giáo trình Thiết bị đo và điều khiển công nghiệp

Level Measurement

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Basic definitions
1. Mức:
là chiều cao điền đầy của chất lỏng hoặc bột trong bình chứa hoặc thùng
chứa.
 Đo vị trí bề mặt vật liệu so với mặt phẳng tham chiếu (thường là đáy bình).
2. Hai dạng đo:
-

Đo liên tục (level indication)
Phát hiện theo ngưỡng (level switch)

3. Ba nhóm phương pháp:
-

Nhóm phương pháp đo mức dựa trên ảnh hưởng của khối lượng riêng (Measurements Using
the Effects of Density)
Nhóm phương pháp đo mức dựa trên đo thời gian lan truyền sóng (Time-of-Flight
Measurements)
Nhóm phương pháp đo mức dựa trên tính chất vật lý của môi trường (Level Measurements
by Detecting Physical Properties)

4. Ứng dụng:
-

Trong công nghiệp hóa dầu, thực phẩm, dược phẩm, công nghệ thực phẩm, đo mức trong các

thùng chứa di động trên phương tiện giao thông, tàu thủy. Đo mức của hồ, đập, đại dương …
Chiều cao của các bể chứa thường trong khoảng từ 0,5 đến 40m.

1


Installation
  Tất cả những hệ thống đo liên tục cũng có thể sử dụng như những bộ phát
hiện ngưỡng có thể lập trình được.
 Bình chứa điển hình với vật
liệu dạng lỏng hoặc rắn.
 Sensor đo mức có thể được
gá:
- Ở đáy bình, tiếp xúc với
vật liệu
- Ở đỉnh bình chứa, không
tiếp xúc.
- Ngập trong bình chứa.
- Đặt ở thành bình đề phát
hiện ngưỡng.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Gauge glass
1. Ống đong:
 Đây là 1 biện pháp đơn giản để đo trực tiếp mức chất lỏng. Người ta sử dụng
một ống trong suốt được nối với đáy và đỉnh bình chứa. Chiều cao cột chất lỏng
trong ống bằng mức chất trong bình.

a. Sử dụng với bình hở ở nhiệt độ và áp suất môi trường
b. Sử dụng với bình kín có áp suất cao hoặc chứa 1 phần hơi.

2


 Ống đong bằng thủy tinh hoặc plastic có thể dùng cho các ứng dụng với áp
suất lên tới 450 psig (pounds per square inch) và nhiệt độ 4000F.
 Để sử dụng phương pháp này trong các ứng dụng ở nhiệt độ và áp suất cao
hơn  sử dụng ống đong với vỏ kim loại và lớp kính dày để quan sát mức
chất lỏng.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013

 Ống đong phản xạ (reflex gauge glass):
 Sử dụng hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần khi tia sáng đi qua
hai môi trường khác chiết suất.

3


 Ống đong loại khúc xạ (refraction type). Rất hữu ích khi sử dụng
trong môi trường thiếu ánh sáng. Nguồn sáng thường được gắn kèm
với ống đong. Nguyên lý hoạt động là dựa trên hiện tượng khúc xạ
ánh sáng khi tia sáng truyền qua 2 môi trường trong suốt. Tia sáng bị
khúc xạ với góc khúc xạ lớn ở phần chứa chất lỏng trong ống đong, và

góc khúc xạ bé ở phần chứa chất khí.
Ở phần không khí phía trên mặt
thoáng (có thể chứa hơi), đường đi của
tia sáng tương đối thẳng, thấu kính đỏ
được chiếu sáng.
Phần phía dưới mặt thoáng, thấu kính
màu xanh được chiếu sáng.
 Phần chứa chất lỏng thì màu xanh,
trên mặt thoáng là màu đỏ.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Ball float
 Phao cầu đọc trực tiếp mức chất lỏng bằng các kết cấu cơ khí. Thiết kế
phổ biến nhất là một quả cầu rỗng bằng kim loại mặc dù không có sự
giới hạn về kích thước, hình dạng hoặc vật liệu. Khoảng dịch chuyển
của phao thường bị giới hạn bởi thiết kế của nó và thường trong khoảng
±300 so với mặt phẳng ngang. Dải đo thật sự còn được quyết định bởi
chiều dài của tay đòn. Người ta sử dụng một miếng đệm (stuffing box)
để ngăn rò rỉ chất lỏng.

