊ CÁC CẢM BIẾN, PHƯƠNG ÁN
CHỌN CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG.
A. Liệt kê các cảm biến trong hệ thống.
Hệ thống bao gồm 2 cảm biến: cảm biến lưu lượng và cảm biến mức.
Cảm biến lưu lượng:
- Vị trí: Vị trí đặt cảm biến lưu lượng là ở trên đường ống dẫn
nước từ máy bơm vào bể chứa.
- Nhiệm vụ: Cảm biến lưu lượng này là để đo thể tích nước đã
chảy qua ống dẫn trong một khoảng thời gian.
Cảm biến mức:
- Vị trí: Đặt ở vị trí bể chứa
- Nhiệm vụ: Đo mức nước có trong bể, xử lý và truyền tín hiệu
để điều khiển động cơ đóng hoặc mở
B. Các phương án chọn cảm biến trong hệ thống.
a. Một số loại cảm biến đo lưu lượng chất lưu
Công tơ thể tích
Công tơ thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua cô ng tơ bằng
các đếm trực tiếp lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác
định của công tơ.
Sơ đồ nguyên lý của công tơ thể tích kiểu bánh răng hình ôvan trình
bày trên hình 20.13.
Công tơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp
với nhau (hình 20.13a). Dưới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng
(2) quay và truyền chuyển động tới bánh răng (1) (hình 20.13b) cho
đến lúc bánh răng (2) ở vị trí thẳng đứng, bánh răng (1) nằm ngang.
Chất lỏng trong thể tích V
1
được đẩy sang cửa ra. Sau đó bánh răng
(1) quay và quá trình tương tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong buồng

V
2
được đẩy sang cửa ra. Trong một vòng quay của côngtơ thể tích
chất lỏng qua công tơ bằng bốn lần thể tích V
0
(bằng V
1
hoặc V
2
).
Trục của một trong hai bánh răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài
côngtơ.

Hình 20.13: Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tích
Thể tích chất lưu chảy qua côngtơ trong thời gian Δt = t
2
- t
1
tỉ lệ với
số vòng quay xác định bởi công thức:
Trong đó:
q
V
- thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với một vòng quay.
N
1
, N
2
- tổng số vòng quay của công tơ tại thời điểm t
1

và t
2
.
Thông thường thể tích chất lưu chảy qua công tơ được biểu diễn dưới
dạng:
q
c
- hệ số công tơ (thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với một
đơn vị chỉ thị trên công tơ).
N
c1
, N
c2
- số trên chỉ thị công tơ tại thời điểm t
1
và t
2
.
Lưu lượng trung bình:
Lưu lượng tức thời:
Với:
n-là tốc độ quay trên trục công tơ.
Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện người ta dùng
một trong ba cách dưới đây:
- Dùng một nam châm nhỏ gắn trên trục quay của của công tơ, khi
nam châm đi qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện.
Đếm số xung điện theo thời gian sẽ tính được tốc độ quay của trục
công tơ.
- Dùng tốc độ kế quang.
- Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp.

Giới hạn đo của công tơ loại này từ 0,01 - 250 m
3
/giờ, độ chính xác
cao ±(0,5 - 1)%, tổn thất áp suất nhỏ nhưng có nhược điểm là chất
lỏng đo phải được lọc tốt và gây ồn khi làm việc.

Hình 20.14: Công tơ khí kiểu quay
Với:
1- Vỏ;
2, 4,7&8 - Cánh
3- Tang quay
5- Con lăn
6- Cam
Để đo lưu lượng dòng khí người ta sử dụng công tơ khí kiểu quay.
Công tơ (hình 20.14) gồm vỏ hình trụ (1), các cánh (2,4,7,8), tang
quay (3) và cam (6). Khi cánh (4) ở vị trí như hình vẽ , áp suất chất
khí tác động lên cánh làm cho tang (3) quay. Trong quá trình quay
các cánh luôn tiếp xúc với mặt ngoài cam (6) nhờ các con lăn (5).
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.
Công tơ khí kiểu quay có thể đo lưu lượng đến 100 - 300 m
3
/giờ, cấp
chính xác 0,25; 0,5.
Hình 20.15: Trình bày sơ đồ cấu tạo của một công tơ tốc độ tuabin
hướng trục. Bộ phận chính của công tơ là một tuabin hướng trục nhỏ
(2) đặt theo chiều chuyển động của dòng chảy. Trước tuabin có đặt
bộ chỉnh dòng chảy (1) để san phẳng dòng rối và loại bỏ xoáy.
Chuyển động quay của tuabin qua bộ bánh răng - trục vít (3) truyền

tới thiết bị đếm (4).

