Đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng

Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG
Giáo viên hướng dẫn: Hà Văn Phương
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nhật
Vương Bá Quang
Trần Hồng Quyền
Nguyễn Văn Quyết
Nguyễn Đình Sang
Nguyễn Hồng Sơn
Lớp: Điện CLC K9
1


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG….6
1.1. Khái niêm lưu lượng và đo lưu lượng………………………………………6
1.1.1. Khái niệm…………………………………………………………………6

1.1.2. Đo lưu lượng……………………………………………………………...6
1.2. Các phương pháp đo lưu lượng……………………………………………..7
1.2.1. Đo lưu lượng bằng phương pháp chênh lệch áp suất……………………..7
1.2.2. Đo lưu lượng bằng phương pháp từ tính…………………………………10
1.2.3. Đo lưu lượng bằng phương pháp siêu âm………………………………..12
CHƯƠNG 2: MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG…………………………….15
2.1. Hình vẽ và sơ đồ hệ thống…………………………………………………15
2.2. Nguyên lý làm việc………………………………………………………...16
CHƯƠNG 3: LIỆT KÊ CÁC CẢM BIẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP CHỌN CẢM
BIẾN…………………………………………………………………………….17
3.1. Liệt kê các cảm biến………………………………………………………...17
3.1.1. Cảm biến lưu lượng……………………………………………………….17
3.2. Các phương pháp chọn cảm biến……………………………………………17
3.2.1. Một số cảm biến đo lưu lượng…………………………………………….17
3.2.2. Cảm biến mức……………………………………………………………..23
CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG
4.1. Cơ sở lý thuyết………………………………………………………………28
4.1.1. Lựa chọn cảm biến lưu lượng……………………………………………..28
4.1.2. Lựa chọn cảm biến mức…………………………………………………...28
4.2. Lựa chọn cảm biến…………………………………………………………..30
4.2.1. Tính chọn cảm biến lưu lượng điện từ…………………………………….30
4.2.2. Cảm biến mức chất lỏng trong bể chứa…………………………………...31
4.3. Thiết kế lắp đặt hệ thống……………………………………………………31
2


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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 Hà Văn Phương.
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 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.

3


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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.
2.
3.
4.
5.

Chất cần bơm là nước (điều kiện thường)
Ống là kim loại cứng, đường kính trong 18cm
Dải đo lưu lượng (0-1500 lít/giờ)
Bể chứa cao 2m
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.
2.
3.
4.
5.

Trình bày tổng quan về phương pháp đo lưu lượng chất lưu?
Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?
Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống
Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?
Trình bày về loại cảm biến lựa chọn ? (Nguyên lý hoạt động, số lượng cảm
biến)
4


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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)

5


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG
1.1. Khái niệm lưu lượng và đo lưu lượng.
1.1.1 Khái niêm.
Lưu lượng chất lỏng qua mặt cắt ngang của một lòng dẫn hoặc ống dẫn là
đại lượng đo bằng thể tích chất lỏng chuyển động qua mặt cắt đó trong
một đơn vị thời gian.
- Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m3/s, m3/giờ ...
- Lưu lượng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ ...
Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian Δt = t 2 - t1 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:

1.1.2. Đo lưu lượng
Đo lưu lượng thực chất là đo lưu lượng chất lỏng chảy qua ống dẫn trong
một đơn vị thời gian.
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.
6


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

- 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.

1.2.

Các phương pháp đo lưu lượng chất lỏng.
Để đo lưu lượng chất lỏng ta có rất nhiều phương pháp như sau:
- Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất.
- Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính.
- Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm.
1.2.1. Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh lệch áp suất.
Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự
chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào
sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm biến lưu lượng loại
này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture.
Hình 1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng
chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc

của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên
lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra.
Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng
chảy. Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy.

Phương trình Bernoulli.

Hình 1

7


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Giả sử ống nằm ngang (bỏ qua sự khác nhau về độ cao giữa các điểm đo)
Phương trình Bernoulli được biểu diễn.
Trong đó:
: Áp suất.
ρ: Khối lượng riêng chất lỏng.
: Vận tốc chất lỏng.
Phương trình liên tục.
Trong đó:
Q: Lưu lượng.
: Diên tích.
Kết hợp hai phương trình trên:
Nếu biết các diện tích và lưu lượng chất lỏng được tính toán trên sựa chênh
lệch áp suất.
Đo lưu lượng dựa vào sự chênh lệch áp suất là một phương pháp khá phổ

biến, hơn 50% dụng cụ đo dựa vào phương pháp này.
Nguyên tắc vận hành dựa trên sự giảm áp suất khi chất lỏng đi qua máy đo
tương ứng với diện tích dòng chảy.
Các máy đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc này cũng như phần lớn thiết bị đo
đều có hai bộ phận: bộ phận sơ cấp và bộ phận thứ cấp: gây ra sự biến đổivề động
lực để tạo sự khác biệt về áp suất ở trong ống dẫn phù hợp với kích thước ống dẫn,
điều kiện dòng chảy, tính chất của chất lỏng và đo chính xác trong một giớ hạn cho
phép.
Orifice plate:
Đĩa có đục lỗ được sử dụng rất phổ biến hiện nay. Đó là nhữn đĩa bằng kim
loại, tương đối bằng phẳng với một lỗ đã biết kích thước.
Hình dạng lỗ rất khác nhau: hình tròn, oval, bán nguyệt hay hình côn.