4


Chain float

 Loại này sử dụng phao nổi với đường kính có thể lên đến 12
inches và có dải đo rộng. Phao được nối bằng dây xích với bộ

phận quay. Đầu còn lại của dây xích được nối với đối trọng

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Magnetic bond method
 Phương pháp này sử dụng một phao có từ tính dịch chuyển tùy theo mức chất
lỏng dâng lên hay hạ xuống. Phao dịch chuyển dọc theo trục rỗng làm bằng vật
liệu phi từ tính. Bên trong ống chứa nam châm được nối với chỉ thị mức. Khi
phao nâng lên hay hạ xuống, nam châm bên ngoài sẽ hút nam châm phía trong
dẫn đến sự thay đổi của chỉ thị mức.

 Sử dụng hệ thống tiếp điểm trong ống dẫn hướng
với mục đích phát hiện ngưỡng. Có thể thêm nhiều
tiếp điểm tại các vị trí khác nhau để được hệ thống
báo mức gần như liên tục.

5


Displacer
 Displacer đo sự nổi của 1 vật rắn có 1 phần ngập trong chất lỏng. Sự
thay đổi trọng lượng của vật là cơ sở để xác định mức.
 Trọng lượng FG của vật:
FG  g .m  g . A.b. D
Với A là tiết diện ngang của vật, giả
thiết là không đổi.
b là chiều cao của vật
ρD là khối lượng riêng của displacer

Lực đẩy Acsimet:

FB  g . A.Ld  L  g . A. b  Ld . A
Với Ld là chiều cao phần bị ngập
trong chất lỏng.
ρL là khối lượng riêng của chất lỏng
ρA là khối lượng riêng của không khí

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Displacer
 Giá trị hợp lực là: FR = FG – FB
Chiều dài phần ngập trong chất lỏng được xác định bởi
b  D   A  
Ld 

FR
gA

L   A

 bằng cách đo giá trị hợp lực FR có thể xác định được chiều cao
displacer ngập trong chất lỏng.
 Một cách ứng dụng khác là sử dụng động cơ chấp hành để di
chuyển displacer lên xuống, qua đó xác định mặt thoáng của chất
lỏng hoặc lớp tiếp giáp giữa các chất lỏng khác nhau thông qua
sự thay đổi lực.

6


Displacer
Thiết bị đo mức, phát hiên bề mặt và tỷ trọng.
Động cơ bước truyền động cho displacer hình cầu
tới những mức khác nhau hoặc tới bề mặt chất
lỏng. Hợp lực của trọng lượng và lực đẩy acsimet
được đo từ tần số cộng hưởng của hệ thống dây
nối, quả cầu. Một cuộn dây cảm ứng gắn với tay
đòn (lever arm) sẽ đo tần số dao động. Bộ chuyển
đổi tín hiệu điều khiển động cơ bước và tính toán
giá trị đo được.
Khối lượng riêng của chất lỏng có thể tính được theo
biểu thức:
F  gV   D   L    L   D 

F
gV

Với ρD là khối lượng riêng của quả cầu.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Conductivity Probe Method
 Hệ thống kiểm tra mức theo phương pháp điện dẫn bao gồm một hoặc nhiều
các điện cực, một rơ le vận hành và một bộ điều khiển. Khi chất lỏng trong
bình chứa làm ngắn mạch các điện cực, xuất hiện dòng điện đi qua các điện

cực và đất và làm rơ le chuyển trạng thái. Các tiếp điểm của rơ le sẽ điều
khiển thiết bị chấp hành như bơm, van hoặc dùng để cảnh báo. Một hệ thống
điển hình bao gồm 3 điện cực: điện cực mức thấp, mức cao, và cảnh báo
mức rất cao.

