Xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất.

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
----™&˜----

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
Đề tài 2: Xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất.
Giáo viên hướng dẫn:

NGUYỄN ĐĂNG HẢI

Sinh viên thực hiện:

LƯU VĂN HƯNG

1631040627

DƯƠNG VĂN LỰC

1631040631

ĐINH VIẾT QUỐC

1631040837

NGUYỄN QUÝ KHOA

1631040798

PHAN DUY KHÁNH

1631040668

PHẠM THÀNH LUÂN

1631040822

Hà Nội - 2016
1


Nội dung đề tài:
Đề tài 2: Xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất, mô tả
công nghệ như hình.

Hệ thống gồm : Động cơ kéo băng tải, hai nút khởi động và dừng hệ thống :
Start, Stop, Bồn chứa chất lỏng cần rót, thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa
thùng, Van 2 được điều khiển để rót chất lỏng vào thùng, Van 1 được điều
khiển để đưa chất lỏng vào thùng bồn chứa. Các thông số cần giám sát là mức
chất lỏng trong bồn chứa và mức chất lỏng rót vào các thùng, vị trí các
thùng trên băng tải. Đối tượng điều khiển là động cơ kéo băng tải, Van1,
Van2 và thiết bị đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng tải. Bồn chứa cao 2m và
các thùng cao 0.5m. Chất lỏng cần rót không có tính dẫn điện, không có
tính chất ăn mòn hóa học .

2


Yêu cầu:
1. Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót

chất lỏng .
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? ( chi tiết )
6. Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán xử lý 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 ( giới hạn, nguyên nhân biện pháp khắc
phục)

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
I.Tổng quan hệ thống
Hệ thống chiết rót chất lỏng là một hệ thống liên tục, kết hợp giữa băng
truyền công nghiệp đưa các thùng rỗng từ kho vào phía dưới bể chứa chất
lỏng cần chiết rót, các van tự động được điều khiển bởi các cảm biến lưu
lượng sẽ điều tiết lượng chất lỏng vừa đủ để rót vào thùng.
Hệ thống này được ứng dụng vào rất nhiều các dây chuyền chiết rót hiện
nay vì nó có khả năng tăng năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm, giảm
nhẹ sức lao động cho người lao động, nâng cao hiệu quả kinh tế, chất lượng
sản phẩm. Đối với một đất nước đang trong thời kì phát triển của sự nghiệp
công nghiệp hóa – hiện đại hóa thì vai trò của nó là không thể thiếu.
Về cơ bản các khâu để chiết rót chất lỏng vào thùng gồm các thành
phần sau:
 Hệ thống khởi động gồm 2 nút start, stop.
 Động cơ kéo băng tải.
 Bồn chứa chất lỏng cần rót, các thùng rỗng được đẩy ra từ kho
chứa thùng.

 Hai van điều khiển để rót chất lỏng vào thùng và đưa chất lỏng
vào bồn chứa.
Như vậy, các thông số cần giám sát ở đây là : mức chất lỏng trong bồn
chứa , lượng chất lỏng được rót vào thùng chứa và vị trí các thùng trên
băng truyền. Ngoài ra, ở mỗi dây truyền không thể thiếu sự giám sát của
con người để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục , an toàn và sửa chữa
khi hệ thống gặp sự cố. Việc tính toán và chọn lựa cảm biến phải chính
4


xác và phù hợp với hệ thống vì yếu tố quan trọng nhất trong dây chuyền
này là các cảm biến.
II.Nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Khi ta ấn nút khởi động start động cơ kéo băng tải bắt đầu làm việc, các
thùng rỗng được đưa từ kho chứa thùng đặt lên băng tải đưa tới phía dưới bồn
chứa chất lỏng và van 2 mở để điều chỉnh lượng chất lỏng vừa đủ (đã được
cài đặt mặc định từ trước) vào thùng chứa, nếu lượng chất lỏng ở bồn chứa
không đủ van 1 sẽ mở để đưa thêm chất lỏng vào thùng bồn chứa.
Hình ảnh về khâu chiết rót chất lỏng trong công nghiệp mà chúng ta
đang xét tới:

5


CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
I. Yêu cầu của đề tài
 Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết







rót chất lỏng.
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?
Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán xử lý tín hiệu đầu ra

của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển?
 Đánh giá về sai số của hệ thống.
II.