8


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Khi đo dạc nó được lắp trong ống dẫn nước, đóng vai trò là một bộ phận sơ
cấp, sẽ cản trở dòng chảy để tạo ra sự khác biệt về áp suất khi chất lỏng đi qua.
Ống thông nhau đặt ở hai phía của đĩa để xác định sự chênh lệch áp suất.
Sự tiện lợi của dụng cụ này: không có những phần chuyển động và chi phí
không phụ thuộc vào kích thước dây dẫn.
Các thiết bị này để đo chất lỏng với hệ số Reynol thấp
Những đĩa có lỗ hình côn có dòng vào nghiêng, độ sâu và góc của nó phải
được xác định.
Đĩa có lỗ hình bán nguyệt dùng để đo lưu lượng chất lỏng có chứa các loại
chất rắn với hệ số Reynold thấp. Lưu lượng của chất lỏng tương quan với sự giám

sát của áp suất bằng quan hệ căn bậc hai. Nó rất đơn giản và chỉ có một kích thước
lỗ xác định. Mức giảm áp lực khi qua tiết diện này chỉ bằng một nửa các đĩa truyền
thống.
Venturi:

9


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Có thể đo lưu lượng lớn chất lỏng với mức áp lực thấp. Nó là một ống có
đầu vào nhỏ dần và sau đó là một đoạn thẳng. Khi chất lỏng đi qua phần nhỏ vận
tốc tăng lên và áp suất giảm. Sauu đoạn ống thẳng vận tốc sẽ giảm dần và áp suất
sẽ tăng. Ta sẽ đo áp suất tại hai điểm: một điểm trước đoạn thu hẹp và một điểm
sau đoạn ống thẳng tức là trước khi ống được mở rộng.
Kênh Venturi được sử dụng rộng rãi vì không có những phần động và cản
trở dòng chảy không lớn nên gây ra tổn thất áp lực nhỏ không ảnh hưởng đến dòng
chảy
1.2.2. Đo lưu lượng bằng phương pháp từ tính.
Nguyên tắc để đo lưu lượng bằng phương pháp từ tính là dựa trên hiện
tượng cảm ứng điện từ và định luật Faraday.
Một dung dịch được dẫn qua một vùng từ (dung dịch này có khả năng dẫn
được điện), sự vận động của phần tử trong dung dịch làm cho từ thông gửi qua một
cuộn dây bị biến đổi do đó trong dây sẽ xuất hiện một sứa điện động cảm ứng. Sức
điện động này phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy trung bình và độ lớn vùng cảm ứng
từ E~v
Suất điện động tính theo công thức sau:

10


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Trong đó:
E: Sức điện động cảm ứng.
B: Độlớn cảm ứng từ.
L: Khoảng cách giứa hai điện cực.
v: Vận tốc dòng chảy trung bình.

Độ lớn của vùng từ trường cũng như khoảng cách giữa các điện cực luôn cố
định do vậy dòng điện cảm ứng sẽ tỷ lệ trực tiếp với vận tốc dòng chảy. Một bộ
phận đo sức điện động sinh ra giữa hai cực. Xác định được giá trị này ta sẽ xác
định được lưu lượng.
Phương pháp này có những ưu điểm sau:
-

Tính chính xác cao và ít thay đổi.
Đường kính có thể thay đổi.
Không phụ thuộc vào áp suât nhiệt độ.
Có thể điều chỉnh được.
Tuy nhiên cũng có một vài nhược điểm như sau:
- Điện cựu nhạy với dầu mỡ.
11


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

- Chi phí lắp đặ cao.
* Một minh họa cho máy đo lưu lượng theo nguyên tắc cảm ứng từ: máy đo
lưu lượng turbin.
Thành phần cơ bản của máy này là một rotor turbin có dạng hình quạt được
lắp đặt trong ống dòng chảy. Loại máy này là một máy biến năng, nó cảm ứng
động lượng của dòng chảy. Khi chất lỏng đi qua máy sẽ làm quay cánh quạt, cánh
quạt quay sẽ làm biến thiên từ thông qua một vòng dây làm sinh ra một xung điện
trong vòng dây.
1.2.3. Đo lưu lượng bằng phương pháp 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

12


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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.