7


Pressure gages
 Áp suất thủy tĩnh (hydrostatic head) p tại đáy bình chứa có mối
liên hệ với mức chất lỏng theo biểu thức:
p  p0  g  L L  L 

p  p0
g L

- Trong đó p0 là áp suất khí quyển
- L là mức chất lỏng trong bình
- ρL là khối lượng riêng của chất lỏng.

 Thiết bị đo áp suất đặt ở đáy bình sẽ đo giá trị áp suất này. Trong
các hệ thống có áp suất phần khí trên mặt thoáng thay đổi, người
ta sử dụng áp kế vi sai để đo độ chênh áp giữa đáy và đỉnh bình
chứa

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013

Do áp suất tỷ lệ với khối lượng riêng ρL sai số khi ρL thay đổi. Hình b sử dụng 3
sensor đo áp suất. Tín hiệu từ các sensor này được đưa vào máy tính để tính toán và
bù sai số khi khối lượng riêng của chất lỏng thay đổi. Hệ thống có cấu trúc như thế
còn gọi là HTG (hydrostatic tank gaging)
p p
p  p0
L  2 1  L  2
l
gl
p2  p1
Hình c sử dụng ống thổi bọt (bubble tube). Khí trơ được thổi vào ống sao cho các bọt
khí thoát ra từ đáy. Nếu giữ lưu tốc của dòng khí ổn định thì có thể đo áp suất ở đáy
bình chứa bằng sensor đo áp suất ở đầu vào của ống thổi. Phương pháp này thường
dùng khi không thể lắp cảm biến ở đáy bình chứa.

8


Differential Pressure Level Detectors
 Đây là phương pháp đo mức sử dụng áp kế vi sai được nối với đáy bình
chứa. Độ chênh áp ∆P giữa đáy và đỉnh bình chứa (hoặc giữa đáy bình
chứa và khí quyển) tỷ lệ với mức chất lỏng trong bình.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Differential Pressure Level Detectors
 Nếu bình hở, chỉ cần nối đầu vào áp suất cao của áp kế vi sai với đáy
bình, đầu vào áp suất thấp của áp kế được thông với khí quyển. Khi đó

độ chênh áp đo được chính là áp suất thủy tĩnh (hydrostatic head) tại
đáy bình.
 Mức cao nhất có thể đo được bằng bộ chuyển đổi áp suất vi sai được
xác định bởi chiều cao lớn nhất của chất lỏng phía trên bộ chuyển đổi.
Mức thấp nhất có thể đo được được xác định bởi vị trí mà áp kế được
nối với bình chứa.
 Không phải tất cả các bình đươc đo mức đều là bình hở. Thực tế có rất
nhiều bình chứa dạng kín để ngăn sự thoát của hơi hoặc bình áp suất
cao. Khi đó, cả 2 phía của bộ chuyển đổi áp suất vi sai đều được nối với
bình chứa

9


Differential Pressure Level Detectors
 Đầu vào cao áp của áp kế được nối với đáy bình trong khi đầu vào áp suất thấp
được nối với đỉnh bình kín qua ống nối (reference leg). Cần phải ngăn chất
lỏng đi vào ống này để tránh sai số. Áp suất ở đáy bình, ngoài thành phần áp
suất thủy tĩnh (hydrostatic head) còn bao gồm áp suất gây ra bởi phần hơi trên
mặt thoáng.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Differential Pressure Level Detectors
 Trong các ứng dụng đo mức chất lỏng, sự ngưng tụ của chất
lỏng trong ống nối (reference leg) tăng dần sẽ gây ra sai số. Để
khắc phục hiện tượng này, ống nối được điền đầy chất lỏng
cùng loại với chất lỏng trong bình chứa. Phần chất lỏng này

gây ra áp suất thủy tĩnh tác động vào đầu vào cao áp của áp kế
vi sai với giá trị không đổi khi ta giữ ống nối đầy. Khi đó mọi sự
thay đổi của áp suất vi sai là do sự thay đổi của mức chất lỏng
trong bình chứa.