Các hướng giải quyết
Đối với hệ thống chiết rót chất lỏng này, chúng em sử dụng:
4 cảm biến:
 1 cảm biến quang loại phản xạ để phát hiện và đẩy thùng rỗng
xuống khi không có thùng rỗng nào trên băng chuyền dưới kho
chứa thùng.
 1 cảm biến tiệm cận điện dung để phát hiện sự có mặt của thùng
rỗng ở phía dưới van 2 để dừng băng tải.
 1 cảm biến siêu âm ở đầu van 2 để đo lưu lượng chất lỏng được rót
vào thùng rỗng và điều khiển sự đóng mở của van 2.
 1 cảm biến siêu âm bên trong bồn chứa để đo lượng nước trong bồn
chứa và điều khiển sự đóng mở của van 1.
a)

Cảm biến quang
Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES) nói một cách

nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành.
Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang,
chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín

6


hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi
có 1 lượng ánh sáng chiếu vào.
 Cảm biến quang loại thu phát độc lập:
Là loại cảm biến có phần phát và phần thu ở trong 2 bộ phận độc lập
nhau và được đặt đối diện nhau:

Khi không có đối tượng xuất hiện ở vị trí trên đường đi của tia sáng
thì trạng thái ngõ ra của bộ phận nhận ở mức thấp “ mức 0”, khi đối
tượng xuất hiện trên đường đi của tia sáng từ bộ phận phát đến bộ
phận nhận thì trạng thái ngõ ra ở bộ phận nhận sẽ ở mức cao “ mức
1”.
• Đặc điểm cảm biến quang thu phát độc lập:
+ Độ tin cậy cao.
+ Thích hợp với việc dùng để phát hiện các đối tượng mờ đục,
không trong suốt hay các đối tượng có tính phản chiếu.
+ Không thích hợp để phát hiện các đối tượng trong suốt.
+ Tầm hoạt động xa nhất so với 2 loại còn lại. Một số có thể hoạt
động đến cự li 274m.
+ Khoảng cách phát hiện xa.
+ Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt đối tượng.
7

 Cảm biến quang loại phản xạ:
Cảm biến quang loại phản xạ có bộ phát và nhận tích hợp chung trong
1 vỏ hay còn gọi là 2 trong 1. Vị trí 2 bộ phận này song song nhau:

Ánh sáng được chiếu đến bộ phận phản xạ và quay trở lại bộ phận tiếp
nhận. Khi có đối tượng chặn ánh sáng, ngõ ra của cảm biến thay đổi
trạng thái. Các đối tượng được nhận biết khi ánh sáng bị ngắt không
phản xạ lại.
• Đặc điểm cảm biến quang loại phản xạ:
+ Độ tin cậy cao.
+ Giảm bớt dây dẫn.
+ Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng.
Do các thùng chứa chất lỏng có thể làm bằng thuỷ tinh trong suốt nên
ta dùng cảm biến quang loại phản xạ. Cảm biến quang ít chịu ảnh
hưởng của chất lỏng, tần số hoạt động cao, chính xác, lắp đặt đơn giản
nên ta chọn CB quang loại phản xạ.

8


b) Cảm biến tiệm cận
Là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật
thể với cảm biến điện từ không tiếp xúc. Cảm biến tiệm cận có 1 vai
trò quan trọng trong thực tế. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến thường là
dạng logic.
Đặc điểm:
+
+
+
+

+

Phát hiện vật không cần tiếp xúc ( nên tuổi thọ cao).
Tốc độ đáp ứng nhanh.
Led hiển thị trạng thái Out.
Đạt tiêu chuẩn IP67 ( tiêu chuẩn IEC).
Đầu sensor nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi, nhiều vị trí, không

gian hạn chế.
+ Có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt mà các loại
cảm biến khác khó có thể hoạt động ổn định được.
Có 3 loại cảm biến tiệm cận: điện từ, điện dung và siêu âm.
 Cảm biến tiệm cận điện dung:
- Cấu tạo:
+ Bộ phận cảm biến(các bản cực cách điện).
+ Mạch ghi nhận tín hiệu; mạch điện ở ngõ ra.
+ Mạch dao động.