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 t2 từ 2 đến 1 thì ta có:
Ta có hiệu sô thời gian truyên sóng là t2 - t1:
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 t2 có thể được đo riêng lẻ và nhân với nhau:
13


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Thay phương trình trên vào phương trình (t2 - ti) ta được:
Từ đó ta có được vận tốc dòng chảy V mà không cần sự tính toán gần đúng: L
Để 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 Co = 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 = Co +v.cos và c2 = 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. λo là khoảng cách L giữa hai cảm biếm. Độ
dài bước sóng λo 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 Co
Phương pháp này cho kết quả chính xác nhất trong phương pháp đo lưu

lượng bằng siêu âm.

2.1.

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG.
Hình vẽ và sơ đồ hệ thống.
14


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

ON

OFF

K2

K1
K1

Rn

RL1
R1

R2

K2

Rn

K2

M
RL2

15


Khoa điện
2.2.

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Nguyên lý làm việc của hệ thống

Theo sơ đồ ta nhấn nút ON cuộn dây K1 có điện sẽ đóng tiếp điểm K1 lại để
duy trì mạch điện. 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 tác động vào role trung
gian 1 làm tiếp điếm thường mở R1 (của cuộn dây R1) đóng lại cuộn dây K2 có
điện sẽ đóng các tiếp điểm K2 bên mạch lực máy bơm bắt đầu hoạt động. Tiếp
điểm K2 đóng lại duy trì mạch điện. Bơm bắt đầu hoạt động bơm nước lên bể.
Khi nước được bơm lên bể, 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 tác động lên rơ le trung gian 2 làm tiếp điểm thường đóng R2
(của cuộn dây RL2) mở ra làm ngắt mạch cuộn dây K2. 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 3: LIỆT KÊ CÁC CẢM BIẾN, PHƯƠNG ÁN
CHỌN CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG.
3.1.

Liệt kê các cảm biến trong hệ thống.

Hệ thống bao gồm 2 loại cảm biến: cảm biến lưu lượng và cảm biến mức.
3.1.1. 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.

3.1.2. Cảm biến mức:
-

Vị trí: Đặt ở vị trí bể chứa
16

Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Nhiệm vụ: Đo mức nước có trong bể, xử lý và truyền tín hiệu để điều khiển
động cơ đóng hoặc mở

-

Các phương án chọn cảm biến trong hệ thống.

3.2.

3.2.1. Một số loại cảm biến đo lưu lượng chất lưu.

a) Công tơ thể tích
Công tơ thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua công 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 ở hình
sau:

Công tơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp với
nhau 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 V1 được đẩy sang cửa ra. Sau đó
bánh răng (1) quay và quá trình tương tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong buồng
V2 được đẩy sang cửa ra. Trong một vòng quay của công tơ thể tích chất lỏng qua
công tơ bằng bốn lần thể tích V0 (bằng V1 hoặc V2). Trục của một trong hai bánh
răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài công tơ.

Thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong thời gian Δt = t 2 - t1 tỉ lệ với số
vòng quay xác định bởi công thức:
Trong đó:
qV - thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với một vòng quay.
N1, N2 - tổng số vòng quay của công tơ tại thời điểm t1 và t2.
17


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Thông thường thể tích chất lưu chảy qua công tơ được biểu diễn dưới dạng:
qc - hệ số công tơ (thể tích chất lưu chảy qua công tơ ứng với một đơn vị chỉ thị
trên công tơ).
Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị công tơ tại thời điểm t1 và t2.
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.
b) Công tơ 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).

18


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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 t1 đến t2 sẽ nhận được thể tích chất lỏng chảy qua công tơ:

Hay:

19


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Với
Công tơ tốc độ tuabin hướng trục với đường kính tuabin từ 50 - 300 mm có
phạm vi đo từ 50 - 300 m3/giờ, cấp chính xác 1; 1,5; 2.
c) Công tơ tua bin tiếp tuyến.
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
từ

Công tơ kiểu tiếp tuyến với đường kính tuabin từ 15 - 40 mm có phạm vi đo
3-20m3/giờ, cấp chính xác 2; 3.
d) 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.
20


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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:
p1, p2 - 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 = F2 /F0 .
Thường người ta không đo độ giảm áp Δp’ = p’ 1 - p’2 ở tiết diện Aưa và BB, mà đo độ giảm áp Δp = p1 - p2 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=W2F2 ρ= W2μF0ρ=
Hay:

G=αF0
Với:
α= gọi là hệ số lưu lượng
Từ các biểu thức trên và F0 = πd2/4, 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
21


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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.

dùng để đo lưu lượng dòng chảy chất lưu có số Reynol nhỏ

e) . 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.

22


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

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;
3.2.2. Cảm biến mức
a) 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.
23


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
• 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.

Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh
a) Dùng phao cầu
sai

b) Dùng phao trụ

c) Dùng cảm biến áp suất vi

Trong sơ đồ trên hình a, 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 trên hình b, 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.
24


Khoa điện

Bộ môn: Đo lường và điều khiển

Trên sơ đồ hình trên hình c, 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 = p0 + pgh

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 60Co hoặc 137Cs), bộ thu là một buồng ion hoá. Ở chế độ phát hiện mức
ngưỡng, 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, 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.

25