10


Differential Pressure Level Detectors
 Ống nối (reference leg) gây ra áp suất thủy tĩnh tại đầu vào cao áp của
bộ chuyển đổi với giá trị áp suất tương ứng với mức chất lỏng lớn nhất
có thể đo được.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Balance method
 Một phương pháp đơn giản để xác định mức là thông qua đo trọng
lượng toàn bộ bình chứa
F  F0  gAL  L

- Trong đó F0 là khối lượng vỏ bình, A là tiết diện ngang của bình giả thiết là không
đổi trên toàn bộ chiều cao của bình, ρL là khối lượng riêng của chất.

 Để đo trọng lượng của toàn bình, phải cách ly về cơ khí bình chứa với
các vật khác. Để kết quả đo được chính xác, cần phải tính đến sự nổi
của toàn hệ thống trong không khí
F  F0  gAL   L   A 
L

F  F0
gA   L   A 

 Phương pháp này có nhược điểm là khi bình chứa đặt ngoài trời, sự tác
dụng của sức gió, trọng lượng của tuyết, nước mưa đọng trên bình sẽ
ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.

11


Time-of-Flight Measurement
 Phương pháp này gián tiếp đo mức thông qua đo thời gian lan truyền
sóng.
 Về cơ bản, đây là phép đo khoảng cách từ vị trí lắp đặt cảm biến đến bề
mặt chất (hoặc từ bề mặt chất đến đáy bình)
 Những yêu cầu ngày càng cao của công nghiệp cho các hệ thống đo
mức liên tục, không tiếp xúc đã thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật đo
mức dùng sóng.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Time-of-Flight Measurement
 Nguyên lý: Mặc dù sử dụng nhiều loại sóng khác nhau (sóng siêu âm,
sóng điện từ), nguyên lý đo mức theo phương pháp này là giống nhau.
Sử dụng bộ phát, phát sóng được điều biến đến đối tượng. Sóng tới bị
phản xạ tại bề mặt và được thu nhận bởi bộ thu (như bộ chuyển đổi áp
điện siêu âm - ultrasonic piezoelectric transducer hoặc radar antenna).

Khoảng thời gian truyền của tín hiệu xác định bởi:
t

2d
v

- Trong đó v là tốc độ truyền sóng trong môi trường đặt bộ chuyển đổi.

12


Time-of-Flight Measurement
 Mặc dù có thể sử dụng các xung
không điều biến, chuỗi xung
điều biến thường được ưa dùng
hơn. Do thời gian đo được rất
ngắn (vài ns) nên cần phải sử
dụng thiết bị đo thời gian rất
ngắn hoặc các phương pháp
tính toán đặc biệt.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Ultrasonic
 Sóng siêu âm là sóng âm với tần số trên 20 kHz. Nó là sóng dọc và chỉ có
thể truyền trong môi trường vật chất.
 Trong không khí ở điều kiện chuẩn, tốc độ sóng âm khoảng 340 m/s và có
thể sai khác phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần và áp suất chất khí. Sóng

âm không thể truyền được trong chân không. Thực tế, tỷ lệ sóng phản xạ là
gần 100% tại bề mặt vật chất (mặt thoáng của chất lỏng hoặc bề mặt vật
rắn).
 Bộ chuyển đổi áp điện (Piezoelectric transducers) được sử dụng làm bộ
phát và bộ thu sóng siêu âm.
 Việc đo mức theo nguyên lý này cũng có thể thực hiện được với sóng âm
trong dải nghe được (16–20000 Hz) hoặc sóng hạ âm (infrasonic) f<16Hz.
 Cũng có thể truyền sóng trong chất lỏng bằng cách sử dụng một cảm biến
gá ở đáy bình. Tốc độ âm thanh trong chất lỏng cần được biết trước, nó
phụ thuộc vào loại chất lỏng, nhiệt độ chất lỏng. Phương pháp đo này
tương tự phương pháp đo độ sâu mực nước bằng bộ phát sóng âm trên tàu.