9


- Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự thay đổi điện dung khi
vật thể xuất hiện trong vùng điện trường, từ sự thay đổi
này, trạng thái “On”, “Off” của ngõ ra được xác định.
- Ưu điểm:
+ Phát hiện được mọi vật liệu.
+ Ổn định và tốc độ cao.
+ Độ phân giải tốt.
+ Giá thấp.

 Cảm biến tiệm cận điện cảm.
- Nguyên lý hoạt động:
Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện
từ dao động quanh nó. Trường điện từ này được một
mạch bên trong kiểm soát.
Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra
dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật.

10


Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế,
do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao
động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi.
Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau
đó thay đổi đầu ra. vật đã được phát hiện.
- Ưu điểm:
+ Khả năng chống chịu với môi trường tốt.
+ Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc.
- Nhược điểm:
+ Chỉ phát hiện được vật thể là kim loại.

 Cảm biến tiệm cận siêu âm:
- Nguyên lý hoạt động: : Cảm biến siêu âm sử dụng
nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Thời gian sóng âm
thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ
trực tiếp đến chiều dài quãng đường.
- Ưu điểm:
+ Đo được khoảng cách của vật di chuyển.
+ Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt.

+ Không ảnh hưởng bởi màu sắc.
+ Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách.
+ Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoảng cách xa.
- Nhược điểm:
+ Sóng phản hồi chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp
âm.
+ Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi.
+ Khoảng cách tỉ lệ nghịch với tần số.

11


Ta chọn cảm biến tiệm cận điện dung để đo mực nước trong thùng
chứa do cảm biến điện dung có thể phát hiện được mọi vật liệu (cảm
biến điện cảm chỉ có thể phát hiện được kim loại), giá thành hợp lý và
do thùng chứa luôn ở vị trí cố định.

c Cảm biến lưu lượng chất lỏng qua van
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất
khí, chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp. Các
cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt
động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất,
cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu
lượng siêu âm.
 cảm biến lưu lượng dựa vào 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
12

lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Hình
2.1 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.
Hình 2.1: Cảm biến lưu
lượng chênh lệch áp suất kiểu
lỗ tròn (orifice): chênh lệch áp
suất trước và sau lỗ tròn là
Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích
Q được xác định từ biểu thức
Q2=KΔp.
Trong đó :( p1 - áp suất trước
tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K là hệ số phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng,
đường kính).

Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứng
dụng công nghiệp cần lưu ý các điểm sau:
 Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn
định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng.
 Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp.
 Độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ.

13

 Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì
vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm.
 Yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp
suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy.
Vì độ chính xác của loại cảm biến này rất thấp ở dãi lưu lượng nhỏ và
làm ảnh hưởng tới dòng chảy nên ta không chọn cảm biến loại này cho hệ
thống chiết rót chất lỏng công nghiệp.
 Cảm biến lưu lượng 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 (hình2.2). 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 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.

14


Hình 2.2: Cảm biến lưu lượng điện từ: điện 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.
 Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như xi
măng, thạch cao, …vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắp
đặt phía trong ống dẫn.
 Độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng.
 Giá thành cao hơn.

15


Cảm ứng loại này chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện nên ta
không chọn cảm ứng loại này cho dây truyền chiết rót chất lỏng

 Cảm biến lưu lượng Coriolis
Đây là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến. Chúng thực
hiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ống
dẫn. Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạn
cong

(hình 2.3). Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắp

đặt và bảo trì - bảo dưỡng nhưng thiết bị đo loại này rất nhạy cảm

với nhiễu và tác động bên ngoài. Cấu trúc của ống đôi cong cho phép loại bỏ
được nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống dẫn dòng chảy dao động
ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu được nhiễu.

16


Hình 2.3: Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta.
Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy
qua được cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường
mạnh bên ngoài. Khi chất lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó
tạo ra lực Coriolis. Dao động rung của các ống dẫn cùng với chuyển động
thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên các ống dẫn này.
Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối
nghịch với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất
lỏng chảy trong ống dẫn đến phương chuyển động thẳng đứng. Các
sensor điện cực đặt cả phía dòng chảy vào (Inlet pickoff) và phía dòng chảy
ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δt) của tín
hiệu vào (Inlet pickoff signal) và tín hiệu ra (Outlet pickup signal). Sự
dịch pha này (Δt) được dùng để xác định trực tiếp lưu tốc khối
lượng dòng chảy qua ống.