Hình 20.15: Sơ đồ cấu tạo công tơ tốc độ tuabin hướng trục
1) Bộ chỉnh dòng chảy
2) Tuabin
3) Bộ truyền bánh răng-trục vít
4) Thiết bị đếm
Tốc độ quay của công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy:
n=k.W
Trong đó:
k - hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo công tơ.
W- tốc độ dòng chảy.
Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua công tơ:
Q=W.F=.n
Với:
F - tiết diện dòng chảy.
n - tốc độ quay của tuabin (số vòng quay trong một giây).
Nếu dùng cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của công tơ trong
một khoảng thời gian từ t
1
đến t
2
sẽ nhận được thể tích chất lỏng
chảy qua công tơ:
Hay:
Với

Công tơ tốc độ tuabin hướng trục với đường kính tuabin từ 50 - 300
mm có phạm vi đo từ 50 - 300 m
3

/giờ, cấp chính xác 1; 1,5; 2.
Để đo lưu lượng nhỏ người ta dùng công tơ tốc độ kiểu tiếp tuyến
có sơ đồ cấu tạo như hình 20.16.
Tuabin công tơ (1) đặt trên trục quay vuông góc với dòng chảy.
Chất lưu qua màng lọc (2) qua ống dẫn (3) vào công tơ theo hướng
tiếp tuyến với tuabin làm quay tuabin. Cơ cấu đếm liên kết với trục
tuabin để đưa tín hiệu đến mạch đo.
Hình 20.16: Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến
1) Tuabin
2) Màng lọc
3) ống dẫn
Công tơ kiểu tiếp tuyến với đường kính tuabin từ 15 - 40 mm có
phạm vi đo từ 3-20m
3
/giờ, cấp chính xác 2; 3.
1. Lưu lượng kế màng chắn
* Nguyên lý đo
Các cảm biến loại này hoạt động dựa trên nguyên tắc đo độ giảm
áp suất của dòng chảy khi đi qua màng ngăn có lỗ thu hẹp. Trên hình
20.17 trình bày sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng dùng màng ngăn tiêu
chuẩn.
Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc chất lưu tăng lên
và đạt cực đại (W2) tại tiết diện B-B, do đó tạo ra sự chênh áp trước
và sau lỗ thu hẹp. Sử dụng một áp kế vi sai đo độ chênh áp này có
thể xác định được lưu lượng của dòng chảy.
Giả sử chất lỏng không bị nén, và dòng chảy là liên tục, vận tốc
cực đại của dòng chảy tại tiết diện B-B được xác định theo biểu thức:
=
Trong đó:
p

1
’, p
2
’ - áp suất tĩnh tại tiết diện Aưa và B-B.
ρ - tỉ trọng chất lưu.

ξ - hệ số tổn thất thuỷ lực.
m - tỉ số thu hẹp của màng ngăn, m = F0/F1.
μ - hệ số thu hẹp dòng chảy, μ = F
2
/F
0
.
Hình 20.17: Phân bố vân tốc và áp suất của một dòng chảy lý tưởng
qua lỗ thu hẹp
Thường người ta không đo độ giảm áp Δp’ = p’
1
- p’
2
ở tiết diện Aưa
và B-B, mà đo độ giảm áp Δp = p
1
- p
2
ngay trước và sau lỗ thu hẹp.
Quan hệ giữa Δp’ và Δp có dạng:
Khi đó:
=
và lưu lượng khối lượng của chất lưu:
G=W

2
F
2
ρ= W
2
μF
0
ρ=
Hay:
G=αF
0

Với:
α= gọi là hệ số lưu lượng
Từ các biểu thức trên và F
0
= πd
2
/4, ta nhận được công thức xác
định lưu lượng khối (G) và lưu lượng thể tích (Q) của dòng chất lưu:
G= α
Q= α
Trong trường hợp môi trường chất lưu chịu nén, thì khi áp suất
giảm, chất lưu giản nở, làm tăng tốc độ dòng chảy so với khi không
chịu nén, do đó phải đưa thêm vào hệ số hiệu chỉnh ε (ε < 1), khi đó
các phương trình trên có dạng:

G=cα
Q= cα
ở đây:

c=( là hằng số
ρ - tỉ trọng chất lưu tại cửa vào của lỗ thu hẹp.
Đối với các dòng chất lưu có trị số Reynol nhỏ hơn giá trị tới hạn,
khi đo không thể dùng màng ngăn lỗ thu hẹp tiêu chuẩn vì khi đó hệ
số lưu lượng không phải là hằng số. Trong trường hợp này, người ta
dùng các màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt như màng ngăn có lỗ côn
(hình 10.18a), giclơ hình trụ (hình 20.18b), giclơ cong (hình
20.18c) Trên cơ sở thực nghiệm người ta xác định hệ số lưu lượng
cho mỗi lỗ thu hẹp và xem như không đổi trong phạm vi số Reynol
giới hạn.
Hình 20.18: Cấu tạo màng ngăn lỗ thu hẹp đặc biệt
dùng để đo lưu lượng dòng chảy chất lưu có số Reynol nhỏ
3. Lưu lượng kế điện từ
Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ
Faraday và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn
điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt
ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2). Theo định luật Faraday, khi
chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng.
Điện áp này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc
độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo
được.
Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn
AC hoặc DC. Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ
được kích thích bằng tín hiệu xoay chiều. Điều này có thuận lợi là
dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC. Tuy
nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu.
Do đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo. Hơn nữa, sự trôi lệch
điểm “không” thường là vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn
AC và không thể căn chỉnh được. Bởi vậy, phương pháp kích hoạt
bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp mang lại

hiệu quả cao. Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề
bất lợi gặp phải với nguồn AC.

Hình 4: Cảm biến lưu lượng điện từ: điến áp cảm ứng E=KDBv, B
- từ trường, D - chiều dài chất dẫn điện (khoảng cách 2 điện cực đo
điện áp cảm ứng), v - vận tốc dòng chảy, K - hệ số.
Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý
đến các điểm sau:
- chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện;
- sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện,
cấu tạo đường ống và cách lắp đặt;
- không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo
lưu lượng thấp;
- độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng;
b. Một số loại cảm biến đo mức chất lưu
Mục đích và phương pháp đo
Mục đích việc đo và phất hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc
khối lượng chất lưu trong bình chứa.
Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.
Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích
chất lưu còn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến
đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện
tại mức ngưỡng có đạt hay không.
Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức
chất lưu:
- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện.
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.

- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
1. Phương pháp thủy tĩnh

Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa.
Trên hình 20.20 giới thiệu một số sơ đồ đo mức bằng phương pháp
thuỷ tĩnh.
Hình 20.20: Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh
a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai
Trong sơ đồ hình 20.20a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với
đối trọng (5) bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức
chất lưu thay đổi, phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng
rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc sẽ cho tín
hiệu tỉ lệ với mức chất lưu.
Trong sơ đồ hình 20.20b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất
lưu, phía trên được treo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình
đo, cảm biến chịu tác động của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu:
F = P - ρgSh
Trong đó:
P - trọng lượng phao.
h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao.
S - tiết diện mặt cắt ngang của phao.
ρ - khối lượng riêng của chất lưu.
g - gia tốc trọng trường.

Trên sơ đồ hình 20.20c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng
màng (1) đặt sát đáy bình chứa. Một mặt của màng cảm biến chịu áp
suất chất lưu gây ra: p = p
0
+ p
gh
Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất p
0
bằng áp

suất ở đỉnh bình chứa. Chênh lệch áp suất p - p
0
sinh ra lực tác dụng
lên màng của cảm biến làm nó biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ
với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa được chuyển đổi thành
tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.
Phương pháp điện
Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động theo
nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín
hiệu điện dựa vào tính chất điện của chất lưu. Các cảm biến thường
dùng là cảm biến dộ dẫn và cảm biến điện dung.
Phương pháp bức xạ
Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc
với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện
môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn
mòn mạnh.
Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ
thu (2) đặt ở hai phía của bình chứa. Nguồn phát thường là một
nguồn bức xạ tia γ (nguồn
60
Co hoặc
137
Cs), bộ thu là một buồng ion
hoá. Ở chế độ phát hiện mức ngưỡng (hình 20.21a), nguồn phát và
bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện,
chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song. Tuỳ thuộc vào
mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia
đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu
tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng.
Ở chế độ đo mức liên tục (hình 20.21b), nguồn phát (1) phát ra

chùm tia với một góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức
chất lưu cần kiểm tra và bộ thu.

Hình 20.21: Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ
a) Cảm biến phát hiện ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục
1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu
Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia
đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo.
Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong
bình chứa
2. Cảm biến độ dẫn
Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện
(độ dẫn điện ~ 50μScm
-1
). Trên hình 20.22 giới thiệu một số cảm
biến độ dẫn đo mức thông dụng.
Hình 20.22: Cảm biến độ dẫn
a) Cảm biến hai điện cực b) Cảm biến một điện cực
c) Cảm biến phát hiện mức
Sơ đồ cảm biến hình 20.22a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong
chất lỏng dẫn điện. Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối
với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh hiện tượng phân cực của