13


Microwave
 Vi sóng là những sóng điện từ với tần số lớn hơn 2 GHz và bước sóng
nhỏ hơn 15cm. Khi dùng trong kỹ thuật, thường sử dụng vi sóng với
tần số lên đến giá trị lớn nhất (120 GHz). Thực tế, vùng tần số nằm
quanh khoảng 10 GHz (tần số tia X) thường được ưa chuộng hơn.

 Ứng dụng thường thấy của phương pháp đo dựa trên vi sóng là RADARbased. Thuật ngữ radar (RAdio Detection And Ranging) thường được
hiểu là phương pháp sử dụng sóng điện từ để phát hiện vật thể ở xa,
cũng như xác định vị trí và chuyển động của vật thể đó.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Microwave

 Một số dạng radar được sử dụng trong đo
mức:
- a. conical horn antenna (bộ phát sóng hình nón)

- b. dielectric rod antenna (antenna thanh điện môi)
- c. gương phản xạ parabol với một antenna nhỏ
đóng vai trò là bộ phát sóng sơ cấp và 1 bộ
phản xạ phụ tạo ra chùm tia góc hẹp
(Cassegrain model)

14


Microwave
 Trong hệ thống đo mức, người ta mong muốn tạo ra góc phát nhỏ để
tránh nhiễu do phản xạ từ thành bình chứa và các bề mặt không mong
muốn khác. Góc phát càng nhỏ thì dải đo càng tăng. Biểu thức cân bằng
công suất được thể hiện:

PR 







PT GT RGR
D2

Trong đó PR: công suất nhận được
PT : công suất được truyền đi
GT : hệ số khuếch đại của antenna phát
R : hệ số phản xạ của đối tượng
GR : hệ số khuếch đại của antenna thu tín hiệu phản xạ
D2 : tổn thất năng lượng khi truyền tới và phản xạ từ bề mặt vật liệu do mật độ công
suất suy giảm và ảnh hưởng của khí quyển.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Microwave
 Hệ số phản xạ R của bề mặt vật chất phụ thuộc vào hằng số điện môi
(dielectric permittivity ) εr của vật chất (chất lỏng hoặc bột cần đo mức).


R



 1

r 1
r

2

2

 Trong các hệ thống đo mức, khu vực phản xạ thường rất lớn và cắt toàn
bộ chùm tia tới. Do đó D2 tỷ lệ với bình phương khoảng cách truyền d2
và công suất nhận được tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
PR 

1
d2

15


Microwave
 Trong trường hợp sóng được lan truyền trong ống dẫn sóng
(electromagnetic waveguide), sự lan truyền gần như không mất mát
năng lượng.
 Một biện pháp khác sử dụng sóng điện từ để đo khoảng cách là cho
sóng lan truyền trong cáp dẫn. Hình a minh họa sự vận hành với cáp
dẫn sóng được nhúng trong lòng chất lỏng hoặc bột liệu. Khi hằng số
điện môi của môi trường xung quanh thay đổi, một phần sóng được
phản xạ trở lại. Biện pháp này cũng có thể được ứng dụng để xác đinh
mặt phân cách giữa các chất khác nhau. Người ta còn gọi phương pháp
này là Time Domain Reflectometry (TDR)

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013

 Nguyên lý vận hành của hệ
thống đo mức sử dụng ống dẫn

tín hiệu cao tần.
 Hình a: tại thời điểm t0 phát

xung điện từ vào đường dẫn,
khi hằng số điện môi của môi
trường bao quanh thay đổi, một
phần sóng được phản xạ trở lại.
Sóng tới tiếp tục lan truyền và
phản xạ một phần tại mặt phân
cách của 2 chất lỏng. Cuối
đường truyền, sóng bị phản xạ
lần thứ 3.

Cực tính của tín hiệu phản xạ thay đổi do phản xạ từ môi trường có
hằng số điện môi cao sang môi trường có hằng số điện môi thấp.