17


Hình2. 4 minh họa hoạt động của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng
đứng im (No flow) và chất lỏng di chuyển (Flow).
Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau:
 Đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp
suất, hình dạng dòng chảy đến phép đo.

 Độ chính xác cao.
 Cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọng
bởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất
lỏng chảy qua ống.
 Không đo được lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ như
chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt)
bởi vì các hạt/vật chất đặc biệt này làm giảm sự dao động của ống
dẫn, gây ra sai số phép đo.

18


 Cảm biến lưu lượng siêu âm
Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vàohiệu ứng Doppler được thể hiện
trên hình 2.5. Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát thực
hiện lan truyền sóng siêu âm với tần số f=0.5-10MHz vào trong chất
lỏng với vận tốc là v. Giả sử rằng hạt vật chất hoặc các bọt trong chất
lỏng di chuyển với cùng vận tốc. Những hạt vật chất này phản xạ sóng lan
truyền đến bộ thu với một tần số f2. Sai lêch giữa tần số phát ra và tần số thu
về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc dòng chảy. Bởi vì loại cảm
biến lưu lượng siêu âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của hạt vậtchất
trong chất lỏng, nên nó không làm việc được với các chất lỏng một pha, tinh
khiết.

Hình 2.5: Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa trên hiệu ứng Doppler: lưu lượng
thể tích Q=KΔ(f1,f2) (f1 - tần số sóng phát, f2 -tần số sóng thu về, K - hệ số
phụ thuộc góc tới/phản xạ, vị trí vật chất phản xạ, mặt cắt ngang)
Cảm biến siêu âm xuyên thẳng (transit-time). Cảm biến loại này
(hình2.6) có thể cho phép đo lưu lượng đối với chất lỏng/khí rất sạch (không
lẫn tạp chất). Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bị biến đổi sóng

siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm với
trục của dòng chảy một góc xác định trước. Mỗi thiết bị biến đổi bao
gồm bộ thu và bộ phát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau (thiết
bị này phát thì thiết bị kia thu). Dòng chảy trong ống gây ra sự sai
19


lệch thời gian của chùm sóng siêu âm khi di chuyển ngược dòng và
xuôi dòng chảy. Đo giá trị sai lệch về thời gian của chùm sóng xuyên
qua dòng chảy này cho phép ta xác định vận tốc dòng chảy. Sự sai lệch thời
gian này vô cùng nhỏ (nano-giây), do đó cần phải dùng thiết bị điện từ, điện
tử có độ chính xác cao để thực hiện phép đo, hoặc tiến hành đo trực tiếp thời
gian này.

Hình 2.6 : Cảm biến lưu lượng siêu âm xuyên thẳng Q=K(t1-t2)/(t1t2) (t1 thời gian sóng xuyên qua dòng chảy xuôi dòng, t2 - thời gian sóng xuyên
qua dòng chảy ngược dòng, K - hằng số phụ thuộc chiều dài đường âm
thanh, tỉ số giữa trục và đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang)
Khi lắp đặt cảm ứng loại này cần chú ý những điểm sau:
 Cảm ứng lưu lượng dựa vào hiệu ứng doppler không đắt.
 Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa ra kỹ thuật đo chất lỏng
không dẫn điện và ăn mòn.
 Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp đặt gá, kẹp vào đường ống hiện
tại, cho phép không cần cắt bỏ hoặc phá hủy một phần đường
ống, loại bỏ đến tổi thiểu sự tác động con người đến chất lỏng độc
hại và giảm sự bụi bẩn cho hệ thống.
 Giá thành đắt và dòng chảy cần được điền đầy ống.
20


 Điểm nổi bật của cảm biến siêu âm là kết quả phép đo độc lập với

hình dạng dòng chảy không có thành phần lắp đặt trong ống,
không làm giảm áp lực.
Với những đặc tính nổi trội ở trên nên chúng tôi chọn cảm biến lưu
lượng siêu âm Transit-time cho hệ thống chiết rót chất lỏng công nghiệp