16


Laser/light
 Tia laser và diode phát quang tạo ra sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (nhỏ
hơn 2μm). Tín hiệu laser thường dùng là: xung ngắn với thời gian tồn tại nhỏ
hơn 1ns hoặc tia laser được điều chế biên độ với tần số cỡ megahertz

 Đặc tính vận hành của FMCW radar. Tần số của bộ phát thay đổi tuyến tính
theo các khoảng thời gian. Tín hiệu nhận được có cùng dạng nhưng bị trễ so
với tín hiệu phát. Tại mọi thời điểm quét, độ lệch tần số không đổi và tỷ lệ với
thời gian trễ

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep

Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Laser/light
 Hệ thống đo mức bằng laser rất chính xác với độ chính xác có
thể đạt được nhỏ hơn 1mm. Do chùm tia laser rất hẹp, các hệ
thống đo mức dùng laser có thể được lắp đặt mà không bị ảnh
hưởng bởi bình chứa. Một vài nhược điểm của hệ thống đo mức
bằng laser là:
 Hệ thống có chức năng giống như mắt người để quan sát bề mặt sản
phẩm, do đó sẽ sai lệch khi đo trong môi trường khói, bụi.
 Rất nhạy cảm với vết bẩn bám trên cảm biến.
 Thiết bị đắt tiền.

17


Laser/light
 Tuy nhiên do có rất nhiều ưu điểm như có thể đo mức không tiếp xúc, có
độ chính xác cao, kỹ thuật đo mức bằng radar thu phát trong những
năm gần đây được ứng dụng khá rộng rãi.
 Radar điều chế tần số liên tục (frequency-modulated continuous wave
radar):
 Vì thời gian lan truyền sóng rất ngắn, và rất khó để đo đạc. Người ta tìm cách điều
chế tín hiệu vi sóng, khi đó khoảng thời gian truyền sóng có thể được chuyển sang
miền tần số và thu được tín hiệu phản hồi với tần số thấp hơn. Phương pháp điều chế
tần số liên tục (Frequency Modulated Continuous Wave – FMCW) trở thành kỹ
thuật chiếm ưu thế. FMCW radar sử dụng tín hiệu vi sóng được điều chế tần số,
trong đó tần số của vi sóng tăng tuyến tính trong một khoảng thời gian. Độ lêch tần
số trong khoảng thời gian đó được gọi là tần số quét (frequency sweep – F)

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013

 Đặc tính vận hành của FMCW radar. Tần số của bộ phát thay đổi tuyến tính
theo khoảng thời gian T (sweep). Tín hiệu nhận được có cùng dạng nhưng bị trễ
so với tín hiệu phát. Tại mọi thời điểm trong khoảng thời gian T, độ lệch tần số
không đổi và tỷ lệ với thời gian trễ.
 Độ lệch tần số f của sóng phản xạ so với tín hiệu phát (khoảng vài kHz) tỷ lệ
thuận với khoảng cách d đến bề mặt vật liệu. Như vậy việc đo thời gian lan
truyền t đã được chuyển thành phép đo đô lệch tần số.

f 

F
F 2d
fcT
t
d 
T
T c
2F

 Trong biểu thức trên c là tốc độ ánh sáng và F/T là tốc độ quét.

18

 Hình vẽ trên thể hiện sơ đồ khối của hệ thống FMCW radar. Do độ lệch tần số
không cao, kỹ thuật xử lý tín hiệu khá đơn giản và rất chính xác. Thông thường,
việc đo đạc được thực hiện nhờ mạch xử lý tín hiệu số
 Một bộ vi xử lý điều khiển bộ dao động điện áp VCO (voltage-controlled
oscillator) để đạt được tần số quét mong muốn. Tín hiệu này được khuếch đại
và cấp vào antenna phát. Tần số tức thời cần phải được đo đạc để đảm bảo độ
tuyến tính của đặc tính. Điều này có thể thực hiện được bằng biện pháp đếm
sau khi tín hiệu từ VCO được trộn với tín hiệu tần số biết trước từ DRO – máy
phát cộng hưởng điện môi (dielectric resonance oscillator). Tín hiệu phản xạ
được trộn với tín hiệu phát và được xử lý bởi bộ vi xử lý.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Laser/light
 Thời gian lan truyền sóng trong chất lỏng hoặc bột liệu hấp thụ sóng
yếu và có hằng số điện môi εr thấp có thể được đo đạc. Trong những
trường hợp mà sự phản xạ tại mặt tiếp giáp giữa không khí và chất lỏng
là yếu, một phần tín hiệu sẽ truyền qua chất lỏng và bị phản xạ lần thứ 2
tại đáy bình hoặc tại lớp tiếp giáp giữa 2 chất lỏng (ví dụ giữa dầu và
nước).
 Giả sử vi sóng truyền trong không khí với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng c,
trong môi trường với hằng số điện môi εr là v (vtruyền trong không khí là d, mức chất lỏng trong bình là L.

19


hv  d c

  r
hd v



Ta có:



Khi εr, h, và hv biết trước, mức chất trong bình L có thể xác định bởi:



Phương pháp này đo trực tiếp mức L và có thể không cần đo sóng phản xạ r1

L hd 

hv  h
 r 1

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Level Measurements by Detecting Physical Properties

 Một nhóm phương pháp đo mức khác là có thể thông qua việc phát hiện
các thông số vật lý thay đổi rõ rệt giữa không khí và môi trường cần đo
mức. Ví dụ như điện dẫn, tính nhớt hoặc sự suy giảm của bức xạ.
 Trên cơ sở phát hiện sự thay đổi tính chất vật lý, có thể chế tạo các thiết

bị phát hiện mức (level switch) hoặc các thiết bị đo mức liên tục (level
indicator)

20


Đo mức bằng điện dung
 Trong hầu hết các ứng dụng, một điện cực được đặt dọc theo bình chứa.
Nếu chất lỏng không dẫn điện, có thể sử dụng điện cực không cách ly về
điện, nếu chất lỏng dẫn điện, điện cực cần được cách ly về điện. Vỏ kim
loại của bình chứa có thể được sử dụng như điện cực thứ 2.
 Kết quả đo phụ thuộc vào hằng số điện môi ε2 của môi chất. Nếu sử
dụng 1 điện cực được đặt ở tâm của bình chứa hình trụ và được lắp đặt
đối xứng, điện dung C của tụ điện thay đổi theo mức L theo biểu thức:
1 d
1 d 
C  ln 2  ln 3 

d1  2 d 2 
2 0 L
C
L  1
1 d 2 1 d3
2 0
ln  ln
1 d1  2 d 2

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc

Hanoi, thang 1 nam 2013
Đo mức bằng điện dung
 Trong đó ε0 là hằng số điện môi của chân không (ε0 = 8.85×10–12 As V–
1m–1) ε và ε là hằng số điện môi tương đối của vật liệu bọc điện cực và
1
2
của chất lỏng.
 Nếu chất lỏng có độ dẫn điện cao, điện dung C được xác định bởi:
d
ln 2
2 01 L
d1
C
L
d2
2 01
ln
d1
 Nếu điện cực không được cách ly, biểu thức sau được sử dụng:
d
ln 3
2 0 2 L
d1
C
L
d3
2 0 2
ln
d1
 Khi đặt ở thành bình, thiết bị có thể hoạt động như một công tắc báo

mức (level switch)