III. Thiết kế vị trí lắp đặt

21


Trong đó:
CB1 là cảm biến quang loại phản xạ để phát hiện và điều khiển
đẩy thùng từ kho ra băng chuyền.
CB2 là cảm biến điện dung để phát hiện thùng dưới van 2 và
phát tín hiệu cho van 2 mở
CB3 là cảm biến siêu âm để đo lưu lượng qua van 2 và điều
khiển đóng van 2
CB4 là cảm biến siêu âm để đo mức chất lỏng trong bể và điều
khiển đóng mở van 1
IV.Tinh chọn thiết bị


Cảm biến siêu âm đo lưu lượng

Ta đang xét ở đây là thùng chứa và bể chứa có dạng lập phương nên:

22


Thể tích của bể là:

V1 = 2.2.2 =8 m3

Thể tích của thùng là:

V2 = 0,5.0,5.0,5 =0,125 m3

Hiện nay, cảm biến đo lưu lượng bằng sóng siêu âm rất phổ biến.
Trong tài liệu này chúng tôi quyết định sử dụng cảm biến FDT-81(hình 2.7)
cho phép hiển thị trực tiếp lưu lượng chất lỏng qua van 1trên màn hình của
cảm biến. Dưới đây là một số thông số kỹ thuật của cảm biến FDT-81.
• Nguồn cung cấp : pin 12 (v) hoạt động trong 24h và có thể sạc lại
• Nhiệt độ làm việc: 200c -800c
• Đơn vị đo

: m3 , lít

• Đầu ra

: Analog 4-20mA, tối đa 2 mô- đun

• Tiêu chuẩn Vật liệu cảm biến: CPVC, Ultem ® và Nylon
• Màn hình hiển thị: 128×64 điểm đồ họa LED, LCD
• Sai số

: ± 0,5%

• Dải đo

: 1500 lít/h = 0,42 lít/s

23


Hình 2.7: Cảm biến FDT-81
Ta có thể lập được sơ đồ khối mô tả quy trình tính toán và sử lý số
liệu ra vào cảm biến như sau:

Khối sóng xuôi dòng

Start

Khối sóng thu về

Khối tạo xung đếm

stop

Khối đếm

Hiển thị

Từ sơ đồ khối ta có thể xác định được tín hiệu đầu vào là sóng siêu âm
phát ra từ thiết bị sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống, tín hiệu đầu
ra là sóng siêu âm thu về dựa vào sự chênh lệch thời gian của sóng siêu âm
xuôi dòng và sóng siêu âm ngược dòng ta có thể đo được lưu lượng thể tích
qua ống theo công thức: Q=K(t1-t2)/(t1t2)
Trong đó: t1 - thời gian sóng xuyên qua dòng chảy xuôi dòng
t2 - thời gian sóng xuyên qua dòng chảy ngược dòng
K - hằng số, phụ thuộc chiều dài đường âm thanh, tỉ số giữa trục

và đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang.
24


Như vậy, để phép đo được chính xác ta phải đưa vào trong hệ thống
thu và phát sóng siêu âm một sóng siêu âm với tần số f=0,5-10MHz vào
trong chất lỏng với vận tốc v. Và sử dụng một bộ đếm xung (tương tự một
tần số kế chỉ thị số) ở bộ thu sóng siêu âm để đo tần số sóng siêu âm phát ra
và thu về. Ta sẽ đưa phép đo về đo tần số để thực hiện tính toán.
Từ số xung mà bộ đếm xung đếm được ta hoàn toàn có thể tính được
độ chênh lệnh về thời gian giữa sóng siêu âm xuôi dòng và sóng siêu âm
ngược dòng từ đó ta tính được lưu lượng của dòng chảy Q qua ống dẫn.
Ta sẽ đo tần bằng phương pháp biến đổi thẳng ( tần số kê chỉ thị số )
hoạt động trên nguyên lý đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ của tần số
cần đo fx trong khoảng thời gian gọi là thời gian Tdo.

Bộ vào

Tạo xung

K

Bộ đếm

HT

ĐK

MF TS chuẩn
f0

Bộ chia
tần

Hình 2.8: Sơ đồ khối của bộ đếm xung
Ở đầu vào là “bộ vào” bao gồm một bộ khuếch đại dải rộng với dải tần
từ 10Hz đến 10MHz và một bộ suy giảm tín hiệu mục đích để hòa hợp tần
số kế với nguồn tín hiệu có tần số cần đo.

25