21


Đo mức bằng bức xạ
 Sự suy giảm bức xạ (Radiation Attenuation)
- Tất cả các bức xạ (như tia gamma, sóng siêu âm, sóng điện từ …) đều
bị suy giảm về cường độ khi truyền trong môi trường vật chất. Thông
thường, độ suy giảm trong chất lỏng hoặc bột liệu lớn hơn độ suy giảm
trong môi trường khí. Hiện tượng này được sử dụng trong đo mức không
tiếp xúc.
 Cường độ I của tia gamma suy giảm bởi chất lỏng theo hệ số tắt dần α:
I = I0 exp(- αd)
 Nguồn phát có thể là chất phóng xạ như Co-60 hoặc Cs-137 với chu kỳ
bán rã lần lượt là 5.23 năm và 29.9 năm. Sử dụng 1 đồng hồ thời gian
thực trong hệ thống để bù độ suy giảm cường độ bức xạ.
 Cường độ bức xạ I tại thời điểm t của chất phóng xạ có chu kỳ bán rã TH
là:
 t /T

I  I 0 .2

H

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Đo mức bằng bức xạ

 Nguồn phát xạ và sensor thu nhận có thể đặt theo nhiều cách:

22


Thermal
 Có thể đo mức dựa trên hiệu ứng trao đổi nhiệt: Một điện trở được
đốt nóng làm bằng vật liệu có hệ số nhiệt điện trở cao được nhúng
vào lòng chất lỏng. Sự giảm nhiệt độ của điện trở làm giá trị điện trở
thay đổi gần như tuyến tính theo mức. Phương pháp này thường
được sử dụng trong các ứng dụng tự động. Trong các ứng dụng với
chất lỏng được đun nóng (ví dụ bình phản ứng hóa học), một cảm
biến nhiệt có thể được sử dụng như công tắc mức bằng cách tạo ra
tín hiệu khi chất lỏng tiếp xúc với cảm biến và đốt nóng nó.

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Viscosity
 Chất lỏng thường có độ nhớt lớn hơn nhiều so
với chất khí và cản trở sự chuyển động của vật
thể. Các cảm biến mức có thể đo mức độ giảm
rung động của một thanh mẫu khi được nhúng
vào trong chất lỏng. Thông thường, phương
pháp này chỉ được sử dụng như một công tắc
mức (xác định theo ngưỡng).
 Hình vẽ thể hiện một “âm thoa” (tuning fork )
với 2 thanh rung. Sử dụng mạch điện tử tích
hợp để đo công suất suy giảm hoặc độ trôi tần

số cộng hưởng cơ khí.
 Đối với chất rắn, người ta sử dụng cảm biến
với đầu quay. Khi tiếp xúc với vật liệu, sự
quay bị dừng. Đây là cơ sở để xác định mức.

23


Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Silopilot – Endress & Hauser
1. Tổng quan:
 Silopilot được dùng để đo mức chất rắn
dạng hạt hoặc bột như silo chứa bột mỳ,
hạt nhựa, than đá …
 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm,
công nghiệp chất dẻo, xi măng, giấy, khai
khoáng …
 Sensing weight (quả nặng) được chế tạo
khác nhau cho các ứng dụng khác nhau
như đo mức chất dạng bột, hạt thô, hạt
nhỏ.

24


Silopilot
2. Đặc tính kỹ thuật

 Dải đo 0 ÷ 25m (có thể lên tới 70m) không phụ thuộc vào tính
chất của chất chứa trong silo.
 Độ chính xác: ±1 xung
 Chịu được nhiệt độ môi trường tới 1500C
 Tín hiệu ra:
 Tín hiệu tương tự dạng dòng: 0/4÷20 mA
 Đầu ra dạng xung ứng với mỗi đơn vị dịch chuyển của quả nặng.
Độ phân giải:
1 xung / 1/10 foot (tiêu chuẩn)

1 xung / 1 decimeter

1 xung / 5 decimeters

1 xung / 1 centimeter

1 xung / 1 inch

Thiet bi do & dieu khien cong nghiep
Tac gia: Nguyen Ngoc Van
Khoa CNTD truong Dai hoc Dien Luc
Hanoi, thang 1 nam 2013
Silopilot
 Điện áp nguồn dải rộng: 90 - 253 VAC hoặc 24 VDC tùy thuộc
vào model
 Động cơ truyền động: Động cơ 1 pha hoặc 3 pha.

3. Cấu tao:

25